面向制造與裝配的預(yù)制混凝土構(gòu)件模塊庫設(shè)計與應(yīng)用

鄒貽權(quán)，湯宇塵，董道德

（1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068；2.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410114）

0 引言

2022 年1 月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出：構(gòu)建裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和生產(chǎn)體系，擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和部品部件的使用，推動生產(chǎn)和施工的智能化升級。預(yù)制混凝土（PC）構(gòu)件是裝配式建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，貫穿裝配式建筑的設(shè)計、生產(chǎn)、運輸及裝配各個環(huán)節(jié)［1］，因此設(shè)計體系對于裝配式建筑的生產(chǎn)、安裝至關(guān)重要。然而，構(gòu)件深化設(shè)計過程中存在構(gòu)件深化效率與標(biāo)準(zhǔn)化程度低、設(shè)計與生產(chǎn)的體系數(shù)據(jù)銜接較差等問題。為解決該問題，深化設(shè)計師采用以建筑信息模型（BIM）為主的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)［2］，創(chuàng)建或調(diào)用PC構(gòu)件的BIM構(gòu)件庫，在設(shè)計階段提高建筑設(shè)計質(zhì)量，避免后期設(shè)計的修改［3］。同時，推進(jìn)BIM 在工程全壽命周期的集成應(yīng)用，強(qiáng)化設(shè)計、生產(chǎn)、施工的數(shù)字化協(xié)同［4］。

目前，常見的工業(yè)化建筑企業(yè)的構(gòu)件庫或者在線模型庫有BIMobject、RevitCity、族庫大師、構(gòu)件塢等。這些構(gòu)件庫或在線模型庫中包含一定數(shù)量的PC 構(gòu)件或模塊用于設(shè)計與生產(chǎn)，但模塊并不能很好地聯(lián)系設(shè)計與生產(chǎn)。模塊通常是按項目進(jìn)行配置，因此構(gòu)件庫的使用受到一定的限制。開發(fā)大體量的構(gòu)件庫，不僅需要龐大的生產(chǎn)成本，還需要將模塊不斷地更新升級。此外，調(diào)用構(gòu)件庫中的BIM 進(jìn)行設(shè)計時，還要對鋼筋長度、埋件位置、連接節(jié)點等進(jìn)行修改與核準(zhǔn)［5］。因此，構(gòu)件庫的建立應(yīng)考慮項目之間的相關(guān)性，用于匹配建筑項目構(gòu)件的多樣性和標(biāo)準(zhǔn)化程度。

針對深化設(shè)計中構(gòu)件數(shù)量多、重復(fù)性工作量大、標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問題，基于BIM 對構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化，制訂拆分、建模、出圖標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)相應(yīng)的BIM構(gòu)件庫［6-8］，對構(gòu)件庫進(jìn)行分類、編碼，并搭建云平臺以及管理流程與管理系統(tǒng)［9-11］。上述研究難以將設(shè)計與生產(chǎn)聯(lián)系起來，因此在充分考慮構(gòu)件的可制造性與可裝配性的基礎(chǔ)上開發(fā)具有最大復(fù)用性與可共享性的構(gòu)件庫至關(guān)重要。

引入制造業(yè)中面向制造與裝配的設(shè)計（DFMA）的產(chǎn)品設(shè)計思路［12-14］，以豎向PC 構(gòu)件為例，提出一種裝配式建筑模塊庫設(shè)計方法。

1 面向制造與裝配的模塊庫創(chuàng)建方法

1.1 基本原理

DFMA包含為裝配而設(shè)計（DFA）和為制造而設(shè)計（DFM）。DFA 在設(shè)計階段就考慮到產(chǎn)品的可裝配性［15］，確保零件快速有效地裝配，常用的方法包括簡化產(chǎn)品設(shè)計、減少零件數(shù)量、使用標(biāo)準(zhǔn)件、模塊化等。DFM的目的是讓產(chǎn)品具有更好的可制造性。DFA 和DFM的統(tǒng)一就是DFMA。本研究中將構(gòu)件作為產(chǎn)品，在設(shè)計過程中考慮構(gòu)件制造要求，將設(shè)計數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到構(gòu)件生產(chǎn)中。

