数据驱动的装配式BIM构件快速建模设计与应用_邹贻权.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 008数据驱动的装配式 BIM 构件快速建模设计与应用邹贻权1，董道德1，潘寒2，叶雄进3(1 湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068;2 中建三局科创产业发展有限公司，武汉 430056;3 北京橄榄山软件有限公司，北京 100095)摘要:研究并设计了基于数据驱动的装配式建筑预制构件的快速建模。该方法通过对积累的 6 万多张深化图纸梳理分析、提取验证的构件设计数据，形成构件生产标准;开发了基于 evit 的 BIM 构件快速建模工具与出图工具，并将生产标准内置到建模工具中，快速创建 BIM 构件;开发了精确到生产工位层级的图形及数据信息标准，使工位层级的生产、加工与安装的深化设计图纸与工程量清单能精确创建，打通设计-生产的数据链。同时，进一步在装配式建筑项目中进行了对比测试，结果表明，实现了预制构件的快速与精细化建模，该成果大大提高了装配式构件深化设计效率，有利于加强设计到生产的数据联系，有助于构建装配式建筑标准化设计和生产体系，推动设计和生产的智能化升级，提高装配式建筑的综合效益。关键词:装配式梁板;建筑信息模型;快速建模;标准化;数据驱动中图分类号:TU 375文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0036 07esearch and Application of Data driven apid Modeling ofAssembly Beam and Slab BIM ComponentsZOU Yiquan1，DONG Daode1，PAN Han2，YE Xiongjin3(1 School of Civil Architecture and Environment，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China;2 China Construction Third Bureau Science and Technology Development Co，Ltd，Wuhan 430056，China;3 Beijing Olive Hill Software Co，Ltd，Beijing 100095，China)Abstract:A data-driven approach to rapid modelling of prefabricated components for assembled buildings has beenstudied and designed The method forms component production standards by combing and analyzing over 60 000 deepdrawings accumulated and extracting verified component design data，develops a revit-based BIM component rapidmodelling tool and drawing tool，builds production standards into the modelling tool to quickly create BIM components，and develops graphic and data information standards accurate to the level of the production workstation It enables theproduction，processing and installation of workstation-level The BIM modeling tool has been developed to create BIMcomponents quickly The results show