PC主體結(jié)構(gòu)裝配率智能計算方法研究

于佳鑫 張學(xué)輝 楊搏濤 李鵬陽 米大倩 安軍海

(河北科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，石家莊 050000)

引言

近年來，隨著國內(nèi)工業(yè)化建筑的不斷發(fā)展及國家政策性的引導(dǎo)，中國建筑將向著智能化、數(shù)字化方向發(fā)展[1]。國家提倡發(fā)展因地制宜的裝配式建筑，并將全國按照人口比例劃分為重點(diǎn)推進(jìn)區(qū)、積極推進(jìn)區(qū)、鼓勵推進(jìn)區(qū)，明確了一系列具體任務(wù)[2]，同時對裝配式建筑實(shí)施過程提出新的要求，其中裝配率計算是一個非常重要的指標(biāo)。為了使裝配式建筑在中國取得良好發(fā)展，2017年國家發(fā)行《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51129-2017)采用綜合打分的形式判斷裝配化程度[3]，也有地方實(shí)施意見中采用“兩率”(預(yù)制率、裝配率)的方式進(jìn)行雙控。

裝配式建筑中預(yù)制構(gòu)件通常以毫米為單位，其中預(yù)留預(yù)埋問題，精確的定位問題給設(shè)計方和施工方帶來了一定程度上的經(jīng)濟(jì)與時間損失，針對這一問題，本文利用建筑信息模型(Building Information Modeling)將部品部件進(jìn)行高效集成，充分發(fā)揮BIM自身優(yōu)勢，并結(jié)合Revit二次開發(fā)手段，依據(jù)《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51129-2017)裝配率計算規(guī)則，簡化主體結(jié)構(gòu)應(yīng)用比例統(tǒng)計方式，提出一種基于Revit的智能裝配率的計算方法，大大提升了計算速度和準(zhǔn)確性，通過這種計算方法可以在項(xiàng)目方案中快速衡量裝配化程度。

1 傳統(tǒng)裝配率計算方法概述

我國發(fā)行的《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》將以往的“預(yù)制率”、“裝配率”合二為一，使用裝配率作為唯一指標(biāo)，采取綜合打分的形式來判斷裝配化程度，該標(biāo)準(zhǔn)分為預(yù)評價和項(xiàng)目評價兩個階段； 評價指標(biāo)都為裝配率，其中計算原則是指單體建筑室外地坪以上的主體結(jié)構(gòu)，圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻、裝修和設(shè)備管線等預(yù)制部品部件的綜合比例[4]。同時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定裝配式建筑裝配率不低于50%。裝配率計算方法如下：

(1)

其中，P—裝配率；

Q1—主體結(jié)構(gòu)指標(biāo)實(shí)際得分，通過q1a、q1b的比例對應(yīng)到表1，得到對應(yīng)評價分值；

Q2—圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻指標(biāo)實(shí)際得分值；

Q3—裝修和設(shè)備管線指標(biāo)實(shí)際得分值；

Q4—評價項(xiàng)目中缺少的評價分值總和；

公式中的各項(xiàng)分值通過計算預(yù)制構(gòu)件、建筑部品的數(shù)量(或面積)占同類構(gòu)件部品總數(shù)量(或面積)的方法計算出，主體結(jié)構(gòu)評價標(biāo)準(zhǔn)表與計算方法如表1：

表1 主體結(jié)構(gòu)裝配式建筑評分

式中，以主體結(jié)構(gòu)為對象，q1a為豎向構(gòu)件中預(yù)制部品部件的應(yīng)用比例； q1b為豎向構(gòu)件混凝土總體積V1a為豎向構(gòu)件中預(yù)制混凝土體積之和，V為豎向構(gòu)件混凝土總體積； A1b為各樓層中預(yù)制構(gòu)件的水平投影面積之和； A為各樓層建筑平面總面積。

