裝配式建筑構(gòu)件自動(dòng)化設(shè)計(jì)及生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)分析

周巧婷

(上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程學(xué)院， 上海 201411)

0 引言

推進(jìn)建筑工業(yè)化、住宅建筑產(chǎn)業(yè)化，是保證建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1]。2013年1月1日，發(fā)改委和建設(shè)部頒布的《綠色建筑行動(dòng)方案》，明確提出“住房城鄉(xiāng)建設(shè)等部門要不斷完善我國(guó)的建筑工業(yè)化設(shè)計(jì)體系，盡快建立設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，推廣適合工業(yè)化生產(chǎn)的預(yù)制裝配式混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等建筑體系，不斷提高建筑工業(yè)化技術(shù)集成水平”[2]。2016年2月，國(guó)務(wù)院頒布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，提出要大力發(fā)展裝配式建筑，實(shí)現(xiàn)建筑建造的新型發(fā)展，力爭(zhēng)10年之后裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%[4]。2017年3月23日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》明確提出了今后重點(diǎn)任務(wù)和發(fā)展要求和發(fā)展目標(biāo)，到2020年，裝配式建筑占比達(dá)到15%以上；10年左右時(shí)間，裝配式建筑占比達(dá)到30%[5]。未來數(shù)年后，裝配式建筑將成為我國(guó)建筑業(yè)主流方向。

盡管裝配式建筑將逐步成為未來重要的建造方式，但目前構(gòu)件深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)投入大費(fèi)時(shí)多，構(gòu)件生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化程度低，人工投入大，生產(chǎn)速度慢、成本高。市場(chǎng)難以形成裝配式建筑設(shè)計(jì)、加工和施工一體化是該領(lǐng)域亟待解決的突出問題。對(duì)引發(fā)上述現(xiàn)象的原因分析如下：

目前基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)軟件成熟度低，不僅難以應(yīng)對(duì)建筑設(shè)計(jì)需要反復(fù)修改的特性，而且在鋼筋的準(zhǔn)確表達(dá)、參數(shù)化和國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范的對(duì)應(yīng)算法方面難以滿足實(shí)際工程的需求。

另外，構(gòu)件模型可以用于生產(chǎn)的前提是模型本身必須是高精度全信息。而國(guó)內(nèi)三維BIM設(shè)計(jì)過程是三維模型導(dǎo)出二維圖紙，由于軟件成熟度低，必須補(bǔ)充修改二維圖紙后提交給構(gòu)件廠“按圖加工”。而一旦“補(bǔ)充修改二維圖紙”就意味著三維模型不再準(zhǔn)確，做不到模型全信息，也就難以直接用于構(gòu)件生產(chǎn)。

基于以上問題，在分析國(guó)內(nèi)外軟件和現(xiàn)有主流構(gòu)件加工設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出在設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)構(gòu)件全信息模型的方法，及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)分析。

1 國(guó)內(nèi)外軟件優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前國(guó)內(nèi)大多設(shè)計(jì)院使用的裝配式建筑主流設(shè)計(jì)軟件有Revit、Tekla Structure和Allplan Precast 3種。

1.1 Revit

Revit和Revit Structure軟件具有強(qiáng)大的建筑出圖能力，是由Autodesk公司研發(fā)，受到了結(jié)構(gòu)工程師和建筑師的一致好評(píng)。該軟件在應(yīng)用過程中采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑及結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確的可視化；通過“一處修改，處處更新”的理念，減少了項(xiàng)目設(shè)計(jì)變更中的失誤，提高效率。Revit是當(dāng)前建筑業(yè)應(yīng)用最為廣泛、評(píng)價(jià)最好的軟件之一，可以實(shí)現(xiàn)工作協(xié)同共享、構(gòu)件參數(shù)化、三維可視化等特點(diǎn)[3]。

Revit軟件中“族”功能非常強(qiáng)大，并且種類多，包括內(nèi)建族、系統(tǒng)族和可載入族，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇應(yīng)用。應(yīng)用過程中首先需要選定相應(yīng)的族樣板文件.rft，然后設(shè)置PC構(gòu)件相關(guān)參數(shù)即形成可利用的PC構(gòu)件族庫，提高預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率[4]。

