基于 BIM 技術(shù)的組合鋁合金模板智能配模方法研究

楊 擘，梁 軍，常自昌，鞏利軍

（甘肅省長城建設(shè)集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)擁有三維可視、二維出圖、模擬施工、VR 成像等功能［1］，在工程管理中可主導成本控制、進度控制、質(zhì)量控制、安全管理等工作。組合鋁合金模板組件模塊復雜，節(jié)點繁多，拼縫嚴密，組裝精度高，施工中要求兩種技術(shù)特點的結(jié)合，將復雜的三維結(jié)構(gòu)和信息一體化。將這種重復模板設(shè)計工作交由計算機編程技術(shù)以替代低效率的人工設(shè)計，以提高鋁模板這種新技術(shù)、新材料的推廣［2］。鋁合金模板型材是建筑行業(yè)較為青睞的材料之一，我國房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展和市場化水平的推進，組合鋁合金模板需求量加大。組合鋁合金模板具有工藝簡單、拼裝快、質(zhì)量輕、剛度好等優(yōu)點，適合多次周轉(zhuǎn)應用［3］。廢舊模板可回收利用，有效降低模板損耗，且模板拆除后混凝土表觀質(zhì)量好，節(jié)約工程成本，因而受到施工企業(yè)的青睞。模板尺寸精度對于鋁合金模板型材的成型質(zhì)量和建筑工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有決定作用［4］。數(shù)據(jù)分析建筑物鋁合金模板組合型式和數(shù)量對于生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度的組合鋁合金模板的標準性模塊，以達到在不同工程之間通用，具有互換性的目的［5］，具有重大意義。本文綜合鋁合金模板配模技術(shù)、BIM 建模技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)分析技術(shù)對數(shù)據(jù)挖掘和模板設(shè)計進行深入研究。

1 工程實例

長城·嘉裕苑住宅小區(qū)位于甘肅蘭州七里河馬灘地區(qū)，總占地 84 222 m2，建筑面積 333 903 m2，是甘肅省長城建設(shè)集團有限責任公司開發(fā)建設(shè)的綜合教育培訓、娛樂設(shè)施、四星級賓館服務和社區(qū)的大型綜合體工程，其中包含四星級賓館和大型 IMAX 巨幕影城各一座，22 棟住宅樓單體工程，建筑層數(shù) 34 層，建筑主體全過程均利用組合鋁合金模板拼裝，提高了施工質(zhì)量和建筑標準化程度。

2 程序應用

2.1 BIM 技術(shù)綜合應用

本項目需要使用多種三維數(shù)據(jù)化平臺和程序設(shè)計語言在計算機上開發(fā)大而復雜的三維數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)，以避免單一語言形式或單一軟件系統(tǒng)開發(fā)應用程序受到的諸多限制。其中本項目需要應用的主要軟件和程序語言有如下幾種。

1）Python。腳本運行速度遠大于 Dynamo 本地化節(jié)點運行速度，常用的循環(huán)、復雜條件分支和遞歸等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有通過編程實現(xiàn)，且 Python 程序語言簡潔凝練，可將 Dynamo 多節(jié)點組合通過簡化代碼得以實現(xiàn)。

2）Revit。作為實現(xiàn)建筑工程 BIM 設(shè)計的三維參數(shù)化平臺，Revit 不僅能夠提供傳統(tǒng)二維圖紙，還可以聯(lián)動Fuzor、Lumion、Twinmotion 等模擬建造、渲染軟件，提供準確形象的三維立體模型，通過模擬建造、VR 技術(shù)、三維掃描技術(shù)方便施工人員進行質(zhì)量檢查和直觀預見部件組合問題，提高工程施工效率和準確度。

3）Dynamo。可視化平臺是和 Revit 隨機裝用，可實現(xiàn) AutoCAD、Civil3D、Revit、Excel 等軟件和.png、.jpg、.txt 文件進行數(shù)據(jù)交互，可基于 Python 編程語言進行數(shù)據(jù)整理，為實現(xiàn)模型批量生成和智能化應用提供圖形數(shù)據(jù)應用基礎(chǔ)平臺。

