基于BIM技術的疊合板深化設計工具開發(fā)與應用研究

周 明，譚偉健，陳東華，劉 晨

（廣東省建科建筑設計院有限公司 廣州 510500）

0 引言

在建筑信息模型（BIM）技術的推動下，建筑行業(yè)正在經(jīng)歷一場深度的技術革新。尤其是在裝配式建筑設計領域，BIM 技術以其強大的數(shù)據(jù)集成和可視化能力，為設計人員提供了前所未有的便利。本文著重探討B(tài)IM 技術在預制構件深化設計階段程序開發(fā)與應用的相關問題，以便為相關領域的發(fā)展提供有益的參考。伴隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，裝配式建筑的應用越來越廣泛。預制構件不僅具有節(jié)約材料、減少工期的優(yōu)勢，而且能夠提高建筑的整體性能。然而，預制構件的設計過程往往對設計精度要求較高，這對設計人員提出了更高的要求。傳統(tǒng)的二維設計方法已經(jīng)無法滿足這些需求，因此，尋求一種更為高效、精確的設計方式對于我們當前的需求顯得尤為關鍵。

疊合板近年在裝配式建筑中得到了廣泛的應用，特別是在住宅項目中，為了滿足裝配率的要求，疊合板的使用幾乎成為了一種常態(tài)。因此，疊合板的深化設計對于裝配式建筑具有重要意義。BIM 技術的出現(xiàn)為預制構件深化設計提供了新的思路和方向。BIM技術能夠?qū)⒔ㄖ?、結(jié)構、機電等各個專業(yè)的數(shù)據(jù)整合在一個平臺上，使項目各方可共享和使用信息。

在BIM 技術的幫助下，設計人員可以更加直觀地查看預制構件的布局和受力情況，從而更好地進行設計和優(yōu)化。此外，BIM 技術還能提供精確的尺寸控制和材料用量計算，大大提高了設計效率和準確性。然而，目前BIM 技術在裝配式建筑上的應用還處于初級階段，需要進一步開發(fā)和研究。本研究將針對這一現(xiàn)狀，提出一種基于BIM 技術的預制構件深化設計程序開發(fā)方案。該方案將包括程序的功能模塊、數(shù)據(jù)交互方式、用戶界面設計等方面，以解決傳統(tǒng)設計模式中的效率、精度等問題。

此外，本研究還將對BIM 技術在疊合板深化設計中的應用進行深入探討，分析其優(yōu)勢和局限性，提出相應的解決方案和應用建議。本研究將為BIM 技術在建筑行業(yè)的應用提供新的思路和方法，采用數(shù)字技術來改善建筑行業(yè)的效率、質(zhì)量和可持續(xù)性。

BIM 技術以其可視化、數(shù)據(jù)化、協(xié)調(diào)性、模擬性和可出圖性的特點，為建筑行業(yè)帶來了革新性的信息化工具，通過將整個建筑的數(shù)據(jù)和信息整合為模型，BIM技術在項目全生命周期內(nèi)發(fā)揮著重要作用［1］，有助于實現(xiàn)各參與方之間的信息協(xié)同，進而提高生產(chǎn)效率，降低成本，并有效縮短項目周期［2］。

通過將BIM 技術應用于裝配式建筑的構件深化階段，并利用BIM 技術開發(fā)相應的設計程序，能夠顯著提高裝配式建筑的構件深化設計效率。本文以疊合板為研究對象，詳細研究BIM 技術在裝配式構件深化設計中的應用方法。結(jié)合我國裝配式建筑的規(guī)范和特點，介紹了BIM 技術應用于裝配式構件的設計方法以及程序各個功能模塊的設計思路?；赗evit 軟件平臺，利用Revit二次開發(fā)技術結(jié)合C#編程語言，詳細闡述了疊合板深化設計程序的二次開發(fā)過程［3］，包括開發(fā)過程中所需的技術和方法，以及如何將該程序應用于公共建筑項目的預制構件深化設計中。

1 裝配式疊合板構件深化設計方法概述

本文主要探討B(tài)IM技術在疊合板深化設計階段的開發(fā)與應用。通過BIM技術，將建筑信息參數(shù)化，并在構件深化階段實現(xiàn)以下功能：①構件拆分；②構件模型配筋；③構件出圖。這為疊合板深化設計提供了有力的工具和手段［4］。設計方法流程如圖1所示。

