基于BIM技術(shù)的鋁合金模板設(shè)計軟件研究與開發(fā)

(1.中國建筑科學研究院深圳分院，深圳 518057； 2.廣州合潤鋁模架安裝有限公司,廣州 510220)

1 引言

目前在國內(nèi)建筑施工過程中，鋁合金組合模板(以下簡稱鋁模板)正以其具有綠色、低碳、經(jīng)濟、方便、施工質(zhì)量好等多種優(yōu)點，逐步成為建筑項目施工首選的模板材料，大量的住宅項目都開始采用這種施工技術(shù)。同時國家住建部和各地住建局也都在積極鼓勵在建筑施工推廣、應用鋁模板這種綠色施工技術(shù)。

在鋁模板施工中，最重要特點就是在工廠生產(chǎn)加工鋁模板、運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行拼裝，形成可施工的模板。目前在施工現(xiàn)場中沒有鋁模板的加工設(shè)備，因此要求出廠的鋁模板必須進行精準設(shè)計和加工，若運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后才發(fā)現(xiàn)錯誤，會導致無法拼裝，影響施工進度，同時鋁模板必須重新設(shè)計和生產(chǎn)加工，導致成本大幅攀升。可見，鋁模板設(shè)計是鋁模板施工的龍頭，設(shè)計成果的質(zhì)量直接影響后續(xù)的施工及公司的利潤。

國內(nèi)目前鋁模板設(shè)計工作中超過80%的內(nèi)容還是依賴設(shè)計師手動設(shè)計，在鋁模板施工時，不僅要完成結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件設(shè)計，還要把建筑部分(滴水、外圍線條、壓槽等)的構(gòu)件包含進去，這樣形成了更為復雜的三維結(jié)構(gòu)體，增加了設(shè)計工作量，更加大了設(shè)計的難度； 在當前計算機技術(shù)飛速發(fā)展的時期，仍然以人工方式從事這樣重復、低效率的鋁模板設(shè)計工作，不僅是人工的浪費，更影響鋁模板這種新技術(shù)、新材料的推廣。

綜上所述，研究和開發(fā)出一套專業(yè)的鋁模板設(shè)計軟件，變得尤為必要和緊迫。

2 開發(fā)語言及平臺

AutoCAD是目前在設(shè)計行業(yè)中應用最為廣泛、使用人數(shù)最多的CAD軟件。同時，ObjectARX二次開發(fā)相對其它圖形平臺更為成熟，它提供了以C++為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境及應用程序接口，能真正快速的訪問AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫，ObjectARX應用程序是一個DLL(動態(tài)鏈接庫)，可共享AutoCAD的地址空間，實現(xiàn)對AutoCAD進行直接函數(shù)調(diào)用。使用ARX編程的函數(shù)的執(zhí)行速度很高，并且ARX 類庫采用了標準的C++類庫的封裝形式，這也大大提高了程序員編程的可靠度和效率。本軟件基于AutoCAD開發(fā)平臺，采用Visual Studio 2010 組件中C++及C#編程語言完成開發(fā)的。

3 軟件功能介紹

3.1 結(jié)構(gòu)三維建模

結(jié)構(gòu)三維模型是整個軟件的核心，它為模板設(shè)計過程中的沾灰面計算、模板排布、數(shù)據(jù)檢查等環(huán)節(jié)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)構(gòu)三維建模采用智能化的人機交互方式，引導用戶在操作界面中逐步完成柱、墻、梁、板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的建立，搭建起樓層的結(jié)構(gòu)構(gòu)架，在搭建過程中，軟件提供多種編輯功能，包括復制、移動、鏡像、旋轉(zhuǎn)、延伸、對齊等功能，實現(xiàn)構(gòu)件的快速排布和準確定位。

圖1

在本軟件中支持三種模式結(jié)構(gòu)建模：

(1)數(shù)據(jù)接力

可接力國內(nèi)常見結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件(SATWE、MIDAS)的模型數(shù)據(jù)，在減少用戶建模工作量、實現(xiàn)快速準確建模的同時，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)與鋁模板設(shè)計數(shù)據(jù)間的連通，符合BIM技術(shù)思想。

