SI體系裝配式住宅建造過程的4D仿真研究

文｜大連理工大學(xué) 任江麾

1 引言

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，建筑業(yè)也在向著現(xiàn)代化的方向轉(zhuǎn)型，但是，高能耗、低效率嚴(yán)重制約了我國建筑業(yè)的發(fā)展。造成這一問題的原因有很多：第一，建筑業(yè)屬于“流動(dòng)性”的產(chǎn)業(yè)，施工地點(diǎn)不斷變化，不像汽車制造業(yè)，可以在工廠加工為成品，再銷售至全球各地。由于施工地點(diǎn)的不確定性，易造成材料運(yùn)輸費(fèi)用、人員流動(dòng)成本的增加，同時(shí)也降低了施工效率。第二，建筑工程項(xiàng)目參與方眾多，管理結(jié)構(gòu)混亂，不僅阻礙了信息的交流與共享，而且發(fā)生返工現(xiàn)象。第三，住戶對購房裝修不滿意，往往進(jìn)行二次裝修，不僅會(huì)造成浪費(fèi)，還有可能對建筑主體結(jié)構(gòu)造成破壞，降低建筑物使用壽命。

近年來，BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為建設(shè)單位、施工單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、住戶等多方單位的協(xié)調(diào)與信息溝通提供了可能。本文基于SI體系住宅，對裝配式住宅的建造過程進(jìn)行4D仿真研究。運(yùn)用Revit構(gòu)建建筑主體的三維模型，方便設(shè)計(jì)單位與施工單位進(jìn)行信息的交流與共享，同時(shí)也為建設(shè)單位與監(jiān)理單位參與建筑工程項(xiàng)目提供了便利。運(yùn)用Navisworks進(jìn)行4D仿真，控制施工進(jìn)度，模擬施工狀態(tài)，可以及時(shí)進(jìn)行施工進(jìn)度修正與施工方案改進(jìn)。基于三維模型進(jìn)行室內(nèi)裝修，用漫游的方式呈現(xiàn)給消費(fèi)者，根據(jù)消費(fèi)者的要求對裝修方案進(jìn)行合理改進(jìn)，為消費(fèi)者參與到建筑工程項(xiàng)目提供可能，可有效減少二次裝修帶來的浪費(fèi)，延長建筑物使用壽命。

2 SI住宅體系

SI住宅，即“Skeleton-Infill”住宅，是指將住宅分為支撐體部分和填充體部分。S部分，即支撐體部分主要包括柱、梁、樓板、剪力墻等承重結(jié)構(gòu)，以及共用生活管線、設(shè)備等。S部分不可變，為建筑主體結(jié)構(gòu)，住戶不能隨意拆除改建。I部分，即填充體部分主要包括內(nèi)部分隔墻、外部非承重墻、門、窗、廚衛(wèi)設(shè)施、私用管線、室內(nèi)裝修、家具、電器等。I部分具有靈活可變性，可以根據(jù)住戶的要求就行拆除改建。

SI住宅體系源于Harbraken提出的骨架支撐體理論（SAR理論）與開放建筑理論（OB理論），在歐美取得了很快地發(fā)展，日本也很快推廣并形成了較為完善的SI體系，現(xiàn)在SI體系住宅已經(jīng)成為普遍采用的住宅結(jié)構(gòu)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部提出了發(fā)展綠色建筑的理念，面對我國建筑普遍存在壽命短、能耗大、二次裝修浪費(fèi)等問題，SI住宅體系為此類問題的解決帶來了希望。SI體系住宅要實(shí)現(xiàn)百年壽命的優(yōu)質(zhì)住宅，關(guān)鍵在S部分，需要提高其耐久性與質(zhì)量。本文采用的方法是將主要的支撐體結(jié)構(gòu)在工廠預(yù)制，再運(yùn)到施工現(xiàn)場，在各構(gòu)件連接的部位采用現(xiàn)澆的方法，這樣既能保證施工質(zhì)量，又能大大提高施工速度，提高施工效率。

