基于BIM技術的工業化預制裝配虛擬實驗教學平臺的構建

蔣博雅

(南京工業大學 建筑學院， 南京 211816)

0 引 言

隨著信息技術的發展，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術及虛擬模擬建造技術廣泛應用于工業化裝配過程。2013年教育部正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，通過建設具有示范引領的虛擬仿真實驗教學中心，推進實驗教學信息化建設。將信息化技術與實驗室虛擬仿真平臺結合可以有效促進工業化建筑方向、工程管理學科之間的相互交叉和相互滲透，同時實驗室虛擬建設恰好為預制裝配這一新型建造方式提供一個很好的信息化共享平臺。

建筑學是一門綜合性學科，涉及理、工、文、藝諸領域，且正行走在更寬泛的交叉學科的道路上，實驗教學是大學教學的重要組成部分，除了培養學生實踐和創新意識之外，更重要的是讓學生深入了解國際前沿的工業化建筑學科領域技術，隨著近幾年建筑信息化的快速發展[1-8]，與計算機、管理學以及相關專業的高度融合促進實驗室向多元化虛擬教學發展[9-10]，真正讓學生切身體驗線上模擬與線下教學的一體化教學環境。

1 預制裝配虛擬仿真平臺面臨的問題

1.1 試驗性建造研究成本高

如建筑學、建筑設備、建筑節能等領域缺乏足夠的參考案例。所以，僅靠單一的專業背景，很難完成關于啟動資金、運營成本、收入的具體財務分析。對于高校而言，如果在教學和科研中不利用仿真虛擬實驗，而直接進行試驗性的建造研究，不但投資高，而且早期失敗的風險較大。為了普及和推廣虛擬建造實驗的概念，并著重研究不同地區裝配式建筑的潛在經濟效益和能源消耗情況，學院鼓勵老師開發擁有獨立知識產權的專業軟件。

1.2 基于工業化建造的工作目標分解結構建設的平臺基本沒有

傳統的建設工程根據工作目標分解，將某一建筑項目分為4個層級，即單項工程、單位工程、分部工程和分項工程，并以此構建建設項目的工作分解結構(Work Breakdown Structure，WBS)體系。但是工業化住宅產品的施工方法、工藝流程、使用材料與構配件趨向單一化、標準化。一般的工程建設項目的目標解構已不能滿足現代工業化發展的要求，適用于工業化發展的虛擬仿真實驗平臺更是缺乏[11]。

1.3 BIM技術中量算實現方法存在的問題

盡管BIM解決方案提供了強大的工程量計算功能，但這些操作都不能取代成本預算本身。預算人員在項目過程中執行的工作遠不止材料量化及測量，執行的預算過程包括評估項目中可能對成本產生影響的條件，而其中一些因素是計算機無法進行判斷的，只能靠人工來完成，因此，想要通過BIM工具實現全過程自動化的成本預算是比較困難的，目前人們正積極探索部分或者絕大部分實現自動化的可能[12]。

Autodesk Revit中的實例屬性參數功能一直未被重視，研究人員或軟件供應商一直未對它的功能作進一步的開發。Autodesk Revit中的實例屬性功能有很多優勢，可以根據自己的需要對相應的族自行添加所需的參數，并且對輸入的是否是數字沒有要求，可以自行設定編碼、場地屬性、進度信息等，信息覆蓋面廣。然而，用戶缺乏合理利用此項功能并將它的功能與建造過程關聯指導實際現場施工的意識，主要是由于Revit軟件還無法直接導出實例屬性參數并合理集成既有數據，這需要對Autodesk Revit進行2次開發才能實現。

2 工業化建筑新型學科方向下的虛擬仿真需求分析

利用Revit API研發一套專用于可移動鋁合金工業化建筑模型的自動族參數統計導出插件。用Revit API實現成本預算管理的可行且高效的做法是考慮如何導出族實例參數來突破預算過程中BIM本身明細表量算(工程量計算)工具導出的數據覆蓋面窄的局限，實現快速可視化、對象識別及參數提取[13]。在實例參數設置過程中考慮如何將成本預算和建造過程高度結合，從而為可建造性審查提供可靠依據，為價格優化預留出更多的時間(見圖1)。

