基于BIM技術(shù)的模板及支架軟件的開發(fā)與應(yīng)用

方敏進(jìn)　鄭華　劉海安　彭愛軍

【摘 要】自2011年以來，BIM經(jīng)過多層級的宣傳和推廣，已被較多從業(yè)人員熟悉和接受，但離普及應(yīng)用尚有一定距離，究其原因，其中國內(nèi)BIM應(yīng)用軟件不成熟、不全面是主要原因之一。加快BIM點(diǎn)線應(yīng)用軟件研發(fā)，有助于BIM在行業(yè)內(nèi)的普及和深化，是一段不得不經(jīng)歷和發(fā)展的過程，使用者嘗到越多“甜頭”，BIM進(jìn)程則越快，符合市場經(jīng)濟(jì)一般規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】可視化 BIM應(yīng)用軟件 模板及支架智能排布 優(yōu)化和安全驗(yàn)算 智能設(shè)計(jì)軟件

【Abstract】Since 2011， BIM through multiple levels of publicity and promotion， has been more familiar with and accepted by practitioners， but there is a certain distance from the popularity of the application， the reason， which is not mature domestic BIM application software， is one of the main reasons. Accelerate BIM point line application software research and development， contribute to the popularity and deepening of BIM in the industry， is a period of experience and development of the process， users have tasted the sweetness， BIM process is faster， in line with the general law of the market economy.

【Key words】visualization；BIM application software；Template and support intelligent arrangement； optimization and safety check；Intelligent design software

1 引言

混凝土模板支撐工程是施工現(xiàn)場的常見危險(xiǎn)源，也是安全事故多發(fā)部位?！段ｋU(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理辦法》（建質(zhì)[2009]87號文）和《建設(shè)工程高大模板支撐系統(tǒng)施工安全監(jiān)督管理導(dǎo)則》（建質(zhì)[2009]254號文），相繼對模板及支撐工程的安全管理和監(jiān)督作出了具體規(guī)定和要求。模板及支撐工程專項(xiàng)方案的設(shè)計(jì)，是非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，具有專業(yè)性強(qiáng)、可操行高、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠等要求，而滿足這些并不容易，需要有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)的知識積累。

自2011年以來，BIM經(jīng)過多層級的宣傳和推廣，已被較多從業(yè)人員熟悉和接受，但離普及應(yīng)用尚有一定距離，究其原因，其中國內(nèi)BIM應(yīng)用軟件不成熟、不全面是主要原因之一。加快BIM點(diǎn)線應(yīng)用軟件研發(fā)，有助于BIM在行業(yè)內(nèi)的普及和深化，是一段不得不經(jīng)歷和發(fā)展的過程，使用者嘗到越多“甜頭”，BIM進(jìn)程則越快，符合市場經(jīng)濟(jì)一般規(guī)律。若是將市面上相關(guān)模板及支架的軟件進(jìn)行劃分，可分為兩代，第一代是安全驗(yàn)算工具，通過輸入?yún)?shù)值完成力學(xué)模型的建立和驗(yàn)算，驗(yàn)算對象是節(jié)點(diǎn)；第二代是模型信息分析處理工具，通過分析建筑結(jié)構(gòu)模型信息，智能給出模板及支架在既定條件下最優(yōu)的安全搭設(shè)方式、尺寸和數(shù)量，對象是有信息的結(jié)構(gòu)模型。第一代是結(jié)合專業(yè)和經(jīng)驗(yàn)的效率工具，對使用者專業(yè)能力要求較高；第二代是具有BIM技術(shù)理念的點(diǎn)線應(yīng)用，將軟件操作和專業(yè)素養(yǎng)粗剝開來，致力于模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果的工程運(yùn)用，具有可視化（三維剖切、虛擬漫游）、協(xié)調(diào)性（安全技術(shù)交底、材料統(tǒng)計(jì)和采購…）、模擬性（渲染、圖層管理）、優(yōu)化性（智能或手動安全驗(yàn)算和優(yōu)化）、可出圖性（平、立、剖圖及大樣圖自動生成）。《模板及支架智能設(shè)計(jì)軟件》即是這樣的BIM單點(diǎn)應(yīng)用軟件；如圖1圖2所示。

2 設(shè)計(jì)思想

通過對應(yīng)用BIM技術(shù)項(xiàng)目工程的操作和使用人員的廣泛調(diào)研，總結(jié)提煉出本軟件研發(fā)的基本原則和設(shè)計(jì)思想：

（1）模板及支架要能夠智能排布、優(yōu)化和安全驗(yàn)算。若僅提供圖形繪制工具，提高繪圖效率，從二維設(shè)計(jì)引向三維設(shè)計(jì)，這樣來，模板及支架的設(shè)計(jì)方式?jīng)]有本質(zhì)變化，模型信息數(shù)據(jù)仍需人工提取，不符合“人性”的追求；在模型上一鍵得到需要的成果，才是需要BIM帶來的技術(shù)實(shí)惠。