3 工程實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目，總建筑面積218957m2，其中：住宅面積：164179 m2，公建面積：38231 m2，半地下車庫面積：307 m2，地下車庫面積：16240 m2；該項(xiàng)目由A、B、C、D四個(gè)區(qū)域組成，本文以A區(qū)1號樓的地上建筑主體部分為例，進(jìn)行SI體系裝配式住宅建造過程的4D仿真研究。圖1為本案例工程，室內(nèi)地坪標(biāo)高為±0.00m，室外地坪標(biāo)高為-0.30m，1-17層是層高為3.00m的住宅標(biāo)準(zhǔn)層，18層是層高為2.4m的設(shè)備層；涉及軟件主要有：Revit、Microsoft Project以及Navisworks Manage等。

3.2 三維模型

3.2.1 標(biāo)高和軸網(wǎng)

創(chuàng)建三維模型最基本的就是需要有準(zhǔn)確的定位信息，依據(jù)平面圖紙和立面圖紙的信息在項(xiàng)目文件中繪制軸網(wǎng)和標(biāo)高，有精確地標(biāo)高和軸網(wǎng)作為參考系，才能確保后續(xù)構(gòu)件定位的準(zhǔn)確性。

3.2.2 項(xiàng)目族文件的創(chuàng)建

本項(xiàng)目族文件主要包括：柱、梁、鋼筋、門、窗、欄桿、地磚、天花板、廚衛(wèi)設(shè)施（梳妝臺、馬桶、浴缸等）、照明設(shè)施（吸頂燈、臺燈、壁燈等）、家具（沙發(fā)、茶幾、書桌等）、家電（冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等）、管線（給排水、暖通空調(diào)、電器等專業(yè)管線）等。

3.2.3 支撐體部分預(yù)制構(gòu)件的創(chuàng)建

本項(xiàng)目支撐體部分的預(yù)制構(gòu)件主要包括預(yù)制柱、預(yù)制梁、預(yù)制樓板。將柱、梁、鋼筋的族文件，載入項(xiàng)目文件，并完成預(yù)制柱與預(yù)制梁的創(chuàng)建；在項(xiàng)目中創(chuàng)建樓板，并在樓板中繪制分布鋼筋，形成所需預(yù)制樓板；將項(xiàng)目中創(chuàng)建的預(yù)制柱、預(yù)制梁、預(yù)制樓板創(chuàng)建為組，方便后期三維模型的繪制與4D仿真。

3.2.4 填充體部分預(yù)制構(gòu)件的創(chuàng)建

本項(xiàng)目填充體部分的預(yù)制構(gòu)件主要包括含保溫層的外墻、內(nèi)墻、門、窗、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺。依據(jù)標(biāo)高和軸網(wǎng)創(chuàng)建相應(yīng)尺寸外墻、內(nèi)墻、樓梯、陽臺，在不同構(gòu)件的預(yù)連接處繪制分布鋼筋，并將其創(chuàng)建為組。將門、窗以及廚衛(wèi)設(shè)施等族文件導(dǎo)入項(xiàng)目文件，將與門、窗以及廚衛(wèi)設(shè)施相連接墻體一同創(chuàng)建為部件，方便后期4D仿真。

3.2.5 建筑物主體三維模型的創(chuàng)建過程

（1）確定預(yù)制柱的位置，并放置預(yù)制柱。（2）沿軸網(wǎng)放置對應(yīng)的外墻、內(nèi)墻。（3）沿墻體放置對應(yīng)的預(yù)制梁。（4）在預(yù)制梁、預(yù)制柱、墻體連接部位繪制現(xiàn)澆混凝土塊。（5）在預(yù)制梁上放置預(yù)制樓板。（6）繪制預(yù)制樓板與其他構(gòu)件連接部分的混凝土塊。（7）繪制室內(nèi)管線設(shè)施，包括：給排水專業(yè)管線、暖通空調(diào)專業(yè)管線、電氣專業(yè)管線。（8）繪制室內(nèi)裝修，包括：墻面、地面、頂面、廚衛(wèi)設(shè)施、家具、飾品等。（9）依次前工序逐層進(jìn)行三維建模。