that the rapid and refined modelling of prefabricated components has beenachieved，which has greatly improved the efficiency of the deepening design of assembly components，helped tostrengthen the data link between design and production，helped to build a standardized design and production system forassembly buildings，promoted the intelligent upgrading of design and production，and improved the comprehensivebenefits of assembly buildingsKey words:fabricated beam plate;building information modeling;rapid modeling;standardization;data-driven收稿日期:2022-06-28基金项目:住房和城乡建设部项目(2020-Z-002)作者简介:邹贻权(1973 )，男，湖北公安人，硕士，教授，主要研究方向为数字化设计与智能建造。Tel:[phone];E-mail:zouyq mail hbut edu cn0引言预制构件是装配式建筑结构的重要组成部分，贯第 1 期邹贻权，等:数据驱动的装配式 BIM 构件快速建模设计与应用穿于装配式建筑的设计、生产、运输及装配各个环节1。然而，预制构件的形式多样、配筋复杂，影响构件深化设计效率。为此，深化设计师采用以建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)为主的数字化技术，引入 BIM 技术协同装配式建筑构件深化设计，借助 BIM 信息化、可视化的优点满足深化设计需求2。在构件的建模方式研究上，邓朗妮等3 采集预制构件参数，如叠合梁的高度、尺寸形状、组件排布规律等，调用样板构件，修改参数，快速完成预制叠合梁的参数化 BIM 建模研究。罗远峰等4 分析了装配式建筑构件的钢筋排布规律，研究装配式建筑构件钢筋参数化钢筋建模方法，减少手动绘制三维钢筋的建模量。在构件的标准化研究上，文献 5-8 中从构件的拆分设计、框架节点连接、功能模块库、构件编码等描述了构件标准化设计要点与设计方法。研究人员对构件的参数化研究，虽然参数化是 BIM 建模的基础，通过相关的参数、运算等驱动软件达到创建图形的目的，使得建模的效率提高，但均需要人工建立参数文档，模型精度受个体行为影响而难以得到保障9。本文 引 入 一 种 基 于 数 据 驱 动 的 构 件 建 模 方法10-11，并基于 BIM 软件开发了相应的工具软件，以梁、剪力墙构件为例进行创建。能够对构件的 BIM 模型快速创建与精细化创建，提升构件的标准化程度，加深设计端与生产端的数据联系提供参考。1基于数据驱动的构件设计方法1.1基于生产的构件数据驱动流程本文研究的装配式构件建模设计流程以数据驱动的构件设计为主，并对常见的参数化辅助软件的构件设计进行对比。1 1 1数据驱动设计流程基于数据驱动的 BIM 构件创建方法的设计流程:(1)数据预处理。通过对某大型建筑央企 4 年装配式建筑项目 6 万多张构件深化设计图纸进行梳理分析，提取经项目验证的构件设计数据作为数据来源，并总结为相应的生产标准。生产标准关联设计、生产与建造的同时符合国家标准、行业规范。(2)工具开发。将生产标准内置到开发的 BIM工具软件中，实现知识自动化。工具软件不再是传统的建模软件，而是面向生产的工业软件。工具软件基于样板文件实现配筋、预埋件等组件的自动化生成排布，提升建模效率。(3)数据库搭建。创建成功的参数化 BIM 构件核验、入库后形成标准化构件数据库。(4)生产应用。向数据库中输入生产信息后，通过编码调取数据库中的构件，应对不同项目的设计、生产。