裝配式建筑設計成果數據交付應用研究

朱陳翔 王廣 王慶晨

(上海中森建筑與工程設計顧問有限公司)

當前我國建筑行業正向工業化、數字化、智能化轉型升級[1]，自2016 年我國大力推廣裝配式建筑產業以來，隨著預制構件產量需求的不斷提升，國內預制構件工廠也有了蓬勃的發展，得益于機械行業高水平自動化發展，裝配式預制構件智能生產線應運而生。但時至今日，預制構件工廠智能化總體水平并不高，仍以人工作業為主，主要原因便是智能化的體系缺少了數據的驅動；智能化固然是發展的必然趨勢，但沒有數字化的基礎，就沒有驅動智能工廠的動力[2]。因此，亟需加快裝配式建筑相關配套產業鏈的技術轉型升級步伐，建筑企業必須認識到數據驅動對于建筑智能制造在建筑全生命周期的現實意義，肯定裝配式建筑設計成果數據交付的應用價值。

1.現狀分析

現階段，絕大多數預制構件工廠的工作模式都是依據設計院交付的計算機輔助設計（Computer Aided Design，以下簡稱“CAD”）二維圖紙通過人工解析的方式將數據信息手動輸入到設備中完成生產，如此一來，在費時、費力、費財的同時，預制構件的生產質量也得不到保證。在面對圖紙修改或有時間緊迫的生產任務時，難免會出現影響生產節拍，耽誤生產進度等一系列問題，無疑增加了項目成本，無法體現裝配式建筑的優勢[3]。總結為三方面原因：一是設計與生產數據交互性差；二是現有BIM 模型建模標準不統一且模型精度要求不高；三是自動化生產受限于裝配式建筑設計。針對以上問題進行研究分析，從上游產業設計端提出具體解決方案。

2.實施方案

將裝配式建筑設計成果從傳統的二維圖紙交付轉為數據交付。首先制定裝配式建筑設計成果數據交付原則，在設計之初便將預制構件標準化設計和后續自動化生產考慮在內，優化設計流程、提高設計標準、提升設計質量，制定BIM 建模要求，保證交付數據的準確性，明確裝配式建筑設計成果數據包交付內容；同時編制《裝配式預制構件設計—生產數據交互標準》，規范數據傳輸及轉換的標準格式；最后搭建通用數據處理平臺，實現從BIM 模型中提取數據、傳輸數據、以及用以滿足生產加工及后續施工全階段的數據類型一站式平臺轉換。如此，信息傳遞不再依賴二維圖紙，而是以數據包的格式將設計信息提供給裝配式建筑預制構件工廠作為生產加工的直接數據來源，實現裝配式建筑設計成果數據交付。

2.1 制定裝配式建筑設計成果數據交付原則

2.1.1 構建預制構件標準化拆分構件庫

裝配式建筑標準化設計是建筑工業化的核心，是實現工業化生產的前提[4]，將復雜的構件標準化，標準的構件參數化，無疑是實現工業化生產的必由之路。以疊合板標準化拆分為例：通過固定邊界條件，控制板寬、鋼筋排布間距、桁架筋排布間距，應用枚舉法計算得出較為經濟的板寬，根據相關標準規范整理形成整體方案，從而構建預制構件標準化構件庫。

2.1.2 優化裝配式建筑設計流程

從二維圖紙轉變為數據交付，無疑對裝配式建筑設計提出了更高的要求，而設計要求的提高也必將促使設計流程進行革新。需要在裝配式構件設計初始階段就提前為構件自動化生產做考慮，要求選用標準化拆分構件庫中的預制構件進行標準化拆分，標準化率不低于85%，其余非標構件體量也應大小合適，以滿足工廠生產要求。同時，需要對鋼筋、線盒以及其他預埋件相互之間做碰撞檢測，并根據結果修正一切碰撞[5]。如圖1 所示。分清主次關系，修正后的位置，需反提各方復核。

圖1 線盒與鋼筋碰撞修正前后對比

2.1.3 設立BIM 建模要求

創建裝配式建筑預制構件BIM 模型需要達到螺栓級別要求，在保證精細化建模的基礎上，按要求設置對應參數信息，保證預制構件參數信息的完整性也是裝配式建筑設計的基本原則之一[6]。裝配式建筑設計成果數據交付，主要數據來源就是BIM 模型，其重要程度不言而喻，為了能更精確的提取數據信息，要求BIM 模型中預制構件的所有組成部分模型創建和屬性信息的準確度為100%，同時形成BIM 構件標準庫，方便建模過程中統一選取使用。

2.1.4 明確裝配式建筑設計成果數據包交付內容

按目前裝配式預制構件工廠數據需求，裝配式建筑設計成果數據交付需包含：

（1）預制混凝土可擴展標記語言(Precast Concrete Extensible Markup Language，以下簡稱“PCXML”)數據包，用以記錄預制構件設計生產信息以及作為對其他數據格式進行數據轉換的初始數據。

（2）物料清單（Bill of Material，以下簡稱“BOM”），囊括預制構件中的所有物料信息，為企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，以下簡稱“ERP”）系統提供基礎數據支持。