但在預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，Revit Structure雖然功能較全，建模較好，但本身不具備結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)能力，在結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)方面的專業(yè)性不夠；同時(shí)該軟件繪制或修改鋼筋實(shí)體及詳圖的便利性不足，將耗費(fèi)設(shè)計(jì)師大量的時(shí)間與精力[5]，也不能夠很好地進(jìn)行細(xì)部表達(dá)。

1.2 Allplan

Allplan軟件由奧地利的內(nèi)梅切克工程有限公司(Nemetschek Engineeering GmbH) 開發(fā)，是一款基于三維設(shè)計(jì)的BIM 類軟件，在歐洲有比較廣泛的應(yīng)用[10]。

Allplan 應(yīng)用時(shí)可以通過一鍵出圖功能快速生成圖紙，根據(jù)構(gòu)件的特點(diǎn)完成各種出圖布局(包括各種圖簽、統(tǒng)計(jì)表、大樣圖、標(biāo)遂、尺寸標(biāo)注、剖面、立面等)定義，然后套用合適的出圖布局即可一鍵生成深化圖；還可以通過MEP 模型自動(dòng)生成水電預(yù)埋工作，降低了手繪工作量，因此應(yīng)用該軟件可以顯著提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。同時(shí)Allplan也是為預(yù)制件廠量身定制的設(shè)計(jì)軟件，可以直接提取構(gòu)件生產(chǎn)所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，生成的圖紙和數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為DWG、IFC、Unitechnik數(shù)據(jù)、ERP軟件可處理的數(shù)據(jù)等。

當(dāng)然，Allplan作為一種專業(yè)的預(yù)制構(gòu)件專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，除了上述優(yōu)點(diǎn)之外，也存在很多不足，如這是一種國(guó)外的軟件，我國(guó)本土化應(yīng)用過程中需要進(jìn)行定制開發(fā)，并且價(jià)格高，操作不夠便捷。

1.3 Tekla Structure

Tekla軟件還被稱之為Xsteel，是芬蘭Tekla公司開發(fā)的，最初該軟件的主要功能是鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)。隨著預(yù)制混凝土技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，該軟件的功能也不斷完善，加入了“預(yù)制混凝土深化”模塊，用鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的思路來進(jìn)行預(yù)制混凝土構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)。

由于預(yù)制混凝土構(gòu)件建模過程中需要處理大量的鋼筋細(xì)節(jié)，因此設(shè)計(jì)效率低，而采用Tekla Structures建模可以提高設(shè)計(jì)效率，準(zhǔn)確細(xì)致，速度快，通過出圖模板設(shè)置可以快速導(dǎo)出三維模型，清楚的表達(dá)出構(gòu)件的構(gòu)造[7]。Tekla Structures 還可精確統(tǒng)計(jì)模型的工程量(包括混凝土、鋼筋)，輸出不同形式的工作量統(tǒng)計(jì)報(bào)表[8]。依賴鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與構(gòu)件生產(chǎn)對(duì)接的多年研究經(jīng)驗(yàn)，Tekla從設(shè)計(jì)向下游傳遞的數(shù)據(jù)接口更為豐富。

在實(shí)際的使用過程中，Tekla軟件中圖紙材料表中的鋼筋形狀、參數(shù)識(shí)別及顯示方式還達(dá)不到國(guó)內(nèi)實(shí)際使用要求。自動(dòng)生成的預(yù)制構(gòu)件深化圖紙與國(guó)內(nèi)的表達(dá)方式有差別，不能直接采用，需要在后期進(jìn)行修改。另外，Tekla Structures中自帶的參數(shù)化節(jié)點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)住宅樓的深化設(shè)計(jì)，需要獨(dú)立進(jìn)行構(gòu)建的配筋，進(jìn)行人工修改，工作量非常大。因此，為了克服這些問題和提高工作效率，需要二次開發(fā)Tekla，除了一些現(xiàn)澆構(gòu)件外，形成參數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模可以顯著提高工作效率。

2 裝配式住宅構(gòu)件的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

本文基于上述行業(yè)痛點(diǎn)結(jié)合1.2節(jié)所述工程實(shí)際現(xiàn)狀，提出了如下自動(dòng)化設(shè)計(jì)全信息高精度裝配式構(gòu)件及構(gòu)建裝配式建筑的技術(shù)路線。