本文将生产标准内置到建模软件中，减少了构件类型，快速建模的同时提升构件的标准化程度。创建的 BIM 构件，精细化程度较高，研发精确到生产工位的 2 级图形与数据信息标准，实现设计与生产的一体化设计。1 1 2参数化设计流程常用构件深化设计的建模辅助类 BIM 软件有Planbar、BeePC、盈建科(YJK-AMCS)、PKPM-PC 等，在建模效率与标准化程度上有一定的区别。Planbar 是一种 3D CAD 解决方案，构件和构件中钢筋等采取自由建模的方式绘制而成，提升了建模效率。BeePC、YJK-AMCS、PKPM-PC 的构件模型是在完成方案设计与结构整体分析后，拆分整体模型产生，拆分后的构件模型仍需对构件长度、预埋件、连接节点等进行添加核准。构件之间可能因为个别尺寸单独变化就需要重复建模，使得工作量增大，模型的建立耗费大量的时间12，影响建模效率。软件对于拆分出来的单个构件中配筋等组件的设计基于相关的规范图集自动生成或手动调整输入，较少的考虑了构件的生产，构件的标准化程度较低。辅助建模软件主要使用参数化设计方式完成预制构件深化设计，通常针对项目级别和单个构件级别。BIM 构件以经过结构计算后的模型拆分或参数化建模辅助软件为主，对 BIM 构件修改、核准后完成相应的生产应用，并保存到参数化构件库。利用辅助软件出图出量工具进行构件的生产应用。图 1 所示为数据驱动设计与参数化设计对比流程图。图 1数据驱动设计与参数化设计流程对比1 2基于生产的构件分析通过对大量生产图纸梳理分析后形成的生产标准，主要表现为形成构件的建模标准或构件的二维图纸到三维 BIM 模型所需要表达的构件信息与数据。生产标准中数据含有:项目公共数据、结构计算数据及73第 42 卷构件几何数据 3 种。其中:项目公共数据主要是项目设计总说明中的信息，如混凝土强度、抗震等级等设计要点;结构计算数据由结构计算书获取;构件几何数据包含平、立面拆分图等设计图纸，展现构件的轮廓、配筋等信息。以梁构件为例，其生产标准组成关系如图2 所示。生产标准中所形成用于结构加固的结构计算数据，由结构分析计算书中可知梁的钢筋截面积信息，但没有提供详细的配筋信息。在原有设计中，配筋由一次结构设计完成，受设计习惯等主观因素影响，因而无法实现构件标准化。本文通过获取截面积信息实现梁构件的配筋，在符合结构设计规范条件下，考虑构件标准化程度与工厂生产需求，将不同截面积与配筋数据固定下来，用图 3 所示的钢筋截面积与构件配筋选型。使用 API 或者脚本将配筋规则内置到建模软件中，实图 2梁构件的生产标准组成关系图现建模时，输入面筋与底筋的截面积，匹配相应的直径、锚固形式、锚固长度等自动化完成配筋。图 3构件钢筋截面积与配筋选型的匹配关系1.3基于生产的信息关联构件设计的关键技术为设计、生产的信息关联和构件规则的不断优化迭代。即构件可以拆解为设计、生产、物料信息。构件中的钢筋均带有固定编号信息，对应加工表，在明确构件和相应编号的前提下，能输出设计物料信息与相应的钢筋加工信息。数据库中构件有对应的文件夹及图形文件，可在全阶段输入相应的生产信息，同步关联设计、生产信息，实现构件数字化。构件关联的生产信息，且作为构件在数据库中被调取时，可同步生成并输出生产信息。如图 4 所示为剪力墙构件与生产信息的关联图。将生产标准内置在构件中时，构件的创建规则并不是固定的，在明确有结构泛用性更强、生产成本更低的构件信息时，可输入新的生产模型信息，实现构件模块的迭代升级。图 4剪力墙构件与生产信息的关联图2工具开发2.1开发平台与开发模式本文开发平台应用的 PC 机配置为 Intel()XeonCPU，显 卡 为 GTX1080，16GB AM，操 作 系 统 为Windows 10;应用的软件主要有 VS2015(Microsoft83第 1 期邹贻权，等:数据驱动的装配式 BIM 构件快速建模设计与应用Visual Studio 2015)、基于 BIM 的建模软件 evit2016、面向对象的编程语言 C#。通过 evit 应用程序接口(ApplicationProgrammingInterfaces，API)进 行开发13。