Revit 下計算機輔助塔機規劃系統①

楊 靜, 張育飛, 劉 棟, 徐蒼博

1(西安理工大學 機械與精密儀器工程學院, 西安 710048)

2(杭州品茗股份有限公司, 杭州 310000)

3(西安豐樹電子科技發展有限公司, 西安 710000)

超高層建筑具有結構超高、規模龐大、功能繁多、系統復雜、建設標準高等特點, 施工過程中, 鋼筋、模板、鋼管等材料運輸及鋼結構件吊裝都需要用到塔機[1], 塔機的選型和布置直接影響工程進度、安全及成本, 一直是人們關注的焦點問題.目前, 塔機規劃都是現場技術人員基于CAD 圖紙, 憑借既往工程經驗做出決策, 導致塔機規劃與施工技術脫節, 特別是針對超高層或裝配式建筑的施工, 現有經驗已不能滿足要求.

建筑信息模型BIM (Building Information Modeling)以三維數字技術為基礎, 集成了建筑工程項目各種相關信息.近年來, BIM 信息技術的應用已從計算機輔助設計拓展到工程造價及施工階段的管理等方面[2-4], 極大提高了設施管理能力[5].文獻[6,7]應用三維模型的碰撞檢測功能, 將BIM 技術應用到塔機安全及布置分析中, 但缺少對塔機吊運能力等方面的專業考慮.國外已經開始研究利用BIM 技術進行塔機的自動布局與規劃[8,9], 可有效提高施工效率, 但國內這方面研究還很少.同時, 國內當前BIM 從業人員多數缺少現場施工經驗, BIM 技術應用與業務的脫離, 缺乏配套的 BIM施工軟件, 制約了BIM 技術在施工階段的應用.本文將BIM 技術與塔機規劃的專業知識相結合, 利用Revit 的API 開發了計算機輔助塔機規劃軟件, 為超高層投標階段塔機的選型布置提供了三維輔助工具.

1 系統方案設計

Revit 作為BIM 技術的應用軟件, 為工程設計領域的建模工作提供了功能支持.借助Revit 軟件封裝的API 接口, 可以從建筑的Revit 三維模型中獲取大量的建筑信息, 如各種構件的重量以及數量, 在此基礎上結合專業的塔機規劃經驗知識設計計算機輔助塔機規劃系統, 包括4 個功能模塊: 塔機型號管理、塔機布置、塔機數量預估以及輔助塔機定位, 如圖1 所示.

圖1 塔機規劃系統功能模塊

(1)塔機庫管理: 利用Revit 的族功能, 設計參數化塔機族, 實現塔機模型的共享, 具有增加、刪除以及修改等塔機庫的管理功能.

(2)塔機布置: 由塔機族創建族實例, 在Revit 環境下布置塔機并實現三維展示.

(3)塔機數量預估: 根據建筑結構的Revit 三維模型, 對吊運物料進行分類統計, 在此基礎上, 利用改進的算法確定塔機型號及數量.

(4)輔助塔機定位: 利用塔機族的性能參數(載荷曲線)、結構參數(塔機位置)以及建筑結構的物料信息, 對塔機的吊運能力進行評估.在Revit 模型中實現超載構件的高亮顯示, 提示工程技術人員目前哪些位置的構件超載, 為塔機位置更變提供了思路, 從而實現了計算機輔助塔機規劃.

2 系統開發

2.1 參數化塔機族的建立

在Revit 軟件中, 族是一個功能強大的概念, 是三維模型進行參數化設計的載體, 通過族參數實現模型數據的信息化管理.塔機是具有標準規格及尺寸的設備, 在工程項目中大量復用.然而, Revit 中卻沒有塔機標準族, 依靠手工方式在Revit 系統中完成塔機建模,工作效率低下.本文利用Revit 系統的族功能, 構建平臂塔、動臂塔及塔頭塔等3 種可載入類型的參數化塔機族庫, 并定了族的結構參數及性能參數, 如表1 所示.其中, 結構參數描述塔機結構以及位置, 可用于塔機安全性評估, 如塔機碰撞檢測, 安拆位置、方向評估, 以及附著錨位置的確定等; 性能參數主要描述塔機的起重性能, 是塔機規劃的重要評價指標.

表1 塔機族標準參數

將塔機族參數以配置文件的方式放在Revit 安裝文件中, 通過配置文件對塔機族進行參數驅動, 實現了塔機型號在不同項目的重復應用, 以及型號的管理.

2.2 塔機數量自動評估

目前, 施工前期策劃塔機的需用量是根據施工方已確定的工期以及施工現場需吊運的鋼筋、模板以及其它構件的總量, 參照《建筑施工手冊(縮印本)》, 計算塔機需用量如式(1), 其中, 系數0.8 表示塔機吊載為滿載荷的80%.

其中, N 為塔機需用臺數; T 為建筑工期(d); m 為每天工作吊次; K 為不均衡系數(一般取1.1～1.4, 吊裝(裝卸)作業取1.4); Q 為各類構件的工程總量(噸); L 為塔機最大吊載能力.

對于裝配式建筑或超高層建筑, 由于使用的大型構件或預制件體積及重量大, 只能單件吊運, 且吊裝用時較長, 與其他物料比每天塔機吊運大型構件的吊次較少.根據超高層建筑的施工特點, 在進行塔機數量評估時, 本文將大型構件的吊裝與其他模板、混凝土等物料的吊運分開, 大型構件按數量評估, 其他物料按重量評估, 可更準確預估吊機需用量.算法改進如下:

其中, N 為需用塔機總臺數; N1為吊運大型構件塔機需用量; N2為吊運其它模板、混凝土等料材塔機的需用量; Q 為大型構件數量; W 為其它模板、混凝土等重量;n1為 大型構件每天調運次數; n2為其它模板、混凝土等每天吊運次數.其他變量同式(1).

