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[分享]基于BIM的宜家特色外立面工厂预制加工生产方式

发表于2016-03-30    940人浏览    0人跟帖    总热度:10  

随着中国建筑产业化进程的不断推进,管道工程也更多地由现场施工转为工厂预制加工的生产方式,然而当前管道预制构件深化设计技术落后的现状制约了管道工厂化生产和施工的进一步发展和推广应用。研发了一个通用的管道预制构件智能设计系统,解决了模型可视化、递进式参数化建模以及模型信息共享等3个核心技术问题。该系统应用于2个实际工程项目,验证了所提出的方法和系统应用于管道预制构件深化设计的可行性,表明其能提高设计效率、减少材料浪费。

管道预制构件生产是指施工企业在施工现场外建立固定的标准厂房或移动式厂房,并配备预制构件生产所需的机械设备,在工厂内完成大部分预制构件的生产及检验工作,然后将预制构件送往现场各个施工区域进行安装和焊接。管道预制构件通常包括预制管段、支架及管组,预制构件的设计及生产是实现管道工厂化的2个非常重要的环节。目前管道预制构件一般采用通用的二维及三维的软件平台进行设计,如AutoCAD、Revit系列等。尽管预制构件的设计通常具有固定的模式可循,目前也已有一些定制的管道预制设计系统能实现管道的三维参数化设计,还有一些管道预制管理信息系统能一定程度上实现管道的设计和生产的集成管理。然而,考虑到中国管道工厂化预制技术还处于发展的初步阶段,采用这类通用的设计软件进行预制构件的设计存在自动化程度低、工作量大、信息难以高效应用等问题。从管道工厂化全生命期的角度考虑,现有工作模式还存在如下2个问题,1)在设计、预制加工、运输、施工各阶段存在“信息断层”及“信息孤岛”等问题;2)多参与方的协同工作机制不够完善,导致工作效率低下。

ChuckEastman提出的BDS(BuildingDescriptionSystem)概念象征着以构件对象对建筑进行研究的开始。到2002年Autodesk公司发布了建筑生命期管理和建筑信息模型白皮书后,BIM技术便逐渐引起人们的关注。简言之,BIM是以三维数字技术为基础,集成了建筑项目各种相关信息的产品信息模型,是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。

通过引入BIM技术,建立BIM模型,可以有效地解决现阶段管道工厂化过程中存在的问题。基于BIM的管道工厂化技术的核心思想是建立BIM数据中心作为各参与方协同工作的统一数据源。本文在前期研究基础上,通过获取上游设计阶段的建筑、结构及机电模型信息,提出一种基于BIM技术的管道预制构件的自动深化设计方法,包括深化设计中管道划分、支架设计和管组拼装这3个核心算法。在此基础上,设计并开发了一个面向管道预制构件的设计系统,着重讨论其3个主要技术特点:模型可视化、递进式参数化建模以及模型信息共享并将该系统应用在2个大型公共建筑项目中。

1管道预制构件的自动深化设计方法

管道预制构件主要包括预制管段、支架及管组,其深化设计需要在建筑、结构及机电模型的基础之上完成,其主要步骤和核心算法包括3个模块:管道划分、支架设计和管组拼装。基于BIM的管道预制构件设计首先需要获取上游模型的管道信息,本研究采用基于BIM的机电设备智能管理系统作为数据导入和综合管理的工具平台,将模型存储在服务器端的BIM数据库中,供管道预制构件的深化设计使用。在此基础上,本节将着重讨论实现管道辅助划分、支架半自动设计和管组智能拼装的实现方法和具体的算法细节。

1.1管道的辅助划分

预制管段的划分是指将管道按预设的加工长度进行分段,以便在预制加工厂中进行批量生产。传统的预制管段的设计主要面临2个难点:

1)不同专业不同管径的管道与管道连接件之间的间隙不一样,影响管道的下料长度,手动计算和调整的工作量太大;

2)管道划分后无法快速生成料表。针对第1个难点,本研究根据实际工程经验,预先定义了不同专业、不同管径、不同连接方式情况下,管道与配件之间的连接间隙,该值也可由用户手动修改,在此基础之上,再实现按实际下料长度自动分段的功能。
自动生成料表的主要难点在于如何获取与预制管段关联的弯头或三通等配件,以便导出关联关系供加工及安装使用。管道与配件的关联关系在原模型中通常是不存在的,本文提出一种基于几何模型空间位置定位的方法,可自动建立管道与配件的关联关系。该方法的核心是自动寻找相邻2个构件的关联平面,其关键算法如下:

Step1如果2个构件的包围盒不相交,返回空,否则进入Step2;

Step2求出2个包围盒共同的面,记为f1;若f1不为空,则仅遍历2个构件中跟f1共面的三角面片;否则分别遍历2个构件中所有的三角面片;