2.2界面开发本文基于数据驱动开发的建模工具，在 evit2016中扩 展 插 件，添 加 一 个 外 部 应 用(IExternalApplication，IEA)，即添加菜单或工具条，二次开发生成的插件在启动和关闭 evit 时自动执行14。功能模块的主界面如图 5 所示，主要包括预制梁板模块、附属配件模块、数据输出模块。图 5构件建模功能模块主界面2.3预制梁板模块2 3 1创建梁 BIM 构件界面中“预制梁板”模块包含梁、剪力墙构件创建。其中梁 BIM 构件创建步骤如下:(1)构件建模 UI 界面设计。本文基于 evit 平台使用 WinForm(Windows Form)进行构件建模界面的设计。WinForm 是基于 Net 的窗体开发模式在 evit 中呈现，如图 6 所示为设计的 BIM 全预制梁构件建模界面。图 6BIM 全预制梁构件建模界面(2)链接设计数据。WinForm 对不同类型的数据类型提供了 TextBox、ComboBox、GroupBox、adioButten等多种控件。将构件数据传入到主程序中，数据传输方便快捷。在界面上输入构件的保护层厚度、混凝土强度等生产数据，完成数据的输入。(3)配置钢筋信息。所选取装配式全预制梁的配筋包含面筋、腰筋、箍筋以及拉筋等。梁的钢筋通过界面上输入钢筋截面积，程序可确定主筋的配筋，并输入箍筋与腰筋的配筋信息。本文钢筋使用 HB400 级钢筋，在保证结构设计的安全性的同时，还能够节约钢筋的材料消耗。选择使用锚固板作为面筋与底筋的锚固形式，锚固板的设计也符合相关的国家建筑标准设计图集 17G345钢筋锚固板应用构造15。(4)创建 BIM 构件。BIM 软件 evit 是由族(Family)组成的，其中所有建筑元素都被分为族，在族中可以添加多种包含尺寸，形状等属性信息的族类型(FamilySymbol)。当族类型被载入到 evit 项目中，相应的族实例(FamilyInstance)便被创建完成。族的创建在 evit 平台中完整呈现预制构件的信息，并且符合国家相关规范与标准，梁的钢筋排布符合国家标准图集 16G101钢筋平法图集16。本文创建全预制梁构件时调用 evit 中命名为“ModuleTemplate rfa”的族样板文档环境进行模型的创建，样板内置了含构件各组件的族，创建构件保存后快速进行下一个构件的创建。截面上钢筋的放置使用API 中的 public XYZ 方法确定截面位置，钢筋的长度则由 API 中 public class Line:curve 通过线确定，使用API 中 FamilyCreate NewFamilyInstance 方法调用族文件创建钢筋实例。“预览”按钮可触发程序中准备的事件，通过调用 Execute 函数执行程序来创建梁构件。BIM 的全预制梁构件示例如图 7 所示。图 7全预制梁 BIM 构件示例(5)模型校核与修改。在创建的 BIM 构件中，可检查模型是否符合设计要求，若需要进行修改，在属性面板中针对设计需求进行修改。(6)BIM 模型编码与入库。构件标准化数据库作为数据驱动设计的关键，数据库内构件编码与生产信息相关联，在符合生产标准下，核验保存作为 BIM 构件标准化数据库。从而减少后续的设计和生产的工作量，降低模具设计的工作量和成本，配套的生产模具由构件标准化数据库中的构件配套准备。2 3 2创建剪力墙 BIM 构件依据梁创建工具的设计流程、设计思路与建模步骤，添加竖向围护结构的外墙板与内墙板的族实例93第 42 卷FamilyInstance，如图 8 所示为剪力墙 BIM 构件示例。在装配式混凝土结构连接部位较小，采用传统的钢筋连接方式不便于施工，故在外墙板与内墙板中使用灌浆套筒，解决了在装配式结构中纵向连接问题，实现“装配等同于现浇”设计要求。图 9 所示为剪力墙构件中的灌浆套筒，其具有安装便捷、适用性广等优点。图 8剪力墙 BIM 构件示例图 9剪力墙构件中的灌浆套筒2.4附属配件功能模块2 4 1埋件添加“附属配件”模块包含预制墙板、预制埋件、钢筋剪切和移动埋件。如“预制墙板”针对构件是否需要添加保温层，外墙板保温层被两层墙板夹在中间，依次由外页墙板、保温层、内叶墙板构成，通过拉结件组成一个整体，实现结构、装饰、保温一体化。墙板构件中种类繁多，主要包含有生产类预埋、施工类预埋以及机电管线类的预埋。