裝配式建筑正向設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用

姜瀚淇 戰(zhàn)美秋 崔新杰 許偉業(yè) 彭基娜

【摘? 要】從裝配式建筑正向設(shè)計(jì)的出發(fā)使用BIM技術(shù)，可使BIM技術(shù)及正向設(shè)計(jì)優(yōu)勢得到更好的發(fā)揮。構(gòu)建并推廣裝配式建筑正向設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)可顯著推動(dòng)BIM正向設(shè)計(jì)的全過程應(yīng)用，更好的將正向設(shè)計(jì)理念與裝配式建筑相結(jié)合，促進(jìn)建筑綠色建造的快速發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】裝配式建筑;正向設(shè)計(jì);軟件平臺(tái)研發(fā)

引言

目前的BIM設(shè)計(jì)流程為CAD二維施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成后，由BIM建模人員將二維施工圖轉(zhuǎn)換為三維BIM模型，稱為“BIM逆向設(shè)計(jì)”，目前絕大多數(shù)設(shè)計(jì)過程都采用“逆向設(shè)計(jì)”。“正向設(shè)計(jì)”是基于BIM技術(shù)的“先建模，后出圖“的設(shè)計(jì)方法”，直接從三維BIM模型入手，減少設(shè)計(jì)過程中的工作反復(fù)，大大提高設(shè)計(jì)與構(gòu)件生產(chǎn)效率。

1.正向設(shè)計(jì)優(yōu)勢特點(diǎn)

1.1發(fā)揮設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力提高設(shè)計(jì)效率

傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師的大部分精力都在二維圖的繪制與修改上，而正向設(shè)計(jì)可讓設(shè)計(jì)師更多地精力用于設(shè)計(jì)本身，專注于設(shè)計(jì)優(yōu)化與創(chuàng)作，給設(shè)計(jì)師更廣闊的發(fā)揮空間。

1.2各專業(yè)實(shí)施協(xié)同設(shè)計(jì)與全過程管理

BIM模型中將包含各方面的設(shè)計(jì)相關(guān)信息，主要以信息載體，信息量遠(yuǎn)大于圖形的信息量，利用BIM模型可進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)共享，提高溝通效率。

1.3設(shè)計(jì)問題前置化預(yù)判后期施工風(fēng)險(xiǎn)

利用BIM技術(shù)可視化模擬后期建造過程，將設(shè)計(jì)在施工時(shí)會(huì)遇到的問題前置，預(yù)先模擬施工，提前預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)并解決，更好的服務(wù)于施工過程，保證施工的質(zhì)量與安全。

1.4信息存儲(chǔ)深度提高

BIM正向設(shè)計(jì)的工程量信息可根據(jù)時(shí)空維度、構(gòu)建類型等匯總、拆分、對(duì)比分析等快速提取與篩選，也可以在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)增多信息，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，其信息的完整性大大提高。

2.裝配式建筑正向設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)研發(fā)意義

建筑工業(yè)化已經(jīng)成為我國建筑行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)，更是綠色建造發(fā)展和建筑產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必經(jīng)之路。目前，BIM技術(shù)設(shè)計(jì)普遍采用“翻?！彼悸窞橹鳎瑢?dǎo)致了BIM技術(shù)在裝配式建筑的應(yīng)用優(yōu)勢并不突出。從正向設(shè)計(jì)出發(fā)應(yīng)用BIM技術(shù)，研發(fā)裝配式建筑正向設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，使基于BIM技術(shù)的正向設(shè)計(jì)在裝配式建筑工程當(dāng)中得以廣泛的應(yīng)用，對(duì)我國建筑工業(yè)化的快速發(fā)展意義重大。

3.軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與技術(shù)手段

3.1建筑結(jié)構(gòu)建模

利用Revit軟件分析建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型BIM數(shù)據(jù)，并將其在管理結(jié)構(gòu)當(dāng)中運(yùn)用。部分非幾何信息內(nèi)容比較廣泛，需結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整設(shè)計(jì)信息，為設(shè)計(jì)人員實(shí)踐操作提供便利。為了提高Revit軟件BIM模型的兼容性，需使用Revit內(nèi)部自帶的建模邏輯開展操作。針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)墻與板等因素，則可以選用Revit中的墻、板系統(tǒng)族。

Revit軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)非幾何信息表達(dá)的內(nèi)容較少，故非幾何信息必須要在開發(fā)過程中輸入到系統(tǒng)。Revit軟件可利用對(duì)話框形式將得到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總信息輸入，同時(shí)，為了提高人員操作的熟練度，界面設(shè)計(jì)和GSSAP要盡量保持相同。

Revit軟件內(nèi)部包括軸網(wǎng)輸入模塊輸入軸網(wǎng)信息，為了提高建模速度，Revit軟件要以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的傳統(tǒng)方式輸入為基礎(chǔ)，進(jìn)行墻、柱、梁等相關(guān)輸入模塊的開發(fā)，在模塊輸入構(gòu)件截面尺寸信息即可完成結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型的構(gòu)建，不考慮Revit軟件規(guī)定的族定義等內(nèi)容。

