Revit 下計(jì)算機(jī)輔助塔機(jī)規(guī)劃系統(tǒng)①

楊 靜, 張育飛, 劉 棟, 徐蒼博

1(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)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(fā)展有限公司, 西安 710000)

超高層建筑具有結(jié)構(gòu)超高、規(guī)模龐大、功能繁多、系統(tǒng)復(fù)雜、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高等特點(diǎn), 施工過程中, 鋼筋、模板、鋼管等材料運(yùn)輸及鋼結(jié)構(gòu)件吊裝都需要用到塔機(jī)[1], 塔機(jī)的選型和布置直接影響工程進(jìn)度、安全及成本, 一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題.目前, 塔機(jī)規(guī)劃都是現(xiàn)場技術(shù)人員基于CAD 圖紙, 憑借既往工程經(jīng)驗(yàn)做出決策, 導(dǎo)致塔機(jī)規(guī)劃與施工技術(shù)脫節(jié), 特別是針對超高層或裝配式建筑的施工, 現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)已不能滿足要求.

建筑信息模型BIM (Building Information Modeling)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ), 集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息.近年來, BIM 信息技術(shù)的應(yīng)用已從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)拓展到工程造價(jià)及施工階段的管理等方面[2-4], 極大提高了設(shè)施管理能力[5].文獻(xiàn)[6,7]應(yīng)用三維模型的碰撞檢測功能, 將BIM 技術(shù)應(yīng)用到塔機(jī)安全及布置分析中, 但缺少對塔機(jī)吊運(yùn)能力等方面的專業(yè)考慮.國外已經(jīng)開始研究利用BIM 技術(shù)進(jìn)行塔機(jī)的自動(dòng)布局與規(guī)劃[8,9], 可有效提高施工效率, 但國內(nèi)這方面研究還很少.同時(shí), 國內(nèi)當(dāng)前BIM 從業(yè)人員多數(shù)缺少現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn), BIM 技術(shù)應(yīng)用與業(yè)務(wù)的脫離, 缺乏配套的 BIM施工軟件, 制約了BIM 技術(shù)在施工階段的應(yīng)用.本文將BIM 技術(shù)與塔機(jī)規(guī)劃的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合, 利用Revit 的API 開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助塔機(jī)規(guī)劃軟件, 為超高層投標(biāo)階段塔機(jī)的選型布置提供了三維輔助工具.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

Revit 作為BIM 技術(shù)的應(yīng)用軟件, 為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)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(gòu)件的重量以及數(shù)量, 在此基礎(chǔ)上結(jié)合專業(yè)的塔機(jī)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)知識(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助塔機(jī)規(guī)劃系統(tǒng), 包括4 個(gè)功能模塊: 塔機(jī)型號(hào)管理、塔機(jī)布置、塔機(jī)數(shù)量預(yù)估以及輔助塔機(jī)定位, 如圖1 所示.

圖1 塔機(jī)規(guī)劃系統(tǒng)功能模塊

(1)塔機(jī)庫管理: 利用Revit 的族功能, 設(shè)計(jì)參數(shù)化塔機(jī)族, 實(shí)現(xiàn)塔機(jī)模型的共享, 具有增加、刪除以及修改等塔機(jī)庫的管理功能.

(2)塔機(jī)布置: 由塔機(jī)族創(chuàng)建族實(shí)例, 在Revit 環(huán)境下布置塔機(jī)并實(shí)現(xiàn)三維展示.

(3)塔機(jī)數(shù)量預(yù)估: 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的Revit 三維模型, 對吊運(yùn)物料進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì), 在此基礎(chǔ)上, 利用改進(jìn)的算法確定塔機(jī)型號(hào)及數(shù)量.

(4)輔助塔機(jī)定位: 利用塔機(jī)族的性能參數(shù)(載荷曲線)、結(jié)構(gòu)參數(shù)(塔機(jī)位置)以及建筑結(jié)構(gòu)的物料信息, 對塔機(jī)的吊運(yùn)能力進(jìn)行評估.在Revit 模型中實(shí)現(xiàn)超載構(gòu)件的高亮顯示, 提示工程技術(shù)人員目前哪些位置的構(gòu)件超載, 為塔機(jī)位置更變提供了思路, 從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助塔機(jī)規(guī)劃.

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 參數(shù)化塔機(jī)族的建立

在Revit 軟件中, 族是一個(gè)功能強(qiáng)大的概念, 是三維模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的載體, 通過族參數(shù)實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的信息化管理.塔機(jī)是具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格及尺寸的設(shè)備, 在工程項(xiàng)目中大量復(fù)用.然而, Revit 中卻沒有塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)族, 依靠手工方式在Revit 系統(tǒng)中完成塔機(jī)建模,工作效率低下.本文利用Revit 系統(tǒng)的族功能, 構(gòu)建平臂塔、動(dòng)臂塔及塔頭塔等3 種可載入類型的參數(shù)化塔機(jī)族庫, 并定了族的結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù), 如表1 所示.其中, 結(jié)構(gòu)參數(shù)描述塔機(jī)結(jié)構(gòu)以及位置, 可用于塔機(jī)安全性評估, 如塔機(jī)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(shù)主要描述塔機(jī)的起重性能, 是塔機(jī)規(guī)劃的重要評價(jià)指標(biāo).

