装配式建筑构件自动化设计及生产优势分析

周巧婷

(上海电子信息职业技术学院 通信与信息工程学院， 上海 201411)

0 引言

推进建筑工业化、住宅建筑产业化，是保证建筑业可持续发展的重要途径[1]。2013年1月1日，发改委和建设部颁布的《绿色建筑行动方案》，明确提出“住房城乡建设等部门要不断完善我国的建筑工业化设计体系，尽快建立设计、生产、施工等相应的标准体系，推广适合工业化生产的预制装配式混凝土、钢结构等建筑体系，不断提高建筑工业化技术集成水平”[2]。2016年2月，国务院颁布了《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，提出要大力发展装配式建筑，实现建筑建造的新型发展，力争10年之后装配式建筑占新建建筑的比例达到30%[4]。2017年3月23日，住房城乡建设部印发了《“十三五”装配式建筑行动方案》明确提出了今后重点任务和发展要求和发展目标，到2020年，装配式建筑占比达到15%以上；10年左右时间，装配式建筑占比达到30%[5]。未来数年后，装配式建筑将成为我国建筑业主流方向。

尽管装配式建筑将逐步成为未来重要的建造方式，但目前构件深化设计环节投入大费时多，构件生产环节自动化程度低，人工投入大，生产速度慢、成本高。市场难以形成装配式建筑设计、加工和施工一体化是该领域亟待解决的突出问题。对引发上述现象的原因分析如下：

目前基于BIM技术的三维设计软件成熟度低，不仅难以应对建筑设计需要反复修改的特性，而且在钢筋的准确表达、参数化和国内设计规范的对应算法方面难以满足实际工程的需求。

另外，构件模型可以用于生产的前提是模型本身必须是高精度全信息。而国内三维BIM设计过程是三维模型导出二维图纸，由于软件成熟度低，必须补充修改二维图纸后提交给构件厂“按图加工”。而一旦“补充修改二维图纸”就意味着三维模型不再准确，做不到模型全信息，也就难以直接用于构件生产。

基于以上问题，在分析国内外软件和现有主流构件加工设备的基础上，提出在设计过程中实现构件全信息模型的方法，及其在实际工程中的应用和优势分析。

1 国内外软件优缺点分析

目前国内大多设计院使用的装配式建筑主流设计软件有Revit、Tekla Structure和Allplan Precast 3种。

1.1 Revit

Revit和Revit Structure软件具有强大的建筑出图能力，是由Autodesk公司研发，受到了结构工程师和建筑师的一致好评。该软件在应用过程中采用参数驱动模型实现对建筑及结构进行更精确的可视化；通过“一处修改，处处更新”的理念，减少了项目设计变更中的失误，提高效率。Revit是当前建筑业应用最为广泛、评价最好的软件之一，可以实现工作协同共享、构件参数化、三维可视化等特点[3]。

Revit软件中“族”功能非常强大，并且种类多，包括内建族、系统族和可载入族，设计者可以根据需求进行选择应用。应用过程中首先需要选定相应的族样板文件.rft，然后设置PC构件相关参数即形成可利用的PC构件族库，提高预制装配结构设计效率[4]。

但在预制装配式建筑结构设计中，Revit Structure虽然功能较全，建模较好，但本身不具备结构分析及设计能力，在结构深化设计方面的专业性不够；同时该软件绘制或修改钢筋实体及详图的便利性不足，将耗费设计师大量的时间与精力[5]，也不能够很好地进行细部表达。

1.2 Allplan

Allplan软件由奥地利的内梅切克工程有限公司(Nemetschek Engineeering GmbH) 开发，是一款基于三维设计的BIM 类软件，在欧洲有比较广泛的应用[10]。

Allplan 应用时可以通过一键出图功能快速生成图纸，根据构件的特点完成各种出图布局(包括各种图签、统计表、大样图、标遂、尺寸标注、剖面、立面等)定义，然后套用合适的出图布局即可一键生成深化图；还可以通过MEP 模型自动生成水电预埋工作，降低了手绘工作量，因此应用该软件可以显著提高设计效率，缩短设计周期。同时Allplan也是为预制件厂量身定制的设计软件，可以直接提取构件生产所需要的关键数据，生成的图纸和数据可以导出为DWG、IFC、Unitechnik数据、ERP软件可处理的数据等。

当然，Allplan作为一种专业的预制构件专业设计软件，除了上述优点之外，也存在很多不足，如这是一种国外的软件，我国本土化应用过程中需要进行定制开发，并且价格高，操作不够便捷。

1.3 Tekla Structure

Tekla软件还被称之为Xsteel，是芬兰Tekla公司开发的，最初该软件的主要功能是钢结构详图设计。随着预制混凝土技术的发展和应用，该软件的功能也不断完善，加入了“预制混凝土深化”模块，用钢结构深化设计的思路来进行预制混凝土构件的深化设计。