不同种类的预埋，包含预埋件不相同、预埋位置不同、参与的分包单位也不尽相同，给预制构件中的一体化、标准化设计带来了较大的困难。增强预埋件的标准化添加，将预埋件的生产标准融入到构件中，从而实现公用或者通用，提升预埋件构件标准化水平。除了需要手动添加的预埋件，在程序中，如铝模棒、斜撑预埋螺栓、防腐木、止水螺栓、吊钉之类的生产类预埋件均可自动添加。如图10 所示为部分生产类预埋件实例，图 11 所示为剪力墙构件自动化添加预埋件实例。(a)预埋螺栓(b)防火木(c)铝膜棒(d)止水螺栓图 10剪力墙预埋件族实例图 11剪力墙构件自动化添加预埋件实例2 4 2附属配件模块关键技术附属配件模块对模型进行优化调整，使得更加符合构件的生产、安装也有利于图纸与工程量的准确性。钢筋剪切与移动埋件可以对构件的钢筋、埋件进行修改调整。如图 12 所示为剪力墙构件上部企口实例，企口用于墙顶存在楼板时，墙的顶部要预留出楼板搭接区，导致墙的顶面并不在楼层标高处，需要降板。图 12剪力墙构件上部企口实例2.5数据输出功能模块本文设计的构件精细化、标准化程度较高，研发精确到工厂生产工位层级的图形与数据标准，即基于“数据输出”模块创建供生产、加工的 2 级深化设计图纸与工程量表，主要包含:总图层级、工序图层级的加工图纸;总量单层级、工序量单层级的工程量表。从而实现构件图形设计数据与生产数据的关联，改变传统设计过程中设计端与生产端衔接较差问题。其数据输出界面实例如图 13 所示。图 13数据输出界面04第 1 期邹贻权，等:数据驱动的装配式 BIM 构件快速建模设计与应用(1)图纸层级。总图层级包含一次结构拆分图、模板图、布筋图等，每张图包含国标规定的视图画法，并说明预制构件的位置、功能、几何模型及制造方式;工序图层级主要包含符合生产工序、工艺特点的工位图，如埋件工位图、布料轮廓工位图，吊顶、吊环工位图等。构件在工厂生产时，不同工位拥有不同的加工图纸，图纸对应构件的生产信息，实现设计到生产的结合，加快生产效率。(2)工程量层级。总量单层级包含钢筋下料表、埋件明细表等;工序量单层级包含各工序加工量表，如预埋配件明细表、底模工位表等。建立总量单与工序量单 2 级数据标准，同步总图、工序图 2 级设计深度与设计结果，打通设计-制造数据链。(3)数据关联。数据输出模块还包含更新图纸料表与导出 BOM 清单，可对图纸与工程料表进行更新并导出。3项目运用以武汉地区某装配整体式剪力墙项目为例，选取其中 5#楼作为本文开发的数据驱动工具软件与常用的参数化深化设计辅助软件在建模速度、构件提升的标准化程度进行对比验证。该项目地下 2 层，地上 33层，住宅总建筑面积约 11 859 m2。单体楼栋预制装配率 56%，预制构件主要应用于标准层，验证主要针对梁构件、剪力墙进行研究对比。5#楼所使用的外墙板编号 YWQ1-YWQ9、内墙板编号 NQ1-NQ18、梁构件编号 L1-L10。其中，建模速度和配套模具量对比分析如表 1 所示，数据驱动与参数化建模评价对比如表 2所示。表 1建模速度和配套模具量对比类型构件编号构件数量建模时间/min模具使用量/套辅助软件设计方式数据驱动设计方式辅助软件设计方式数据驱动设计方式剪力墙外墙板YWQ1-YWQ22662056622剪力墙内墙板NQ1-NQ18481544818梁L1-L1010203105表 2数据驱动与参数化建模评价主要评价指标数据驱动设计参数化设计深化目标设计时考虑生产，符合生产标准，适用于多个项目设计 较少 考 虑 构 件 生产，适用于单个项目或构件数据来源多个项目总结的生产标准项目构件拆分或单个构件翻模建模质量构件精细程度高，构件无需多余的手动调整、自动化程度较高构件精细程度较低，需手动调整数据库构件标准化数据库，适用后续多个项目生产参数化构件库，适用于单个项目模型信息完整保存了生产信息，数据传输完整，有利于后续应用数据传输容易造成缺失操作难度工具软件操作简单操作复杂、易重复修改生产应用两级生产标准，精确到工位层级未精确工位层级(1)建模时间。在梁构件、剪力墙构件精细化建模中，对比单个构件 2 种建模方式的模型精度能够达到深化设计标准所需要的平均时间，由表 1 可见，本文的建模工具提升建模效率平均达 75%以上。