在傳統(tǒng)計算方法中，各部品的體積或面積需通過對CAD圖層單獨(dú)提取操作進(jìn)行各部分體積或面積的計算，且需要人工逐個統(tǒng)計水平豎向構(gòu)件所占應(yīng)用比例，通過查表算出評價分值并累加出各項(xiàng)分值，對于體量較大的建筑物，會浪費(fèi)大量時間且易存在人為誤差，針對此問題，本文通過Revit二次開發(fā)手段，通過對構(gòu)件進(jìn)行自定義編碼，實(shí)現(xiàn)自動識別并過濾各構(gòu)件信息數(shù)據(jù)，把本應(yīng)逐項(xiàng)計算或不規(guī)則構(gòu)件進(jìn)行數(shù)據(jù)的一鍵提取，極大地節(jié)省了時間成本，有利于推動整個方案設(shè)計階段時間進(jìn)度。

2 研究思路

由于在裝配率P的計算方法里，軟件無法自動完成如管線裝修一體化的判斷，管線分離長度判定，干式工法樓面集成衛(wèi)生間判定問題，即Q2與Q3取值受主觀因素影響較大，且個別問題需根據(jù)地方專家評審會中進(jìn)行鑒定與判斷，為保障計算準(zhǔn)確性、有效性，本文針對主體結(jié)構(gòu)Q1進(jìn)行了智能化裝配率計算，利用Revit平臺，使用Visual Studio開發(fā)工具，通過建立自定義編碼系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)件歸類，提取構(gòu)件幾何信息，準(zhǔn)確計算主體結(jié)構(gòu)中水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件應(yīng)用比例，方便在實(shí)際工程中快速獲取主體結(jié)構(gòu)裝配化程度信息，設(shè)計插件功能思路流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計思路

2.1 建立構(gòu)件編碼系統(tǒng)

為了更好地把裝配式建筑部品部件進(jìn)行歸類，本系統(tǒng)建立服務(wù)于項(xiàng)目的構(gòu)件編碼體系，編碼本身具有唯一性、合理性、簡明性、規(guī)范性、可拓展性等特點(diǎn)[5]，對構(gòu)件進(jìn)行編碼同時也進(jìn)行了歸類管理； 根據(jù)構(gòu)件的不同類別進(jìn)行“唯一”編碼得到建筑構(gòu)件歸類編碼系統(tǒng)，該方法適用于所有建筑物構(gòu)件，通過此歸類方式可將建筑物的所有構(gòu)件分為結(jié)構(gòu)主體、圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻、裝飾和設(shè)備管線三大類，具體模型編碼規(guī)則如表3。

表3 模型編碼規(guī)則

2.2 構(gòu)件數(shù)據(jù)提取

參數(shù)化是BIM技術(shù)的巨大優(yōu)勢，在Revit中其參數(shù)類型包括類型參數(shù)和實(shí)例參數(shù)[6]，類型參數(shù)代表一類構(gòu)件的屬性，實(shí)例參數(shù)則是每一個構(gòu)件的特有屬性； 所以在建模初期階段需要對構(gòu)件賦予特定的屬性參數(shù)。根據(jù)上文的編碼原則在建模過程中對構(gòu)件進(jìn)行編碼如圖2所示，充分體現(xiàn)相同類構(gòu)件的唯一性； 以便于分類提取建筑構(gòu)件信息，Revit API提供一種機(jī)制，用于過濾和迭代Revit文件中的圖元，獲取一組相關(guān)圖元，如項(xiàng)目中所有的預(yù)制外墻或者預(yù)制柱[7]，對于預(yù)制構(gòu)件來講，通過提取“構(gòu)件編碼”這一參數(shù)信息，就能夠自動識別該預(yù)制構(gòu)件，通過獲取GeometryElement的實(shí)例，遍歷其屬性獲取其Volume、Area、SurfaceArea、Curve、Line、ID等具體信息。

圖2 自定義編碼

3 開發(fā)平臺及開發(fā)工具

本文采用Revit2019平臺進(jìn)行的功能擴(kuò)展，使用Visual Studio2019、Revit Add In Manager、Revit Lookup開發(fā)工具，目標(biāo)框架為.NET Formwork4.7，通過調(diào)用Revit API(Application Programming Interface)進(jìn)行二次開發(fā)，添加裝配式模塊插件。

3.1 Revit2019

Revit是當(dāng)前國內(nèi)受認(rèn)可度很高的BIM建模軟件，其模型所攜帶的信息與現(xiàn)實(shí)具有一致性特點(diǎn)，軟件本身兼容性較高，導(dǎo)出格式種類較多、可拓展性和接口技術(shù)都比較成熟[8-9]，使得Revit在國內(nèi)工程領(lǐng)域地位遙遙領(lǐng)先于其它BIM軟件。