（2）簡單易學(xué)。以熟練使用Autocad作為從業(yè)人員計(jì)算機(jī)水平的標(biāo)桿，至今仍在適用，十五年來，數(shù)百萬計(jì)已熟練掌握，若加以簡單應(yīng)用輔導(dǎo)，達(dá)成設(shè)計(jì)思維的轉(zhuǎn)換并享以成果，那么將具有巨大的應(yīng)用基礎(chǔ)，在Autocad平臺進(jìn)行本軟件研發(fā)，是因于現(xiàn)狀的謹(jǐn)慎選擇，也是后續(xù)BIM應(yīng)用軟件一段時(shí)間內(nèi)技術(shù)路線的選擇。

（3）快速高效。建模要快，尤其是安全專項(xiàng)方案報(bào)批、備案階段；成果要好，按需選擇，稍微調(diào)整；性能要高，普通電腦要適用，降低應(yīng)用門檻和成本。

3 技術(shù)難點(diǎn)

“圖紙進(jìn)，圖紙出”打印機(jī)式的成果分析和輸出模式，是絕大多數(shù)工程技術(shù)人員對軟件的奢想，模板及支架工程作為BIM應(yīng)用軟件的一個(gè)應(yīng)用點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)夢想，需要解決以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）研發(fā)快速手工建模和圖紙轉(zhuǎn)換建模程序。BIM應(yīng)用軟件的核心價(jià)值在于內(nèi)置大量的邏輯和運(yùn)算規(guī)則，對模型中包含的數(shù)字信息進(jìn)行分析、提取、輸出、展示和存儲，得出使用者想要的成果。模型的數(shù)字信息可多可少，對應(yīng)軟件價(jià)值挖掘亦可淺可深。本軟件所需模型為建筑結(jié)構(gòu)基本信息模型，這為研發(fā)快速建模程序提供了可行性，也為解析和運(yùn)用其他工具建立的模型創(chuàng)造了條件。

（2）研發(fā)模板及支架安全驗(yàn)算優(yōu)化程序。第一代模板及支架安全驗(yàn)算程序，實(shí)質(zhì)是試算程序，設(shè)定荷載值、荷載組合方式、材料性能、驗(yàn)算和判定規(guī)則，結(jié)果唯一性；使用人員修改參數(shù)值，重復(fù)試算，可實(shí)現(xiàn)方案措施的優(yōu)化，但需要技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。若實(shí)現(xiàn)軟件自動優(yōu)化，需建立優(yōu)化規(guī)則和快速分析模型信息數(shù)據(jù)能力，得到每個(gè)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模板及支架搭設(shè)尺寸合理區(qū)間值，但背景參數(shù)和賦值需合理，可重置。

（3）定義模板及支架在模型中的布置規(guī)則。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件（墻、梁、板、柱）的形狀、尺寸、位置、高度等共同影響著模板及支架在模型中的布置方式，需制定布置規(guī)則，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)形式、部位、構(gòu)件，在搭設(shè)尺寸合理區(qū)間值內(nèi)確定唯一值；如圖3所示。

（4）所需成果輸出要求和展示要求的確定?，F(xiàn)階段施工現(xiàn)場安全技術(shù)管理相關(guān)資料大部分另存于信息模型之外，相關(guān)管理流程亦脫離于信息模型之外，因此需對軟件輸出成果加入規(guī)范，賦予完整，滿足現(xiàn)下安全技術(shù)管理和創(chuàng)新需要；如圖4所示。

4 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于當(dāng)前BIM標(biāo)準(zhǔn)未出臺、業(yè)內(nèi)BIM應(yīng)用軟件間有形無形的壁壘、當(dāng)前施工安全管理流程方法和相關(guān)軟件工具技能等背景因素，本軟件技術(shù)架構(gòu)如下：

（1）研發(fā)平臺，采用Autocad平臺，支持2008/2012/2014主流版本。

（2）技術(shù)原理：1）建立驗(yàn)算引擎，以確定模板支架各構(gòu)件的的搭設(shè)邊界尺寸；2）設(shè)置立桿、剪刀撐等桿件搭設(shè)和布置的規(guī)則；3）讀取模型信息，在規(guī)則和搭設(shè)邊界尺寸雙重限制下，得出基于結(jié)構(gòu)圖紙的模板支架實(shí)際搭設(shè)尺寸；4）在圖形平臺上顯示模板支架（二維和三維）；5）優(yōu)化圖形顯示效果和提升軟件性能；6）按需統(tǒng)計(jì)各桿件的規(guī)格和數(shù)量；7）相關(guān)成果輸出。