（3）生產執行系統（Manufacturing Execution System，以下簡稱“MES”）數據表，對接MES 系統，提供生產所需全部數據。

（4）CAD 繪圖交換文件（Drawing Interchange Format或 Drawing Exchange Format，以下簡稱“DXF”）鋼筋數據文件，直傳鋼筋數控加工設備，實現鋼筋自動化生產。

同時，也將視項目需求，提供CAD 二維圖紙，以滿足送審需要。

2.2 編制《裝配式預制構件設計—生產數據交互標準》

2.2.1 確定PCXML 為標準數據格式

經過對可擴展標記語言(Extensible Markup Language 以下簡稱“XML”)、HTML 與Access、Oracle 和SQL Sever等數據庫的對比得出：XML 的宗旨是傳輸數據，極其簡單;與其同屬標準通用標記語言的HTML 則主要用于顯示數據；數據庫則是提供了更強有力的數據儲存和分析能力。在對比的過程中，發現XML 與其他數據表現形式最大的不同是：它極其簡單，易于理解，并且通過XML 格式定義的輕量化協議也更加便捷[7]。

由此確定PCXML 為標準數據格式，以XML 數據格式為基礎，繼承XML 標準文檔相關規范。

2.2.2 PCXML 數據類型約定

PCXML 標準數據格式，主要用于裝配式建筑設計與生產的數據信息記錄、傳輸與轉換。為規范PCXML 數據格式，避免不必要的問題和復雜情況，我們約定：PCXML 文檔應使用UTF-8 格式編碼，數據類型目前僅支持字符串（String）、單字符（Char）、雙浮點數（Dobule）、整型（Int）、布爾類型（Bool），對于部分缺省的標簽，會指定默認值，根據不同數據類型，將指定默認值如表1 所示。

表1 PCXML數據類型約定

2.2.3 獨創標準標簽和擴展標簽

標準標簽，用于表達固定的節點定義，為主要描述對象，在后續相關軟件系統開發過程中，可在標準標簽中添加裝配式建筑的設計與生產信息。擴展標簽，用于表達軟件或設備廠商自定義的非標準標簽的節點定義，任何軟件、設備廠商都可以根據需要，使用擴展標簽去定義或增加任何類型的專有內部標簽。在添加的擴展標簽前應加上前綴“EX_”；這將有助于避免與標準標簽的名稱沖突。標準標簽與擴展標簽僅用于表達固定的節點定義，無實際意義，如表2 所示，使用時以對應的描述說明為準。

表2 標準標簽與擴展標簽示例

2.2.4 PCXML 數據格式記錄的數據信息

以預制疊合板信息的節點為例，如圖2 所示。

圖2 疊合板節點記錄PCXML數據示例

描述預制疊合板數據信息同時應滿足下列要求：

（1）板的編號數據應記錄于板編號節點。

（2）板的類型數據應記錄于板類型節點。

（3）板的數量數據應記錄于板數量節點。

（4）板的質量數據應記錄于質量信息節點。

（5）板的體積數據應記錄于體積信息節點。

（6）板的輪廓數據應記錄于輪廓信息節點。

（7）板包含的部品數據應記錄于部品信息節點。

（8）板中鋼筋數據應記錄于鋼筋信息節點。

（9）板生產所需模具數據應記錄于模具信息節點。

（10）板的其他生產加工及運輸數據應記錄于生產加工及運輸信息節點。

（11）板的變更數據應記錄于變更信息節點。

（12）板的擴展信息應記錄于擴展信息節點。

在保證對預制疊合板信息完整描述的同時，也需要盡可能的簡便，當單一數據不足以準確描述某一分支節點時，例如鋼筋信息、模具信息等，則需要繼續向下分支，進行描述。

2.2.5 設計數據與生產數據實現數據交互

PCXML 數據格式文件，根據數據來源可將信息節點分為兩大類，即設計信息與生產加工相關信息，在項目進程中，設計端與生產端可隨時在標準標簽中添加裝配式建筑的設計與生產信息，為了確保數據傳輸應用的準確性，規定生產端可以讀取設計的數據信息使用但不能對其更改，設計端也是如此。這樣在數據讀取時僅提取所需數據即可。由于數據傳遞沒有方向的限制，使得數據不僅可以從設計端傳遞到生產端，也可以反向傳遞，由此實現設計-生產的數據交互，如圖3 所示。

圖3 設計數據與生產數據實現數據交互

以預制疊合板構件為例，生產軟件可以通過讀取PCXML 數據文件中的設計信息，得到疊合板的構件編號、長度、寬度、混凝土等級、構件類型以及疊合板的輪廓定位、鋼筋、埋件等設計信息如圖4 所示，進而實現對疊合板的加工生產。對于這些設計信息，在生產軟件中僅能讀取而不能編輯，但生產軟件可以將疊合板的生產數據、生產結果等系列相關數據寫入PCXML 數據文件中，和設計數據一同留存，供各方核對、查驗。