由于预制混凝土构件建模过程中需要处理大量的钢筋细节，因此设计效率低，而采用Tekla Structures建模可以提高设计效率，准确细致，速度快，通过出图模板设置可以快速导出三维模型，清楚的表达出构件的构造[7]。Tekla Structures 还可精确统计模型的工程量(包括混凝土、钢筋)，输出不同形式的工作量统计报表[8]。依赖钢结构深化设计与构件生产对接的多年研究经验，Tekla从设计向下游传递的数据接口更为丰富。

在实际的使用过程中，Tekla软件中图纸材料表中的钢筋形状、参数识别及显示方式还达不到国内实际使用要求。自动生成的预制构件深化图纸与国内的表达方式有差别，不能直接采用，需要在后期进行修改。另外，Tekla Structures中自带的参数化节点不能实现住宅楼的深化设计，需要独立进行构建的配筋，进行人工修改，工作量非常大。因此，为了克服这些问题和提高工作效率，需要二次开发Tekla，除了一些现浇构件外，形成参数化的标准预制构件，实现参数化建模可以显著提高工作效率。

2 装配式住宅构件的自动化设计

本文基于上述行业痛点结合1.2节所述工程实际现状，提出了如下自动化设计全信息高精度装配式构件及构建装配式建筑的技术路线。

在装配式建筑中，构件主要的分类有预制叠合板、剪力内墙、剪力外墙(带门窗洞)、楼梯、阳台及空调板、梁、柱六大类。

以预制剪力外墙为例，设计了构件参数化模板信息、配筋信息和预埋件及线槽信息的统一输入界面。

填出相关参数后在BIM软件中即刻自动化生成高精度全信息生产用BIM模型，如图1所示。

按这种方式生成或修改全信息生产用BIM模型将极大地方便构件的设计过程，节约深化设计时间。

3 程序编制框架

为了程序自动化生成装配式构件的BIM模型，在针对前述预制构件分类的基础上如图2所示。

图2 程序实现预制构件分类

需要对每一类构件进行自身属性的定义，即参数化定义，必要时还需对构件分类进行再细分。另外，为了适应建筑上的模块化及图集的标准化，同时也为了在加工时节约模具成本，需要对预制构件的参数值进行模数化归并。

对程序代码进行框架构思和模块化分析，设计友好的用户交互界面，便于用户理解和设置参数。根据代码结构框架，进行模块化代码编写。每完成一个模块就进行独立测试，保证在较小范围内及时发现逻辑错误和程序bug。当所有模块测试通过后，就可以将模块代码和界面整合完成程序。

在面向对象编程中，每一个PC构件的类都是由其对应的属性及方法组成，属性即是构件参数，方法即是逻辑规则。我们将预制构件的参数属性及建模方法封装成一个类，这个类主要包含三大参数实体类：

模板参数实体类、钢筋参数实体类和预埋件参数实体类；以及其对应的建模方法，建模的方法也分为三个部分：混凝土部分、钢筋部分、预埋件部分。

创建混凝土部分的方法有：生成柱、墙、梁、板等，以及混凝土的切割生成如窗洞、键槽等。PC构件的主要特点是内部钢筋、预埋件分布的合理性，针对不同种类的PC构件，将钢筋和预埋件在构件中按其功能划分到不同的区域中，这样钢筋和预埋件可以分区域创建，使其内部不会发生碰撞。对于外部连接部分，由于钢筋密集，一旦发生钢筋碰撞，不仅给施工造成很大麻烦，而且会造成很大的工程浪费。为了避免此类钢筋碰撞，主要从两方面解决：一方面在建模前就要预测出必然发生碰撞的地方，通过不同的方法在建模时采用不同规则进行避免；另一方面就是通过Tekla Structures 自带碰撞校核管理器来检查钢筋，根据管理器对话框所列出的碰撞位置进行检查并手动修改。钢筋创建的时候需要将工作平面转换到构件的局部坐标系中，这样可以节省坐标转换计算的代码。程序自动建模和手工建模的顺序基本一致，要注意的是有些种类钢筋的位置需要依赖于另一部分钢筋，比如拉筋，这时就要先创建被依赖的钢筋并返回其坐标用于依赖钢筋的创建。钢筋创建时的排布、弯折、避让等具有一定的规则。相比第2节介绍的国外BIM建模软件，该程序的优点在于编程采用的钢筋规则符合现行国内混凝土结构构造手册、混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图图集和装配式结构的规程、图集的要求。

另外，有一些非同类预制构件计算时通用的计算方法，比如钢筋位置、锚固长度的计算，一般写在静态类中方便其他类调用。静态类主要用于存放不受实例数据影响的数据和函数，其常见的用途就是创建一个包含一组数学方法和值的数学库。