本項目就是利用 Revit 作為三維圖形化展現(xiàn)平臺和多種渲染軟件、施工模擬軟件、數(shù)字圖形提取接口；Dynamo 作為 Revit 軟件平臺和 Python 編程語言的數(shù)據(jù)圖形搭接平臺，自身也負擔部分程序編輯任務；Python 作為科學運算、數(shù)據(jù)分析和智能化運維終端，提高運算的速度、穩(wěn)定性和容錯性，排除冗余運算對計算機內(nèi)存的占用。

2.2 工作流程整合

本項目基本流程步驟和思路如圖 1 所示。

圖1 鋁合金模板智能配模方法基本實施步驟

1）通過 Revit 三維軟件建立標準化的建筑物結(jié)構(gòu)模型；

2）在 Dynamo 圖形化編程平臺中提取模型體型，整合分化建筑物表面；

3）將建筑表面智能區(qū)分為梁側(cè)表面、梁底表面、板底表面、墻面和梁聯(lián)系面；

4）根據(jù) JGJ 386－2016《組合鋁合金模板工程技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱“JGJ－386”）利用 Python 編程語言進行程序邏輯層運算，智能計算并生成鋁合金墻、梁、板、陰陽角、承接模板，以及鋁模斜撐、立桿、背楞、螺栓等構(gòu)件體型；

5）通過 Dynamo 程序?qū)⒛Ｐ腕w型導入 Revit 中進行實體化，并形成 Excel 表格統(tǒng)計鋁合金模板編號、型號和規(guī)格數(shù)量、體積、重量等信息；

6）利用 Dynamo 控制 Revit 批量導出模板和構(gòu)件的二維圖紙，拼裝圖紙等；

7）編輯 Python 程序?qū)?jpg 格式圖紙批量整合進入Excel 表格中；

8）將 Revit 鋁模板模型鏈接進入 Fuzor 施工模擬軟件進行模擬拼裝，導入 Lumion 或 Twinmotion 軟件形成渲染宣傳視頻；

9）通過魯班 BIM5D 平臺在移動端 APP 平臺形成三維圖紙查閱和質(zhì)量檢查系統(tǒng)。

3 輸入層設(shè)計

3.1 輸入層功能分析

輸入端主要功能是將 Rev it 建筑模型讀取至Dynamo 圖形平臺，達到如圖 2 所示整體效果。主要方法是通過 Dynamo 節(jié)點運算將建筑模型表面整合，提取建筑梁、板、墻、柱的基本表面信息。由于選擇的建筑物樓層構(gòu)件將全部參與模板搭建運算中，其中主要解決的是建筑物圖形整體數(shù)量與計算機運算效率之間的關(guān)系，對其中的可行性運算策略進行分析。

圖2 鋁合金模板單體工程模型和節(jié)點模型

3.1.1 方案 1

方案運算的主要任務是將單棟建筑物包含的所有構(gòu)件全部直接錄入 Dynamo 運算平臺中，參與到 Dynamo 鋁模板智能化配模方案的運算中。

方案主要優(yōu)點包括智能化運算程度高，一次性就能將構(gòu)筑物全部表面計算完成；精確度非常高，避免樓層之間或構(gòu)件之間出現(xiàn)構(gòu)件重合等重復性計算和操作；重復運算量最小，所有構(gòu)件運算只需要通過一次運算即可有效劃分。

方案主要缺點包括構(gòu)件運算量巨大，特別是對于高層建筑物，會造成信息阻塞，方案運算難以在短時間內(nèi)進行有效實施；不必要運算過多，特別是對于標準樓層較多的建筑物，只需要計算其中一層的配模方案，即可在全棟建筑物適用，造成不必要的時間成本支出；運算方式靈活性差，如根據(jù)施工進度難以針對工程所需鋁合金模板實際工程量進行提取。

3.1.2 方案 2

方案運算的主要任務是將建筑物的構(gòu)件分別在圖形平臺中采用點選方式單一選擇，進行鋁模板配模方案的邏輯運算。

方案主要優(yōu)點包括運算靈活性高，建筑物可實現(xiàn)單一構(gòu)件的配模并提取鋁合金模板的運算；構(gòu)件運算量小，能夠短時間內(nèi)輸出模板型式數(shù)量等信息；可根據(jù)建筑物配模需求進行配模方案的運算選擇。