圖4 生產軟件讀取PCXML中的設計數據

實現設計數據與生產數據交互，在一定程度上降低了設計人員與生產人員的溝通成本，同時也有利于設計人員在有限范圍內收集生產數據信息，用以對設計在多方面的優化。

2.2.6 《裝配式預制構件設計—生產數據交互標準》發布實施

由上海中森建筑與工程設計顧問有限公司起草的《裝配式預制構件設計—生產數據交互標準》已于2022 年10 月20 日發布，于2022 年11 月5 日正式實施[8]，標準編號為T/CBMCA034-2022。該標準適用于建筑行業設計與生產環節的鋼筋混凝土預制構件數據互通，指導規范設計和生產過程，主要技術內容為預制構件信息的收集、整理、分析及編碼，從典型鋼筋混凝土預制構件開始逐步豐富，其他構件或行業領域均可參考本標準數據格式，在此基礎上對其特有的數據信息加以擴充使用。

《裝配式預制構件設計—生產數據交互標準》的制定旨在打通設計環節與構件生產環節間的信息交互，遵循已有的設計生產接口標準，細化約定構件的數據標準，滿足新時代智能制造發展的信息化需求。通過建立標準PCXML 數據格式，實現深化設計與構件加工設備間的數據化直接傳遞的信息溝通方式，以統一的數據交互格式，提高構件深化設計與構件加工設備間以及工廠MES 管理系統間的信息利用效率。

數據標準的發布實施填補了在建材與家居行業專業標準領域此類標準的空白，為裝配式建筑設計的數據交互與數據交付提供標準支持，引導設計——生產各階段對數據存儲與交互的規范作用，推動裝配式全產業鏈向智能制造方向發展。

2.3 搭建通用數據處理平臺

PCXML 數據處理平臺將集成PCXML 數據提取、存儲、轉換等功能，以項目為單位，實現分人員、分功能、分數據、分等級管理。設計人員登錄平臺將BIM 信息提取為PCXML數據上傳儲存，工廠技術人員登錄平臺按需下載即可，操作簡單，使用方便。開發人員也僅需根據需求模板文件做一次數據匹配即可滿足不同工廠之間的差異化數據需求。目前，工廠中最為常見的數控全自動柔性焊網機所需的DXF 圖紙、控制智能化生產線的MES、BOM 清單、ERP 管理系統所需的表格文件等均已實現數據差異化導出。同時，平臺也將開放開發接口，各設計院、預制構件生產廠家，也可以根據各自需求，開發PCXML 數據提取或轉換軟件對接平臺，實現數據的互聯互通。

3.應用成果

裝配式建筑設計成果以數據交付的方式取代對工廠傳統二維圖紙的交付，可以實現設計數據快速、準確、有效的傳遞，如圖5 所示。對工廠實現生產可視化，過程規范化，問題可追溯，管理精益化奠定了良好的信息基礎。

圖5 PCXML數據平臺數據轉換流程圖

3.1 ERP、MES、BOM

ERP、MES 和BOM 目前都是以Excel 數據文件的形式進行傳輸，工廠技術人員可從數據平臺下載文件直接導入到對應軟件中使用，省去了之前依照二維圖紙進行人工解析、計算和匯總的過程，在減輕人工壓力、降低人工成本的同時也保證數據的準確性。

3.2 全自動鋼筋網片柔性焊接生產線

目前預制構件工廠中常見的全自動鋼筋網片柔性焊接生產線是裝配式預制構件制品的專用設備，能有效提高30%生產效率，顯著提升生產的綜合效能[9]。在交付的設計成果數據包中，包含生產鋼筋網片的所有數據信息，即能夠被全自動鋼筋網片柔性焊接生產線所識別的DXF 文件，批量導入設備即可實現快速生產。

3.3 智能化構件生產模臺實現機器代人

裝配式建筑智能化構件生產模臺如圖6 所示，建立以機器人為裝配中心的多工位集成工作站的形式，按裝配式預制構件生產工廠生產線實際場景5 ∶1 縮尺建造。通過PCXML 數據驅動智能化機械手臂實現將原有裝配式建筑預制構件生產模臺的智能化改造，展示裝配式建筑預制構件生產：布模、布筋、安裝預埋件的機器化組裝過程。驗證了PCXML 數據驅動機器人設備進行自動化裝配的可行性，為建筑業以機器代人、減少人工的智能建造升級夯實了數據基礎。

圖6 裝配式建筑智能化構件生產模臺

4.結語

通過對裝配式建筑設計與工廠生產之間存在數據壁壘現況的研究，提出以裝配式建筑設計成果數據交付的方式，解決預制構件設計生產與建造數據互聯互通的問題。設計信息的通用數據格式轉換以及數據驅動設備，在工廠模具自動擺放、鋼筋網片機自動加工、混凝土自動澆筑、隱蔽檢測和成品檢測等工序均取得階段性的成果。從數字化設計到數字化產品交付，全過程通用數據將逐步完善，應用到項目建設全過程中，讓全過程機器代人的智能建造成為可能。以此為契機，進一步健全數據交付的規范和標準，建立完善的數據交付流程和管理機制，讓設計數據能更快更好的應用到高智能化水平的制造、建造相關設備中，助推行業數字化發展，真正實現 “像造汽車一樣去建房子[10]”。