1.2 設(shè)計流程

在構(gòu)件深化設(shè)計過程中，BIM 是支撐DFMA 的關(guān)鍵技術(shù)，而DFMA 使BIM 更適用于PC 構(gòu)件。圖1 為基于DFMA的構(gòu)件模塊庫設(shè)計流程，以裝配式建筑的豎向PC構(gòu)件為例，主要包含構(gòu)件分析、構(gòu)件拆解、軟件開發(fā)、模塊創(chuàng)建、模塊入庫5 個步驟。

圖1 基于DFMA的構(gòu)件模塊庫設(shè)計流程

1.2.1 構(gòu)件分析

通過對某建筑企業(yè)大型已建裝配式項目的1 萬多張構(gòu)件深化設(shè)計圖紙進(jìn)行梳理和分析，特別是DFM與DFA分析。這些圖紙都是經(jīng)過實際項目檢驗而形成的生產(chǎn)經(jīng)驗。

1.2.2 構(gòu)件拆解

由構(gòu)件分析可知，PC構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化對象的層級目前集中在構(gòu)件級和元素級。構(gòu)件級對象為構(gòu)件整體，主要標(biāo)準(zhǔn)化方法是將構(gòu)件類型化、規(guī)格化。類型化是將構(gòu)件分為疊合板、外墻板、內(nèi)墻板、樓梯等多種類型；規(guī)格化是將每種構(gòu)件類型尺寸進(jìn)行固化，做到少規(guī)格多組合。元素級對象主要為鋼筋籠和模板，主要標(biāo)準(zhǔn)化方法是鋼筋籠的標(biāo)準(zhǔn)化、單元化、模塊化以及模板的標(biāo)準(zhǔn)化。

將規(guī)格化和類型化同時用于構(gòu)件，在構(gòu)件“元素級”和“構(gòu)件級”之間增加一個模塊級。如圖2 所示，將構(gòu)件拆解為邊緣構(gòu)件、窗下墻、填充墻、梁等功能模塊。

圖2 PC構(gòu)件拆分示意圖

1.2.3 模塊設(shè)計

考慮DFMA的成本需求以及模塊與設(shè)計、生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)等方面的聯(lián)系，形成模塊的設(shè)計規(guī)則。

基于結(jié)構(gòu)計算書及構(gòu)件拆分圖的關(guān)聯(lián)調(diào)取模塊庫內(nèi)指定標(biāo)準(zhǔn)模塊。在模塊分類中，梁模塊、約束（邊緣）模塊及預(yù)制剪力墻模塊為受力模塊，有固定的配筋要求，其關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性關(guān)系到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如圖3 所示，以剪力墻模塊為例，層高、抗震等級等為設(shè)計物料信息，混凝土強(qiáng)度與樓層相關(guān)，因此關(guān)聯(lián)的信息為邊緣構(gòu)件模塊的規(guī)格、套筒規(guī)格與箍筋開口形式。模塊的規(guī)格由構(gòu)件拆分圖決定，開口形式由工藝決定，套筒規(guī)格由一次結(jié)構(gòu)計算配筋截面積與對應(yīng)的配筋表決定。在明確工藝信息的前提下，編制套筒配置規(guī)則。

圖3 拆分圖、計算書與剪力墻模塊的關(guān)聯(lián)

構(gòu)件拆解出的模塊可實現(xiàn)設(shè)計-生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)。模塊中的鋼筋均帶有固定編號信息，能生成相應(yīng)的鋼筋加工信息，并且有對應(yīng)的文件夾及圖形文件，實現(xiàn)模塊與生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)。當(dāng)該模塊有關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)信息時，可作為構(gòu)件的組成部分被調(diào)取，同步生成并輸出生產(chǎn)信息。左邊緣構(gòu)件的編號及對應(yīng)的加工信息如圖4 所示。