在裝配式建筑中，構(gòu)件主要的分類有預(yù)制疊合板、剪力內(nèi)墻、剪力外墻(帶門窗洞)、樓梯、陽臺(tái)及空調(diào)板、梁、柱六大類。

以預(yù)制剪力外墻為例，設(shè)計(jì)了構(gòu)件參數(shù)化模板信息、配筋信息和預(yù)埋件及線槽信息的統(tǒng)一輸入界面。

填出相關(guān)參數(shù)后在BIM軟件中即刻自動(dòng)化生成高精度全信息生產(chǎn)用BIM模型，如圖1所示。

按這種方式生成或修改全信息生產(chǎn)用BIM模型將極大地方便構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程，節(jié)約深化設(shè)計(jì)時(shí)間。

3 程序編制框架

為了程序自動(dòng)化生成裝配式構(gòu)件的BIM模型，在針對(duì)前述預(yù)制構(gòu)件分類的基礎(chǔ)上如圖2所示。

圖2 程序?qū)崿F(xiàn)預(yù)制構(gòu)件分類

需要對(duì)每一類構(gòu)件進(jìn)行自身屬性的定義，即參數(shù)化定義，必要時(shí)還需對(duì)構(gòu)件分類進(jìn)行再細(xì)分。另外，為了適應(yīng)建筑上的模塊化及圖集的標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)也為了在加工時(shí)節(jié)約模具成本，需要對(duì)預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)值進(jìn)行模數(shù)化歸并。

對(duì)程序代碼進(jìn)行框架構(gòu)思和模塊化分析，設(shè)計(jì)友好的用戶交互界面，便于用戶理解和設(shè)置參數(shù)。根據(jù)代碼結(jié)構(gòu)框架，進(jìn)行模塊化代碼編寫。每完成一個(gè)模塊就進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，保證在較小范圍內(nèi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤和程序bug。當(dāng)所有模塊測(cè)試通過后，就可以將模塊代碼和界面整合完成程序。

在面向?qū)ο缶幊讨校恳粋€(gè)PC構(gòu)件的類都是由其對(duì)應(yīng)的屬性及方法組成，屬性即是構(gòu)件參數(shù)，方法即是邏輯規(guī)則。我們將預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)屬性及建模方法封裝成一個(gè)類，這個(gè)類主要包含三大參數(shù)實(shí)體類：

模板參數(shù)實(shí)體類、鋼筋參數(shù)實(shí)體類和預(yù)埋件參數(shù)實(shí)體類；以及其對(duì)應(yīng)的建模方法，建模的方法也分為三個(gè)部分：混凝土部分、鋼筋部分、預(yù)埋件部分。

創(chuàng)建混凝土部分的方法有：生成柱、墻、梁、板等，以及混凝土的切割生成如窗洞、鍵槽等。PC構(gòu)件的主要特點(diǎn)是內(nèi)部鋼筋、預(yù)埋件分布的合理性，針對(duì)不同種類的PC構(gòu)件，將鋼筋和預(yù)埋件在構(gòu)件中按其功能劃分到不同的區(qū)域中，這樣鋼筋和預(yù)埋件可以分區(qū)域創(chuàng)建，使其內(nèi)部不會(huì)發(fā)生碰撞。對(duì)于外部連接部分，由于鋼筋密集，一旦發(fā)生鋼筋碰撞，不僅給施工造成很大麻煩，而且會(huì)造成很大的工程浪費(fèi)。為了避免此類鋼筋碰撞，主要從兩方面解決：一方面在建模前就要預(yù)測(cè)出必然發(fā)生碰撞的地方，通過不同的方法在建模時(shí)采用不同規(guī)則進(jìn)行避免；另一方面就是通過Tekla Structures 自帶碰撞校核管理器來檢查鋼筋，根據(jù)管理器對(duì)話框所列出的碰撞位置進(jìn)行檢查并手動(dòng)修改。鋼筋創(chuàng)建的時(shí)候需要將工作平面轉(zhuǎn)換到構(gòu)件的局部坐標(biāo)系中，這樣可以節(jié)省坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算的代碼。程序自動(dòng)建模和手工建模的順序基本一致，要注意的是有些種類鋼筋的位置需要依賴于另一部分鋼筋，比如拉筋，這時(shí)就要先創(chuàng)建被依賴的鋼筋并返回其坐標(biāo)用于依賴鋼筋的創(chuàng)建。鋼筋創(chuàng)建時(shí)的排布、彎折、避讓等具有一定的規(guī)則。相比第2節(jié)介紹的國(guó)外BIM建模軟件，該程序的優(yōu)點(diǎn)在于編程采用的鋼筋規(guī)則符合現(xiàn)行國(guó)內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)、混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖圖集和裝配式結(jié)構(gòu)的規(guī)程、圖集的要求。

