SI体系装配式住宅建造过程的4D仿真研究

文｜大连理工大学 任江麾

1 引言

随着我国现代化进程的推进，建筑业也在向着现代化的方向转型，但是，高能耗、低效率严重制约了我国建筑业的发展。造成这一问题的原因有很多：第一，建筑业属于“流动性”的产业，施工地点不断变化，不像汽车制造业，可以在工厂加工为成品，再销售至全球各地。由于施工地点的不确定性，易造成材料运输费用、人员流动成本的增加，同时也降低了施工效率。第二，建筑工程项目参与方众多，管理结构混乱，不仅阻碍了信息的交流与共享，而且发生返工现象。第三，住户对购房装修不满意，往往进行二次装修，不仅会造成浪费，还有可能对建筑主体结构造成破坏，降低建筑物使用寿命。

近年来，BIM技术在建筑工程领域的广泛应用，为建设单位、施工单位、设计单位、监理单位、住户等多方单位的协调与信息沟通提供了可能。本文基于SI体系住宅，对装配式住宅的建造过程进行4D仿真研究。运用Revit构建建筑主体的三维模型，方便设计单位与施工单位进行信息的交流与共享，同时也为建设单位与监理单位参与建筑工程项目提供了便利。运用Navisworks进行4D仿真，控制施工进度，模拟施工状态，可以及时进行施工进度修正与施工方案改进。基于三维模型进行室内装修，用漫游的方式呈现给消费者，根据消费者的要求对装修方案进行合理改进，为消费者参与到建筑工程项目提供可能，可有效减少二次装修带来的浪费，延长建筑物使用寿命。

2 SI住宅体系

SI住宅，即“Skeleton-Infill”住宅，是指将住宅分为支撑体部分和填充体部分。S部分，即支撑体部分主要包括柱、梁、楼板、剪力墙等承重结构，以及共用生活管线、设备等。S部分不可变，为建筑主体结构，住户不能随意拆除改建。I部分，即填充体部分主要包括内部分隔墙、外部非承重墙、门、窗、厨卫设施、私用管线、室内装修、家具、电器等。I部分具有灵活可变性，可以根据住户的要求就行拆除改建。

SI住宅体系源于Harbraken提出的骨架支撑体理论（SAR理论）与开放建筑理论（OB理论），在欧美取得了很快地发展，日本也很快推广并形成了较为完善的SI体系，现在SI体系住宅已经成为普遍采用的住宅结构。住房和城乡建设部提出了发展绿色建筑的理念，面对我国建筑普遍存在寿命短、能耗大、二次装修浪费等问题，SI住宅体系为此类问题的解决带来了希望。SI体系住宅要实现百年寿命的优质住宅，关键在S部分，需要提高其耐久性与质量。本文采用的方法是将主要的支撑体结构在工厂预制，再运到施工现场，在各构件连接的部位采用现浇的方法，这样既能保证施工质量，又能大大提高施工速度，提高施工效率。

3 工程实例分析

3.1 项目概况

某房地产开发项目，总建筑面积218957m2，其中：住宅面积：164179 m2，公建面积：38231 m2，半地下车库面积：307 m2，地下车库面积：16240 m2；该项目由A、B、C、D四个区域组成，本文以A区1号楼的地上建筑主体部分为例，进行SI体系装配式住宅建造过程的4D仿真研究。图1为本案例工程，室内地坪标高为±0.00m，室外地坪标高为-0.30m，1-17层是层高为3.00m的住宅标准层，18层是层高为2.4m的设备层；涉及软件主要有：Revit、Microsoft Project以及Navisworks Manage等。

3.2 三维模型

3.2.1 标高和轴网

创建三维模型最基本的就是需要有准确的定位信息，依据平面图纸和立面图纸的信息在项目文件中绘制轴网和标高，有精确地标高和轴网作为参考系，才能确保后续构件定位的准确性。

3.2.2 项目族文件的创建

本项目族文件主要包括：柱、梁、钢筋、门、窗、栏杆、地砖、天花板、厨卫设施（梳妆台、马桶、浴缸等）、照明设施（吸顶灯、台灯、壁灯等）、家具（沙发、茶几、书桌等）、家电（冰箱、洗衣机、空调等）、管线（给排水、暖通空调、电器等专业管线）等。