圖4 左邊緣構(gòu)件模塊各組件加工信息

圖5 為模塊與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)圖。將構(gòu)件拆分為各標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，左（右）支撐分為左（右）邊緣構(gòu)件模塊，在構(gòu)件兩側(cè)起豎向受力作用。用于結(jié)構(gòu)安全的模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)化的鋼筋籠以提高標(biāo)準(zhǔn)化程度并保證結(jié)構(gòu)的安全性。在模塊組裝成PC 構(gòu)件時，通過BIM 的二次開發(fā)，將非受力模塊的鋼筋貫通，實現(xiàn)構(gòu)件的整體結(jié)構(gòu)受力。在模塊生成過程中，設(shè)計者通過輸入模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)來控制鋼筋直徑。例如，輸入鋼筋的截面積來控制鋼筋直徑，保證構(gòu)件在不同載荷下的安全性和穩(wěn)定性。鋼筋籠的鋼筋尺寸是通過圖紙分析得出的。根據(jù)不同地區(qū)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對鋼筋籠的設(shè)計規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，如鋼筋的間距、直徑以及錨固長度等設(shè)計參數(shù)，以保證方法的通用性。

圖5 模塊與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)

2 模塊參數(shù)化

2.1 開發(fā)平臺與開發(fā)工具

將模塊規(guī)則、數(shù)據(jù)架構(gòu)、空間布局等固化到BIM中，進(jìn)行二次開發(fā)。通過軟件與族樣板創(chuàng)建相應(yīng)的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)模塊。硬件為PC 機(jī)，采用Intel 處理器、Windows操作系統(tǒng)，顯卡為GTX3090，運行內(nèi)存為16 GB。軟件開發(fā)平臺為Revit2016、VS2015（Microsoft Visual Studio 2015）以及面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C＃［15］。Revit2016 由Autodesk 公司研發(fā)，是目前主流的BIM軟件，可借助應(yīng)用程序接口（API）創(chuàng)建插件軟件［16］。

2.2 模塊創(chuàng)建

在BIM 中創(chuàng)建模塊時調(diào)用自定義的“ModuleTemplate.rfa”族樣板文檔環(huán)境進(jìn)行參數(shù)化模塊的創(chuàng)建。使用族樣板可提升建模速度，樣板內(nèi)設(shè)置了含構(gòu)件各組件的族，保存后快速進(jìn)行下一個模塊的創(chuàng)建。在二次開發(fā)的工具軟件創(chuàng)建時輸入模塊相關(guān)的信息，快速完成參數(shù)化模塊創(chuàng)建。創(chuàng)建完成后輸出的三維信息模型也可稱為DFM 定制模塊。圖6 為基于Revit2016 創(chuàng)建的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)模塊示例。當(dāng)拆分后的參數(shù)化模塊創(chuàng)建完畢后，還可對創(chuàng)建的模塊進(jìn)行修改，使得模塊更加符合DFMA 的需求。這些模塊是參數(shù)化的，根據(jù)設(shè)計與制造的需求可對模塊中的組件進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整。

圖6 基于BIM的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)模塊示例

通過編制模塊的結(jié)構(gòu)編碼，調(diào)取數(shù)據(jù)庫的模塊及模型信息。模塊的編碼由決定模塊特性的關(guān)鍵參數(shù)構(gòu)成，如邊緣模塊受層高、抗震等級、混凝土強(qiáng)度等因素的影響，因此編碼中會出現(xiàn)以上所有元素。通過編碼調(diào)取，模塊也具有唯一性、合理性。左邊緣構(gòu)件模塊的編碼示例如表1 所示。

表1 左邊緣模塊編碼示例

2.3 模塊入庫

利用BIM的三維可視化，檢查模塊是否符合DFM與DFA的要求。符合要求的模塊通過開發(fā)模塊管理軟件保存到基于云端的模塊庫，用于后續(xù)設(shè)計與生產(chǎn)。配套的云端模塊庫管理流程如圖7 所示。基本功能包含模塊的上傳、分類、審核、入庫與調(diào)用。選擇相應(yīng)參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)模塊，完成模塊上傳，然后對模塊進(jìn)行分類和統(tǒng)計。可依據(jù)模塊編碼或者關(guān)鍵字進(jìn)行檢索，便于查找相關(guān)的模塊。模塊的檢索頁面如圖8 所示。已上傳的模塊在云端模塊庫中呈現(xiàn)待審核狀態(tài)，由專業(yè)人員進(jìn)行DFMA核查，查看該模塊是否具有良好的可制造性和可裝配性。最后，將完成上傳、審核的模塊保存到云端模塊庫中。