方案主要缺點包括智能化程度低，如果進行整體運算需要用戶通過人工將每種構(gòu)件全部點選，用戶體驗感差；重復運算量高，容易形成構(gòu)件的重復性運算，重復提取工程量，造成預算方案偏差；精確度低，構(gòu)件之間界限不明顯會造成計算偏差。

3.1.3 方案 3

方案運算的主要任務是通過建筑物單一標高樓層分析和選擇，對鋁模板配模方案進行邏輯運算。

方案主要特點是樓層之間可以通過明顯界限智能判斷，提高配模方案的精確程度，避免樓層之間界面不清引起的重復性計算；智能化運算程度中等，只需要通過選擇所需樓層標高即可運算本層鋁合金模板全部配模方案，特別適合標準層較多的建筑物，用戶體驗感較好；構(gòu)件運算量中等，單層所需運算時間對設(shè)備的占用不會過長，模板配備方案可以在方案允許時段內(nèi)形成，及時提供各項信息形成模板型式數(shù)量的 Excel 配備表格；方案主要提取單層的鋁合金模板配備信息，可以通過對選擇構(gòu)件的判斷形成單一構(gòu)件的配模方案。

根據(jù)以上方案判斷分析選擇最終確定方案 3 作為輸入端鋁合金模板配模策略，并根據(jù)此策略分解合并構(gòu)筑物表面信息。

3.2 輸入層結(jié)構(gòu)組成

整體輸入層設(shè)計思想是通過設(shè)置條件將 Revit 中圖形文件輸入的梁、板、柱、墻 Solid 形體讀取輸入，分析形體組成，通過邏輯運算實現(xiàn)框架梁側(cè)面、框架梁底面、樓板底面、墻面和框架聯(lián)系面的智能分析和辨認歸類工作。輸入端基本由圖形信息讀取控制模塊、圖形信息分析模塊和圖形邏輯實現(xiàn)模塊組成，如整體模塊結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

3.2.1 圖形信息讀取控制模塊

通過建筑模型構(gòu)件分層參與鋁模板配板方案運算方案分析，需要利用目標分析層標高（Level）控制引入本層分析圖形信息，并利用邏輯運算自動分析并引入底層限制圖形信息，便于對目標層圖元分析界面條件限制。

圖3 輸入端設(shè)計構(gòu)成以及鋁合金模板附著面的生成

3.2.2 圖形信息分析模塊

通過合并輸入的圖形信息（Union 模塊），將暗柱、端柱等零落的豎向構(gòu)件全部與臨近墻體構(gòu)件結(jié)合成整體，分析并輸出所有完整的構(gòu)成面，以便于邏輯運算層面進一步分析。

3.2.3 圖形邏輯實現(xiàn)模塊

圖形邏輯實現(xiàn)模塊是輸入層核心部分，需要將分析模塊的構(gòu)成面分解實現(xiàn)為各分類組成面的分組，其中重點解決問題框架梁底面、側(cè)面和聯(lián)系面的分解；板面不涉及邏輯運算上表面的排除；綜合豎向構(gòu)件合并墻體同向表面，并排除墻體不涉及邏輯運算的上下表面。然后將運算結(jié)果輸出到邏輯運算層分析操作。在 Excel 數(shù)據(jù)表中自動生成各組成面數(shù)據(jù)，以便進一步地分析和應用（見表 1）。

表1 樓板面邏輯分隔參數(shù)數(shù)據(jù)表（節(jié)選）

4 邏輯層設(shè)計

4.1 邏輯層功能分析

邏輯運算層需要將 JGJ 386 節(jié)點要求完整映射到程序規(guī)則中，根據(jù)技術(shù)規(guī)程要求的標準配模尺寸和配套模板尺寸，將基本的墻、梁、板面通過計算智能擇取最優(yōu)模板配型方案，分解為面板附著面、陰陽角附著線（面）、鋁梁附著面、早拆頭附著面等，通過附著面（線）提供的位置尺寸等信息形成面板和組成構(gòu)件實體模型。邏輯層屬于整體計算程序核心部分，根據(jù)節(jié)點功能分析，主要由型材附著面（線）節(jié)點組和依附構(gòu)件節(jié)點組兩部分組成（見圖 4）。

