PC主體結構裝配率智能計算方法研究

于佳鑫 張學輝 楊搏濤 李鵬陽 米大倩 安軍海

(河北科技大學 建筑工程學院，石家莊 050000)

引言

近年來，隨著國內工業(yè)化建筑的不斷發(fā)展及國家政策性的引導，中國建筑將向著智能化、數字化方向發(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推進區(qū)、積極推進區(qū)、鼓勵推進區(qū)，明確了一系列具體任務[2]，同時對裝配式建筑實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。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《裝配式建筑評價標準》(GB/T51129-2017)采用綜合打分的形式判斷裝配化程度[3]，也有地方實施意見中采用“兩率”(預制率、裝配率)的方式進行雙控。

裝配式建筑中預制構件通常以毫米為單位，其中預留預埋問題，精確的定位問題給設計方和施工方帶來了一定程度上的經濟與時間損失，針對這一問題，本文利用建筑信息模型(Building Information Modeling)將部品部件進行高效集成，充分發(fā)揮BIM自身優(yōu)勢，并結合Revit二次開發(fā)手段，依據《裝配式建筑評價標準》(GB/T51129-2017)裝配率計算規(guī)則，簡化主體結構應用比例統(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確性，通過這種計算方法可以在項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《裝配式建筑評價標準》將以往的“預制率”、“裝配率”合二為一，使用裝配率作為唯一指標，采取綜合打分的形式來判斷裝配化程度，該標準分為預評價和項目評價兩個階段； 評價指標都為裝配率，其中計算原則是指單體建筑室外地坪以上的主體結構，圍護墻和內隔墻、裝修和設備管線等預制部品部件的綜合比例[4]。同時根據標準規(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—主體結構指標實際得分，通過q1a、q1b的比例對應到表1，得到對應評價分值；

Q2—圍護墻和內隔墻指標實際得分值；

Q3—裝修和設備管線指標實際得分值；

Q4—評價項目中缺少的評價分值總和；

公式中的各項分值通過計算預制構件、建筑部品的數量(或面積)占同類構件部品總數量(或面積)的方法計算出，主體結構評價標準表與計算方法如表1：

表1 主體結構裝配式建筑評分

式中，以主體結構為對象，q1a為豎向構件中預制部品部件的應用比例； q1b為豎向構件混凝土總體積V1a為豎向構件中預制混凝土體積之和，V為豎向構件混凝土總體積； A1b為各樓層中預制構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圖層單獨提取操作進行各部分體積或面積的計算，且需要人工逐個統(tǒng)計水平豎向構件所占應用比例，通過查表算出評價分值并累加出各項分值，對于體量較大的建筑物，會浪費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，通過對構件進行自定義編碼，實現自動識別并過濾各構件信息數據，把本應逐項計算或不規(guī)則構件進行數據的一鍵提取，極大地節(jié)省了時間成本，有利于推動整個方案設計階段時間進度。

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，且個別問題需根據地方專家評審會中進行鑒定與判斷，為保障計算準確性、有效性，本文針對主體結構Q1進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)進行構件歸類，提取構件幾何信息，準確計算主體結構中水平構件和豎向構件應用比例，方便在實際工程中快速獲取主體結構裝配化程度信息，設計插件功能思路流程如圖1所示。

圖1 設計思路

2.1 建立構件編碼系統(tǒng)

為了更好地把裝配式建筑部品部件進行歸類，本系統(tǒng)建立服務于項目的構件編碼體系，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[5]，對構件進行編碼同時也進行了歸類管理； 根據構件的不同類別進行“唯一”編碼得到建筑構件歸類編碼系統(tǒng)，該方法適用于所有建筑物構件，通過此歸類方式可將建筑物的所有構件分為結構主體、圍護墻和內隔墻、裝飾和設備管線三大類，具體模型編碼規(guī)則如表3。

表3 模型編碼規(guī)則

2.2 構件數據提取

參數化是BIM技術的巨大優(yōu)勢，在Revit中其參數類型包括類型參數和實例參數[6]，類型參數代表一類構件的屬性，實例參數則是每一個構件的特有屬性； 所以在建模初期階段需要對構件賦予特定的屬性參數。根據上文的編碼原則在建模過程中對構件進行編碼如圖2所示，充分體現相同類構件的唯一性； 以便于分類提取建筑構件信息，Revit API提供一種機制，用于過濾和迭代Revit文件中的圖元，獲取一組相關圖元，如項目中所有的預制外墻或者預制柱[7]，對于預制構件來講，通過提取“構件編碼”這一參數信息，就能夠自動識別該預制構件，通過獲取GeometryElement的實例，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平臺進行的功能擴展，使用Visual Studio2019、Revit Add In Manager、Revit Lookup開發(fā)工具，目標框架為.NET Formwork4.7，通過調用Revit API(Application Programming Interface)進行二次開發(fā)，添加裝配式模塊插件。