圖7 基于DFMA的模塊庫管理流程

圖8 云端模塊庫檢索頁面

3 模塊庫系統(tǒng)架構(gòu)與全生命周期優(yōu)化應(yīng)用

3.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模塊庫系統(tǒng)架構(gòu)

基于云端服務(wù)器的模塊庫實現(xiàn)模塊的創(chuàng)建、上傳、審核、保存功能，用于構(gòu)件的設(shè)計與生產(chǎn)。將模塊數(shù)據(jù)保存在云端模塊數(shù)據(jù)庫具有一定的優(yōu)勢。首先，云端數(shù)據(jù)庫具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲能力與綜合服務(wù)能力，可以保存大量模塊數(shù)據(jù)；其次，通過對模塊數(shù)據(jù)庫中模塊的調(diào)取與組合可更好地完成PC 構(gòu)件設(shè)計；最后，云端數(shù)據(jù)庫不僅保存參數(shù)化模塊信息，還保存模塊的生產(chǎn)信息。云端模塊庫確保了數(shù)據(jù)在各平臺傳輸時的完整性。

軟件的系統(tǒng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)流動也是基于拆分后的模塊。將模塊與云端數(shù)據(jù)庫相聯(lián)系，通過一定的開發(fā)手段實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)與全過程的數(shù)據(jù)流通。系統(tǒng)云端服務(wù)器由3 層架構(gòu)組成，如圖9 所示，主要包含以參數(shù)化建模工具為主的前端界面設(shè)計和以Java 為主的后端研發(fā)。通過前期的梳理和分析，將模塊的設(shè)計規(guī)則、數(shù)據(jù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫等融入二次開發(fā)工具中，創(chuàng)建相應(yīng)的參數(shù)化模塊。此時，模塊的數(shù)據(jù)內(nèi)置到BIM 中，實現(xiàn)知識的自動化。創(chuàng)建的參數(shù)化模塊在BIM 中為三維形態(tài)，前端的模塊能夠進(jìn)行可視化管理。然后，將模塊核驗并上傳到云端數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中保存模塊數(shù)據(jù)。調(diào)用模塊庫中模塊并重組為PC 構(gòu)件，生成相應(yīng)的平面圖紙與詳細(xì)清單，用于后續(xù)的設(shè)計、生產(chǎn)。在拆分的模塊化架構(gòu)中，模塊的數(shù)據(jù)信息與參數(shù)化模塊是分離的。模塊數(shù)據(jù)信息內(nèi)置到工具軟件的數(shù)據(jù)庫中，生成的BIM作為可視化模塊數(shù)據(jù)。

圖9 云端數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 基于云端模塊庫的設(shè)計流程優(yōu)化

云端模塊庫實現(xiàn)裝配式建筑設(shè)計、建造、安裝一體化與全過程數(shù)字化。圖10 為以云端模塊庫為基礎(chǔ)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的全過程設(shè)計流程。在全過程設(shè)計流程中，拆分PC構(gòu)件形成的模塊貫穿了設(shè)計、生產(chǎn)、施工的全過程。

3.2.1 設(shè)計階段的優(yōu)化應(yīng)用

拆分后的模塊設(shè)計與制造是DFMA 過程。在裝配式建筑的設(shè)計過程中，通過相應(yīng)的造型設(shè)計與結(jié)構(gòu)計算，裝配式建筑可拆分為單體的PC 構(gòu)件，并形成相應(yīng)的PC構(gòu)件拆分圖紙。通過開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計工具輸入模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)完成參數(shù)化模塊的創(chuàng)建，創(chuàng)建的參數(shù)化模塊滿足DFMA的要求。對于DFM，將裝配式建筑PC構(gòu)件進(jìn)行拆分，并引入模塊化設(shè)計理念。將拆分后模塊的設(shè)計規(guī)則，按照制造、裝配的需求進(jìn)行固化，形成相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，此時的模塊是標(biāo)準(zhǔn)部件。對于DFA，通過簡化模塊中結(jié)構(gòu)類型、減少模塊數(shù)量等方式，方便模塊裝配。拆分后的模塊在設(shè)計時就考慮了制造和裝配中的需求，又引入?yún)?shù)化的設(shè)計方法并開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計工具，從而優(yōu)化了設(shè)計速度。將參數(shù)化的模塊保存到基于云端的參數(shù)化模塊庫，通過開發(fā)的組合算法調(diào)取模塊庫的模塊并組合為多樣化的PC構(gòu)件，滿足少規(guī)格多組合的構(gòu)件設(shè)計需求。組合過程如圖11 所示。后續(xù)按照設(shè)計要求，進(jìn)行保溫板、預(yù)埋件等附屬配件的添加，可形成精度較高的深化設(shè)計模型。通過模塊的設(shè)計與工具的開發(fā)，模塊庫可完成大多數(shù)常規(guī)類型水平構(gòu)件與豎直構(gòu)件BIM 深化設(shè)計模型的創(chuàng)建。圖12 為多樣化的深化設(shè)計PC構(gòu)件模型。

