膠合模板支撐體系優(yōu)化設(shè)計與BIM研發(fā)

易　成, 季　璇, 朱紅光, 張曉迪, 董龍峰

(中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院, 北京 100083)

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膠合模板支撐體系優(yōu)化設(shè)計與BIM研發(fā)

易成, 季璇, 朱紅光, 張曉迪, 董龍峰

(中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院, 北京 100083)

為達到優(yōu)化膠合模板支撐體系，節(jié)約膠合模板施工成本的目的，根據(jù)膠合模板支撐體系特點，結(jié)合優(yōu)化理論提出膠合模板體系優(yōu)化模型，以施工成本最低為目標，各支撐桿件承載力為約束條件，根據(jù)樓板尺寸，合理計算主、次肋及支撐間距. 優(yōu)化結(jié)果表明：傳統(tǒng)的模板支撐體系設(shè)計過于保守，且沒有考慮樓板尺寸對支撐體系設(shè)計的影響，膠合模板體系優(yōu)化模型可以根據(jù)實際情況，合理選擇支撐類型、優(yōu)化設(shè)計支撐間距，可達到節(jié)約施工成本的目的. 同時，開發(fā)了模板優(yōu)化設(shè)計軟件，使復雜的模板優(yōu)化設(shè)計過程變得簡單易操作，大大提高了設(shè)計者的工作效率，并與BIM技術(shù)相結(jié)合，利用BIM技術(shù)3D可視化、施工模擬等優(yōu)勢解決了設(shè)計圖紙復雜，設(shè)計交底困難等問題，實現(xiàn)膠合模板設(shè)計、施工、管理的一體化.

膠合模板；優(yōu)化設(shè)計；BIM；遺傳算法；模板支撐體系

膠合模板是由木段旋切成單板或由木方刨切成薄木，再用膠粘劑膠合而成的3層或多層的板狀材料，在工程中，其以質(zhì)量輕、表面光滑、裁切方便、造價低等優(yōu)點，常被用作樓板模板. 由于工程模板屬于周轉(zhuǎn)性材料，膠合模板的選取及使用直接影響模板工程的施工質(zhì)量及成本，而模板工程完成的好壞又直接影響整個工程的質(zhì)量、工期和成本. 因此，如何在保證模板工程質(zhì)量的前提下盡可能地降低造價，一直是施工企業(yè)追求的目標. 然而，由于模板板面、肋類型多種多樣，選擇不同尺寸的板面及肋，模板的支模費用是不同的，現(xiàn)有的模板設(shè)計軟件大多是依靠施工人員根據(jù)經(jīng)驗在軟件提供的幾個方案里進行選擇，沒有一個系統(tǒng)的優(yōu)化過程，造成了大量的浪費，無形中也增加了施工成本的負擔. 因此，模板設(shè)計方法的優(yōu)化對于降低施工成本是非常必要的. 然而，優(yōu)化理論在土木工程實踐中長期被忽視，分析原因有以下幾個方面：1)優(yōu)化理論相對復雜，長期只能在設(shè)計領(lǐng)域應用，施工領(lǐng)域難以涉及，讓施工人員掌握并運用優(yōu)化理論有一定的困難[1-2]. 2)目標函數(shù)選取不合理，得不到正確的結(jié)果. 設(shè)計人員通常以工程整體造價及承載力要求為目標進行設(shè)計，目標函數(shù)中包含的影響因素太多，導致優(yōu)化設(shè)計難以真正實現(xiàn). 3)優(yōu)化結(jié)果相對復雜, 施工人員不能充分理解文字性的設(shè)計交底書，施工時常出現(xiàn)施工與設(shè)計分離的情況[3].

而近年來新出現(xiàn)的BIM技術(shù)給優(yōu)化理論的合理應用提供了一個新的契機. BIM技術(shù)運用計算機為建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工設(shè)計構(gòu)筑了一個統(tǒng)一的工作平臺[4-5]，可以為施工的某一工序單獨提供相對簡單又正確的目標函數(shù)從而實現(xiàn)該工序的優(yōu)化設(shè)計，只要有適合的設(shè)計軟件，施工技術(shù)人員就可以操作計算機實現(xiàn)[6-7]. 此外，BIM獨有的演示功能，可以很好地實現(xiàn)將優(yōu)化結(jié)果向現(xiàn)場施工人員技術(shù)交底，因此，優(yōu)化設(shè)計理論有了理想的用武之地. 本文就是針對施工階段膠合模板支模問題，提出將優(yōu)化理論與BIM技術(shù)相結(jié)合，介紹以模板支模費用最低為目標，通過編寫軟件實現(xiàn)膠合模板體系的優(yōu)化設(shè)計，并運用BIM技術(shù)將優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來，使設(shè)計交底更加直觀，提高工人工作效率，減少不必要的浪費.

