基于BIM技術的模板及支架軟件的開發與應用

方敏進　鄭華　劉海安　彭愛軍

【摘 要】自2011年以來，BIM經過多層級的宣傳和推廣，已被較多從業人員熟悉和接受，但離普及應用尚有一定距離，究其原因，其中國內BIM應用軟件不成熟、不全面是主要原因之一。加快BIM點線應用軟件研發，有助于BIM在行業內的普及和深化，是一段不得不經歷和發展的過程，使用者嘗到越多“甜頭”，BIM進程則越快，符合市場經濟一般規律。

【關鍵詞】可視化 BIM應用軟件 模板及支架智能排布 優化和安全驗算 智能設計軟件

【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場的常見危險源，也是安全事故多發部位。《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》（建質[2009]87號文）和《建設工程高大模板支撐系統施工安全監督管理導則》（建質[2009]254號文），相繼對模板及支撐工程的安全管理和監督作出了具體規定和要求。模板及支撐工程專項方案的設計，是非常重要的技術環節，具有專業性強、可操行高、經濟性好、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驗和專業的知識積累。

自2011年以來，BIM經過多層級的宣傳和推廣，已被較多從業人員熟悉和接受，但離普及應用尚有一定距離，究其原因，其中國內BIM應用軟件不成熟、不全面是主要原因之一。加快BIM點線應用軟件研發，有助于BIM在行業內的普及和深化，是一段不得不經歷和發展的過程，使用者嘗到越多“甜頭”，BIM進程則越快，符合市場經濟一般規律。若是將市面上相關模板及支架的軟件進行劃分，可分為兩代，第一代是安全驗算工具，通過輸入參數值完成力學模型的建立和驗算，驗算對象是節點；第二代是模型信息分析處理工具，通過分析建筑結構模型信息，智能給出模板及支架在既定條件下最優的安全搭設方式、尺寸和數量，對象是有信息的結構模型。第一代是結合專業和經驗的效率工具，對使用者專業能力要求較高；第二代是具有BIM技術理念的點線應用，將軟件操作和專業素養粗剝開來，致力于模型數據分析結果的工程運用，具有可視化（三維剖切、虛擬漫游）、協調性（安全技術交底、材料統計和采購…）、模擬性（渲染、圖層管理）、優化性（智能或手動安全驗算和優化）、可出圖性（平、立、剖圖及大樣圖自動生成）。《模板及支架智能設計軟件》即是這樣的BIM單點應用軟件；如圖1圖2所示。

2 設計思想

通過對應用BIM技術項目工程的操作和使用人員的廣泛調研，總結提煉出本軟件研發的基本原則和設計思想：

（1）模板及支架要能夠智能排布、優化和安全驗算。若僅提供圖形繪制工具，提高繪圖效率，從二維設計引向三維設計，這樣來，模板及支架的設計方式沒有本質變化，模型信息數據仍需人工提取，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帶來的技術實惠。

（2）簡單易學。以熟練使用Autocad作為從業人員計算機水平的標桿，至今仍在適用，十五年來，數百萬計已熟練掌握，若加以簡單應用輔導，達成設計思維的轉換并享以成果，那么將具有巨大的應用基礎，在Autocad平臺進行本軟件研發，是因于現狀的謹慎選擇，也是后續BIM應用軟件一段時間內技術路線的選擇。

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

3 技術難點

“圖紙進，圖紙出”打印機式的成果分析和輸出模式，是絕大多數工程技術人員對軟件的奢想，模板及支架工程作為BIM應用軟件的一個應用點，要實現夢想，需要解決以下技術難點：

（1）研發快速手工建模和圖紙轉換建模程序。BIM應用軟件的核心價值在于內置大量的邏輯和運算規則，對模型中包含的數字信息進行分析、提取、輸出、展示和存儲，得出使用者想要的成果。模型的數字信息可多可少，對應軟件價值挖掘亦可淺可深。本軟件所需模型為建筑結構基本信息模型，這為研發快速建模程序提供了可行性，也為解析和運用其他工具建立的模型創造了條件。

（2）研發模板及支架安全驗算優化程序。第一代模板及支架安全驗算程序，實質是試算程序，設定荷載值、荷載組合方式、材料性能、驗算和判定規則，結果唯一性；使用人員修改參數值，重復試算，可實現方案措施的優化，但需要技術和經驗。若實現軟件自動優化，需建立優化規則和快速分析模型信息數據能力，得到每個建筑結構構件的模板及支架搭設尺寸合理區間值，但背景參數和賦值需合理，可重置。