圖1 裝配式構件設計流程Fig.1 Prefabricated Component Design Flow Chart

1.1 疊合板構件拆分

疊合板構件拆分深化設計是一個復雜的過程，需要綜合考慮多個因素，如構件尺寸、形狀、配筋等。在傳統(tǒng)的設計方法中，往往采用手工繪制或計算的方式進行拆分設計，這種方法不僅效率低下，而且出錯率極高。因此，開發(fā)一種高效的程序，對疊合板構件拆分深化設計進行管理就顯得尤為重要。

疊合板拆分的過程中，應同時考慮構件的運輸和安裝問題，確保構件的尺寸和重量符合施工要求。針對不同部位的構件，可以采用不同的拆分方式，如連續(xù)梁的短跨方向上的疊合板可以一次澆筑完成，而在長跨方向上的疊合板則可以按照不同澆筑層進行拆分。利用Revit 的二次開發(fā)設計的程序可以減少大量人工操作，只需要輸入拆分參數(shù)便可將全部同種類型的構件一次拆分完畢，大幅提升設計效率。

1.2 疊合板構件配筋

在完成了構件的拆分后，針對項目的構件拆分方案，將在Revit 軟件中對所需的構件模型進行配筋設計。通過Revit 軟件的參數(shù)化建模功能，可以快速調(diào)用鋼筋的規(guī)格種類、位置以及數(shù)量等參數(shù)，以確保項目所需構件的準確組裝。對于常用尺寸構件可將其配筋參數(shù)保存形成構件配筋參數(shù)信息庫，供隨時調(diào)用。利用Revit 的二次開發(fā)可簡化建模過程，提高工作效率，同時也能更準確地模擬實際建筑方案中的鋼筋結(jié)構，對疊合板構件在節(jié)點的碰撞檢査可快速找出節(jié)點設計問題，便于修改。

1.3 疊合板構件出圖

在裝配式預制構件的出圖過程中，存在大量數(shù)據(jù)需人工計算及整理，包括疊合板的尺寸、形狀、重量、體積、配筋等信息，傳統(tǒng)的二維設計需人工繪制構件的平立剖及大樣圖等，計算整理構件各項數(shù)據(jù)以制作構件參數(shù)表，效率低下且錯誤較多。為了優(yōu)化設計流程，減少人工干預可能出現(xiàn)的問題，通過Revit 二次開發(fā)手段對構件的參數(shù)數(shù)據(jù)加以利用，應用程序的數(shù)據(jù)整合功能對構件參數(shù)進行分析計算，并自動生成相應的構件參數(shù)表［5］，這一過程有助于提升設計工作的效率和質(zhì)量（見圖2）。并按照預先設定的圖紙布置原則，將各視圖及構件參數(shù)表規(guī)則排布，批量生成能滿足各方要求的構件圖紙。

圖2 程序設計流程Fig.2 Programming Flow Chart

2 基于BIM技術的疊合板深化設計程序開發(fā)

在第一節(jié)提出的疊合板構件深化設計方法的基礎上，本研究設計并開發(fā)出一套基于BIM 的裝配式疊合板構件深化設計程序，本節(jié)將重點探討其架構設計和功能模塊的設計思路。

2.1 BIM-疊合板深化設計程序架構

本程序選用Visual Studio 和.NET 框架作為開發(fā)環(huán)境，通過應用C#語言調(diào)用Revit API 內(nèi)的函數(shù)和接口，實現(xiàn)對Revit 軟件功能的擴展。程序設計流程如圖2所示，整體的技術方案如表1所示。

表1 整體技術方案Tab.1 Overall Technical Solution

2.2 程序功能模塊

基于此前提出的程序開發(fā)需求，此程序的開發(fā)將通過IextemalApplication 和IexternalCommand 作為實現(xiàn)顯示程序的功能模塊菜單及編譯具體任務的接口，利用人工編寫代碼程序，可以在Revit 中添加功能面板按鈕，以實現(xiàn)程序功能需求。功能界面包括構件拆分模塊、構件深化模塊、構件出圖模塊。功能面板界面如圖3所示。

