面向制造與裝配的預制混凝土構件模塊庫設計與應用

鄒貽權，湯宇塵，董道德

（1.湖北工業大學土木建筑與環境學院，武漢 430068；2.長沙理工大學土木工程學院，長沙 410114）

0 引言

2022 年1 月，住房和城鄉建設部印發的《“十四五”建筑業發展規劃》提出：構建裝配式建筑標準化設計和生產體系，擴大標準化構件和部品部件的使用，推動生產和施工的智能化升級。預制混凝土（PC）構件是裝配式建筑結構的重要組成部分，貫穿裝配式建筑的設計、生產、運輸及裝配各個環節［1］，因此設計體系對于裝配式建筑的生產、安裝至關重要。然而，構件深化設計過程中存在構件深化效率與標準化程度低、設計與生產的體系數據銜接較差等問題。為解決該問題，深化設計師采用以建筑信息模型（BIM）為主的數字化設計技術［2］，創建或調用PC構件的BIM構件庫，在設計階段提高建筑設計質量，避免后期設計的修改［3］。同時，推進BIM 在工程全壽命周期的集成應用，強化設計、生產、施工的數字化協同［4］。

目前，常見的工業化建筑企業的構件庫或者在線模型庫有BIMobject、RevitCity、族庫大師、構件塢等。這些構件庫或在線模型庫中包含一定數量的PC 構件或模塊用于設計與生產，但模塊并不能很好地聯系設計與生產。模塊通常是按項目進行配置，因此構件庫的使用受到一定的限制。開發大體量的構件庫，不僅需要龐大的生產成本，還需要將模塊不斷地更新升級。此外，調用構件庫中的BIM 進行設計時，還要對鋼筋長度、埋件位置、連接節點等進行修改與核準［5］。因此，構件庫的建立應考慮項目之間的相關性，用于匹配建筑項目構件的多樣性和標準化程度。

針對深化設計中構件數量多、重復性工作量大、標準化程度低等問題，基于BIM 對構件進行參數化，制訂拆分、建模、出圖標準，開發相應的BIM構件庫［6-8］，對構件庫進行分類、編碼，并搭建云平臺以及管理流程與管理系統［9-11］。上述研究難以將設計與生產聯系起來，因此在充分考慮構件的可制造性與可裝配性的基礎上開發具有最大復用性與可共享性的構件庫至關重要。

引入制造業中面向制造與裝配的設計（DFMA）的產品設計思路［12-14］，以豎向PC 構件為例，提出一種裝配式建筑模塊庫設計方法。

1 面向制造與裝配的模塊庫創建方法

1.1 基本原理

DFMA包含為裝配而設計（DFA）和為制造而設計（DFM）。DFA 在設計階段就考慮到產品的可裝配性［15］，確保零件快速有效地裝配，常用的方法包括簡化產品設計、減少零件數量、使用標準件、模塊化等。DFM的目的是讓產品具有更好的可制造性。DFA 和DFM的統一就是DFMA。本研究中將構件作為產品，在設計過程中考慮構件制造要求，將設計數據關聯到構件生產中。

1.2 設計流程

在構件深化設計過程中，BIM 是支撐DFMA 的關鍵技術，而DFMA 使BIM 更適用于PC 構件。圖1 為基于DFMA的構件模塊庫設計流程，以裝配式建筑的豎向PC構件為例，主要包含構件分析、構件拆解、軟件開發、模塊創建、模塊入庫5 個步驟。

圖1 基于DFMA的構件模塊庫設計流程

1.2.1 構件分析

通過對某建筑企業大型已建裝配式項目的1 萬多張構件深化設計圖紙進行梳理和分析，特別是DFM與DFA分析。這些圖紙都是經過實際項目檢驗而形成的生產經驗。

1.2.2 構件拆解

由構件分析可知，PC構件標準化對象的層級目前集中在構件級和元素級。構件級對象為構件整體，主要標準化方法是將構件類型化、規格化。類型化是將構件分為疊合板、外墻板、內墻板、樓梯等多種類型；規格化是將每種構件類型尺寸進行固化，做到少規格多組合。元素級對象主要為鋼筋籠和模板，主要標準化方法是鋼筋籠的標準化、單元化、模塊化以及模板的標準化。

將規格化和類型化同時用于構件，在構件“元素級”和“構件級”之間增加一個模塊級。如圖2 所示，將構件拆解為邊緣構件、窗下墻、填充墻、梁等功能模塊。

圖2 PC構件拆分示意圖

1.2.3 模塊設計

考慮DFMA的成本需求以及模塊與設計、生產、結構等方面的聯系，形成模塊的設計規則。

基于結構計算書及構件拆分圖的關聯調取模塊庫內指定標準模塊。在模塊分類中，梁模塊、約束（邊緣）模塊及預制剪力墻模塊為受力模塊，有固定的配筋要求，其關聯的準確性關系到結構的穩定性。如圖3 所示，以剪力墻模塊為例，層高、抗震等級等為設計物料信息，混凝土強度與樓層相關，因此關聯的信息為邊緣構件模塊的規格、套筒規格與箍筋開口形式。模塊的規格由構件拆分圖決定，開口形式由工藝決定，套筒規格由一次結構計算配筋截面積與對應的配筋表決定。在明確工藝信息的前提下，編制套筒配置規則。