(2)模具配套量。在提升构件的标准化方面，对5#楼中的所使用的梁板构件进行量化分析，对比构件生产时所需的模具套数，验证 BIM 构件提升的标准化水平。由表 1 可知，基于数据驱动创建的 BIM 构件和标准化模块库可大幅度减少构件生产所需的模具套数，平均减少模具使用量达 60%，提高了模具的通用性，降低了模具的生产成本。不同项目调用数据库中的构件进行拆分与设计，配套的模具可直接调用。(3)参数化建模评价。由表 2 可见，本文 BIM 构件设计方式与参数化辅助软件设计方式在深化目标、数据来源、建模质量、构件数据库以及生产应用上有明显的区别。4结语本文提出基于数据驱动的装配式 BIM 构件快速建模方法，并开发相应的工具软件，通过实际工程对比验证，结果表明:该方法能够完成多样化装配式构件的快速、高效与精细化建模且标准化程度较高，有利于提升装配式建筑深化设计效率;研发的两级图形与数据信息标准，强化构件设计与工厂生产之间的数据联系，贴近生产场景，优化工作流程，降低生产成本;该研究也可复用于楼板、楼梯等多样化的装配式构件，优化的装配式建筑设计、生产工作，有利于装配式建筑的推广应用。本文的 BIM 技术在装配式建筑设计领域中的应用提供新的设计思路，推广数字化协同设计、夯实装配式建筑标准化和数字化的基础。参考文献(eferences):1陈伟，孙翔君，王朝晖，等 装配式建筑预制构件质量链管控14第 42 卷SD 模型J 土木工程与管理学报，2020，37(6):14-202邓朗妮，周峥，叶轩，等 基于建筑信息模型的装配式构件深化设计流程 J 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16中国建筑标准研究院 混凝土结构施工图平面整体表示方法和构造详图:16G101S 北京:中国计划出版社，檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿2016(上接第 16 页)5结语本实验综合考虑了储层岩性、物性、润湿性以及敏感性等，以潜在损害因素与实际实验结果相结合进行综合评判，准确区分认识水敏与水锁伤害的影响权重，为储层保护措施设计提供理论依据与技术支撑。实验结果表明:岩心矿物组分、微观结构形貌、润湿性与孔喉分布特征分析可以明确储层伤害的潜在因素，是准确区分认识水敏与水锁的前提;常规水敏伤害的评判结果往往包含水锁伤害，评判结果具有一定片面性，需要区分水锁伤害后进行准确评判;根据建立的水敏与水锁 区 分 认 识 实 验 方 法，实 验 岩 心 水 锁 伤 害 为76.69%，水敏伤害为 13.91%，为强水锁弱水敏，与常规实验方法评判得到的水敏结果相反。本实验还可用于石油工程专业相关专业实验教学课程，提高学生对水敏与水锁的认识程度与形成机理。由于本实验涉及的知识面较广，开展本实验时，可采取分模块+多组联合的方式开展实验，每组测试不同实验参数，然后数据共享分析;也可将本实验设置为大创训练项目，结合其他相关专业问题开展系统研究。参考文献(eferences):1王永辉，卢拥军，李永平，等 非常规储层压裂改造技术进展及应用J 石油学报，2012，33(S1):149-1582刘易非，黄海 压裂液滤液对特低渗透储层驱油效率的影响 J 油气地质与采收率，2007(1):94-973梁天博，马实英，魏东亚，等 低渗透油藏水锁机理与助排表面活性剂的优选原则 J 石油学报，2020，41(6):745-7524唐洪明，朱柏宇，王茜，等 致密砂岩气层水锁机理及控制因素研究 J 中国科学:技术科学，2018，48(5):537-5475林光荣，邵创国，徐振锋，等 低渗气藏水锁伤害及解除方法研究 J 石油勘探与开发，2003(6):117-1186杨永利 低渗透油藏水锁伤害机理及解水锁实验研究J 西南石油大学学报(自然科学版)，2013，35(3):137-1417钟新荣，黄雷，王利华 低渗透气藏水锁效应研究进展J 特种油气藏，2008，15(6):12-158周小平，孙雷，陈朝刚 低渗透气藏水锁效应研究 J 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