工業化生產PC構件的BIM技術定位優化

姚剛，秦蔚壑，周夢，劉文凱

(重慶大學 a.土木工程學院；b.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室；c．計算機學院，重慶 400045)

作為預制混凝土(PC)構件工業化生產的開始環節，定位決定了每一批次中PC構件的生產數量、混凝土的尺寸及預留預埋的位置。定位不僅影響PC構件的生產效率，也影響PC構件的生產質量。傳統的定位依靠技術人員的經驗，存在生產效率低、費工費時、錯誤率高等缺點。

美國在2012年將工程信息模型引入到土木領域，以提高工程數據的連續性[1]。建筑信息模型(BIM)技術的興起為彌補傳統定位技術的缺點提供了新的思路。隨著BIM技術的推廣，其應用范圍越來越廣泛，很多學者也進行了大量研究。Kurdziel等[2]構建了智能建筑系統，以實現建筑工程全方位集成。Moghadam等[3]提出將BIM和精益相結合的管理模型。Javier等[4]也提出了基于BIM-GIS的建筑供應鏈監控系統。齊寶庫等[5]首先將BIM技術引入到裝配式建筑全生命周期管理中。于龍飛等[6]構建了基于BIM的裝配式建筑集成建造系統的總體框架。曹江紅等[7]提出了基于BIM的裝配式建筑三階段質量管理體系，以統一工廠和現場的質量管理。劉平等[8]構建了基于BIM的裝配式建筑供應鏈信息流集成模型，并對模型架構和各階段的應用進行分析。胡珉等[9]提出了預制裝配式建筑的BIM設計標準框架，為裝配式產業鏈信息溝通提供路徑。田東等[10]提出了基于BIM技術的裝配式建筑深化設計方法，讓信息在產業鏈的各環節能夠協同與傳遞。靳鳴等[11]引入BIM技術進行裝配式建筑深化設計，并制定相應標準。王愛蘭等[12]通過BIM技術模擬，提前制定PC構件施工方案。李廣輝等[13]利用BIM模型進行動態和靜態碰撞，檢查優化裝配式結構。

為了解決傳統定位技術中存在的問題，筆者提出了基于PC構件工業化生產的、應用BIM技術的定位方法，并對其進行優化。首先，根據深化設計圖紙和生產方案建立PC構件的BIM模型；然后，結合定位的實際情況，提取PC構件模型中相關生產信息；最后，通過改進的最低水平線算法自動排布預生產的構件，對定位進行優化。

1 BIM模型的創建及定位信息的提取

1.1 BIM模型的創建

PC構件BIM模型的創建與一般的BIM模型有所不同。以Revit軟件建模為例，PC構件不僅要作為族被項目文件運用，同時PC構件也是由多個元素組成。多層級的關系和建模軟件的局限性，使得PC構件BIM模型的創建復雜而特殊。如何正確有效地建立信息模型，直接影響到構件的生產質量和生產效率。

筆者應用Revit軟件，結合PC構件的多層級特點，采用嵌套族創建PC構件的BIM模型。同時，制定參數化建模標準，從模型信息和建模過程來規范信息模型。模型信息主要包括幾何信息和非幾何信息；建模過程主要包括建模軟件版本號、創建方式、模型的儲存等。

PC構件包括疊合板、疊合梁、預制柱、預制墻板等，其參數化建模標準包括6個方面，以疊合板族為例進行說明。

1)族的組成 首先分析PC構件的組成：PC構件族為嵌套族，子族為各個零件，如鋼筋、混凝土、預留預埋件等；父族為各個零件的集合。其中，劃分零件既要種類完整，也要滿足一定的通用性。

疊合板族的組成，父族為疊合板，子族為混凝土底板、預埋件等，見圖1。

圖1 疊合板的組成Fig.1 Component of superimposed

2)族的命名 族的命名包括父族命名和子族命名，主要參考行業已有標準，結合Revit軟件可變參數(參數化建模的參數)的設置，符合族的使用習慣。子族的命名也可以依據形狀、功能等。

