工業(yè)化生產(chǎn)PC構(gòu)件的BIM技術(shù)定位優(yōu)化

姚剛 秦蔚壑 周夢 劉文凱

摘 要：在預(yù)制混凝土（PC）構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的定位多采用人工排布，存在平臺生產(chǎn)面積利用率低、排布費工費時、生產(chǎn)漏排多排等缺點。將建筑信息模型（BIM）技術(shù)應(yīng)用到PC構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)中，可提高管理的信息化程度，并能較好地解決傳統(tǒng)定位中存在的問題。采用Revit軟件，制定了PC構(gòu)件信息模型的參數(shù)化建模標準，創(chuàng)建了PC構(gòu)件信息模型，改進了最低水平線算法。在模型信息的基礎(chǔ)上應(yīng)用算法排布構(gòu)件，從而提高了PC構(gòu)件生產(chǎn)的信息化程度和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：預(yù)制混凝土構(gòu)件;建筑信息模型;定位;最低水平線算法

中圖分類號：TU721;TU17

文獻標志碼：A? 文章編號：2096-6717（2019）02-0140-07

Abstract：The manual arrangement， which has some defects such as low utilization rate of production area， time-consuming and low leakage， was mostly adopted in traditional localization of prefabricated concrete （PC） elements in industrial production. Building Information Modeling （BIM） technology is applied in the industrial production of PC elements to improve the degree of management informatization， and thus the problems mentioned above can be solved to some extent. A parametrized modeling standard was developed and a PC information model was created using Revit software and the minimum horizontal line algorithm was improved. On the basis of information， the algorithm was used to arrange components， so as to improve the degree of information and productivity of PC components.

Keywords：prefabricated concrete elements; building information modeling; localization; minimum horizontal line algorithm

作為預(yù)制混凝土（PC）構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的開始環(huán)節(jié)，定位決定了每一批次中PC構(gòu)件的生產(chǎn)數(shù)量、混凝土的尺寸及預(yù)留預(yù)埋的位置。定位不僅影響PC構(gòu)件的生產(chǎn)效率，也影響PC構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量。傳統(tǒng)的定位依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗，存在生產(chǎn)效率低、費工費時、錯誤率高等缺點。

美國在2012年將工程信息模型引入到土木領(lǐng)域，以提高工程數(shù)據(jù)的連續(xù)性[1]。建筑信息模型（BIM）技術(shù)的興起為彌補傳統(tǒng)定位技術(shù)的缺點提供了新的思路。隨著BIM技術(shù)的推廣，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，很多學(xué)者也進行了大量研究。Kurdziel等[2]構(gòu)建了智能建筑系統(tǒng)，以實現(xiàn)建筑工程全方位集成。Moghadam等[3]提出將BIM和精益相結(jié)合的管理模型。Javier等[4]也提出了基于BIM-GIS的建筑供應(yīng)鏈監(jiān)控系統(tǒng)。齊寶庫等[5]首先將BIM技術(shù)引入到裝配式建筑全生命周期管理中。于龍飛等[6]構(gòu)建了基于BIM的裝配式建筑集成建造系統(tǒng)的總體框架。曹江紅等[7]提出了基于BIM的裝配式建筑三階段質(zhì)量管理體系，以統(tǒng)一工廠和現(xiàn)場的質(zhì)量管理。劉平等[8]構(gòu)建了基于BIM的裝配式建筑供應(yīng)鏈信息流集成模型，并對模型架構(gòu)和各階段的應(yīng)用進行分析。胡珉等[9]提出了預(yù)制裝配式建筑的BIM設(shè)計標準框架，為裝配式產(chǎn)業(yè)鏈信息溝通提供路徑。田東等[10]提出了基于BIM技術(shù)的裝配式建筑深化設(shè)計方法，讓信息在產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)能夠協(xié)同與傳遞。靳鳴等[11]引入BIM技術(shù)進行裝配式建筑深化設(shè)計，并制定相應(yīng)標準。王愛蘭等[12]通過BIM技術(shù)模擬，提前制定PC構(gòu)件施工方案。李廣輝等[13]利用BIM模型進行動態(tài)和靜態(tài)碰撞，檢查優(yōu)化裝配式結(jié)構(gòu)。

為了解決傳統(tǒng)定位技術(shù)中存在的問題，筆者提出了基于PC構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的、應(yīng)用BIM技術(shù)的定位方法，并對其進行優(yōu)化。首先，根據(jù)深化設(shè)計圖紙和生產(chǎn)方案建立PC構(gòu)件的BIM模型;然后，結(jié)合定位的實際情況，提取PC構(gòu)件模型中相關(guān)生產(chǎn)信息;最后，通過改進的最低水平線算法自動排布預(yù)生產(chǎn)的構(gòu)件，對定位進行優(yōu)化。

