基于BIM技术的工业化预制装配虚拟实验教学平台的构建

蒋博雅

(南京工业大学 建筑学院， 南京 211816)

0 引 言

随着信息技术的发展，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术及虚拟模拟建造技术广泛应用于工业化装配过程。2013年教育部正式启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，通过建设具有示范引领的虚拟仿真实验教学中心，推进实验教学信息化建设。将信息化技术与实验室虚拟仿真平台结合可以有效促进工业化建筑方向、工程管理学科之间的相互交叉和相互渗透，同时实验室虚拟建设恰好为预制装配这一新型建造方式提供一个很好的信息化共享平台。

建筑学是一门综合性学科，涉及理、工、文、艺诸领域，且正行走在更宽泛的交叉学科的道路上，实验教学是大学教学的重要组成部分，除了培养学生实践和创新意识之外，更重要的是让学生深入了解国际前沿的工业化建筑学科领域技术，随着近几年建筑信息化的快速发展[1-8]，与计算机、管理学以及相关专业的高度融合促进实验室向多元化虚拟教学发展[9-10]，真正让学生切身体验线上模拟与线下教学的一体化教学环境。

1 预制装配虚拟仿真平台面临的问题

1.1 试验性建造研究成本高

如建筑学、建筑设备、建筑节能等领域缺乏足够的参考案例。所以，仅靠单一的专业背景，很难完成关于启动资金、运营成本、收入的具体财务分析。对于高校而言，如果在教学和科研中不利用仿真虚拟实验，而直接进行试验性的建造研究，不但投资高，而且早期失败的风险较大。为了普及和推广虚拟建造实验的概念，并着重研究不同地区装配式建筑的潜在经济效益和能源消耗情况，学院鼓励老师开发拥有独立知识产权的专业软件。

1.2 基于工业化建造的工作目标分解结构建设的平台基本没有

传统的建设工程根据工作目标分解，将某一建筑项目分为4个层级，即单项工程、单位工程、分部工程和分项工程，并以此构建建设项目的工作分解结构(Work Breakdown Structure，WBS)体系。但是工业化住宅产品的施工方法、工艺流程、使用材料与构配件趋向单一化、标准化。一般的工程建设项目的目标解构已不能满足现代工业化发展的要求，适用于工业化发展的虚拟仿真实验平台更是缺乏[11]。

1.3 BIM技术中量算实现方法存在的问题

尽管BIM解决方案提供了强大的工程量计算功能，但这些操作都不能取代成本预算本身。预算人员在项目过程中执行的工作远不止材料量化及测量，执行的预算过程包括评估项目中可能对成本产生影响的条件，而其中一些因素是计算机无法进行判断的，只能靠人工来完成，因此，想要通过BIM工具实现全过程自动化的成本预算是比较困难的，目前人们正积极探索部分或者绝大部分实现自动化的可能[12]。

Autodesk Revit中的实例属性参数功能一直未被重视，研究人员或软件供应商一直未对它的功能作进一步的开发。Autodesk Revit中的实例属性功能有很多优势，可以根据自己的需要对相应的族自行添加所需的参数，并且对输入的是否是数字没有要求，可以自行设定编码、场地属性、进度信息等，信息覆盖面广。然而，用户缺乏合理利用此项功能并将它的功能与建造过程关联指导实际现场施工的意识，主要是由于Revit软件还无法直接导出实例属性参数并合理集成既有数据，这需要对Autodesk Revit进行2次开发才能实现。

2 工业化建筑新型学科方向下的虚拟仿真需求分析

利用Revit API研发一套专用于可移动铝合金工业化建筑模型的自动族参数统计导出插件。用Revit API实现成本预算管理的可行且高效的做法是考虑如何导出族实例参数来突破预算过程中BIM本身明细表量算(工程量计算)工具导出的数据覆盖面窄的局限，实现快速可视化、对象识别及参数提取[13]。在实例参数设置过程中考虑如何将成本预算和建造过程高度结合，从而为可建造性审查提供可靠依据，为价格优化预留出更多的时间(见图1)。