圖3 功能面板界面Fig.3 Function Panel Interface

2.2.1 構件拆分模塊

本模塊設計的目的是為了簡化構件拆分的操作流程，根據(jù)需求和revitAPI，設計合理的開發(fā)架構。其關鍵的代碼開發(fā)思路如下：①將構件拆分模塊劃分為多個子模塊，每個子模塊具有獨立的功能和接口，便于維護和擴展；②設計合理的拆分算法，用于將樓板構件拆分成單個疊合板，算法基于板的各種要素，如板的厚度、長度、寬度，以及自定義的拆分方式（如輸入詳細數(shù)據(jù)拆分等）；③設計合理數(shù)據(jù)庫交互，Revit模型的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，需要編寫代碼來與數(shù)據(jù)庫進行交互，以讀取和寫入數(shù)據(jù)；④對于拆分過程中的大量計算或耗時操作，可以使用異步處理方式，提高插件的性能和響應速度；⑤設計合理的異常處理機制，對開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的問題進行捕獲和處理。構件拆分模塊功能界面如圖4所示。

圖4 構件拆分模塊功能界面Fig.4 Component Split Module Function Interface

2.2.2 構件配筋模塊

本模塊包括分布鋼筋及桁架鋼筋的布置，根據(jù)需求和RevitAPI，設計合理的開發(fā)架構，包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、界面展示等方面。構件配筋的設計思路是：①建立一個配筋庫，包含不同類型和規(guī)格的鋼筋元素；②設計合理的配筋算法，用于將鋼筋元素分配到疊合板構件中，算法基于疊合板中預制層鋼筋布置要求，如鋼筋的類型、直徑、間距，以及設計的強度要求、保護層厚度等；③設計合理的交互方式，如對話框、菜單、快捷鍵等，方便用戶使用和操作，根據(jù)裝配式構件的特點，實現(xiàn)鋼筋的拆分和布局功能，以便于用戶手動調(diào)整和優(yōu)化配筋方案；④對編寫的代碼進行測試和調(diào)試，確保功能正確性和穩(wěn)定性?？梢允褂媚M數(shù)據(jù)和測試工具來驗證代碼的正確性和性能；⑤將開發(fā)好的功能集成到Revit 軟件中，并進行部署和發(fā)布。在集成過程中，需要注意與Revit 軟件的兼容性和穩(wěn)定性，確保不會對現(xiàn)有功能產(chǎn)生影響。同時，需要考慮數(shù)據(jù)安全和版本控制等方面的問題。構件配筋模塊功能界面如圖5所示。

圖5 構件配筋模塊功能界面Fig.5 Component Reinforcement Module Function Interface

2.2.3 構件出圖模塊

該模塊設計目的是簡化出圖流程，提高構件出圖的效率。該模塊包括構件視圖布置和構件參數(shù)表生成。構件配筋的設計思路是：①出圖數(shù)據(jù)庫：我們需要編寫代碼來與數(shù)據(jù)庫進行交互，以讀取和寫入數(shù)據(jù)。其中包括構件型號、重量、規(guī)格以及相應的鋼筋及混凝土信息；②圖紙標注與注釋：根據(jù)功能需求，模塊中加入圖紙標注與注釋的功能，例如自動添加標高、尺寸標注、材料注釋等；③設計合理的交互方式，如對話框、菜單、快捷鍵等，使用戶能夠選擇要出圖的疊合板構件，并定義出圖的規(guī)則和參數(shù)。這個界面將提供一種直觀的方式來調(diào)整出圖布局。使用Revit API 提供的部品創(chuàng)建工具和API 函數(shù)，結(jié)合預制構件的屬性信息和位置信息，生成所需的構件視圖及構件參數(shù)表，進行視圖的布置和優(yōu)化。構件出圖模塊功能界面如圖6所示。

圖6 構件出圖模塊功能界面Fig.6 Component out of the Drawing Module Function Interface

3 工程案例

清遠某學校學生宿舍工程項目，總建筑面積為26 270.35 m2，共10層。整體拆分模型如圖7所示。此項目應用了本文開發(fā)的基于Revit 的二次開發(fā)插件程序。項目結(jié)構為疊合板和現(xiàn)澆梁柱的混合結(jié)構體系，其中樓板使用工廠預制疊合板，運至現(xiàn)場安裝，梁柱則全部采用現(xiàn)澆混凝土。使用Revit 軟件進行施工圖模型的搭建，并使用本文開發(fā)的深化設計程序進行疊合板的深化設計出圖［6］，疊合板深化設計模型如圖8所示。

圖7 整體拆分模型示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Overall Split Model