1　膠合模板體系優(yōu)化

膠合模板體系由板面、次肋、主肋以及支撐4部分組成. 模板板面的材質(zhì)及自身強度決定次肋間距大小，次肋間距及截面尺寸決定主肋間距大小，主肋間距大小及截面類型決定支撐間距[8-10]. 模板體系是由板面、次肋、主肋及支撐相互作用形成的能夠承載現(xiàn)澆混凝荷載的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu). 模板體系優(yōu)化就是要在給定的房間內(nèi)，在滿足所承受的上部荷載的情況下，以最少的費用，使用最少的材料，完成樓板模板的支護. 1.1優(yōu)化模型的描述

本文以模板支撐體系費用最低為優(yōu)化目標函數(shù)，構(gòu)建模板支撐體系優(yōu)化模型，在給定樓板尺寸的情況下，求得主、次肋及支撐的合理間距. 其中，各組成部分的費用為材料的購置費(包括購買前的人工加工及機械使用費)，但不包括支模時的人工費用，支模時的人工費用另行計算，不在公式中體現(xiàn). 支撐體系優(yōu)化模型目標函數(shù)描述為

C5×n.

(1)

由于模板體系中的每個組成部分都需要滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的要求，因此，將板面、次肋、主肋及支撐的抗彎強度及穩(wěn)定性驗算作為目標函數(shù)的約束條件. 根據(jù)文獻[11]的規(guī)定,膠合模板各組成部分抗彎強度應按簡支跨計算，主、次肋抗剪強度按三跨連續(xù)梁計算，因此，優(yōu)化函數(shù)的約束條件為

(2)

1.2參數(shù)的確定

1)膠合模板板面損失系數(shù)λ. 模板板面損失系數(shù)包括如下?lián)p失：切口鋸縫寬度，錯切、錯割導致的廢料. 在支模過程中板面損失部分在建筑工程定額中被稱為模板鋸材. 以山西省為例，根據(jù)2011年山西省建筑工程預算定額[13]可知，模板鋸材單價為1 670元/m2，每100 m2需鋸材0.012 m2，因此單位面積支模所需的鋸材費用約為0.2元/m2，即板面損失系數(shù)λ可取1.2.

2)單位面積膠合模板費用C1. 根據(jù)2011年山西省建筑工程預算定額，膠合模板(10 mm厚)單價為33元/m2，每100 m2消耗16.41 m2，根據(jù)定額反算模板周轉(zhuǎn)次數(shù)為6次左右，因此每平方米膠合模板一次使用費用為5.5元/m2.

3)次肋、主肋費用C2、C3. 方木支撐價格為1 610元/m3，周轉(zhuǎn)次數(shù)為10～15次， 計算單根方木支撐費用如下：如5 m長的0.06 m×0.08 m單根方木支撐價格為38.64元，取單根木方周轉(zhuǎn)次數(shù)為10次，每周轉(zhuǎn)一次所需支撐費用為3.86元.

4)豎向、橫向鋼支撐費用C4、C5. 鋼支撐通常選用φ48×3.5鋼管，根據(jù)文獻[11]，φ48×3.5圓形鋼管單件質(zhì)量為3.87 kg/m，市場價為3 430 元/t，可得每米φ48鋼管價格為13.27元，鋼支撐周轉(zhuǎn)次數(shù)為100～120次，即每周轉(zhuǎn)一次所需的單件豎向支撐費用為(取周轉(zhuǎn)次數(shù)為100次)13.27元/m×3 m(舉架高度) /100=0.4元，單位長度橫向支撐的費用約為0.13元/m.

5)水平橫桿層數(shù)n. 水平衡桿層數(shù)可根據(jù)房屋舉架設(shè)計高度由文獻[11]查詢得到. 如3 m高的房屋需要設(shè)置3層水平橫桿.