3.1 Revit2019

Revit是當前國內受認可度很高的BIM建模軟件，其模型所攜帶的信息與現實具有一致性特點，軟件本身兼容性較高，導出格式種類較多、可拓展性和接口技術都比較成熟[8-9]，使得Revit在國內工程領域地位遙遙領先于其它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，結合Revit2019提供的外部接口，實現在Revit中進行構件的歸類和主體結構裝配率計算及規(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，通過這些接口調用外部功能應用并集成到Revit軟件中，實現訪問模型各類數據，其中包括圖形數據和參數數據，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提取的智能化。

Revit Lookup工具可以查看Revit后臺的數據參數名，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，使得不用重復打開Revit就可以進行調試，提高了開發(fā)效率[10]。

4 插件功能實現

4.1 界面設計

通過RevitAPI訪問和拓展Revit，在插件中實現外部接口IExternalApplication，通過IExternalApplication外部重載OnStartup和OnShutdown函數，在Revit啟動和關閉時候定制所需的功能，在Visual Studio2019平臺下構造類庫，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用不同類的計算方法，來達到開發(fā)者想實現的功能。

圖3 創(chuàng)建功能面板方法

圖4 功能面板

4.2 參數提取與計算

控制程序通過FamilyInstance過濾文檔中的族實例圖元，通過編碼系統(tǒng)過濾獲取到各類幾何數據參數，通過構造函數進行不同分項的信息數據計算，過程如下：

1)通過創(chuàng)建收集器來訪問項目中所有對象，對項目所有構件進行過濾收集，首先實例化FilteredElementCollector類，通過OfClass()過濾族類別然后利用foreach循環(huán)篩選預制構件的族實例，代碼如圖5所示，并將所篩選出的構件數據進行綁定。

圖5 過濾預制構件方法

2)按照上文建立的編碼體系將構件編碼與條件語句進行關聯(lián)判斷計算，若返回值為“Z”則程序自動通過調用自定義方法GetFamilyInstanceSolidVolumn()讀取其Solid獲取體積參數，這里Revit軟件默認單位為英尺，需要進行單位轉換，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；

圖6 獲取構件體積方法

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

表2 應用比例計算方法

4)利用此種參數提取方式，應用于項目中所有被編碼的構件。依據評價標準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內創(chuàng)建Excel表格方式進行導出各項計算結果，統(tǒng)計各構件幾何信息來進行工程量校核。

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，在主窗口內點擊按鈕觸發(fā)事件并實例化子窗體，利用WPF的WebBrowser控件讀取本地文件，代碼如圖8所示，將《裝配式建筑評價標準》編入插件中，如圖9所示，輔助設計人員快捷查詢所需規(guī)范，提高設計效率，補充軟件功能。

圖8 窗體展示規(guī)范方法

圖9 標準、規(guī)范展示界面

5 項目應用

河北省某裝配式項目，地上建筑共21層，采用裝配式剪力墻結構形式，規(guī)劃建筑高度59.5m，其中豎向構件F4-F21層實施裝配式，水平構件F3-F20頂板實施裝配式，抗震設防烈度7度，預制底部加強區(qū)采用現澆結構。為滿足當地對該項目裝配率要求，對外墻、疊合板底板、內隔墻、樓梯進行提前預制，結構墻體統(tǒng)一厚度為200mm，水平預制疊合板厚度為130mm，底板布置圖見圖10所示。以F4標準層為例，在Revit中對相關構件進行系統(tǒng)分類并計算其主體結構裝配率，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件應用比例，實現PC主體結構智能裝配率計算。

圖10 預制底板布置圖

圖11 標準層BIM模型

本項目主體結構中根據評價標準統(tǒng)計豎向構件應用比例為51%，水平構件應用比例為76%，根據內插法計算主體結構Q1總得分為39.6，插件統(tǒng)計豎向構件應用比例51.9%，水平構件應用比例75%，如圖12所示，同理Q1得分為38.8，經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 應用比例計算結果

表4 統(tǒng)計方式對比

這種計算方法可擴展應用到各類裝配式混凝土結構項目中，對于設計階段多種構件拆分方案之間進行對比，通過改變構件類型參數，可以快捷的獲取更改后項目主體結構預制構件應用比例。得到Q1值，計算結果并以Excel形式輸出構件尺寸信息，極大地節(jié)省人力成本，縮短項目施工周期，同時這種統(tǒng)計方式實現了快速獲取不同方案的裝配化程度并能準確地進行經濟算量，并篩選出最佳方案，有助于后續(xù)建設。

6 結語

本文利用信息化手段針對《裝配式建筑評價標準》中裝配率的計算方法進行研究與分析，使用Revit平臺通過創(chuàng)建擴展性功能，將規(guī)范編入到插件中，通過計算機程序輔助快速獲取構件幾何信息并計算主體結構裝配率，本著一種構件歸類計算的思想，利用信息化手段可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)手算的部分工作，并產生經濟效益，大大節(jié)省時間成本，使得在實際工程中智能化裝配率計算成為可能，通過實際項目案例驗證，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。