SI體系裝配式住宅建造過程的4D仿真研究

文｜大連理工大學 任江麾

1 引言

隨著我國現代化進程的推進，建筑業也在向著現代化的方向轉型，但是，高能耗、低效率嚴重制約了我國建筑業的發展。造成這一問題的原因有很多：第一，建筑業屬于“流動性”的產業，施工地點不斷變化，不像汽車制造業，可以在工廠加工為成品，再銷售至全球各地。由于施工地點的不確定性，易造成材料運輸費用、人員流動成本的增加，同時也降低了施工效率。第二，建筑工程項目參與方眾多，管理結構混亂，不僅阻礙了信息的交流與共享，而且發生返工現象。第三，住戶對購房裝修不滿意，往往進行二次裝修，不僅會造成浪費，還有可能對建筑主體結構造成破壞，降低建筑物使用壽命。

近年來，BIM技術在建筑工程領域的廣泛應用，為建設單位、施工單位、設計單位、監理單位、住戶等多方單位的協調與信息溝通提供了可能。本文基于SI體系住宅，對裝配式住宅的建造過程進行4D仿真研究。運用Revit構建建筑主體的三維模型，方便設計單位與施工單位進行信息的交流與共享，同時也為建設單位與監理單位參與建筑工程項目提供了便利。運用Navisworks進行4D仿真，控制施工進度，模擬施工狀態，可以及時進行施工進度修正與施工方案改進。基于三維模型進行室內裝修，用漫游的方式呈現給消費者，根據消費者的要求對裝修方案進行合理改進，為消費者參與到建筑工程項目提供可能，可有效減少二次裝修帶來的浪費，延長建筑物使用壽命。

2 SI住宅體系

SI住宅，即“Skeleton-Infill”住宅，是指將住宅分為支撐體部分和填充體部分。S部分，即支撐體部分主要包括柱、梁、樓板、剪力墻等承重結構，以及共用生活管線、設備等。S部分不可變，為建筑主體結構，住戶不能隨意拆除改建。I部分，即填充體部分主要包括內部分隔墻、外部非承重墻、門、窗、廚衛設施、私用管線、室內裝修、家具、電器等。I部分具有靈活可變性，可以根據住戶的要求就行拆除改建。

SI住宅體系源于Harbraken提出的骨架支撐體理論（SAR理論）與開放建筑理論（OB理論），在歐美取得了很快地發展，日本也很快推廣并形成了較為完善的SI體系，現在SI體系住宅已經成為普遍采用的住宅結構。住房和城鄉建設部提出了發展綠色建筑的理念，面對我國建筑普遍存在壽命短、能耗大、二次裝修浪費等問題，SI住宅體系為此類問題的解決帶來了希望。SI體系住宅要實現百年壽命的優質住宅，關鍵在S部分，需要提高其耐久性與質量。本文采用的方法是將主要的支撐體結構在工廠預制，再運到施工現場，在各構件連接的部位采用現澆的方法，這樣既能保證施工質量，又能大大提高施工速度，提高施工效率。

3 工程實例分析

3.1 項目概況

某房地產開發項目，總建筑面積218957m2，其中：住宅面積：164179 m2，公建面積：38231 m2，半地下車庫面積：307 m2，地下車庫面積：16240 m2；該項目由A、B、C、D四個區域組成，本文以A區1號樓的地上建筑主體部分為例，進行SI體系裝配式住宅建造過程的4D仿真研究。圖1為本案例工程，室內地坪標高為±0.00m，室外地坪標高為-0.30m，1-17層是層高為3.00m的住宅標準層，18層是層高為2.4m的設備層；涉及軟件主要有：Revit、Microsoft Project以及Navisworks Manage等。

3.2 三維模型

3.2.1 標高和軸網

創建三維模型最基本的就是需要有準確的定位信息，依據平面圖紙和立面圖紙的信息在項目文件中繪制軸網和標高，有精確地標高和軸網作為參考系，才能確保后續構件定位的準確性。

3.2.2 項目族文件的創建

本項目族文件主要包括：柱、梁、鋼筋、門、窗、欄桿、地磚、天花板、廚衛設施（梳妝臺、馬桶、浴缸等）、照明設施（吸頂燈、臺燈、壁燈等）、家具（沙發、茶幾、書桌等）、家電（冰箱、洗衣機、空調等）、管線（給排水、暖通空調、電器等專業管線）等。