1.3優(yōu)化問題的求解

傳統(tǒng)搜索最優(yōu)解的方法都是單點搜索，如圖1所示，這種點對點的搜索方法，對于多峰分布的搜索空間常常會陷入局部的某個單峰極值點，而無法搜索到全局最優(yōu)解. 而遺傳算法與傳統(tǒng)算法相比具有以下優(yōu)勢：1)群體搜索特性，遺傳算法是從可行解中隨機抽取一些解作為初始解群搜索最優(yōu)解，可有效地避免出現(xiàn)局部收斂情況，使搜索過程具有較好的全局性；2)采用自然進化機制來表現(xiàn)迭代過程，能夠快速可靠地找到最優(yōu)解；3)約束性小，遺傳算法用自身的目標函數(shù)作為適應度函數(shù)來評估每個基因個體，而適應度函數(shù)不受連續(xù)可微的約束，且定義域可以任意設(shè)定[14].

圖1　遺傳算法求解步驟

遺傳算法隨機抽取若干可行解并轉(zhuǎn)化為二進制編碼作為初始種群進行交叉、變異后重新獲得新種群，將新種群中的每個個體代入目標函數(shù)計算相應的適應度值，保留適應度高的個體作為父代進入下一輪的繁衍，淘汰適應度低的個體，這樣一代一代繁衍進化，最后收斂到一群最能適應環(huán)境的個體，求得問題的最優(yōu)解. 由于本文提出的模板支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化函數(shù)屬于復雜的系統(tǒng)問題，因此，采用遺傳算法來求解可以更加準確、快速的尋找最優(yōu)解，避免陷入局部最優(yōu).

2　實例分析

利用上述模型分別計算在樓板尺寸不同的情況下膠合模板體系優(yōu)化布置方案. 在滿足模板各組成部分的剛度、強度及穩(wěn)定性的條件下，以所花費的費用最少為目標，對模板支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，以達到節(jié)省費用、降低成本的目的. 利用MATLAB遺傳算法工具箱，分別計算不同尺寸樓板及選用不同尺寸主肋、次肋的條件下的膠合模板體系優(yōu)化配板方案結(jié)果. 計算參數(shù)選擇如下：取種群數(shù)量PopulationSize=20；子代數(shù)量Generation=50；每代精英數(shù)EliteCount=5；交叉率Pcross=0.8；變異率Pmutation= 0.1[15].

樓板尺寸相同主次肋不同情況下模板支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比結(jié)果見表1，當所澆筑樓板尺寸不變(10 m×5 m×0.1 m)僅改變次肋、主肋的截面尺寸時，所需的支模費用大不相同. 頂板面積相同主次肋不同情況下支模費用變化曲線見圖2，當次肋慣性矩I1不變，主肋變化時，主肋的慣性矩I2選擇越大，支模費用越低，因此，選擇適合的主、次肋可有效地降低模板支模費用.

圖2　頂板相同主次肋不同情況下支模費用變化曲線

Fig.2Formwork supporting cost changing under same floor slab and different joists and stringers

樓板面積相同(以頂板面積為48 m2，次肋選擇0.06 m×0.08 m, 主肋選擇0.10 m×0.10 m為例)時支模費用隨樓板長寬比的變化曲線見圖3，雖然樓板面積相同，但模板支模費用也會隨著樓板長寬比的變化而變化，因此，僅用面積來計算模板支模費用是不科學的，樓板的長寬比也是支模費用的一個重要影響因素. 相同面積下，樓板長寬比越大，模板費用越高.

表1　樓板尺寸相同主次肋不同情況下模板支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比結(jié)果

圖3樓板面積相同時支模費用隨樓板長寬比的變化曲線

Fig.3Supporting cost changing condition with aspect ratio changing under the same slab floor

本文以中建一局承接御景園項目為例，利用優(yōu)化模型對模板支模費用進行優(yōu)化，優(yōu)化后的支模費用與實際工程費用對比見表3(以次肋選擇0.04 m×0.09 m, 間距0.392 m，主肋選擇0.10 m×0.10 m，間距1.141 m為例)，優(yōu)化后的費用比實際費用少，并且頂板面積越大，支模費用節(jié)約效果越明顯，若頂板面積較小，則沒有明顯的優(yōu)化效果.

應用傳統(tǒng)模板設(shè)計軟件輸出的支撐結(jié)構(gòu)及模板配板平面圖如圖4所示，該設(shè)計圖紙過于復雜，墻、梁、板及支撐線混雜在一起，難以區(qū)分，工人不容易識別，不利于現(xiàn)場施工交底，而且設(shè)計方案需要設(shè)計者人工優(yōu)化并且手動繪制，不僅智能性差、費時費力、更無法保證設(shè)計質(zhì)量、也無法控制施工成本.