3.2 Visual Studio2019和C#

通過Visual Studio2019創(chuàng)建最終文件為外部dll文件，被Revit識別與讀取，使用VS建立功能類庫[10]。利用C#程序語言，結(jié)合Revit2019提供的外部接口，實(shí)現(xiàn)在Revit中進(jìn)行構(gòu)件的歸類和主體結(jié)構(gòu)裝配率計算及規(guī)范展示功能。

3.3 Revit API、Revit Lookup及Add-In Manager

Revit為開發(fā)者提供了開放的API，通過這些接口調(diào)用外部功能應(yīng)用并集成到Revit軟件中，實(shí)現(xiàn)訪問模型各類數(shù)據(jù)，其中包括圖形數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)，通過對Revit二次開發(fā)來創(chuàng)建插件形式完成對一些對模型參數(shù)提取的智能化。

Revit Lookup工具可以查看Revit后臺的數(shù)據(jù)參數(shù)名，方便開發(fā)人員在開發(fā)過程中對模型信息的查詢和提取。

Revit Add-In Manager用來動態(tài)加載.dll文件，使得不用重復(fù)打開Revit就可以進(jìn)行調(diào)試，提高了開發(fā)效率[10]。

4 插件功能實(shí)現(xiàn)

4.1 界面設(shè)計

通過RevitAPI訪問和拓展Revit，在插件中實(shí)現(xiàn)外部接口IExternalApplication，通過IExternalApplication外部重載OnStartup和OnShutdown函數(shù)，在Revit啟動和關(guān)閉時候定制所需的功能，在Visual Studio2019平臺下構(gòu)造類庫，建立YZLCalculation類、ZPL類、ShowPDF類、MainWindow類、UIDemo類FamilyInstanceGeometry類、Window1、Area calculation類、Assembly rate calculation主窗體類等，創(chuàng)建功能欄部分代碼如圖3所示，菜單標(biāo)簽頁如圖4所示，單擊功能面板按鈕以模態(tài)形式展示窗體，并在每一個控件的事件通過調(diào)用不同類的計算方法，來達(dá)到開發(fā)者想實(shí)現(xiàn)的功能。

圖3 創(chuàng)建功能面板方法

圖4 功能面板

4.2 參數(shù)提取與計算

控制程序通過FamilyInstance過濾文檔中的族實(shí)例圖元，通過編碼系統(tǒng)過濾獲取到各類幾何數(shù)據(jù)參數(shù)，通過構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行不同分項(xiàng)的信息數(shù)據(jù)計算，過程如下：

1)通過創(chuàng)建收集器來訪問項(xiàng)目中所有對象，對項(xiàng)目所有構(gòu)件進(jìn)行過濾收集，首先實(shí)例化FilteredElementCollector類，通過OfClass()過濾族類別然后利用foreach循環(huán)篩選預(yù)制構(gòu)件的族實(shí)例，代碼如圖5所示，并將所篩選出的構(gòu)件數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定。

圖5 過濾預(yù)制構(gòu)件方法

2)按照上文建立的編碼體系將構(gòu)件編碼與條件語句進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷計算，若返回值為“Z”則程序自動通過調(diào)用自定義方法GetFamilyInstanceSolidVolumn()讀取其Solid獲取體積參數(shù)，這里Revit軟件默認(rèn)單位為英尺，需要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，代碼如圖6所示； 同理若返回值為“LB”則提取其水平投影面積參數(shù)；

圖6 獲取構(gòu)件體積方法

3)通過程序循環(huán)過濾方式，統(tǒng)計出豎向構(gòu)件如預(yù)制柱、承重墻等預(yù)制部分與現(xiàn)澆部分體積，應(yīng)用表2中公式進(jìn)行計算得到應(yīng)用比例； 同理得到水平構(gòu)件面積的應(yīng)用比例。

表2 應(yīng)用比例計算方法

4)利用此種參數(shù)提取方式，應(yīng)用于項(xiàng)目中所有被編碼的構(gòu)件。依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)在方案階段對不同的拆分方案可自行勾選過濾條件，一鍵計算來得到比率，篩選出最佳方案，計算界面如圖7所示。同時通過在Revit內(nèi)創(chuàng)建Excel表格方式進(jìn)行導(dǎo)出各項(xiàng)計算結(jié)果，統(tǒng)計各構(gòu)件幾何信息來進(jìn)行工程量校核。