表1 塔機(jī)族標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

將塔機(jī)族參數(shù)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(jī)族進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)了塔機(jī)型號(hào)在不同項(xiàng)目的重復(fù)應(yīng)用, 以及型號(hào)的管理.

2.2 塔機(jī)數(shù)量自動(dòng)評估

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

其中, N 為塔機(jī)需用臺(tái)數(shù); T 為建筑工期(d); m 為每天工作吊次; K 為不均衡系數(shù)(一般取1.1～1.4, 吊裝(裝卸)作業(yè)取1.4); Q 為各類構(gòu)件的工程總量(噸); L 為塔機(jī)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(gòu)件或預(yù)制件體積及重量大, 只能單件吊運(yùn), 且吊裝用時(shí)較長, 與其他物料比每天塔機(jī)吊運(yùn)大型構(gòu)件的吊次較少.根據(jù)超高層建筑的施工特點(diǎn), 在進(jìn)行塔機(jī)數(shù)量評估時(shí), 本文將大型構(gòu)件的吊裝與其他模板、混凝土等物料的吊運(yùn)分開, 大型構(gòu)件按數(shù)量評估, 其他物料按重量評估, 可更準(zhǔn)確預(yù)估吊機(jī)需用量.算法改進(jìn)如下:

其中, N 為需用塔機(jī)總臺(tái)數(shù); N1為吊運(yùn)大型構(gòu)件塔機(jī)需用量; N2為吊運(yùn)其它模板、混凝土等料材塔機(jī)的需用量; Q 為大型構(gòu)件數(shù)量; W 為其它模板、混凝土等重量;n1為 大型構(gòu)件每天調(diào)運(yùn)次數(shù); n2為其它模板、混凝土等每天吊運(yùn)次數(shù).其他變量同式(1).

2.3 塔機(jī)輔助定位

塔機(jī)位置與塔機(jī)型號(hào)及吊運(yùn)構(gòu)建的重量都密切相關(guān), 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或粒子群等優(yōu)化方法確定塔機(jī)的位置,一直都是研究熱點(diǎn)[10], 然而, 這些優(yōu)化方法離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離.目前, 塔機(jī)位置的規(guī)劃主要是通過工程技術(shù)人員不斷改變塔機(jī)型號(hào)或位置, 反復(fù)試錯(cuò), 直到塔機(jī)吊運(yùn)能力滿足施工現(xiàn)場的要求為止, 工作效率低.

塔機(jī)的規(guī)劃必須保證超高層建筑中大型鋼構(gòu)件吊裝不能超載.利用Revit 的API 函數(shù)可以獲得大型鋼構(gòu)件或預(yù)制構(gòu)件的單件重量及其位置信息; 在此基礎(chǔ)上,結(jié)合本文設(shè)計(jì)的塔機(jī)族性能參數(shù), 以及當(dāng)前塔機(jī)位置對構(gòu)件逐個(gè)進(jìn)行校核, 如果超載則在Revit 模型中將不能吊運(yùn)的構(gòu)件進(jìn)行高亮顯示.技術(shù)人員以此為依據(jù), 調(diào)整塔機(jī)的型號(hào)或?yàn)橹? 直到所有構(gòu)件滿足要求為止, 從而實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)對當(dāng)前活動(dòng)文檔中的構(gòu)件進(jìn)行超載校核, 并對超載構(gòu)件高亮顯示.部分關(guān)鍵代碼如下:

2.4 模塊封裝與加載

功能模塊開發(fā)完成后, 利用NSIS (Nullsoft Scriptable Install System)工具軟件將塔機(jī)族文件、配置文件、軟件運(yùn)行生成的dll 文件及注冊的addin 文件打包, 生成exe 形式的應(yīng)用程序, 運(yùn)行該程序就可將計(jì)算機(jī)輔助塔機(jī)規(guī)劃軟件集成到Revit 環(huán)境中, 在Revit 菜單界面顯示輔助規(guī)劃軟件的功能選項(xiàng)卡如圖2.

3 應(yīng)用案例

成都天投國際商務(wù)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(jié)構(gòu)(圖3), 結(jié)構(gòu)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(dá)10 噸.以此為例, 用本文系統(tǒng)進(jìn)行塔機(jī)策劃.

圖2 計(jì)算機(jī)塔機(jī)規(guī)劃系統(tǒng)功能模塊

圖3 成都天投C 棟Revit 模型

第1 步.Revit 環(huán)境中載入項(xiàng)目的Revit 模型, 其包含建筑物所有的物料信息, 如構(gòu)件材質(zhì), 重量, 坐標(biāo), 體積等.