（3）定義模板及支架在模型中的布置規則。建筑結構構件（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，需制定布置規則，以適應不同結構形式、部位、構件，在搭設尺寸合理區間值內確定唯一值；如圖3所示。

（4）所需成果輸出要求和展示要求的確定。現階段施工現場安全技術管理相關資料大部分另存于信息模型之外，相關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范，賦予完整，滿足現下安全技術管理和創新需要；如圖4所示。

4 軟件架構設計

基于當前BIM標準未出臺、業內BIM應用軟件間有形無形的壁壘、當前施工安全管理流程方法和相關軟件工具技能等背景因素，本軟件技術架構如下：

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

（2）技術原理：1）建立驗算引擎，以確定模板支架各構件的的搭設邊界尺寸；2）設置立桿、剪刀撐等桿件搭設和布置的規則；3）讀取模型信息，在規則和搭設邊界尺寸雙重限制下，得出基于結構圖紙的模板支架實際搭設尺寸；4）在圖形平臺上顯示模板支架（二維和三維）；5）優化圖形顯示效果和提升軟件性能；6）按需統計各桿件的規格和數量；7）相關成果輸出。

（3）三維渲染，采用hoops渲染工具，支持動態渲染，實時加載。

（4）計算依據：現行國家、行業和地方規范、標準。

5 功能和特點

（1）提供自建模和轉換建模兩種建模方法。轉換建模通過導入設計院圖紙，大大提高建模速度。

（2）支持三種支撐架體。在國內模板支架搭設方式中，扣件式范圍最廣，盤扣式比較先進，碗扣式北方普遍，模板及支架安全驗算遵循新規范、新標準，也保留少量傳統做法。

（3）適用四種結構構件。現澆結構墻、梁、板、柱模板及支架均可按手動和自動生成相應成果；特殊構件：斜梁、斜板、上翻梁、降板、不規則樓板、圓柱、非規則墻柱等也適用；構件之間的模板及支架構造、連接等按相應規范、標準要求手動和自動設置。

（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、節點圖、三維剖切圖等按需生成，三維瀏覽支持漫游和定位功能。

（5）安全驗算書按需生成。局部構件如需調整混凝土澆筑方法、材料或搭設方法，均可修改背景參數，軟件重新驗算并排布模板及支架。安全驗算書內容按規范、標準要求生成，符合業內閱讀習慣。支持驗算書反查，即通過驗算書逆向確定構件所在模型中的位置，為審核驗算書提供了便利。

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

（7）材料分類統計匯總。混凝土、模板、木方、鋼管等其他構配件理論量均可按樓層、全樓層、區域按構件類型分別匯總，為成本控制、材料采購、進度估算等提供了數據支撐；如圖5所示。

6 應用與反饋

本軟件采用敏捷迭代開發模式，迭代至截稿日，軟件版本發布共計12個，陸續適用的建筑結構構件從梁、板到墻、柱，支架架體由扣件鋼管架到碗扣、盤扣鋼管架。在研發過程中，在上海建工七建集團承建的“中信大廈”工程和廣廈建設集團有限責任公司承建的“紹興市立醫院”工程得到深度應用和數據比對，完善了需求細節設計，提高了使用價值。自首次發布起，據不完全統計，已有30多個高大模板工程項目反饋了專家論證通過意見。在特殊結構做法和工具式架體平立面布置規則多樣性等方面，仍需要不斷研究和完善；在模型信息服務和創新價值挖掘上，研發諸如模板配模放樣、架體材料配料單等深度應用，是下一步研發的方向，進而打通設計、施工、采購、下料、結算的模板工程全過程和全員應用。

7 結語

《模板及支架智能設計軟件》分析數據源于模型信息，安全驗算循于規范標準，方案優化得于施工技術，成果實現出于計算機和內置規則邏輯。該軟件可用于模板工程的虛擬施工、精細化管理等傳統工具難以支撐的專業技術領域，亦可用于專項方案、三維技術交底等技術文件的優化設計和可視化，為保障施工安全、提高工程質量、降低施工成本提供了技術保障和科學依據。BIM當下在業內如火如荼，但也面臨著諸多難題，其中模型信息的挖掘、服務和創造能力，成為決定BIM能否落地的重要因素，支持和發展一系列基于BIM技術的點線應用，應是一條能夠解決BIM“高冷”的現實途徑。