3.3 Project編制施工進(jìn)度計(jì)劃表

Microsoft Project軟件的主要功能是進(jìn)度計(jì)劃的編制，此外還具備勞動(dòng)力、材料、設(shè)備等資源配置以及成本控制功能，方便項(xiàng)目參與各方更好的控制項(xiàng)目進(jìn)度與管理項(xiàng)目。通過Project實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目進(jìn)度的管理與控制，能夠縮短項(xiàng)目工期，合理優(yōu)化項(xiàng)目資源，提高經(jīng)濟(jì)效益。如圖2所示，依據(jù)施工順序進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃表編制，將每一個(gè)構(gòu)件都編制在內(nèi)，以便后期仿真動(dòng)畫的制作。

圖1 三維模型

3.4 4D仿真

完成Revit三維建模和Project進(jìn)度計(jì)劃編制后，需要將三維模型和進(jìn)度計(jì)劃表導(dǎo)入Navisworks進(jìn)行處理。如圖3所示，Revit建立的三維模型為.rvt格式，需要導(dǎo)出為Navisworks可以打開的.nwc格式，Navisworks中打開三維模型后，在TimeLiner選項(xiàng)下選取數(shù)據(jù)源為Project軟件的.mmp格式的文件；對三維模型構(gòu)件與對應(yīng)進(jìn)度計(jì)劃表中的內(nèi)容進(jìn)行逐一匹配，也可以利用規(guī)則自動(dòng)附著功能進(jìn)行自動(dòng)匹配；進(jìn)行模擬設(shè)置，對動(dòng)畫的播放時(shí)間、時(shí)間間隔大小、動(dòng)畫播放的視點(diǎn)等參數(shù)的設(shè)置。在Navisworks中可以返回Revit軟件對三維模型進(jìn)行修改，也可以直接在Revit中進(jìn)行模型修改，利用刷新功能可以同步到Navisworks；Project可直接對進(jìn)度計(jì)劃表進(jìn)行修改，在Navisworks中利用刷新功能可以將project中的修改應(yīng)用到項(xiàng)目文件中，且不會(huì)影響已經(jīng)相互匹配的計(jì)劃與模型，方便對施工進(jìn)度進(jìn)行管理。

3.5 漫游

圖2 施工進(jìn)度計(jì)劃表

Navisworks含有豐富的材質(zhì)庫，可以對三維模型的材質(zhì)進(jìn)行二次修改，可以更加真實(shí)地模擬建設(shè)項(xiàng)目。Navisworks可以通過錄制或者通過保存視點(diǎn)來制作漫游，本文以保存視點(diǎn)的方式介紹漫游動(dòng)畫的制作。如圖4所示，在視點(diǎn)窗口下添加動(dòng)畫，打開漫游，啟用第三人，利用平移功能，將第三人放置漫游起點(diǎn)處，啟用碰撞、重力功能，點(diǎn)擊保存視點(diǎn)；通過鼠標(biāo)移動(dòng)第三人，放置在動(dòng)畫視角移動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，保存視點(diǎn)；對每個(gè)視點(diǎn)進(jìn)行編輯，動(dòng)畫集進(jìn)行時(shí)間設(shè)置，便完成了漫游的制作。通過Animator窗口，添加場景動(dòng)畫，如自動(dòng)開關(guān)門動(dòng)畫，將其添加到腳本動(dòng)畫，就可以實(shí)現(xiàn)漫游播放的過程中，自動(dòng)開關(guān)門，使漫游過程更加真實(shí)化。

4 總結(jié)

本文通過對SI體系裝配式住宅的建造過程的4D仿真，讓住宅建造過程生動(dòng)化、形象化，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)化的裝配式建筑工程施工進(jìn)度計(jì)劃的安排，使建設(shè)單位、施工單位、設(shè)計(jì)單位以及監(jiān)理單位更好地進(jìn)行信息交流與項(xiàng)目管理。針對住宅室內(nèi)裝修制作漫游動(dòng)畫，方便住戶參與到住宅的裝修過程中，滿足每個(gè)住戶的需求，提高住戶居住質(zhì)量，有效減少居民私自拆遷房屋，對房屋主體結(jié)構(gòu)造成破壞，進(jìn)而提高住宅的使用壽命。

圖3 4D仿真

圖4 漫游