另外，有一些非同類預(yù)制構(gòu)件計(jì)算時(shí)通用的計(jì)算方法，比如鋼筋位置、錨固長(zhǎng)度的計(jì)算，一般寫在靜態(tài)類中方便其他類調(diào)用。靜態(tài)類主要用于存放不受實(shí)例數(shù)據(jù)影響的數(shù)據(jù)和函數(shù)，其常見的用途就是創(chuàng)建一個(gè)包含一組數(shù)學(xué)方法和值的數(shù)學(xué)庫。

通過上述方法，可以通過參數(shù)化界面非常快捷地生成各類預(yù)制裝配式構(gòu)件模型，詳如圖3(a～f)所示。

通過預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)化、模數(shù)化建立起適應(yīng)各類裝配式結(jié)構(gòu)體系的圖集或BIM模型構(gòu)件庫，在建模時(shí)可通過圖集中快速選擇或直接調(diào)取構(gòu)件庫里的構(gòu)件來進(jìn)行快速建模，而且在使用過程中也可以通過不斷增加構(gòu)件數(shù)量、種類和規(guī)格，逐步完善標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件庫。

(a) 預(yù)制疊合板模型

(b) 預(yù)制樓梯模型

(c) 預(yù)制陽臺(tái)模型

(d) 預(yù)制剪力墻外墻模型

(e) 預(yù)制剪力墻內(nèi)墻模型

(f) 預(yù)制梁模型

4 樓拼裝及設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)分析

PC構(gòu)件作為房子的“零部件”，要想把構(gòu)件有機(jī)的拼裝起來，需要記錄每個(gè)構(gòu)件的位置和方向。通過PC構(gòu)件的定位點(diǎn)(起始點(diǎn))和方向參數(shù)最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)拼裝和全樓模型的自動(dòng)化建模，這樣也就保證了構(gòu)件在發(fā)送至工廠加工前，尺寸的準(zhǔn)確性，并消除在施工過程中不可接受的安裝誤差，圖4是在三維軟件中進(jìn)行房屋的單層虛擬拼裝，圖5是全樓組合預(yù)拼裝。

圖4 三維虛擬現(xiàn)實(shí)標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)拼裝

經(jīng)過實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，如果手動(dòng)配筋，所有墻板修改完成最快也需要 2 個(gè)人 1 周的時(shí)間，而通過參數(shù)化的方式，住宅樓整體結(jié)構(gòu)模型搭建起來也只需要 1 個(gè)人 2天的時(shí)間。

5 國(guó)內(nèi)外加工生產(chǎn)線工藝設(shè)備及自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)

裝配式建筑未來的發(fā)展是工廠逐步采用圖4所示的高精度全信息生產(chǎn)用BIM模型進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)裝配式構(gòu)件，以達(dá)到降低人工投入，提高生產(chǎn)效率的目的。現(xiàn)對(duì)目前裝配式構(gòu)件核心生產(chǎn)設(shè)備及其特點(diǎn)簡(jiǎn)介如下。

圖5 三維虛擬現(xiàn)實(shí)標(biāo)全樓預(yù)拼裝

5.1 鋼筋網(wǎng)焊接生產(chǎn)線

裝配式構(gòu)件生產(chǎn)需要大量采用鋼筋網(wǎng)，其加工和焊接非常消耗人工。因此構(gòu)件廠需要引入合適的鋼筋網(wǎng)自動(dòng)焊接生產(chǎn)線。目前國(guó)內(nèi)常用數(shù)控鋼筋網(wǎng)焊接生產(chǎn)線來自天津建科，以最為常用的GWC(Z)3300型為例，可以生產(chǎn)最大寬度3.3米的鋼筋網(wǎng)(鋼筋直徑5～12 mm)，縱筋間距最小100 mm(以50 mm遞增)，橫筋間距最小50 mm。其縱筋及橫筋全部采用盤條鋼筋自動(dòng)上料方式，整個(gè)操作僅需要一名人員。目前國(guó)內(nèi)部分裝配構(gòu)件廠開始引入國(guó)外較為先進(jìn)的成套設(shè)備，以EBAWE的M-System Evolution網(wǎng)焊機(jī)為例，它提供的鋼筋直徑范圍在4 - 20 mm之間，其先進(jìn)性是可以彎折，以及可接收BIM軟件提供的加工數(shù)據(jù)。