(2)圖紙識別

根據(jù)國家建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和相關(guān)圖集規(guī)范，可對AUTOCAD軟件電子版dwg格式文件的施工圖進行識別。可完成軸線、柱、剪力墻、梁等結(jié)構(gòu)主體內(nèi)容的識別。對識別完成的內(nèi)容進行數(shù)據(jù)分析整理，形成與實際工程完全相符的三維建筑數(shù)據(jù)模型。

軟件支持自動識別和手動識別，可以對批量選中的對象進行識別，也可以單獨選中某一個或幾個對象進行識別，并支持撤銷回退； 軟件支持襯圖功能，提高識別的準確性和方便性。

(3)手動建立

軟件支持純手動的數(shù)據(jù)建模，即逐一完成柱、墻、梁、板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置和繪制，形成整層的結(jié)構(gòu)模型。為便于用戶建模，軟件提供豐富的捕捉、定位功能，以及多種視圖控制顯示功能。

3.2 鋁模板排布及編輯

軟件根據(jù)建筑構(gòu)件形體的不同，結(jié)合鋁模板設(shè)計規(guī)范、模板施工要求和模板材料規(guī)格標準，形成了模板排布的規(guī)則庫。在模板排布設(shè)計時，根據(jù)三維結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互位置關(guān)系，軟件提供模板自動排布、半自動排布、手動排布等多種模板設(shè)計方式，以設(shè)計師設(shè)計理念為主導的同時，也提高了設(shè)計效率和準確性。

軟件提供豐富的鋁模板編輯功能，包括繪制、復制、旋轉(zhuǎn)、移動、鏡像、拉伸，拖拽等功能，排布上的模板自動與結(jié)構(gòu)構(gòu)件建立起關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.3 施工模擬展示

軟件可在三維視圖模式下準確展示出模板的排布情況，配件連接點位置，視圖中可顯示出模板的尺寸規(guī)格，三維視圖是模板設(shè)計結(jié)果的真實展現(xiàn)，尤其在復雜節(jié)點位置，可清晰、準確模擬出施工效果，為模板施工提供指導。

為便于查看，把模板按類別劃分到不同圖層，可進行顏色和顯隱控制。

圖2

3.4 碰漏檢查

鋁模板設(shè)計排布完成后，對存在模板重疊和設(shè)計遺漏的情況，軟件可進行三維空間實體運算檢查，檢查后，相應位置變?yōu)榫旧嵝延脩暨M行修正調(diào)整。

軟件也對各模板連接情況進行準確性檢查，對于出現(xiàn)沒有連接、孔位或銑槽沒有準確對位的模板進行警示色顯示。

3.5 設(shè)計輸出

本軟件基于AutoCAD圖形平臺進行二次開發(fā)，因此在設(shè)計完成后，直接就可以利用AutoCAD提供的圖層控制、線性、比例及布局，打印等多種功能，進行施工圖和模板加工圖的打印輸出，無需導出到其它第三方軟件。

軟件提供輸出模板下料清單和模板用量統(tǒng)計報表功能。以列表形式統(tǒng)計出當前樓層不同分區(qū)的模板用量，內(nèi)容包括模板類別、編號、數(shù)量，面積等，根據(jù)用戶的需求不同，報表輸出內(nèi)容及樣式可進行定制。

4 關(guān)鍵技術(shù)點

(1)構(gòu)建基于BIM技術(shù)的三維建筑數(shù)據(jù)平臺

模板設(shè)計施工在建筑工程生命周期中處于中后期，是建筑生命周期中的重要環(huán)節(jié)。因此，軟件必須可接力上游數(shù)據(jù)，并將本身的數(shù)據(jù)信息繼續(xù)向下游傳送，實現(xiàn)建筑信息數(shù)據(jù)的共享； 其次必須滿足工程出現(xiàn)變更時，模板設(shè)計數(shù)據(jù)能快速跟隨調(diào)整或可局部重新設(shè)計。為此，本軟件是基于BIM技術(shù)進行數(shù)據(jù)模型設(shè)計，三維數(shù)據(jù)模型中可包含多階段的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并可根據(jù)數(shù)據(jù)的增加而進行擴展，實現(xiàn)建筑生命周期中的數(shù)據(jù)管理和共享。