圖7 計算界面

4.3 建立裝配式規(guī)范庫

Revit本身并不能查詢規(guī)范，為方便設(shè)計人員在方案階段對裝配率把控與查詢工作，通過上文敘述開發(fā)手段，在主窗口內(nèi)點(diǎn)擊按鈕觸發(fā)事件并實(shí)例化子窗體，利用WPF的WebBrowser控件讀取本地文件，代碼如圖8所示，將《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》編入插件中，如圖9所示，輔助設(shè)計人員快捷查詢所需規(guī)范，提高設(shè)計效率，補(bǔ)充軟件功能。

圖8 窗體展示規(guī)范方法

圖9 標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范展示界面

5 項(xiàng)目應(yīng)用

河北省某裝配式項(xiàng)目，地上建筑共21層，采用裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)形式，規(guī)劃建筑高度59.5m，其中豎向構(gòu)件F4-F21層實(shí)施裝配式，水平構(gòu)件F3-F20頂板實(shí)施裝配式，抗震設(shè)防烈度7度，預(yù)制底部加強(qiáng)區(qū)采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。為滿足當(dāng)?shù)貙υ擁?xiàng)目裝配率要求，對外墻、疊合板底板、內(nèi)隔墻、樓梯進(jìn)行提前預(yù)制，結(jié)構(gòu)墻體統(tǒng)一厚度為200mm，水平預(yù)制疊合板厚度為130mm，底板布置圖見圖10所示。以F4標(biāo)準(zhǔn)層為例，在Revit中對相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行系統(tǒng)分類并計算其主體結(jié)構(gòu)裝配率，建立BIM模型如圖11所示。通過面板功能一鍵計算水平和豎向構(gòu)件應(yīng)用比例，實(shí)現(xiàn)PC主體結(jié)構(gòu)智能裝配率計算。

圖10 預(yù)制底板布置圖

圖11 標(biāo)準(zhǔn)層BIM模型

本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)中根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計豎向構(gòu)件應(yīng)用比例為51%，水平構(gòu)件應(yīng)用比例為76%，根據(jù)內(nèi)插法計算主體結(jié)構(gòu)Q1總得分為39.6，插件統(tǒng)計豎向構(gòu)件應(yīng)用比例51.9%，水平構(gòu)件應(yīng)用比例75%，如圖12所示，同理Q1得分為38.8，經(jīng)計算最終裝配率分別為57.6%和56.8%如表4所示，相差接近1%，具有參考意義。

圖12 應(yīng)用比例計算結(jié)果

表4 統(tǒng)計方式對比

這種計算方法可擴(kuò)展應(yīng)用到各類裝配式混凝土結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，對于設(shè)計階段多種構(gòu)件拆分方案之間進(jìn)行對比，通過改變構(gòu)件類型參數(shù)，可以快捷的獲取更改后項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件應(yīng)用比例。得到Q1值，計算結(jié)果并以Excel形式輸出構(gòu)件尺寸信息，極大地節(jié)省人力成本，縮短項(xiàng)目施工周期，同時這種統(tǒng)計方式實(shí)現(xiàn)了快速獲取不同方案的裝配化程度并能準(zhǔn)確地進(jìn)行經(jīng)濟(jì)算量，并篩選出最佳方案，有助于后續(xù)建設(shè)。

6 結(jié)語

本文利用信息化手段針對《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中裝配率的計算方法進(jìn)行研究與分析，使用Revit平臺通過創(chuàng)建擴(kuò)展性功能，將規(guī)范編入到插件中，通過計算機(jī)程序輔助快速獲取構(gòu)件幾何信息并計算主體結(jié)構(gòu)裝配率，本著一種構(gòu)件歸類計算的思想，利用信息化手段可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)手算的部分工作，并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)省時間成本，使得在實(shí)際工程中智能化裝配率計算成為可能，通過實(shí)際項(xiàng)目案例驗(yàn)證，這種方法可行、可用，有效縮短人工計算時間同時提升了計算精度。