圖3 拆分圖、計算書與剪力墻模塊的關聯

構件拆解出的模塊可實現設計-生產的關聯。模塊中的鋼筋均帶有固定編號信息，能生成相應的鋼筋加工信息，并且有對應的文件夾及圖形文件，實現模塊與生產的關聯。當該模塊有關聯的生產信息時，可作為構件的組成部分被調取，同步生成并輸出生產信息。左邊緣構件的編號及對應的加工信息如圖4 所示。

圖4 左邊緣構件模塊各組件加工信息

圖5 為模塊與結構的關聯圖。將構件拆分為各標準功能模塊，左（右）支撐分為左（右）邊緣構件模塊，在構件兩側起豎向受力作用。用于結構安全的模塊，采用標準化的鋼筋籠以提高標準化程度并保證結構的安全性。在模塊組裝成PC 構件時，通過BIM 的二次開發，將非受力模塊的鋼筋貫通，實現構件的整體結構受力。在模塊生成過程中，設計者通過輸入模塊的結構參數來控制鋼筋直徑。例如，輸入鋼筋的截面積來控制鋼筋直徑，保證構件在不同載荷下的安全性和穩定性。鋼筋籠的鋼筋尺寸是通過圖紙分析得出的。根據不同地區的規范和標準，對鋼筋籠的設計規則進行調整，如鋼筋的間距、直徑以及錨固長度等設計參數，以保證方法的通用性。

圖5 模塊與結構的關聯

2 模塊參數化

2.1 開發平臺與開發工具

將模塊規則、數據架構、空間布局等固化到BIM中，進行二次開發。通過軟件與族樣板創建相應的參數化標準模塊。硬件為PC 機，采用Intel 處理器、Windows操作系統，顯卡為GTX3090，運行內存為16 GB。軟件開發平臺為Revit2016、VS2015（Microsoft Visual Studio 2015）以及面向對象的編程語言C＃［15］。Revit2016 由Autodesk 公司研發，是目前主流的BIM軟件，可借助應用程序接口（API）創建插件軟件［16］。

2.2 模塊創建

在BIM 中創建模塊時調用自定義的“ModuleTemplate.rfa”族樣板文檔環境進行參數化模塊的創建。使用族樣板可提升建模速度，樣板內設置了含構件各組件的族，保存后快速進行下一個模塊的創建。在二次開發的工具軟件創建時輸入模塊相關的信息，快速完成參數化模塊創建。創建完成后輸出的三維信息模型也可稱為DFM 定制模塊。圖6 為基于Revit2016 創建的參數化標準模塊示例。當拆分后的參數化模塊創建完畢后，還可對創建的模塊進行修改，使得模塊更加符合DFMA 的需求。這些模塊是參數化的，根據設計與制造的需求可對模塊中的組件進行參數化調整。

圖6 基于BIM的參數化標準模塊示例

通過編制模塊的結構編碼，調取數據庫的模塊及模型信息。模塊的編碼由決定模塊特性的關鍵參數構成，如邊緣模塊受層高、抗震等級、混凝土強度等因素的影響，因此編碼中會出現以上所有元素。通過編碼調取，模塊也具有唯一性、合理性。左邊緣構件模塊的編碼示例如表1 所示。

表1 左邊緣模塊編碼示例

2.3 模塊入庫

利用BIM的三維可視化，檢查模塊是否符合DFM與DFA的要求。符合要求的模塊通過開發模塊管理軟件保存到基于云端的模塊庫，用于后續設計與生產。配套的云端模塊庫管理流程如圖7 所示。基本功能包含模塊的上傳、分類、審核、入庫與調用。選擇相應參數化標準模塊，完成模塊上傳，然后對模塊進行分類和統計。可依據模塊編碼或者關鍵字進行檢索，便于查找相關的模塊。模塊的檢索頁面如圖8 所示。已上傳的模塊在云端模塊庫中呈現待審核狀態，由專業人員進行DFMA核查，查看該模塊是否具有良好的可制造性和可裝配性。最后，將完成上傳、審核的模塊保存到云端模塊庫中。

圖7 基于DFMA的模塊庫管理流程

圖8 云端模塊庫檢索頁面

3 模塊庫系統架構與全生命周期優化應用

3.1 基于數據驅動的模塊庫系統架構

基于云端服務器的模塊庫實現模塊的創建、上傳、審核、保存功能，用于構件的設計與生產。將模塊數據保存在云端模塊數據庫具有一定的優勢。首先，云端數據庫具有強大的數據存儲能力與綜合服務能力，可以保存大量模塊數據；其次，通過對模塊數據庫中模塊的調取與組合可更好地完成PC 構件設計；最后，云端數據庫不僅保存參數化模塊信息，還保存模塊的生產信息。云端模塊庫確保了數據在各平臺傳輸時的完整性。