因此，本文根據(jù)現(xiàn)有模板設(shè)計軟件存在的問題，結(jié)合前文提出的優(yōu)化設(shè)計模型，基于C#語言，開發(fā)智能的模板優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用計算機實現(xiàn)模板優(yōu)化設(shè)計過程，并可自動輸出模板優(yōu)化后的效果圖，使模板設(shè)計工作更加科學化、智能化.

(a)支撐結(jié)構(gòu)平面布置

(b)模板配板

Fig.4Traditional formwork supporting structure design drawing of Yujingyuan project

表2　頂板(0.10 m厚)面積相同尺寸不同的情況下支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比結(jié)果

表3　御景園項目不同尺寸樓板模板體系優(yōu)化結(jié)果

3　基于BIM 的模板工程優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)建

本文開發(fā)的模板優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、智能優(yōu)化、結(jié)果輸出4部分組成.

利用設(shè)計階段得到的御景園某樓層結(jié)構(gòu)圖，見圖5.

圖5　御景園項目某樓層結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

從圖5中提取墻、梁、柱等數(shù)據(jù)并導入模板優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)中，導入結(jié)果見圖6，點擊圖6中需要配置模板的房間，系統(tǒng)會自動調(diào)出優(yōu)化函數(shù)，通過計算機對模板支撐結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，例如：當選擇圖6中的星號房間，系統(tǒng)會自動給出配板方案，即混合配板，如圖7所示，并根據(jù)所選擇的配板方案布置輸出配板結(jié)果，如圖8所示. 同時，在Revit中開發(fā)模板“族”模塊，并開發(fā)數(shù)據(jù)接口，將模板優(yōu)化系統(tǒng)得到的方案數(shù)據(jù)導回Revit中，實現(xiàn)立體式的模板支模方案，見圖9，紅色(標有A記號的模板)代表尺寸為2 440×1 220的模板，棕色(標有B記號的模板)代表尺寸為2 135×915的模板，其余部分為“破尺寸”部分，通過顏色區(qū)分不同尺寸的模板可使工人一目了然的了解設(shè)計方案，并可通過Revit獨有的施工模擬演示功能為工人做設(shè)計交底，減少工人施工時的失誤，有效的解決設(shè)計與施工脫節(jié)的問題.

圖6　模板優(yōu)化軟件提取結(jié)構(gòu)圖后的效果圖Fig.6　Effect drawing of being extracted by formwork optimization software

圖7　膠合模板優(yōu)化配板系統(tǒng)

圖8　膠合模板板面優(yōu)化配板結(jié)果

(a)板面優(yōu)化配板

(b)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4　結(jié)　論

1)根據(jù)模板支撐體系的構(gòu)造，建立了膠合模板支撐體系優(yōu)化模型，并以中建一局御景園項目為例，說明如何應用優(yōu)化模型對膠合模板進行優(yōu)化設(shè)計，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的支模費用比實際費用少，證明所提出的模板優(yōu)化設(shè)計模型能夠較好地應用于工程實際當中.

2) 根據(jù)模板優(yōu)化模型，通過選取不同尺寸主、次肋及房間進行對比表明：當所澆筑樓板尺寸不變時，模板支模費用與主、次肋的選擇有關(guān)，當次肋不變時，模板支模費用與主肋截面尺寸成反比；樓板面積相同但長寬比不同時，模板支模費用隨樓板長寬比的增加而增大. 可見，樓板的長寬比是支模費用的一個重要影響因素.

3)結(jié)合所構(gòu)建的優(yōu)化模型，基于C#語言開發(fā)模板優(yōu)化設(shè)計軟件，通過程序?qū)崿F(xiàn)模型優(yōu)化過程，便于模板設(shè)計者應用此模型優(yōu)化模板設(shè)計方案，減少模板施工費用，同時，也提高了設(shè)計者的工作效率.

[1] HANNA A S， SENOUCI A B. Design optimization of concrete-slab forms[J]. Construction Engineering Managment，1995：121(2): 215-221.

[2] KARSHENAS S， HEINRICH S M. Dynamic modeling of slab formwork during concrete placement[J]. Structure Engineering，1994：120(7):2199-2218.