圖8 疊合板深化設計模型Fig.8 Composite Slab Deepening Design Model

依照板的拆分原則，疊合板構件拆分時應優(yōu)化疊合板的設計尺寸，盡可能減少種類，以解決模具利用率低、運輸不便和施工困難等問題。根據(jù)圖紙考慮板的單向性或雙向性。根據(jù)《混凝土結(jié)構設計規(guī)范（2015 年版）：GB 50010—2010》中的規(guī)定，當長邊/短邊＞3時，宜設為單向板；當長邊/短邊≤3時，宜設為雙向板［7］。板之間的拼縫方式采用后澆帶的形式。該項目以屋面層疊合板布置為例，進行拆分選擇，相同尺寸板塊設置同一編號，拆分的板設置在剪力墻、框架梁等位置，根據(jù)《裝配式建筑評價標準：廣東省標準DBJT 15-163—2019》［8］中的規(guī)定，后澆帶寬度選取400 mm。拆分疊合板時還需要考慮運載設備的運輸尺寸和重量，其長度在4 m內(nèi)、寬度在2 m內(nèi)、重量在2 t內(nèi)。疊合板拆分后如圖8所示。

在對疊合板進行深化設計時，桁架規(guī)格采用B80，上弦鋼筋直徑為10 mm，下弦鋼筋直徑為8 mm，腹桿鋼筋直徑6 mm［9］。以預制板尺寸3 400 mm×1 400 mm為例，根據(jù)圖紙要求，用BIM 技術直觀展示鋼筋排布方式，分別對板的底筋間距及伸出板邊距離、桁架筋間距、鋼筋的彎鉤形式等進行深化設計。疊合板三維布置如圖8所示。

通過在裝配式建筑疊合板中應用BIM 技術，對預制構件進行精細化設計，包括對疊合板拆分布置、配筋深化、自動輸出構件詳圖等深化設計，使原有設計方案得到合理的優(yōu)化，從而使疊合板更符合工廠及施工現(xiàn)場的需求。將BIM 技術與裝配式疊合板深化設計相結(jié)合，提前發(fā)現(xiàn)施工過程中可能出現(xiàn)的問題，避免構件設計誤差帶來的額外成本［10］。模型輸出的構件詳圖如圖9所示。

圖9 模型輸出構件詳圖Fig.9 Model Output Details of Components （mm）

在設計過程中，設計人員借助開發(fā)的深化設計程序進行構件深化設計操作，該平臺的使用使得設計人員能夠更高效地處理復雜的構件細節(jié)，通過自動化和智能化的工具，他們能夠更快地完成設計任務，減少了重復性和繁瑣的工作。此外，該平臺還提供了豐富的數(shù)據(jù)分析和可視化工具，使設計人員能夠更好地理解設計結(jié)果，從而做出更明智的決策［11］。根據(jù)相關統(tǒng)計，與傳統(tǒng)裝配式建筑設計相比，運用此深化設計程序在深化設計階段提升了約20%的設計效率。

4 結(jié)論

該深化設計方法引入了BIM 技術，對裝配式疊合板構件的深化設計進行了全面的分析。通過快速拆分疊合板，實現(xiàn)各構件模型配筋設計的自動化，并且可以根據(jù)實際模型和國家相關規(guī)范自動生成疊合板構件詳圖。這種設計方法不僅能夠提高設計效率，還能有效保證設計質(zhì)量，實現(xiàn)了設計過程的信息共享和管理［12］。同時，通過開發(fā)配套的深化設計程序，對這一方法進行了實現(xiàn)和推廣。該程序包括了3 個模塊，可以實現(xiàn)模型的可視化、參數(shù)化的深化設計和出圖的便捷性等功能。這一程序的實現(xiàn)，不僅提高了設計的效率和質(zhì)量，也使得裝配式建筑的設計過程更加智能化和信息化。

在實際項目中，成功應用了這一基于BIM 的裝配式深化設計方法和程序。通過實際項目的驗證，發(fā)現(xiàn)這種方法和程序能夠顯著提高設計的效率，實現(xiàn)各階段的信息共享，同時也為裝配式建筑設計領域提供了新的設計思路和技術參考。

本文研究的裝配式建筑對象為裝配式混凝土建筑，研究的重點為疊合板的深化設計，具有一定的局限性，諸如預制柱、預制剪力墻等其他構件，異型的疊合板構件，不同構件間的連接節(jié)點，以及其他體系的裝配式建筑等方面的設計問題，本文并沒有提供很好的解決方法，下一步應針對以上問題，進行開發(fā)研究。