圖12 多樣化的深化設(shè)計PC構(gòu)件模型

3.2.2 制造階段的優(yōu)化應(yīng)用

利用BIM的特性輸出相應(yīng)的物料清單，用于工廠中構(gòu)件制造。在制造的過程中驗證模塊是否具有良好的制造性，并反饋到設(shè)計過程中。模塊可升級時，通過工具軟件創(chuàng)建新的模塊，并保存到模塊庫中進(jìn)行模塊的更新。

3.2.3 裝配階段的優(yōu)化應(yīng)用

將具有良好制造性與裝配性的PC 構(gòu)件運往建造現(xiàn)場進(jìn)行安裝。PC構(gòu)件現(xiàn)場安裝的過程也是對設(shè)計、生產(chǎn)過程的實際驗證。驗證后，對于不符合DFMA 需求的參數(shù)化模塊進(jìn)行模塊圖元的更新，也是云端數(shù)據(jù)庫的更新。

4 項目應(yīng)用

將開發(fā)的模塊庫應(yīng)用到中國武漢某建筑企業(yè)在建的某裝配式建筑項目中。該項目經(jīng)統(tǒng)計共有各種類型的豎向PC構(gòu)件1 433 個，本設(shè)計工具可完成1 381 個PC構(gòu)件的深化設(shè)計，占比達(dá)到96.4%，創(chuàng)建失敗的占比3.6%。實踐表明，該設(shè)計工具能實現(xiàn)大多數(shù)不同前置條件下豎向PC構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

選取某項目中11 號樓，將本設(shè)計方法與常見的參數(shù)化深化設(shè)計輔助軟件進(jìn)行對比。項目的地下層數(shù)為1層，地上層數(shù)為33 層，是全國首座超百米“豎向結(jié)構(gòu)裝配”超高層裝配式建筑住宅。住宅總建筑面積約11 433 m2。該樓棟的裝配率為54%，PC 構(gòu)件應(yīng)用范圍主要是標(biāo)準(zhǔn)層，項目實景如圖13 所示。

圖13 11號樓“豎向裝配結(jié)構(gòu)”住宅實景圖

對該項目的豎向PC 構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化建模，在相同的深化標(biāo)準(zhǔn)下，對比2 種深化方法從建模到出圖所需要的平均時間，如表2 所示。對于單個類型的外墻板和內(nèi)墻板PC 構(gòu)件，本設(shè)計方法完成深化設(shè)計的時間分別節(jié)省約12 min和9 min。

表2 深化時間對比

5 結(jié)語

引入DFMA的模塊庫設(shè)計方法，使有窮的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成無窮的PC構(gòu)件，實現(xiàn)少規(guī)格多組合的PC 構(gòu)件設(shè)計目標(biāo)，解決豎向PC 構(gòu)件通用性差的行業(yè)難題。在設(shè)計時關(guān)聯(lián)構(gòu)件制造、裝配信息，使得構(gòu)件具有良好的可制造性與可裝配性，加強(qiáng)全生命周期的數(shù)字化協(xié)同。在全過程生命周期的建設(shè)中，通過PC 構(gòu)件生產(chǎn)、安裝過程的驗證，對云端模塊庫不斷優(yōu)化，使得模塊在后續(xù)的生產(chǎn)應(yīng)用中更符合DFMA要求。