（3）三維渲染，采用hoops渲染工具，支持動態(tài)渲染，實(shí)時(shí)加載。

（4）計(jì)算依據(jù)：現(xiàn)行國家、行業(yè)和地方規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

5 功能和特點(diǎn)

（1）提供自建模和轉(zhuǎn)換建模兩種建模方法。轉(zhuǎn)換建模通過導(dǎo)入設(shè)計(jì)院圖紙，大大提高建模速度。

（2）支持三種支撐架體。在國內(nèi)模板支架搭設(shè)方式中，扣件式范圍最廣，盤扣式比較先進(jìn)，碗扣式北方普遍，模板及支架安全驗(yàn)算遵循新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)，也保留少量傳統(tǒng)做法。

（3）適用四種結(jié)構(gòu)構(gòu)件。現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)墻、梁、板、柱模板及支架均可按手動和自動生成相應(yīng)成果；特殊構(gòu)件：斜梁、斜板、上翻梁、降板、不規(guī)則樓板、圓柱、非規(guī)則墻柱等也適用；構(gòu)件之間的模板及支架構(gòu)造、連接等按相應(yīng)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求手動和自動設(shè)置。

（4）施工圖紙自動生成。立桿平面布置圖、剪刀撐定位圖等自動生成，剖面圖、節(jié)點(diǎn)圖、三維剖切圖等按需生成，三維瀏覽支持漫游和定位功能。

（5）安全驗(yàn)算書按需生成。局部構(gòu)件如需調(diào)整混凝土澆筑方法、材料或搭設(shè)方法，均可修改背景參數(shù)，軟件重新驗(yàn)算并排布模板及支架。安全驗(yàn)算書內(nèi)容按規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求生成，符合業(yè)內(nèi)閱讀習(xí)慣。支持驗(yàn)算書反查，即通過驗(yàn)算書逆向確定構(gòu)件所在模型中的位置，為審核驗(yàn)算書提供了便利。

（6）高大模板工程自動識別。通過解析模型信息，結(jié)合辨識條件，即可篩查符合特征的構(gòu)件和部位，并高亮列表顯示，雙擊表行可逆向定位構(gòu)件所在位置。

（7）材料分類統(tǒng)計(jì)匯總。混凝土、模板、木方、鋼管等其他構(gòu)配件理論量均可按樓層、全樓層、區(qū)域按構(gòu)件類型分別匯總，為成本控制、材料采購、進(jìn)度估算等提供了數(shù)據(jù)支撐；如圖5所示。

6 應(yīng)用與反饋

本軟件采用敏捷迭代開發(fā)模式，迭代至截稿日，軟件版本發(fā)布共計(jì)12個(gè)，陸續(xù)適用的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件從梁、板到墻、柱，支架架體由扣件鋼管架到碗扣、盤扣鋼管架。在研發(fā)過程中，在上海建工七建集團(tuán)承建的“中信大廈”工程和廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司承建的“紹興市立醫(yī)院”工程得到深度應(yīng)用和數(shù)據(jù)比對，完善了需求細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，提高了使用價(jià)值。自首次發(fā)布起，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有30多個(gè)高大模板工程項(xiàng)目反饋了專家論證通過意見。在特殊結(jié)構(gòu)做法和工具式架體平立面布置規(guī)則多樣性等方面，仍需要不斷研究和完善；在模型信息服務(wù)和創(chuàng)新價(jià)值挖掘上，研發(fā)諸如模板配模放樣、架體材料配料單等深度應(yīng)用，是下一步研發(fā)的方向，進(jìn)而打通設(shè)計(jì)、施工、采購、下料、結(jié)算的模板工程全過程和全員應(yīng)用。

7 結(jié)語

《模板及支架智能設(shè)計(jì)軟件》分析數(shù)據(jù)源于模型信息，安全驗(yàn)算循于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，方案優(yōu)化得于施工技術(shù)，成果實(shí)現(xiàn)出于計(jì)算機(jī)和內(nèi)置規(guī)則邏輯。該軟件可用于模板工程的虛擬施工、精細(xì)化管理等傳統(tǒng)工具難以支撐的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，亦可用于專項(xiàng)方案、三維技術(shù)交底等技術(shù)文件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可視化，為保障施工安全、提高工程質(zhì)量、降低施工成本提供了技術(shù)保障和科學(xué)依據(jù)。BIM當(dāng)下在業(yè)內(nèi)如火如荼，但也面臨著諸多難題，其中模型信息的挖掘、服務(wù)和創(chuàng)造能力，成為決定BIM能否落地的重要因素，支持和發(fā)展一系列基于BIM技術(shù)的點(diǎn)線應(yīng)用，應(yīng)是一條能夠解決BIM“高冷”的現(xiàn)實(shí)途徑。