圖4 Dynamo 邏輯層和 Python 程序設(shè)計構(gòu)成分析

4.2 邏輯運算語言分析

基于 Dynamo 圖形平臺，主要有兩種可用編譯模塊，code block 和 Pythonscript。本項目前期曾使用 code block 對核心程序進行編輯，對程序邏輯實現(xiàn)還存在很大差距，相對于 Python 編譯存在以下優(yōu)缺點。

1）code block 相對于 Python 學習時間成本低，可以基于 Dynamo 圖形平臺直接調(diào)用節(jié)點模塊進行圖形計算，Dynamo 節(jié)點模塊較為豐富，基本滿足鋁合金模板計算要求；Python 代表著簡單主義思想的編譯語言，在編程語言中較為簡單易學，但是作為高級語言熟悉掌握并進入應用領(lǐng)域的過程中仍然需要大量閱讀和練習，對操作人員的邏輯性思維要求較高。

2）Pythonscript 可以接入外部節(jié)點庫，利用內(nèi)置math 庫替代 Dynamo 中的數(shù)學計算節(jié)點，List、Tuple、Set、Dictionary 應用可以實現(xiàn)靈活而豐富的使用方式。使用已有的 Python 資源庫可以實現(xiàn)比較高級的函數(shù)功能，比如正則表達式可以解析復雜字符串，這些都是對DesignScript 功能的巨大擴充。

3）code block 在確認圖形關(guān)聯(lián)關(guān)系中需要大量矩陣運算。運算量為相關(guān)聯(lián)圖形組數(shù)量的乘積，多次應用后運算量成倍增長，造成內(nèi)存占用量大，程序運行緩慢。利用 PythonScript 節(jié)點可以通過設(shè)置參數(shù)條件將符合條件選項排除出列表，避免冗余運算，縮短運算時間。

4）PythonScript 中的條件語句 if、else，循環(huán)語句while、for in，異常處理語句 try、except、finally 等在保證程序連續(xù)性正常執(zhí)行，符合條件篩選的元素運算，以及迭代運算都有 code block 無法替代的功能。雖然Dynamo 本身也有 if、while 等節(jié)點，但是使用條件單一，受到使用語言環(huán)境限制比較大，不能很好地發(fā)揮自身功用。

5）Python 作為人工智能的首選編程語言，在所有編程類語言中最大優(yōu)勢是其簡潔優(yōu)雅和極佳的可讀性，是一種跨平臺的語言，可以使用解釋方式直接調(diào)用 API 取得 Revit 或者 CAD 庫，不需要編譯代碼就可以批量運行 Revit 或者 CAD 中的構(gòu)件元素或者命令，讓用戶體驗到更多的應用功能。

6）Python 可以實現(xiàn)非循環(huán)神經(jīng)元集合建模，通過輸入層（input layer）將人類的讀圖識圖中大腦的思維過程映射至計算函數(shù)層（hidden layer），然后通過輸出層（output layer）實現(xiàn)鋁合金模板配模運算過程的全程智能化。

通過以上的比較和實際應用，本項目第二次修改過程中全部采用了 Python 語言對邏輯運算層全部重構(gòu)，將 JGJ 386 標準規(guī)范數(shù)據(jù)映射至運算程序中，通過計算程序智能優(yōu)選最佳配模方案，大幅度提高計算精確度和計算效率，擴展人工建模難以實現(xiàn)的功能，為項目功能的實現(xiàn)取得了良好的表觀效果（見圖 5）。

圖5 規(guī)范參數(shù)數(shù)據(jù)組和程序組模塊編輯

4.3 邏輯層實現(xiàn)目標與步驟

鋁合金模板配模運算中最重要的功能就是將JGJ 386 中的有關(guān)樓板、梁底、墻柱附著模板規(guī)格與孔位規(guī)定的計算規(guī)則映射到梁、板、墻、柱整體外表面中來；然后從中分離和辨析出陰角和陽角模板、梁和板底的早拆頭、連接角模等等附著面和線的設(shè)置；同時需要解決面層法向量，線段垂直向量等問題，便于構(gòu)件節(jié)點附著時所有構(gòu)件平面均向內(nèi)，肋板層均向外的操作；通過設(shè)置邏輯層的實現(xiàn)目標制定邏輯層生成的步驟。