5.2 自動(dòng)化鋼筋彎箍機(jī)

除了鋼筋網(wǎng)網(wǎng)片加工外，構(gòu)件廠箍筋用量也非常巨大，目前國(guó)內(nèi)典型常用自動(dòng)化鋼筋彎箍機(jī)也來自天津建科，以最為常用的WG12F型為例，可滿足雙線加工10 mm及單線加工12 mm箍筋的要求。整個(gè)板筋或雙鉤筋實(shí)現(xiàn)一次性從調(diào)直、彎曲及切斷自動(dòng)成型，提高工作效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，確保成型精度。目前國(guó)外的設(shè)備更加先進(jìn)些，以EBAWE的EBA S全自動(dòng)鋼筋折彎?rùn)C(jī)為例，它不僅能實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)設(shè)備的全部功能，還可以實(shí)現(xiàn)箍筋的3D彎折，以及更加便利地接收BIM軟件提供的加工數(shù)據(jù)。

5.3 邊模機(jī)械手

國(guó)內(nèi)首個(gè)裝配式領(lǐng)域拆/布模機(jī)器人由三一集團(tuán)在2018年1月完成研發(fā)并投產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)電腦一鍵拆模、一鍵布模，極大地提高了作業(yè)效率及產(chǎn)品品質(zhì)，降低了作業(yè)人數(shù)及勞動(dòng)強(qiáng)度，在PC行業(yè)裝備的智能化方面邁出了一大步。

5.4 混凝土自動(dòng)澆筑機(jī)

混凝土布料機(jī)可以直接從混凝土攪拌站進(jìn)料，或者由魚雷斗運(yùn)料機(jī)把混凝土從攪拌站運(yùn)送到布料機(jī)中。其可以根據(jù)構(gòu)件的形狀和厚度，均勻地把混凝土澆注在底模托盤上。混凝土布料的過程可以手動(dòng)控制也可以自動(dòng)控制。以國(guó)外EBAWE產(chǎn)的混凝土布料機(jī)為例，其先進(jìn)性在于可從 ebos? 中央控制系統(tǒng)中獲得混凝土澆注所需要的數(shù)據(jù)，提高澆筑過程的自動(dòng)化水平。

5.5 構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)的時(shí)間及成本優(yōu)勢(shì)

將高精度全信息BIM模型(圖3)提供給裝配式構(gòu)件廠，裝配式構(gòu)件廠采用自動(dòng)化流水線進(jìn)行24小時(shí)自動(dòng)化生產(chǎn)，將大大縮短生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)約人工人本。對(duì)比研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化流水線生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)高出幾倍之多，而人員方面的配置卻比傳統(tǒng)少了很多。極大地提高了生產(chǎn)效益。節(jié)約投入成本。

6 總結(jié)

本文指出了目前國(guó)內(nèi)裝配式建筑設(shè)計(jì)難以在真實(shí)的生產(chǎn)過程中快速實(shí)現(xiàn)高精度全信息生產(chǎn)用BIM模型是制約快速設(shè)計(jì)及裝配式構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)的瓶頸。

分析了國(guó)內(nèi)外裝配式建筑設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了實(shí)現(xiàn)高精度全信息生產(chǎn)用BIM模型的參數(shù)化界面及軟件編制方法，生成的構(gòu)件模型在實(shí)際工程中應(yīng)用，驗(yàn)證了其自動(dòng)化設(shè)計(jì)的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

介紹了目前國(guó)內(nèi)裝配式構(gòu)件生產(chǎn)線及相關(guān)設(shè)備，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，論證了本文所述的高精度全信息生產(chǎn)用BIM模型對(duì)接自動(dòng)化生產(chǎn)線帶來的生產(chǎn)成本和效率的優(yōu)勢(shì)。