1 BIM模型的創(chuàng)建及定位信息的提取

1.1 BIM模型的創(chuàng)建

PC構(gòu)件BIM模型的創(chuàng)建與一般的BIM模型有所不同。以Revit軟件建模為例，PC構(gòu)件不僅要作為族被項目文件運用，同時PC構(gòu)件也是由多個元素組成。多層級的關(guān)系和建模軟件的局限性，使得PC構(gòu)件BIM模型的創(chuàng)建復(fù)雜而特殊。如何正確有效地建立信息模型，直接影響到構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

筆者應(yīng)用Revit軟件，結(jié)合PC構(gòu)件的多層級特點，采用嵌套族創(chuàng)建PC構(gòu)件的BIM模型。同時，制定參數(shù)化建模標準，從模型信息和建模過程來規(guī)范信息模型。模型信息主要包括幾何信息和非幾何信息;建模過程主要包括建模軟件版本號、創(chuàng)建方式、模型的儲存等。

PC構(gòu)件包括疊合板、疊合梁、預(yù)制柱、預(yù)制墻板等，其參數(shù)化建模標準包括6個方面，以疊合板族為例進行說明。

1）族的組成 首先分析PC構(gòu)件的組成：PC構(gòu)件族為嵌套族，子族為各個零件，如鋼筋、混凝土、預(yù)留預(yù)埋件等;父族為各個零件的集合。其中，劃分零件既要種類完整，也要滿足一定的通用性。

疊合板族的組成，父族為疊合板，子族為混凝土底板、預(yù)埋件等，見圖1。

2）族的命名 族的命名包括父族命名和子族命名，主要參考行業(yè)已有標準，結(jié)合Revit軟件可變參數(shù)（參數(shù)化建模的參數(shù)）的設(shè)置，符合族的使用習慣。子族的命名也可以依據(jù)形狀、功能等。

疊合板族的命名參考圖集《桁架鋼筋混凝土疊合板（60 mm厚底板）》（15G366-1），結(jié)合寬度等可變參數(shù);其子族的命名依據(jù)鋼筋形狀，具體命名見表1。

3）族的基本信息 族的基本信息根據(jù)應(yīng)用目的分析確定，其主要應(yīng)用于生產(chǎn)。PC構(gòu)件的BIM模型信息主要包括原材料、零件幾何尺寸和位置尺寸，具體可分為總信息、混凝土信息、鋼筋信息、預(yù)埋預(yù)留件信息等。根據(jù)嵌套族的特點，細分父族和子族的信息。子族中應(yīng)包括組成零件的原材料和幾何尺寸信息;父族中應(yīng)包括族的整體信息、零件數(shù)量、零件位置尺寸以及嵌套的關(guān)聯(lián)參數(shù)。

疊合板族的子族信息包括混凝土底板尺寸、混凝土等級、鋼筋等級、鋼筋直徑、鋼筋形狀尺寸、預(yù)埋件材料與生產(chǎn)尺寸等，桁架鋼筋視為預(yù)埋件。疊合板族的父族信息包括跨度、寬度、厚度、總質(zhì)量、混凝土體積、混凝土保護層厚度、各類鋼筋的數(shù)量與位置尺寸、吊點信息、預(yù)留預(yù)埋件位置尺寸等。

4）Revit軟件建族的流程 Revit軟件的族分為系統(tǒng)族和自定義族，自定義族由用戶根據(jù)實際需求創(chuàng)建，嵌套族為自定義族。嵌套族由父族嵌套子族組成，先創(chuàng)建各個子族，再創(chuàng)建父族，見圖2。

5）族的創(chuàng)建過程 創(chuàng)建過程應(yīng)統(tǒng)一族樣板文件、族類別和同一種類構(gòu)件的參數(shù)名稱。不同種類構(gòu)件根據(jù)自身特點設(shè)置可變參數(shù)，參數(shù)名稱可參考族的基本信息名稱。嵌套族還需確定父族與子族的關(guān)聯(lián)參數(shù)，疊合板的關(guān)聯(lián)參數(shù)見表2。

6）其他 注釋是對模型和參數(shù)信息表達的一個補充，有助于更快更全面地掌握熟悉構(gòu)件。如疊合板族中子族位置尺寸的注釋。

插入點是確定族引入新項目中的放置點，其設(shè)置應(yīng)便于對族的使用，如，疊合板中的插入點可設(shè)置為疊合板的左下角。

1.2 定位的信息提取

定位是由機械設(shè)備劃出擬澆筑混凝土的輪廓線，然后根據(jù)輪廓線組裝模具。在創(chuàng)建構(gòu)件的BIM模型后，由實際操作過程可知，排布構(gòu)件所需要的信息有混凝土底板輪廓線、混凝土等級、最小矩形輪廓線。最小矩形輪廓線是包含PC構(gòu)件和模具的最小面積的矩形，見圖3?；炷恋燃壭畔⒂糜谂袛嗖煌腜C構(gòu)件能否同一批次生產(chǎn);混凝土底板輪廓線信息用于機械設(shè)備劃線;最小矩形輪廓線的信息用于排布構(gòu)件。