邏輯層主要由功能函數(shù)、判斷函數(shù)、迭代遞歸函數(shù)和實現(xiàn)函數(shù)組成。由于 PythonScript 的使用條件限制，還暫未實現(xiàn)面向?qū)ο蟮念悇e設(shè)置。

1）功能函數(shù)。即為實現(xiàn)目標函數(shù)中某一小段的函數(shù)，比如拍平函數(shù)，可以將多維列表轉(zhuǎn)化為一維列表進行計算使用，簡化深度列表復雜判斷與計算（見圖 6）。

圖6 拍平功能函數(shù)實現(xiàn)代碼

2）條件判斷函數(shù)。利用條件判斷實現(xiàn)數(shù)組與列表的分離，排除功能以外數(shù)組的冗余計算。通過條件函數(shù)可以通過計算規(guī)則實現(xiàn)附著平面進行粗分、判斷分隔面的方向，判斷平面邊線是否為陰陽角、判斷鋁梁面的分隔位置、判斷大面中拐點的位置和分隔方向、判斷底角模板和承接模板的分隔面以及根據(jù)模板型號判斷螺栓孔排布位置。

3）迭代遞歸函數(shù)。對給定的 list 或 t uple，通過 for 和while 循環(huán)函數(shù)以及函數(shù)調(diào)用自身的循環(huán)實現(xiàn)數(shù)據(jù)重組和細部分割。這種函數(shù)通常和條件判斷函數(shù)配合應用在模板面細致分離上，通過迭代和遞歸函數(shù)的條件設(shè)置判斷，函數(shù)模式定義簡單，邏輯清晰，避免數(shù)據(jù)的重復調(diào)離和復用，且邏輯層次更加嚴謹。

4）實現(xiàn)函數(shù)。通過以上函數(shù)的組合調(diào)用，輸出列表（list）、數(shù)組（tuple）、字典（dictionary）的組合結(jié)果，實現(xiàn)全段函數(shù)功能輸出，將全部部件信息通過表格（見表 2），二維或三維圖形等方式進行匯總輸出。

表2 樓板底面模板參數(shù)表（節(jié)選）

5 結(jié)語

通過 BIM 技術(shù)對組合鋁合金模板體系智能配模方法研究及長城嘉峪苑項目實踐應用，解決了嘉峪苑小區(qū)高層住宅樓鋁合金模板的配置，適用于樓層較為標準的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了建筑技術(shù)、建模技術(shù)、智能技術(shù)的 BIM 深度應用，實現(xiàn) BIM 技術(shù)項目高效率、智能化實施。有效結(jié)合理論知識與實踐應用，將 BIM 技術(shù)導入深層次應用，且通過每一個技術(shù)應用點的研究和標準勘定，形成 BIM 技術(shù)在實際項目全過程應用，實現(xiàn)現(xiàn)場精細化管理和建筑工藝可裝配化技術(shù)含量的提升。尚未對異形建筑結(jié)構(gòu)主體展開應用研究，應用對象主要是建筑施工建設(shè)階段，對于組合鋁合金模板在設(shè)計加工階段的要求考慮尚有不足。所用鋁合金模板體型數(shù)據(jù)標準主要依據(jù) JGJ 386，程序初步設(shè)計主要考慮的是單棟建筑工程，目的是加強單棟建筑的組合鋁合金模板周轉(zhuǎn)次數(shù)且嚴格符合標準規(guī)范的規(guī)定，存在小型模板過多增加制作安裝工程量的問題。如果將整個小區(qū)或者后續(xù)工程作為整體鋁合金模板的周轉(zhuǎn)范疇統(tǒng)一考慮，可以加大模板的體型參數(shù)，從而簡化模板設(shè)計、制作和安裝的施工流程，減少加固構(gòu)件的使用量，更好地輔助和推動現(xiàn)場工程進度、澆筑質(zhì)量、施工成本和施工安全的加強。Q