2.3 塔機輔助定位

塔機位置與塔機型號及吊運構建的重量都密切相關, 用神經網絡或粒子群等優化方法確定塔機的位置,一直都是研究熱點[10], 然而, 這些優化方法離實際應用還有一段距離.目前, 塔機位置的規劃主要是通過工程技術人員不斷改變塔機型號或位置, 反復試錯, 直到塔機吊運能力滿足施工現場的要求為止, 工作效率低.

塔機的規劃必須保證超高層建筑中大型鋼構件吊裝不能超載.利用Revit 的API 函數可以獲得大型鋼構件或預制構件的單件重量及其位置信息; 在此基礎上,結合本文設計的塔機族性能參數, 以及當前塔機位置對構件逐個進行校核, 如果超載則在Revit 模型中將不能吊運的構件進行高亮顯示.技術人員以此為依據, 調整塔機的型號或為止, 直到所有構件滿足要求為止, 從而實現輔助定位的功能.

Revit 中, UIDocument 類提供了GetElements-ToShow 方法和Showelements 方法, 可以實現對當前活動文檔中的構件進行超載校核, 并對超載構件高亮顯示.部分關鍵代碼如下:

2.4 模塊封裝與加載

功能模塊開發完成后, 利用NSIS (Nullsoft Scriptable Install System)工具軟件將塔機族文件、配置文件、軟件運行生成的dll 文件及注冊的addin 文件打包, 生成exe 形式的應用程序, 運行該程序就可將計算機輔助塔機規劃軟件集成到Revit 環境中, 在Revit 菜單界面顯示輔助規劃軟件的功能選項卡如圖2.

3 應用案例

成都天投國際商務中心二期C 棟地下4 層、地上38 層, 建筑高度198.2 米, 為超高層建筑.工程的主體為圓鋼管混凝土柱的核心筒結構(圖3), 結構使用600 多根圓鋼管混凝土柱為主體, 其中最大空心鋼柱重量達10 噸.以此為例, 用本文系統進行塔機策劃.

圖2 計算機塔機規劃系統功能模塊

圖3 成都天投C 棟Revit 模型

第1 步.Revit 環境中載入項目的Revit 模型, 其包含建筑物所有的物料信息, 如構件材質, 重量, 坐標, 體積等.

第2 步.物料統計與塔機需用量預估.

根據該建筑結構特點, 按物料分類統計, 空心鋼柱及結構框架為大型構件, 如圖4 所示, 顯示了大型構件或結構柱件的ID、名稱、所在標高、重量、體積以及坐標點信息.從該構件明細表中, 可以得出該建筑物最大構件的重量為10.18 噸, 每層空心鋼柱11 根.

圖4 物料分類統計

為預估塔機需用量, 需要設置施工信息: 施工工期,班次, 大型構件調運次數, 其他模板(混凝土, 構件)調運次數, 以及最大吊載能力.如圖5 所示設置的施工信息可計算出塔機需用量為1 臺.

第3 步.塔機布置.

根據市場情況, 本項目考慮選用中聯的12 噸平臂塔機(TC7030).利用系統的“塔機布置”功能, 輸入塔機類型以及型號, 如果該塔機型號已經在塔機庫中創建,則可直接在施工圖中添加一臺指定信號的塔機, 并通過鼠標移動對塔機進行位置預置.本項目為超高層, 一般采用內爬安裝方式, 將塔機布置在高層建筑的電梯井, 如圖6 所示; 如果該塔機型號在塔機庫中沒有創建,則需要利用“塔機型號管理”功能創建該塔機, 如圖7所示, 輸入塔機型號以及相關族參數(結構參數以及性能參數), 點擊“+”, 可以創建該塔機型號的族.

圖5 塔機數量計算

圖6 塔機布置

第4 步.塔機輔助定位.

選擇需要進行吊載能力校核的塔機, 點擊“輔助塔機定位”功能選項, 系統將根據塔機位置以及建筑物料信息對塔機的吊運能力進行校核, 并以列表方式顯示超載構件的名稱, 標高及超載原因.本項目如選用一臺最大吊重8 噸的塔機, 校核結果如圖8 顯示, 大量的混凝土鋼柱由于超載不能滿足要求, 進一步點擊“高亮顯示”, 可以在Revit 模型中高亮顯示出超載的構件位置,如圖9 中顯示的藍色構件.

圖7 塔機型號管理

圖8 超載構件顯示

圖9 超載構件高亮顯示

一般情況, 技術人員可以根據本文第二步統計的最大構件重量選擇塔機型號, 第三步進行塔機布置, 最后利用第四步的校核以及超載構件位置提示, 施工技術員可以很直觀地將塔機向超載構件的方向移動, 從而減小吊載力矩, 或重新選擇塔機型號, 直到塔機位置滿足吊運能力要求, 從而完成定位.

4 結語

在超高層建筑中, 塔機是運輸物料的主要設備, 目前塔機規劃缺乏專業的輔助工具, 可能直接影響施工成本.本文將BIM 技術與塔機規劃的專業知識相結合,利用Revit 的族創建了塔機族庫, 實現了標準塔機的重復利用, 提高了前期策劃效率.在此基礎上, 利用Revit 的API 開發了計算機輔助塔機規劃系統, 實現了塔機型號管理、塔機數量的預估以及塔機布置與定位,為超高層建筑的塔機規劃提供了三維輔助工具, 有助于提高效率、減少規劃的失誤.