3.2.3 支撑体部分预制构件的创建

本项目支撑体部分的预制构件主要包括预制柱、预制梁、预制楼板。将柱、梁、钢筋的族文件，载入项目文件，并完成预制柱与预制梁的创建；在项目中创建楼板，并在楼板中绘制分布钢筋，形成所需预制楼板；将项目中创建的预制柱、预制梁、预制楼板创建为组，方便后期三维模型的绘制与4D仿真。

3.2.4 填充体部分预制构件的创建

本项目填充体部分的预制构件主要包括含保温层的外墙、内墙、门、窗、预制楼梯、预制阳台。依据标高和轴网创建相应尺寸外墙、内墙、楼梯、阳台，在不同构件的预连接处绘制分布钢筋，并将其创建为组。将门、窗以及厨卫设施等族文件导入项目文件，将与门、窗以及厨卫设施相连接墙体一同创建为部件，方便后期4D仿真。

3.2.5 建筑物主体三维模型的创建过程

（1）确定预制柱的位置，并放置预制柱。（2）沿轴网放置对应的外墙、内墙。（3）沿墙体放置对应的预制梁。（4）在预制梁、预制柱、墙体连接部位绘制现浇混凝土块。（5）在预制梁上放置预制楼板。（6）绘制预制楼板与其他构件连接部分的混凝土块。（7）绘制室内管线设施，包括：给排水专业管线、暖通空调专业管线、电气专业管线。（8）绘制室内装修，包括：墙面、地面、顶面、厨卫设施、家具、饰品等。（9）依次前工序逐层进行三维建模。

3.3 Project编制施工进度计划表

Microsoft Project软件的主要功能是进度计划的编制，此外还具备劳动力、材料、设备等资源配置以及成本控制功能，方便项目参与各方更好的控制项目进度与管理项目。通过Project实现工程项目进度的管理与控制，能够缩短项目工期，合理优化项目资源，提高经济效益。如图2所示，依据施工顺序进行进度计划表编制，将每一个构件都编制在内，以便后期仿真动画的制作。

图1 三维模型

3.4 4D仿真

完成Revit三维建模和Project进度计划编制后，需要将三维模型和进度计划表导入Navisworks进行处理。如图3所示，Revit建立的三维模型为.rvt格式，需要导出为Navisworks可以打开的.nwc格式，Navisworks中打开三维模型后，在TimeLiner选项下选取数据源为Project软件的.mmp格式的文件；对三维模型构件与对应进度计划表中的内容进行逐一匹配，也可以利用规则自动附着功能进行自动匹配；进行模拟设置，对动画的播放时间、时间间隔大小、动画播放的视点等参数的设置。在Navisworks中可以返回Revit软件对三维模型进行修改，也可以直接在Revit中进行模型修改，利用刷新功能可以同步到Navisworks；Project可直接对进度计划表进行修改，在Navisworks中利用刷新功能可以将project中的修改应用到项目文件中，且不会影响已经相互匹配的计划与模型，方便对施工进度进行管理。

3.5 漫游

图2 施工进度计划表

Navisworks含有丰富的材质库，可以对三维模型的材质进行二次修改，可以更加真实地模拟建设项目。Navisworks可以通过录制或者通过保存视点来制作漫游，本文以保存视点的方式介绍漫游动画的制作。如图4所示，在视点窗口下添加动画，打开漫游，启用第三人，利用平移功能，将第三人放置漫游起点处，启用碰撞、重力功能，点击保存视点；通过鼠标移动第三人，放置在动画视角移动的转折点，保存视点；对每个视点进行编辑，动画集进行时间设置，便完成了漫游的制作。通过Animator窗口，添加场景动画，如自动开关门动画，将其添加到脚本动画，就可以实现漫游播放的过程中，自动开关门，使漫游过程更加真实化。

4 总结

本文通过对SI体系装配式住宅的建造过程的4D仿真，让住宅建造过程生动化、形象化，实现了科学化的装配式建筑工程施工进度计划的安排，使建设单位、施工单位、设计单位以及监理单位更好地进行信息交流与项目管理。针对住宅室内装修制作漫游动画，方便住户参与到住宅的装修过程中，满足每个住户的需求，提高住户居住质量，有效减少居民私自拆迁房屋，对房屋主体结构造成破坏，进而提高住宅的使用寿命。

图3 4D仿真

图4 漫游