在排布構(gòu)件之前，首先確定構(gòu)件的模板面?？紤]PC構(gòu)件本身的特征，結(jié)合后續(xù)工藝的要求。流水生產(chǎn)中常見的PC構(gòu)件有疊合板、疊合梁、預(yù)制柱、預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)墻板等，其模板面的選擇見表3。

通過Revit的二次開發(fā)接口，開發(fā)信息導(dǎo)出附加模塊，其主要功能是將BIM模型中的信息導(dǎo)出至排布構(gòu)件的算法，導(dǎo)出的信息見表4。某些信息可直接從BIM模型中獲取，如混凝土等級;某些信息不能直接從BIM模型獲取，需要經(jīng)公式計算得到，如最小矩形輪廓線。

2 基于最低水平算法的構(gòu)件排布

PC構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的定位是一個矩形件排布問題，即在定寬定高的矩形平臺上排布一系列矩形構(gòu)件，構(gòu)件之間不能重疊，且構(gòu)件必須在平臺內(nèi)部，同時考慮生產(chǎn)工期等因素，找到一個較優(yōu)的排布方案。影響排布方案的因素有構(gòu)件面積、生產(chǎn)工期、生產(chǎn)工藝等。定寬定高的平臺上排布構(gòu)件，最優(yōu)方案是使用平臺次數(shù)最少的排布方式，可近似等效于每次排布對平臺面積利用率最大。

2.1 最低水平線算法的改進

矩形件的排布是一個NP（Non-deterministic Polynomial）問題[14]，針對構(gòu)件排布的限制條件，選擇最低水平線算法[15]排布構(gòu)件，其過程如下。

首先，根據(jù)最低水平線算法將構(gòu)件從左到右進行排布，形成高低不齊的水平線;構(gòu)件排布時，選擇最低水平線排布構(gòu)件，若不能排布，則將最低水平線提高至相鄰最低的水平線，同時更新最低水平線寬度，繼續(xù)排布，見圖4。

其次，根據(jù)PC構(gòu)件的實際生產(chǎn)情況，進行算法的優(yōu)化，包括定高限制優(yōu)化、工期等級優(yōu)化、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)優(yōu)化等

1）定高限制優(yōu)化。原有最低水平線算法是不限高，與實際情況不符。引入限制高度的參數(shù)limH=H-LH，在每次更新水平線高度時，若所剩構(gòu)件min（li，wi）>limH，則停止排布。

2）工期等級優(yōu)化。根據(jù)用戶的工期要求，結(jié)合工廠的生產(chǎn)能力，制定生產(chǎn)計劃，將不同構(gòu)件按生產(chǎn)工期劃分為不同的等級。構(gòu)件排布時，選擇優(yōu)先級高的構(gòu)件，無法滿足要求時，再選擇下一工期等級的構(gòu)件，以提高平臺面積利用率。

3）旋轉(zhuǎn)狀態(tài)優(yōu)化。PC構(gòu)件的生產(chǎn)工藝不同，影響構(gòu)件能否旋轉(zhuǎn)排布。如：疊合板要拉毛，不能旋轉(zhuǎn)排布;外掛墻板和固定臺模的生產(chǎn)方式可以旋轉(zhuǎn)。若考慮構(gòu)件可旋轉(zhuǎn)，則將構(gòu)件旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)的兩種狀態(tài)視為兩個構(gòu)件進行排布。

最后，通過定高限制、工期等級、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來體現(xiàn)構(gòu)件排布的影響因素，得到一個最符合實際的排布方案。

2.2 算法的實現(xiàn)

優(yōu)化的最低水平線算法可通過劃分構(gòu)件的工期等級和利用評價函數(shù)選擇構(gòu)件，更高效地完成構(gòu)件排布，其具體流程見圖5。

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理 先對構(gòu)件的矩形尺寸數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，移除min（li，wi）>min（H，W），將構(gòu)件按混凝土等級進行分組。

2）確定工期等級和旋轉(zhuǎn)狀態(tài) 確定工期等級劃分標準，即選擇多少日為一級;同時，確定是否考慮旋轉(zhuǎn)。

3）劃分工期等級，增序排列構(gòu)件 依據(jù)輸入的等級劃分標準對構(gòu)件進行等級劃分;同一工期等級構(gòu)件按面積大小進行非增序排序f（1）≥f（2）≥…≥f（n），再以先后排序每組工期等級，得到新的序列。