疊合板族的命名參考圖集《桁架鋼筋混凝土疊合板(60 mm厚底板)》(15G366-1)，結合寬度等可變參數；其子族的命名依據鋼筋形狀，具體命名見表1。

表1 族和類型名稱的命名規則Table 1 Naming rules for family and type names

3)族的基本信息 族的基本信息根據應用目的分析確定，其主要應用于生產。PC構件的BIM模型信息主要包括原材料、零件幾何尺寸和位置尺寸，具體可分為總信息、混凝土信息、鋼筋信息、預埋預留件信息等。根據嵌套族的特點，細分父族和子族的信息。子族中應包括組成零件的原材料和幾何尺寸信息；父族中應包括族的整體信息、零件數量、零件位置尺寸以及嵌套的關聯參數。

疊合板族的子族信息包括混凝土底板尺寸、混凝土等級、鋼筋等級、鋼筋直徑、鋼筋形狀尺寸、預埋件材料與生產尺寸等，桁架鋼筋視為預埋件。疊合板族的父族信息包括跨度、寬度、厚度、總質量、混凝土體積、混凝土保護層厚度、各類鋼筋的數量與位置尺寸、吊點信息、預留預埋件位置尺寸等。

4)Revit軟件建族的流程 Revit軟件的族分為系統族和自定義族，自定義族由用戶根據實際需求創建，嵌套族為自定義族。嵌套族由父族嵌套子族組成，先創建各個子族，再創建父族，見圖2。

圖2 Revit自定義族的創建流程Fig.2 Custom family creation process in

5)族的創建過程 創建過程應統一族樣板文件、族類別和同一種類構件的參數名稱。不同種類構件根據自身特點設置可變參數，參數名稱可參考族的基本信息名稱。嵌套族還需確定父族與子族的關聯參數，疊合板的關聯參數見表2。

表2 疊合板父族與子族的關聯參數Table 2 Relation parameters of father and son family

6)其他 注釋是對模型和參數信息表達的一個補充，有助于更快更全面地掌握熟悉構件。如疊合板族中子族位置尺寸的注釋。

插入點是確定族引入新項目中的放置點，其設置應便于對族的使用,如,疊合板中的插入點可設置為疊合板的左下角。

1.2 定位的信息提取

定位是由機械設備劃出擬澆筑混凝土的輪廓線，然后根據輪廓線組裝模具。在創建構件的BIM模型后，由實際操作過程可知，排布構件所需要的信息有混凝土底板輪廓線、混凝土等級、最小矩形輪廓線。最小矩形輪廓線是包含PC構件和模具的最小面積的矩形，見圖3。混凝土等級信息用于判斷不同的PC構件能否同一批次生產；混凝土底板輪廓線信息用于機械設備劃線；最小矩形輪廓線的信息用于排布構件。

圖3 疊合板與模具Fig.3 Superimposed slab and

在排布構件之前，首先確定構件的模板面。考慮PC構件本身的特征，結合后續工藝的要求。流水生產中常見的PC構件有疊合板、疊合梁、預制柱、預制外墻板、預制內墻板等，其模板面的選擇見表3。

通過Revit的二次開發接口，開發信息導出附加模塊，其主要功能是將BIM模型中的信息導出至排布構件的算法，導出的信息見表4。某些信息可直接從BIM模型中獲取，如混凝土等級；某些信息不能直接從BIM模型獲取，需要經公式計算得到，如最小矩形輪廓線。