3.2.3 支撐體部分預制構件的創建

本項目支撐體部分的預制構件主要包括預制柱、預制梁、預制樓板。將柱、梁、鋼筋的族文件，載入項目文件，并完成預制柱與預制梁的創建；在項目中創建樓板，并在樓板中繪制分布鋼筋，形成所需預制樓板；將項目中創建的預制柱、預制梁、預制樓板創建為組，方便后期三維模型的繪制與4D仿真。

3.2.4 填充體部分預制構件的創建

本項目填充體部分的預制構件主要包括含保溫層的外墻、內墻、門、窗、預制樓梯、預制陽臺。依據標高和軸網創建相應尺寸外墻、內墻、樓梯、陽臺，在不同構件的預連接處繪制分布鋼筋，并將其創建為組。將門、窗以及廚衛設施等族文件導入項目文件，將與門、窗以及廚衛設施相連接墻體一同創建為部件，方便后期4D仿真。

3.2.5 建筑物主體三維模型的創建過程

（1）確定預制柱的位置，并放置預制柱。（2）沿軸網放置對應的外墻、內墻。（3）沿墻體放置對應的預制梁。（4）在預制梁、預制柱、墻體連接部位繪制現澆混凝土塊。（5）在預制梁上放置預制樓板。（6）繪制預制樓板與其他構件連接部分的混凝土塊。（7）繪制室內管線設施，包括：給排水專業管線、暖通空調專業管線、電氣專業管線。（8）繪制室內裝修，包括：墻面、地面、頂面、廚衛設施、家具、飾品等。（9）依次前工序逐層進行三維建模。

3.3 Project編制施工進度計劃表

Microsoft Project軟件的主要功能是進度計劃的編制，此外還具備勞動力、材料、設備等資源配置以及成本控制功能，方便項目參與各方更好的控制項目進度與管理項目。通過Project實現工程項目進度的管理與控制，能夠縮短項目工期，合理優化項目資源，提高經濟效益。如圖2所示，依據施工順序進行進度計劃表編制，將每一個構件都編制在內，以便后期仿真動畫的制作。

圖1 三維模型

3.4 4D仿真

完成Revit三維建模和Project進度計劃編制后，需要將三維模型和進度計劃表導入Navisworks進行處理。如圖3所示，Revit建立的三維模型為.rvt格式，需要導出為Navisworks可以打開的.nwc格式，Navisworks中打開三維模型后，在TimeLiner選項下選取數據源為Project軟件的.mmp格式的文件；對三維模型構件與對應進度計劃表中的內容進行逐一匹配，也可以利用規則自動附著功能進行自動匹配；進行模擬設置，對動畫的播放時間、時間間隔大小、動畫播放的視點等參數的設置。在Navisworks中可以返回Revit軟件對三維模型進行修改，也可以直接在Revit中進行模型修改，利用刷新功能可以同步到Navisworks；Project可直接對進度計劃表進行修改，在Navisworks中利用刷新功能可以將project中的修改應用到項目文件中，且不會影響已經相互匹配的計劃與模型，方便對施工進度進行管理。

3.5 漫游

圖2 施工進度計劃表

Navisworks含有豐富的材質庫，可以對三維模型的材質進行二次修改，可以更加真實地模擬建設項目。Navisworks可以通過錄制或者通過保存視點來制作漫游，本文以保存視點的方式介紹漫游動畫的制作。如圖4所示，在視點窗口下添加動畫，打開漫游，啟用第三人，利用平移功能，將第三人放置漫游起點處，啟用碰撞、重力功能，點擊保存視點；通過鼠標移動第三人，放置在動畫視角移動的轉折點，保存視點；對每個視點進行編輯，動畫集進行時間設置，便完成了漫游的制作。通過Animator窗口，添加場景動畫，如自動開關門動畫，將其添加到腳本動畫，就可以實現漫游播放的過程中，自動開關門，使漫游過程更加真實化。

4 總結

本文通過對SI體系裝配式住宅的建造過程的4D仿真，讓住宅建造過程生動化、形象化，實現了科學化的裝配式建筑工程施工進度計劃的安排，使建設單位、施工單位、設計單位以及監理單位更好地進行信息交流與項目管理。針對住宅室內裝修制作漫游動畫，方便住戶參與到住宅的裝修過程中，滿足每個住戶的需求，提高住戶居住質量，有效減少居民私自拆遷房屋，對房屋主體結構造成破壞，進而提高住宅的使用壽命。

圖3 4D仿真

圖4 漫游