(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件沾灰面提取

結(jié)構(gòu)構(gòu)件沾灰面即鋁模板與建筑構(gòu)件的貼合面。建筑結(jié)構(gòu)形式、施工規(guī)范和模板施工工藝決定了結(jié)構(gòu)構(gòu)件沾灰面的屬性。在提取沾灰面時要考慮的因素很多，包括不同類結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的相交扣減、合并關(guān)系； 在構(gòu)件間關(guān)系的基礎(chǔ)上還要考慮施工工藝。本軟件對結(jié)構(gòu)構(gòu)件間關(guān)系、施工方案和模板工藝等內(nèi)容整理、并深入研究后，形成了計算機可識別的語言、規(guī)則，目前可準確提取出構(gòu)件沾灰面，并可統(tǒng)計出單個及整層構(gòu)件的周長、面積等數(shù)據(jù)，并為后續(xù)的模板自動排布做好數(shù)據(jù)準備。

(3)三維結(jié)構(gòu)模型中的模板排布

鋁模板存在多種類別，包括側(cè)板、底板、轉(zhuǎn)角、撐頭等，模板有單面、雙面、和三面。在模板排布時，軟件根據(jù)模板類型，可準確放置到構(gòu)件的相應位置。軟件內(nèi)置模板設(shè)計規(guī)則庫，并提供根據(jù)設(shè)計師需要，可對規(guī)則參數(shù)進行調(diào)整，符合規(guī)則庫條件的構(gòu)件可實現(xiàn)模板自動排布。

(4)配模方案準確性檢查

拼裝后的鋁模板是一個緊密聯(lián)系的整體，但設(shè)計完成的模板是否與結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面完全吻合？不同模板彼此連接是否合理？模板間是否存在交疊碰撞和空隙？這些問題中的某一個問題的存在，將直接影響結(jié)構(gòu)施工。本軟件是基于BIM技術(shù)進行架構(gòu)設(shè)計，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、鋁模板、模板孔洞、連接配件等多種實體進行三維數(shù)據(jù)實例化，數(shù)據(jù)獨立建立，通過數(shù)據(jù)平臺再將各種數(shù)據(jù)有序地聯(lián)系到一起，因此可以實現(xiàn)鋁模板的模擬施工和碰漏檢查，會檢查出問題點，提示設(shè)計師進行修正。

(5)基于AutoCAD圖形平臺的二次開發(fā)研究

本軟件中三維建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲于后臺數(shù)據(jù)庫中，借助AutoCAD軟件二維線條來展示柱、梁、墻、板和模板等建筑實體，并以符合CAD軟件的習慣進行編輯處理，實現(xiàn)編輯二維圖素，三維數(shù)據(jù)跟隨改變，不改變現(xiàn)有設(shè)計人員的設(shè)計習慣和操作模式，降低了學習和推廣成本。

5 應用效果

為了檢測軟件的應用情況，我們在多個未借助專業(yè)設(shè)計軟件、已完成設(shè)計的鋁模板工程上，運用本軟件對工程重新設(shè)計，進行模擬應用。在應用過程中，本軟件可準確地完成復雜截面構(gòu)件三維建模； 通過軟件的智能模板排布和三維實時顯示和檢查功能，可幫助設(shè)計人員準確、快速地完成了復雜節(jié)點部分的模板排布，在輸出加工圖和清單報表方面，也極大地提高了工作效率； 運用碰漏檢查功能，可消除模板碰、漏的錯誤； 因此與原始的設(shè)計方法相比，極大地提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。

6 結(jié)束語

軟件采用了許多前沿技術(shù)，很好地解決了模板設(shè)計中的難點問題。經(jīng)多個設(shè)計項目使用實踐證明：該軟件除具有技術(shù)先進、使用高效的特點外，還有計算詳細準確、運行穩(wěn)定、人機交互性強，用戶界面良好、操作方便及便于維護的優(yōu)點。該軟件的成功使用可使設(shè)計人員擺脫繁復的重復勞動，把精力和時間用于更重要的設(shè)計優(yōu)化工作中去，以創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

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