表3 PC構件的模板面Table 3 Templet surface of PC elements

根據構件的生產計劃，將構件的工期要求添加到信息表中，再進行算法的構件排布。

表4 附加模塊導出信息表Table 4 Additional module export information

2 基于最低水平算法的構件排布

PC構件工業化生產的定位是一個矩形件排布問題，即在定寬定高的矩形平臺上排布一系列矩形構件，構件之間不能重疊，且構件必須在平臺內部，同時考慮生產工期等因素，找到一個較優的排布方案。影響排布方案的因素有構件面積、生產工期、生產工藝等。定寬定高的平臺上排布構件，最優方案是使用平臺次數最少的排布方式，可近似等效于每次排布對平臺面積利用率最大。

2.1 最低水平線算法的改進

矩形件的排布是一個NP(Non-deterministic Polynomial)問題[14]，針對構件排布的限制條件，選擇最低水平線算法[15]排布構件，其過程如下。

首先，根據最低水平線算法將構件從左到右進行排布，形成高低不齊的水平線；構件排布時，選擇最低水平線排布構件，若不能排布，則將最低水平線提高至相鄰最低的水平線，同時更新最低水平線寬度，繼續排布，見圖4。

圖4 最低水平線算法Fig.4 Minimum horizontal line

其次，根據PC構件的實際生產情況，進行算法的優化，包括定高限制優化、工期等級優化、旋轉狀態優化等

1)定高限制優化。原有最低水平線算法是不限高，與實際情況不符。引入限制高度的參數limH=H-LH，在每次更新水平線高度時，若所剩構件min(li,wi)>limH，則停止排布。

2)工期等級優化。根據用戶的工期要求，結合工廠的生產能力，制定生產計劃，將不同構件按生產工期劃分為不同的等級。構件排布時，選擇優先級高的構件，無法滿足要求時，再選擇下一工期等級的構件，以提高平臺面積利用率。

3)旋轉狀態優化。PC構件的生產工藝不同，影響構件能否旋轉排布。如：疊合板要拉毛，不能旋轉排布；外掛墻板和固定臺模的生產方式可以旋轉。若考慮構件可旋轉，則將構件旋轉與不旋轉的兩種狀態視為兩個構件進行排布。

最后，通過定高限制、工期等級、旋轉狀態來體現構件排布的影響因素，得到一個最符合實際的排布方案。

2.2 算法的實現

優化的最低水平線算法可通過劃分構件的工期等級和利用評價函數選擇構件，更高效地完成構件排布，其具體流程見圖5。

圖5 改進的最低水平線算法流程圖Fig.5 Improved minimum horizontal line algorithm

1)數據預處理 先對構件的矩形尺寸數據進行預處理，移除min(li,wi)>min(H,W)，將構件按混凝土等級進行分組。

2)確定工期等級和旋轉狀態 確定工期等級劃分標準，即選擇多少日為一級；同時，確定是否考慮旋轉。

3)劃分工期等級，增序排列構件 依據輸入的等級劃分標準對構件進行等級劃分；同一工期等級構件按面積大小進行非增序排序f(1)≥f(2)≥…≥f(n)，再以先后排序每組工期等級，得到新的序列。