通过上述方法，可以通过参数化界面非常快捷地生成各类预制装配式构件模型，详如图3(a～f)所示。

通过预制构件的参数化、模数化建立起适应各类装配式结构体系的图集或BIM模型构件库，在建模时可通过图集中快速选择或直接调取构件库里的构件来进行快速建模，而且在使用过程中也可以通过不断增加构件数量、种类和规格，逐步完善标准化预制构件库。

(a) 预制叠合板模型

(b) 预制楼梯模型

(c) 预制阳台模型

(d) 预制剪力墙外墙模型

(e) 预制剪力墙内墙模型

(f) 预制梁模型

4 楼拼装及设计优势分析

PC构件作为房子的“零部件”，要想把构件有机的拼装起来，需要记录每个构件的位置和方向。通过PC构件的定位点(起始点)和方向参数最终实现标准层预拼装和全楼模型的自动化建模，这样也就保证了构件在发送至工厂加工前，尺寸的准确性，并消除在施工过程中不可接受的安装误差，图4是在三维软件中进行房屋的单层虚拟拼装，图5是全楼组合预拼装。

图4 三维虚拟现实标准层预拼装

经过实践统计，如果手动配筋，所有墙板修改完成最快也需要 2 个人 1 周的时间，而通过参数化的方式，住宅楼整体结构模型搭建起来也只需要 1 个人 2天的时间。

5 国内外加工生产线工艺设备及自动化优势

装配式建筑未来的发展是工厂逐步采用图4所示的高精度全信息生产用BIM模型进行自动化生产装配式构件，以达到降低人工投入，提高生产效率的目的。现对目前装配式构件核心生产设备及其特点简介如下。

图5 三维虚拟现实标全楼预拼装

5.1 钢筋网焊接生产线

装配式构件生产需要大量采用钢筋网，其加工和焊接非常消耗人工。因此构件厂需要引入合适的钢筋网自动焊接生产线。目前国内常用数控钢筋网焊接生产线来自天津建科，以最为常用的GWC(Z)3300型为例，可以生产最大宽度3.3米的钢筋网(钢筋直径5～12 mm)，纵筋间距最小100 mm(以50 mm递增)，横筋间距最小50 mm。其纵筋及横筋全部采用盘条钢筋自动上料方式，整个操作仅需要一名人员。目前国内部分装配构件厂开始引入国外较为先进的成套设备，以EBAWE的M-System Evolution网焊机为例，它提供的钢筋直径范围在4 - 20 mm之间，其先进性是可以弯折，以及可接收BIM软件提供的加工数据。

5.2 自动化钢筋弯箍机

除了钢筋网网片加工外，构件厂箍筋用量也非常巨大，目前国内典型常用自动化钢筋弯箍机也来自天津建科，以最为常用的WG12F型为例，可满足双线加工10 mm及单线加工12 mm箍筋的要求。整个板筋或双钩筋实现一次性从调直、弯曲及切断自动成型，提高工作效率，降低工人劳动强度，实现一机多用，确保成型精度。目前国外的设备更加先进些，以EBAWE的EBA S全自动钢筋折弯机为例，它不仅能实现国内设备的全部功能，还可以实现箍筋的3D弯折，以及更加便利地接收BIM软件提供的加工数据。

5.3 边模机械手

国内首个装配式领域拆/布模机器人由三一集团在2018年1月完成研发并投产，可实现电脑一键拆模、一键布模，极大地提高了作业效率及产品品质，降低了作业人数及劳动强度，在PC行业装备的智能化方面迈出了一大步。

5.4 混凝土自动浇筑机

混凝土布料机可以直接从混凝土搅拌站进料，或者由鱼雷斗运料机把混凝土从搅拌站运送到布料机中。其可以根据构件的形状和厚度，均匀地把混凝土浇注在底模托盘上。混凝土布料的过程可以手动控制也可以自动控制。以国外EBAWE产的混凝土布料机为例，其先进性在于可从 ebos? 中央控制系统中获得混凝土浇注所需要的数据，提高浇筑过程的自动化水平。

5.5 构件自动化生产的时间及成本优势

将高精度全信息BIM模型(图3)提供给装配式构件厂，装配式构件厂采用自动化流水线进行24小时自动化生产，将大大缩短生产时间，节约人工人本。对比研究数据发现，自动化流水线生产效率比传统高出几倍之多，而人员方面的配置却比传统少了很多。极大地提高了生产效益。节约投入成本。

6 总结

本文指出了目前国内装配式建筑设计难以在真实的生产过程中快速实现高精度全信息生产用BIM模型是制约快速设计及装配式构件自动化生产的瓶颈。

分析了国内外装配式建筑设计软件的优缺点，给出了实现高精度全信息生产用BIM模型的参数化界面及软件编制方法，生成的构件模型在实际工程中应用，验证了其自动化设计的时间优势。

介绍了目前国内装配式构件生产线及相关设备，对自动化设备的现状进行了分析，论证了本文所述的高精度全信息生产用BIM模型对接自动化生产线带来的生产成本和效率的优势。