圖1 族、族類型、族實例類圖

3 實驗教學案例

為了促進教師科研成果落地，應將科研成果轉變為切實可行并能廣泛應用的教學案例[14-15]。以開發的《基于Revit輕質結構工業化建筑構件BIM信息集成及數據統計軟件》為例，該軟件已經成功獲得軟件著作權，該軟件的主要功能是：利用Revit API研發一套專用于可移動鋁合金工業化建筑模型的自動族參數統計導出插件。技術特點：通過Revit API實現訪問文檔對象、進行對象過濾、族創建、模型動態更新、模型顯示分析結果等功能。基于Revit API開發的插件可以擴展和增強Revit的功能和應用。

將Revit插件放在虛擬仿真平臺上，可供學生分享和體驗，加深對工業化裝配施工技術與裝配式管理概念的理解與認識，掌握該類型的設計中多方案比較和可行性分析的方法。這需要教師具備一定的計算機專業知識，通過C語言編程(詳見4.2,4.3)，在頁面上清楚地展示該軟件網絡界面，實驗使用者直接通過登錄網站，模擬實際工業化裝配過程，根據需要將數值輸入或點擊，并可以自動化生成工業化裝配散件清單結果，讓教師的科研成果真正地轉化為實驗教學內容，讓科研成果真正地落地(見圖2)。

3.1 操作過程

(1) 實現目標。在工業化建筑項目中，設計人員不僅需要為采購、生產建筑構件的供應商提供鋁合金型材的統計清單，而且還要為建造階段的施工團隊提供詳細的建造指導方案(如建造流程圖、建造所需的工器具、組織人員、模擬建造等)。為了最大限度地減少下游工廠制造、現場建造所消耗的工時，那么設計人員使用軟件工具的功能就不能只是停留在簡單輸出2維平面圖紙、3維透視圖或是簡單輸出明細表這一層面，項目下游階段還要求設計軟件能夠自動生成某些表格，提取用于建造流程所需的詳細的過程數據。也就是說，工業化建筑項目不僅在出圖層面對設計軟件的要求很高，在軟件輔助功能方面也有超出常規項目水平的需求。從而為工廠制造的觸發點——即材料下單，人員的安排，機具的準備等提供有力的支持。

圖2 工業化總體裝配流程網絡化模擬

目前，Autodesk Revit系列軟件解決方案在明細表功能研發方面做出了嘗試和努力，Revit 軟件本身已經具備了半自動化程度的算量統計功能，但量算數據類型較少，并且離全自動化還有一段距離。

(2) 軟件框架。整個系統按照功能分為3個模塊：① 參數處理模塊。針對REVIT的工業化BIM模型進行族的構件分類和自定義共享參數。② 族實例設置模塊。對相應的族實例導入工業化信息平臺設置的共享參數。③ 自動化數據導出及統計模塊。工業化信息平臺的BIM模型是由單獨的散件和構件構成，對應單獨的族文件，系統族將以實例的形式導出其參數，在新產品研發過程中還可直接使用工業化信息平臺中已經導入的族及參數，最大化地使族類型復用，以實現工業化生產制造。

(3) Revit API架構。以上第3點提及的自動化數據導出及統計模塊是需要通過Revit API來實現。Revit API是建立在Revit產品基礎之上的一個類庫，需要在Revit運行時才能工作。通過Revit API可以實現訪問文檔對象、進行對象過濾、族創建、模型動態更新、模型顯示分析結果等功能。基于Revit API開發的插件可以擴展和增強Revit的功能和應用(見圖3)。

圖3 Revit API 架構

3.2 Revit 2次開發實現步驟

使用C#語言在Visual Studio 2010中進行Revit 2次開發，主要有兩種方式：

方式1使用外部命令(External Command)，添加一個Revit功能，使用Add-in Manager或ini加載后，用戶點擊按鈕啟動執行。

方式2使用外部應用(External Application)添加ribbon菜單和工具條或者其它初始化命令，外部應用將在Revit啟動或關閉時自動運行。

實現方法運用的是方法1。

3.3 實現方法

首先，在REVIT中為自定義構件族設定統一的共享參數，制定好應用標準，設定所需的過程管理參數。其次，對REVTI進行2次開發，以下是Revit 2次開發實現步驟：

(1) 打開的一個Revit文檔(.rvt，.rfa，…)，通過它獲取族實例文檔對象，獲得Revit當前活動的UIDocument。

commandData.Application.ActiveUIDocument

獲得當前級別UI文檔中的數據庫文檔

commandData.Application. ActiveUIDocument.Document

(2) 通過過濾器獲取當前文檔中的所有族實例。

過濾器是API中使用最廣的方式，也是推薦使用的方式。

首先創建一個收集器(collector):