4)更新水平線集合 水平線集合是由平臺中上部矩形的上邊線或平臺線組成。下述4種情況，水平線集合會變化：

①構件Pi能排入最低水平線上，構件寬度對應的水平線提高至構件上邊線；

②構件Pi不能排入最低水平線上，在相同工期等級中，選擇寬度最接近的構件排入，提高對應的水平線；

③在相同工期等級中，也沒有構件能排入，擴大工期等級，選擇寬度最接近的構件排入，提高對應的水平線；

④擴大工期等級后，仍沒有構件能排入，直接提高水平線至相鄰最低水平線。

5)判斷最低水平線高度是否發生變化。若變化，則更新限制高度，剔除不滿足條件的構件，即min(li,wi)>limH的構件；若不變化，則判斷構件集是否為空。

6)判斷構件集是否為空，限制高度的剔除和構件的排入都會使構件集里的構件減少。若構件集為空，則表示已完成排布；若構件集不為空，則重復步驟4)、5)。

7)最終輸出最優排布方案，構件種類、數量及位置。

筆者用C++語言實現了圖5的算法，通過Revit的二次開發接口讀取PC構件模型數據，再將數據輸入到算法中，最終形成dwg格式文件。

3 優化后的定位

3.1 優化后的定位流程

優化后的定位流程：創建/選擇PC構件模型→編寫生產計劃→獲取生產信息→自動排布構件→輸出定位圖紙。

創建/選擇PC構件模型：根據項目需要，在企業BIM構件庫中選擇符合要求的構件，若沒有，則按構件BIM模型的參數化建模標準創建新的模型，并放入構件庫中。

編寫生產計劃：根據項目進度和生產能力，安排擬生產構件的生產計劃。

獲取生產信息：在構件的信息模型中，獲取構件混凝土的外輪廓、最大矩形投影、混凝土等級等信息。

自動排布構件：將所有擬生產構件信息導入自動排布程序，對構件進行排布。

輸出定位圖紙：將所有構件排布結束后，輸出定位的CAD圖紙，可直接用于指導構件定位，也可導入劃線設備中進行定位。

3.2 數值分析

為比較改進的最低水平線算法的排布方法與人工排布方法的優劣，選取某工廠某一批次的PC構件，同時采用計算機排布和人工排布構件，比較兩種方法的區別。

該工廠固定臺模尺寸為6 m×10 m，擬生產的PC構件相關信息見表5。

表5 某項目擬生產疊合板信息表Table 5 Planning production information of the project superimposed slabs

1)計算機排布 采用改進的最低水平線算法排布構件，數據輸入見圖6，算法運行見圖7，排布結果見圖8。

圖6 數據輸入圖Fig.6 Data input

圖7 算法運行圖Fig.7 Algorithm operation

圖8 計算機排布圖

2)人工排布 人工排布主要依據技術人員的經驗，經驗越豐富，排布結果越好。3名高級木工[16]分別排布構件，選擇平臺利用率最高、排布時間較少的排布結果，見圖9。

圖9 人工排布圖

3)結果比較 計算機排布：共36個構件，需要兩塊固定臺模。第1塊臺模有19個構件，臺模面積利用率為90.7%；第2塊臺模有17個構件，臺模面積利用率為79.5%。

人工排布：共36個構件，共需要3塊固定臺模。第1塊臺模有17個構件，臺模面積利用率為82.4%；第2塊臺模也有17個構件，臺模面積利用率為82.4%；第3塊臺模有2個構件，臺模面積利用率為5.4%。

比較兩種排布方法，整體來看計算機排布所用的臺模總數降低了33.33%，排布更緊密。再比較兩者的第1臺模面積利用率，計算機排布比人工排布高了8.3%，具體結果比較見表6。

表6 人工與計算機排布結果比較Table 6 Comparison of manual and computer arrangement results

從以上分析可知，計算機排布極大地提高了工作效率和臺模的利用率。隨著構件的種類、個數和生產批次的增多，人工排布的時間會成幾何性增長，平臺面積利用率會下降。當構件達到一定數量時，人工排布無法考慮所有構件。與人工排布相比，計算機排布具有以下優點：

1)排布耗時少，平臺利用率高；

2)能適用于工程中構件數量大、多批次的生產情況；

3)操作簡便，提高了構件工業化生產的自動化程度；

4)從源頭上降低了構件重復生產、漏生產等錯誤率。

4 結論

對BIM技術在PC構件工業化生產中的運用進行了探索，制定了可行的參數化建模標準，優化了生產環節中的定位。通過對BIM模型的運用，結合最低水平線算法，對定位做了自動化改進。與人工排布相比，計算機排布更節省時間、更合理，尤其是在多批次構件生產的情況下。優化后的定位節省了人工、工期，提高了工作平臺的利用率，也提高了裝配式構件工業化生產的自動化程度。當該技術也是BIM技術應用于PC構件工業化生產的一種探索，為后續BIM技術的應用提供新思路。