[3] 何清華，錢麗麗，段運峰，等. BIM在國內(nèi)外應用的現(xiàn)狀及障礙研究[J].工程管理學報，2012，26(1)：12-16.

HE Qinghua, QIAN Lili, DUAN Yunfeng, et al. Current situation and barriers of BIM implemention[J]. Journal of Engineering Management, 2012，26(1)：12-16.

[4] 何關(guān)培.《中國工程建設(shè)BIM應用研究報告2011》解析[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2012，4(1)：15-22.

HE Guanpei. “China construction industry BIM survey report 2011” analysis[J]. Information Technology in Civil Engineering and Construction, 2012，4(1)：15-22.

[5] 孫悅. 基于BIM的建設(shè)項目全生命周期信息管理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011：24-30.

SUN Yue. Research on lifecycle information management of construction projects based on BIM[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology, 2011：24-30.

[6] 王裙.BIM理念及BIM軟件在建設(shè)項目中的應用研究[D].成都：西南交通大學，2011：17-57.

WANG Qun. Study on the application of BIM principle and BIM software in construction projects[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2011：17-57.

[7] 趙鳴，張方超，張國鋒.建筑施工模板計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)[J].計算機輔助工程，2007，16(3)：52-57.

ZHAO Ming, ZHANG Fangchao, ZHANG Guofeng. Computer aided design system for fromwork[J]. Computer Aided Engineering, 2007，16(3)：52-57.

[8] SINGH V，GU N，WANG X. A theoretical framework of a BIM based multi-disciplinary collaboration platform[J].Automation in construction,2011，20(2)：134-144.

[9] SACKS R， RADOSAVLJEVIC M， BARAK R. Requirements for building information modeling based lean production management systems for construction[J]. Automation in Construction，2010, 19(5)： 641-655.

[10]LIU Zhaoqiu, LI Yungui. The development of BIM and its application in design of project[J]. Building Science，2008，25： 96-99.

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范：JGJ 130—2011[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Technical code for safety of steel tubular scaffold with couplers in construction: JGJ130—2011[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2011.

[12]雷英杰，張善文.MATLAB遺傳算法工具箱及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014：143-206.

LEI Yingjie, ZHANG Shanwen. The genetic algorithm toolbox and application based on MATLAB[M]. Xi’an: Xi’an University of Electronic Science and Technology Press, 2014: 143-206.

[13]陜西省工程建設(shè)標準定額站. 2011山西省建設(shè)工程預算定額[M].太原：山西科學技術(shù)出版社，2011：424-425.

Engineering construction standard quota station of Shanxi province. 2011 Construction engineering budget ration of Shanxi[M]. Taiyuan: Shanxi Science and Technology Press, 2011:424-425.

[14]LU W W S，LI H. Building information modeling and changing construction practices[J].Automation in Construction，2011,9(20)：99-100.[15]姚諫. 建筑結(jié)構(gòu)靜力計算實用手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014:36-52.

YAO Jian. Static calculation Handbook for practical structure[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2014: 36-52.

(編輯魏希柱)

Plybamboo formwork supporting system optimization design and BIM research and development

YI Cheng， JI Xuan， ZHU Hongguang， ZHANG Xiaodi， DONG Longfeng

(School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083,China)

On the purpose of optimizing plybamboo formwork supporting system, saving the construction cost of plybamboo formwork, according to characteristics of plybamboo formwork supporting system, plybamboo formwork system optimal model is put forward in combination with optimization theory, which could reasonably calculate the space of stringers, joists and shores, in order to reach the aim of meeting the requirement of saving construction cost under the condition of bearing capacity. Optimization result shows that the traditional design method is more conservative, it ignores the influence of floor size on support system. The optimization model that built in this paper could select the type of support and design the space of support reasonably, so that the construction cost could be saved. The optimization design software is developed to make the complex design optimal process become easy to operate, greatly improving the efficiency of the designers’ work, and combined with BIM technology,which has the advantages of 3D visualization and simulation of construction, to solve the problem of complex design drawings and design clarifying difficultly, finally realize the integration of formwork design, construction and management.

plybamboo formwork;optimization;BIM;genetic algorithm;formwork support system

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.019

2015-07-02

國家自然科學基金(51578539)

易成(1962—)，男，教授，博士生導師

季璇，rainbow6116@yeah.net

TU755.2

A

0367-6234(2016)09-0107-06