图1 族、族类型、族实例类图

3 实验教学案例

为了促进教师科研成果落地，应将科研成果转变为切实可行并能广泛应用的教学案例[14-15]。以开发的《基于Revit轻质结构工业化建筑构件BIM信息集成及数据统计软件》为例，该软件已经成功获得软件著作权，该软件的主要功能是：利用Revit API研发一套专用于可移动铝合金工业化建筑模型的自动族参数统计导出插件。技术特点：通过Revit API实现访问文档对象、进行对象过滤、族创建、模型动态更新、模型显示分析结果等功能。基于Revit API开发的插件可以扩展和增强Revit的功能和应用。

将Revit插件放在虚拟仿真平台上，可供学生分享和体验，加深对工业化装配施工技术与装配式管理概念的理解与认识，掌握该类型的设计中多方案比较和可行性分析的方法。这需要教师具备一定的计算机专业知识，通过C语言编程(详见4.2,4.3)，在页面上清楚地展示该软件网络界面，实验使用者直接通过登录网站，模拟实际工业化装配过程，根据需要将数值输入或点击，并可以自动化生成工业化装配散件清单结果，让教师的科研成果真正地转化为实验教学内容，让科研成果真正地落地(见图2)。

3.1 操作过程

(1) 实现目标。在工业化建筑项目中，设计人员不仅需要为采购、生产建筑构件的供应商提供铝合金型材的统计清单，而且还要为建造阶段的施工团队提供详细的建造指导方案(如建造流程图、建造所需的工器具、组织人员、模拟建造等)。为了最大限度地减少下游工厂制造、现场建造所消耗的工时，那么设计人员使用软件工具的功能就不能只是停留在简单输出2维平面图纸、3维透视图或是简单输出明细表这一层面，项目下游阶段还要求设计软件能够自动生成某些表格，提取用于建造流程所需的详细的过程数据。也就是说，工业化建筑项目不仅在出图层面对设计软件的要求很高，在软件辅助功能方面也有超出常规项目水平的需求。从而为工厂制造的触发点——即材料下单，人员的安排，机具的准备等提供有力的支持。

图2 工业化总体装配流程网络化模拟

目前，Autodesk Revit系列软件解决方案在明细表功能研发方面做出了尝试和努力，Revit 软件本身已经具备了半自动化程度的算量统计功能，但量算数据类型较少，并且离全自动化还有一段距离。

(2) 软件框架。整个系统按照功能分为3个模块：① 参数处理模块。针对REVIT的工业化BIM模型进行族的构件分类和自定义共享参数。② 族实例设置模块。对相应的族实例导入工业化信息平台设置的共享参数。③ 自动化数据导出及统计模块。工业化信息平台的BIM模型是由单独的散件和构件构成，对应单独的族文件，系统族将以实例的形式导出其参数，在新产品研发过程中还可直接使用工业化信息平台中已经导入的族及参数，最大化地使族类型复用，以实现工业化生产制造。

(3) Revit API架构。以上第3点提及的自动化数据导出及统计模块是需要通过Revit API来实现。Revit API是建立在Revit产品基础之上的一个类库，需要在Revit运行时才能工作。通过Revit API可以实现访问文档对象、进行对象过滤、族创建、模型动态更新、模型显示分析结果等功能。基于Revit API开发的插件可以扩展和增强Revit的功能和应用(见图3)。

图3 Revit API 架构

3.2 Revit 2次开发实现步骤

使用C#语言在Visual Studio 2010中进行Revit 2次开发，主要有两种方式：

方式1使用外部命令(External Command)，添加一个Revit功能，使用Add-in Manager或ini加载后，用户点击按钮启动执行。

方式2使用外部应用(External Application)添加ribbon菜单和工具条或者其它初始化命令，外部应用将在Revit启动或关闭时自动运行。

实现方法运用的是方法1。

3.3 实现方法

首先，在REVIT中为自定义构件族设定统一的共享参数，制定好应用标准，设定所需的过程管理参数。其次，对REVTI进行2次开发，以下是Revit 2次开发实现步骤：

(1) 打开的一个Revit文档(.rvt，.rfa，…)，通过它获取族实例文档对象，获得Revit当前活动的UIDocument。

commandData.Application.ActiveUIDocument

获得当前级别UI文档中的数据库文档

commandData.Application. ActiveUIDocument.Document

(2) 通过过滤器获取当前文档中的所有族实例。

过滤器是API中使用最广的方式，也是推荐使用的方式。

首先创建一个收集器(collector):