3.2建筑模型結(jié)構(gòu)計(jì)算

運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS采用分離式建模方法，對(duì)水平荷載作用下的受力性能進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件配筋率、墻體配筋率、連接節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)整個(gè)體系抗震性能影響。為后續(xù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供參考。

3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于Revit軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面比較弱，為保證設(shè)計(jì)的效率與效果，可在Revit主菜單中增設(shè)模型導(dǎo)入、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、構(gòu)件布置、荷載導(dǎo)入等子菜單，達(dá)到結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)的基本目的。利用GSRevit將構(gòu)件的幾何數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)總體數(shù)據(jù)以及荷載數(shù)據(jù)等全部輸入其中，確保在結(jié)構(gòu)計(jì)算用到的信息可在BIM模型中得到應(yīng)用，再利用BIM模型計(jì)算信息與建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件GSSAP結(jié)合展開結(jié)構(gòu)計(jì)算，最后取出GSSAP給出的數(shù)據(jù)以及有限元分析軟件SATWE等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算結(jié)果，利用Revit軟件獲得建筑結(jié)構(gòu)施工圖紙，應(yīng)用在BIM模型擴(kuò)展當(dāng)中。

3.4施工圖的生成

由于繪制施工圖的過程不統(tǒng)一，GSRevit軟件專門開發(fā)以墻柱梁板鋼筋為主體的標(biāo)記族、大樣族，用于施工圖的繪制。通過族參數(shù)可選擇繪圖習(xí)慣，提高軟件的適用性。繪制施工圖主要采用平面表示法，針對(duì)不同設(shè)計(jì)單位所使用的繪制方式存在差異，可將所了解的繪圖方法輸入到自動(dòng)成圖軟件。設(shè)計(jì)人員在開發(fā)GSRevit軟件的過程中，按照需求開發(fā)出不同部件的施工圖族，得到完善的施工圖紙。利用GSRevit將結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件所得出的結(jié)果讀取，再通過Revit的自動(dòng)生成功能得到墻柱梁板模板與鋼筋施工的圖紙。生成GSRevit施工圖紙的過程中，配筋信息自動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為后期結(jié)構(gòu)信息修改提供便利。

3.5預(yù)制構(gòu)件的生成

可在Navisworks Manage中定義操作過程先后順序，關(guān)聯(lián)各個(gè)部件節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)碰撞檢查后施工模擬仿真。傳輸構(gòu)件生產(chǎn)信息模型至預(yù)制構(gòu)件廠，依據(jù)進(jìn)度安排預(yù)制構(gòu)件制作及運(yùn)輸計(jì)劃。

4.正向設(shè)計(jì)平臺(tái)在方案設(shè)計(jì)、施工階段應(yīng)用?

（1）BIM正向設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)以BIM正向設(shè)計(jì)全套集成技術(shù)為基礎(chǔ)，具備建筑設(shè)計(jì)可視化、數(shù)據(jù)信息傳遞等功能，可把建筑形體與環(huán)境有效地緊密地結(jié)合在一起，對(duì)建筑功能進(jìn)行更加深入可視化分析與優(yōu)化。

（2）直接利用可視化平臺(tái)進(jìn)行裝配施工方案裝配細(xì)部節(jié)點(diǎn)模擬、進(jìn)度模擬等，降低各專業(yè)在后期的設(shè)計(jì)變更，保證設(shè)計(jì)精細(xì)化，降低項(xiàng)目管理風(fēng)險(xiǎn)，并同時(shí)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)從構(gòu)件設(shè)計(jì)、制作、運(yùn)輸、裝配全階段的造價(jià)控制。

（3）除滿足機(jī)電專業(yè)本身出圖、碰撞檢查、管線排布優(yōu)化和機(jī)房布置等常規(guī)設(shè)計(jì)外，更可直觀的設(shè)計(jì)階段優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件上的穿管、開洞、點(diǎn)位、預(yù)埋線管等，在三維模型中一目了然，解決了傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)過程中二維圖紙傳遞信息不直觀、信息不及時(shí)等弊病。

5.結(jié)語

本文敘述了裝配式正向設(shè)計(jì)平臺(tái)的研發(fā)流程與應(yīng)用優(yōu)勢。正向設(shè)計(jì)平臺(tái)的研發(fā)是裝配式建筑建造過程的應(yīng)用必然趨勢，其對(duì)突破裝配式建筑發(fā)展瓶頸，發(fā)揮裝配式建筑高效建造的優(yōu)勢，促進(jìn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)底層平臺(tái)軟件研發(fā)，驅(qū)動(dòng)裝配式建筑創(chuàng)新發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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項(xiàng)目基金：2020年度吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)可視化正向設(shè)計(jì)與施工》（項(xiàng)目編號(hào)：202010191074）。