第2 步.物料統(tǒng)計(jì)與塔機(jī)需用量預(yù)估.

根據(jù)該建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 按物料分類統(tǒng)計(jì), 空心鋼柱及結(jié)構(gòu)框架為大型構(gòu)件, 如圖4 所示, 顯示了大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)柱件的ID、名稱、所在標(biāo)高、重量、體積以及坐標(biāo)點(diǎn)信息.從該構(gòu)件明細(xì)表中, 可以得出該建筑物最大構(gòu)件的重量為10.18 噸, 每層空心鋼柱11 根.

圖4 物料分類統(tǒng)計(jì)

為預(yù)估塔機(jī)需用量, 需要設(shè)置施工信息: 施工工期,班次, 大型構(gòu)件調(diào)運(yùn)次數(shù), 其他模板(混凝土, 構(gòu)件)調(diào)運(yùn)次數(shù), 以及最大吊載能力.如圖5 所示設(shè)置的施工信息可計(jì)算出塔機(jī)需用量為1 臺(tái).

第3 步.塔機(jī)布置.

根據(jù)市場情況, 本項(xiàng)目考慮選用中聯(lián)的12 噸平臂塔機(jī)(TC7030).利用系統(tǒng)的“塔機(jī)布置”功能, 輸入塔機(jī)類型以及型號(hào), 如果該塔機(jī)型號(hào)已經(jīng)在塔機(jī)庫中創(chuàng)建,則可直接在施工圖中添加一臺(tái)指定信號(hào)的塔機(jī), 并通過鼠標(biāo)移動(dòng)對塔機(jī)進(jìn)行位置預(yù)置.本項(xiàng)目為超高層, 一般采用內(nèi)爬安裝方式, 將塔機(jī)布置在高層建筑的電梯井, 如圖6 所示; 如果該塔機(jī)型號(hào)在塔機(jī)庫中沒有創(chuàng)建,則需要利用“塔機(jī)型號(hào)管理”功能創(chuàng)建該塔機(jī), 如圖7所示, 輸入塔機(jī)型號(hào)以及相關(guān)族參數(shù)(結(jié)構(gòu)參數(shù)以及性能參數(shù)), 點(diǎn)擊“+”, 可以創(chuàng)建該塔機(jī)型號(hào)的族.

圖5 塔機(jī)數(shù)量計(jì)算

圖6 塔機(jī)布置

第4 步.塔機(jī)輔助定位.

選擇需要進(jìn)行吊載能力校核的塔機(jī), 點(diǎn)擊“輔助塔機(jī)定位”功能選項(xiàng), 系統(tǒng)將根據(jù)塔機(jī)位置以及建筑物料信息對塔機(jī)的吊運(yùn)能力進(jìn)行校核, 并以列表方式顯示超載構(gòu)件的名稱, 標(biāo)高及超載原因.本項(xiàng)目如選用一臺(tái)最大吊重8 噸的塔機(jī), 校核結(jié)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(jìn)一步點(diǎn)擊“高亮顯示”, 可以在Revit 模型中高亮顯示出超載的構(gòu)件位置,如圖9 中顯示的藍(lán)色構(gòu)件.

圖7 塔機(jī)型號(hào)管理

圖8 超載構(gòu)件顯示

圖9 超載構(gòu)件高亮顯示

一般情況, 技術(shù)人員可以根據(jù)本文第二步統(tǒng)計(jì)的最大構(gòu)件重量選擇塔機(jī)型號(hào), 第三步進(jìn)行塔機(jī)布置, 最后利用第四步的校核以及超載構(gòu)件位置提示, 施工技術(shù)員可以很直觀地將塔機(jī)向超載構(gòu)件的方向移動(dòng), 從而減小吊載力矩, 或重新選擇塔機(jī)型號(hào), 直到塔機(jī)位置滿足吊運(yùn)能力要求, 從而完成定位.

4 結(jié)語

在超高層建筑中, 塔機(jī)是運(yùn)輸物料的主要設(shè)備, 目前塔機(jī)規(guī)劃缺乏專業(yè)的輔助工具, 可能直接影響施工成本.本文將BIM 技術(shù)與塔機(jī)規(guī)劃的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合,利用Revit 的族創(chuàng)建了塔機(jī)族庫, 實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)塔機(jī)的重復(fù)利用, 提高了前期策劃效率.在此基礎(chǔ)上, 利用Revit 的API 開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助塔機(jī)規(guī)劃系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了塔機(jī)型號(hào)管理、塔機(jī)數(shù)量的預(yù)估以及塔機(jī)布置與定位,為超高層建筑的塔機(jī)規(guī)劃提供了三維輔助工具, 有助于提高效率、減少規(guī)劃的失誤.