FilteredElementCollector collector = new Filtered-ElementCollector(RevitDoc)；

然后创建一个过滤器：

ElementClassFilterFamilyInstFitler = newElement-ClassFilter(typeof(FamilyInstance))；

接着调用收集器的WherePasses函数对元素进行过滤：

collector.WherePasses(FamilyInstFitler)；

之后可以遍历收集器，获取需要的元素：

foreach (FamilyInstancefaminst in collector)

(3) 遍历每一个族实例，获取该族实例的所有参数，将参数写入目标文件。

foreach(FamilyInstancefaminst in collector)

{

foreach (Parameter param infaminst.Parameters)

{

//获取族实例的所有参数

(4) 编辑遍历到的当前族实例文档，递归执行(2)和(3)，获取嵌套的族实例的所有参数。

(5) 生成所有族实例的参数文件。

① 导出的数据结果并进行统计分析。程序最终实现了对依照既定规则设定的轻质装配化建筑信息模型的自动化输出Microsoft Excel电子表格格式的过程数据的统计。

② 程序导入并运行。点击“the External Tools”按钮去打开Add-in Manager(Manual Mode)对话框加载程序，然后点击“运行”按钮生成结果(见图4、5)。

③ 接口导出的部分参数。BIM族实例通过接口可以全部导出，具体包含族名称、参数名称和参数值，如表1所示，图中仅选取了导出的部分族实例参数进行说明。

④ 经信息集成后得到所需的各阶段装配信息。将导出的参数排序规整后，每个阶段所需的组件及组件的组装次序一目了然，并且对应每个组件每个工序所需的材料、价格、进度时间都可以清楚地看到。如在组装次序方面，先进行1级工厂化的内围护体模块(NW1)装配，再将NW1与结构体模块(JG)和外围护体模块(WW)实现2级工厂化的装配，组装成U1，最后主体单元体(U1)与其余模块依照装配工序现场总装成建筑产品成品(见表2)。

表1 通过建筑信息模型的Revit API接口导出模型参数

⑤ 细化的1级工厂化装配阶段的结构框架统计。图6显示了3级工厂化阶段的结构框架建筑信息模型，在清楚每个阶段的组装次序及大体的组装参数后，对实例参数可以进行更加详尽的设置，通过接口可以得到更加细化每一构件的进度、材料、组织、人工费、机具统计，即更加全面和详细的5D基础数据信息。

图6 结构框架1(JG1)的1级工厂化装配

通过建造工法和过程进度统计，清楚看到构件组的安装工序，对应每个部件细化了的安装步骤和工法说明，通过单个部件起始时间和结束时间，数量的统计得出最终的总消耗时间(见表3)，便于合理安排工作，也便于工人清楚每个部件的安装顺序和安装要领，提高工作效率，降低时间成本。

表2 建筑信息模型中每一组装阶段的参数信息统计

表3 结构框架1(JG1)的建造方法说明与组装过程数据统计

4 结 语

基于计算机虚拟仿真技术构件的实验平台，在工业化装配建筑施工、BIM建筑管理课程群中，打破没有线上教学的空白，通过新增的虚拟仿真实验，增加过去无法进行的实验内容，实现传统建筑理论形象化再现，使网络化、技术化创新实验与课程设置紧密结合，相互补充，从而形成“教学—实践—创新”良性循环的层次化多结构的虚实结合的实践教学体系，保证了适应现代建筑发展的高素质新型创新人才培养的需要。

另一方面，通过虚拟仿真实验教学，加强教师对信息化技术运用的动力，培养学生对工业化装配虚拟仿真设计的常用软件，如REVIT/BIM及管理评估软件等的直观认识，通过操作这些软件提高实际工程施工技术、施工流程、辅助设计、项目管理能力。同时抽象化的特点也增强了学生的想象力，培养了他们的创新意识，增强学生对专业知识把握的信心，加强对信息化技术的应用能力。

实验中心建立目的是增强学生实践中的创新意识，在学生参与各种竞赛项目中，学生可利用工业化建筑创新实践虚拟仿真平台进行仿真分析。在分析的基础上，可增强学生在模拟工业化建筑建造、建筑信息模型、节能建筑技术等方面的探索，有力促进学生在竞赛中发挥技术强项，学生及教师获得多项国家发明专利、实用新型专利、软件著作权等，依托平台促进高质量论文的发表，促进学校间、国际间的学术交流。