FilteredElementCollector collector = new Filtered-ElementCollector(RevitDoc)；

然后創建一個過濾器：

ElementClassFilterFamilyInstFitler = newElement-ClassFilter(typeof(FamilyInstance))；

接著調用收集器的WherePasses函數對元素進行過濾：

collector.WherePasses(FamilyInstFitler)；

之后可以遍歷收集器，獲取需要的元素：

foreach (FamilyInstancefaminst in collector)

(3) 遍歷每一個族實例，獲取該族實例的所有參數，將參數寫入目標文件。

foreach(FamilyInstancefaminst in collector)

{

foreach (Parameter param infaminst.Parameters)

{

//獲取族實例的所有參數

(4) 編輯遍歷到的當前族實例文檔，遞歸執行(2)和(3)，獲取嵌套的族實例的所有參數。

(5) 生成所有族實例的參數文件。

① 導出的數據結果并進行統計分析。程序最終實現了對依照既定規則設定的輕質裝配化建筑信息模型的自動化輸出Microsoft Excel電子表格格式的過程數據的統計。

② 程序導入并運行。點擊“the External Tools”按鈕去打開Add-in Manager(Manual Mode)對話框加載程序，然后點擊“運行”按鈕生成結果(見圖4、5)。

③ 接口導出的部分參數。BIM族實例通過接口可以全部導出，具體包含族名稱、參數名稱和參數值，如表1所示，圖中僅選取了導出的部分族實例參數進行說明。

④ 經信息集成后得到所需的各階段裝配信息。將導出的參數排序規整后，每個階段所需的組件及組件的組裝次序一目了然，并且對應每個組件每個工序所需的材料、價格、進度時間都可以清楚地看到。如在組裝次序方面，先進行1級工廠化的內圍護體模塊(NW1)裝配，再將NW1與結構體模塊(JG)和外圍護體模塊(WW)實現2級工廠化的裝配，組裝成U1，最后主體單元體(U1)與其余模塊依照裝配工序現場總裝成建筑產品成品(見表2)。

表1 通過建筑信息模型的Revit API接口導出模型參數

⑤ 細化的1級工廠化裝配階段的結構框架統計。圖6顯示了3級工廠化階段的結構框架建筑信息模型，在清楚每個階段的組裝次序及大體的組裝參數后，對實例參數可以進行更加詳盡的設置，通過接口可以得到更加細化每一構件的進度、材料、組織、人工費、機具統計，即更加全面和詳細的5D基礎數據信息。

圖6 結構框架1(JG1)的1級工廠化裝配

通過建造工法和過程進度統計，清楚看到構件組的安裝工序，對應每個部件細化了的安裝步驟和工法說明，通過單個部件起始時間和結束時間，數量的統計得出最終的總消耗時間(見表3)，便于合理安排工作，也便于工人清楚每個部件的安裝順序和安裝要領，提高工作效率，降低時間成本。

表2 建筑信息模型中每一組裝階段的參數信息統計

表3 結構框架1(JG1)的建造方法說明與組裝過程數據統計

4 結 語

基于計算機虛擬仿真技術構件的實驗平臺，在工業化裝配建筑施工、BIM建筑管理課程群中，打破沒有線上教學的空白，通過新增的虛擬仿真實驗，增加過去無法進行的實驗內容，實現傳統建筑理論形象化再現，使網絡化、技術化創新實驗與課程設置緊密結合，相互補充，從而形成“教學—實踐—創新”良性循環的層次化多結構的虛實結合的實踐教學體系，保證了適應現代建筑發展的高素質新型創新人才培養的需要。

另一方面，通過虛擬仿真實驗教學，加強教師對信息化技術運用的動力，培養學生對工業化裝配虛擬仿真設計的常用軟件，如REVIT/BIM及管理評估軟件等的直觀認識，通過操作這些軟件提高實際工程施工技術、施工流程、輔助設計、項目管理能力。同時抽象化的特點也增強了學生的想象力，培養了他們的創新意識，增強學生對專業知識把握的信心，加強對信息化技術的應用能力。

實驗中心建立目的是增強學生實踐中的創新意識，在學生參與各種競賽項目中，學生可利用工業化建筑創新實踐虛擬仿真平臺進行仿真分析。在分析的基礎上，可增強學生在模擬工業化建筑建造、建筑信息模型、節能建筑技術等方面的探索，有力促進學生在競賽中發揮技術強項，學生及教師獲得多項國家發明專利、實用新型專利、軟件著作權等，依托平臺促進高質量論文的發表，促進學校間、國際間的學術交流。