軟件的系統架構與數據流動也是基于拆分后的模塊。將模塊與云端數據庫相聯系，通過一定的開發手段實現設計、生產與全過程的數據流通。系統云端服務器由3 層架構組成，如圖9 所示，主要包含以參數化建模工具為主的前端界面設計和以Java 為主的后端研發。通過前期的梳理和分析，將模塊的設計規則、數據架構、數據庫等融入二次開發工具中，創建相應的參數化模塊。此時，模塊的數據內置到BIM 中，實現知識的自動化。創建的參數化模塊在BIM 中為三維形態，前端的模塊能夠進行可視化管理。然后，將模塊核驗并上傳到云端數據庫，在數據庫中保存模塊數據。調用模塊庫中模塊并重組為PC 構件，生成相應的平面圖紙與詳細清單，用于后續的設計、生產。在拆分的模塊化架構中，模塊的數據信息與參數化模塊是分離的。模塊數據信息內置到工具軟件的數據庫中，生成的BIM作為可視化模塊數據。

圖9 云端數據庫的系統架構

3.2 基于云端模塊庫的設計流程優化

云端模塊庫實現裝配式建筑設計、建造、安裝一體化與全過程數字化。圖10 為以云端模塊庫為基礎的基于數據驅動的全過程設計流程。在全過程設計流程中，拆分PC構件形成的模塊貫穿了設計、生產、施工的全過程。

3.2.1 設計階段的優化應用

拆分后的模塊設計與制造是DFMA 過程。在裝配式建筑的設計過程中，通過相應的造型設計與結構計算，裝配式建筑可拆分為單體的PC 構件，并形成相應的PC構件拆分圖紙。通過開發的參數化設計工具輸入模塊的結構參數完成參數化模塊的創建，創建的參數化模塊滿足DFMA的要求。對于DFM，將裝配式建筑PC構件進行拆分，并引入模塊化設計理念。將拆分后模塊的設計規則，按照制造、裝配的需求進行固化，形成相應的設計標準，此時的模塊是標準部件。對于DFA，通過簡化模塊中結構類型、減少模塊數量等方式，方便模塊裝配。拆分后的模塊在設計時就考慮了制造和裝配中的需求，又引入參數化的設計方法并開發相應的設計工具，從而優化了設計速度。將參數化的模塊保存到基于云端的參數化模塊庫，通過開發的組合算法調取模塊庫的模塊并組合為多樣化的PC構件，滿足少規格多組合的構件設計需求。組合過程如圖11 所示。后續按照設計要求，進行保溫板、預埋件等附屬配件的添加，可形成精度較高的深化設計模型。通過模塊的設計與工具的開發，模塊庫可完成大多數常規類型水平構件與豎直構件BIM 深化設計模型的創建。圖12 為多樣化的深化設計PC構件模型。

圖12 多樣化的深化設計PC構件模型

3.2.2 制造階段的優化應用

利用BIM的特性輸出相應的物料清單，用于工廠中構件制造。在制造的過程中驗證模塊是否具有良好的制造性，并反饋到設計過程中。模塊可升級時，通過工具軟件創建新的模塊，并保存到模塊庫中進行模塊的更新。

3.2.3 裝配階段的優化應用

將具有良好制造性與裝配性的PC 構件運往建造現場進行安裝。PC構件現場安裝的過程也是對設計、生產過程的實際驗證。驗證后，對于不符合DFMA 需求的參數化模塊進行模塊圖元的更新，也是云端數據庫的更新。

4 項目應用

將開發的模塊庫應用到中國武漢某建筑企業在建的某裝配式建筑項目中。該項目經統計共有各種類型的豎向PC構件1 433 個，本設計工具可完成1 381 個PC構件的深化設計，占比達到96.4%，創建失敗的占比3.6%。實踐表明，該設計工具能實現大多數不同前置條件下豎向PC構件的標準化設計。

選取某項目中11 號樓，將本設計方法與常見的參數化深化設計輔助軟件進行對比。項目的地下層數為1層，地上層數為33 層，是全國首座超百米“豎向結構裝配”超高層裝配式建筑住宅。住宅總建筑面積約11 433 m2。該樓棟的裝配率為54%，PC 構件應用范圍主要是標準層，項目實景如圖13 所示。

圖13 11號樓“豎向裝配結構”住宅實景圖

對該項目的豎向PC 構件進行精細化建模，在相同的深化標準下，對比2 種深化方法從建模到出圖所需要的平均時間，如表2 所示。對于單個類型的外墻板和內墻板PC 構件，本設計方法完成深化設計的時間分別節省約12 min和9 min。

表2 深化時間對比

5 結語

引入DFMA的模塊庫設計方法，使有窮的標準模塊組成無窮的PC構件，實現少規格多組合的PC 構件設計目標，解決豎向PC 構件通用性差的行業難題。在設計時關聯構件制造、裝配信息，使得構件具有良好的可制造性與可裝配性，加強全生命周期的數字化協同。在全過程生命周期的建設中，通過PC 構件生產、安裝過程的驗證，對云端模塊庫不斷優化，使得模塊在后續的生產應用中更符合DFMA要求。