Step3如果构件1中的三角面片Ti跟构件2中的三角面片Tj法向量相反且相交,则返回Ti所在的平面;否则返回空。

1.2支架的半自动设计

管道工程中的支架起到固定管道的作用,除了承受来自管道的垂直荷载外,还要承受其它各方面作用于支架上的静荷载和动荷载。支架的设计首先需要根据管道的类型、空间位置等因素进行选型及定位;然后合理布置支架中横担、立柱、吊杆等构件的位置及开口方向,确定构件的型号规格;最后对支架进行力学验算,检验其是否满足承载要求。支架的选型及定位是一个具有经验性的复杂过程,传统的依靠设计人员经验知识的设计方式效率低下,难以完成大体量管道工程的设计需求。本研究通过对构件厂家能生产的构件类型、力学计算模型以及国家相关规范中的条文,提出了一种采用半自动的方式来实现支架定位和选型的方法,步骤如下:

Step1支架选型和定位根据BIM模型中的基本几何信息来选取支架类型,根据支架类型以及管道、梁及天花板位置来确定支架的生根部位;

Step2构件选型自动确定支架内横担、立柱或吊杆的空间位置及型号规格,这一步骤与管组内构件的自动布置及选型是类似的,参见1.3小节;

Step3支架力学验算通过程序接口自动调用力学计算Excel表格完成支架的受力复核验算,并在一定程度上实现选型优化。

1.3管组的智能拼装

管组是组合管道的一种新型固定构件,即将组合管道按固定的长度(一般为6~8m)分为一节,每一节采用一个框架进行固定,该框架跟其内组合管道即构成一个管组单元。施工时只需将每一个管组单元运至现场定位安装,即可一次性完成一个管廊6~8m管道的成段批量安装。这种施工方式可以大大减少现场作业人员数量,提高管道的安装效率,有效降低施工危险性。

管组的智能设计主要包括管组的自动分段以及管组外框架的自动拼装2部分。

管组的自动分段是指将整条管廊上的管道及管道配件按固定长度的管组进行分段,本研究先求取管廊的包围盒,然后按照管道的走向将包围盒自动切分为固定长度的若干段,再按段生成管组,配合用户手动调节管组节点位置的形式,可快速且准确地将整条管廊按照需求进行分段。支架及管组的自动拼装是指使用一种合理的外框架将一组管道固定,其中外框架采用不同型号的型钢制作而成,如图1所示的便是一种合理的拼装方案。管组的外框架自动拼装跟支架的自动拼装算法是类似的,两者拼装的区别在于支架最上方是没有横担的,其立柱直接伸到天花板或梁上进行固定。

图1 组合管道拼装示意图

图1组合管道拼装示意图

支架及管组自动拼装的思路是在x和y方向(组合管道剖面所在的平面坐标系)上寻找可以划分的点以形成网格,保留管道截面都在网格内的网格,依此形成的图形便是一个合理的拼装方案,算法如下:

算法

算法

算法

2基于BIM的管道预制构件设计系统

基于上述方法,本研究设计并开发了一个管道预制构件智能设计系统即基于BIM的建筑工厂化(设计、加工、仓储)管理系统,本节重点讨论其技术特点、架构设计和功能设计。

2.1BIM-FC系统的技术特点

2.1.1BIM模型的可视化

考虑到设计习惯和操作的易用性,需要从BIM模型中提取平面信息,以让用户在二维状态下进行管道预制构件的深化设计,而三维图形平台则同步表现设计结果。
BIM模型中构件实体可以分为带轴线信息的实体及不带轴线信息的实体。对于带轴线信息的实体,二维图形采用其轴线表示;对于不带轴线信息的实体,二维图形则采用其三角网格顶点的Delaunay三角剖分的外边界表示。Delaunay三角剖分的定义为:二维实数域上的有限点集V的一个三角剖分T=(V,E)是Delaunay三角剖分当且仅当T中的每个三角形的外接圆内部不包含V中的任意点。Delaunay三角剖分的外边界提取的基本步骤如下:

基本步骤

通过以上算法可以得到平面点集V的Delaunay三角剖分。图2便是平面上随机的10个点的Delaunay三角剖分,其内部三角网格的邻接三角网格有3个,外边界三角网格的邻接三角网格只有2个,没有邻接三角网格的边即为外边界。由此判断条件即可求出平面离散点集的外边界,三角剖分求得的外边界为平面点集的凸包。为了更加精确的反应凹多边形的边界,需要对边界进行细化,本研究采用三角形边长阈值以及三角形边长比阈值的方式对边界进行细化,对于边长大于阈值1或长边/短边大于阈值β的边采用该三角形另外两条边作为边界。如若图2中49这条边的长度大于给定的1,则采用45及59这2条边作为外边界。

图2 平面点集的Delaunay三角剖分

图2平面点集的Delaunay三角剖分

本研究中BIM模型是显示在自主研发的基于OpenGL的三维图形平台,该平台对大型三维场景的显示效率做了大量的优化工作。为了降低内存的消耗量,增加三维场景的流畅度,该平台采用了2种方法来进行优化:

1)引入了基于映射的模型表达方法来大量减少构件存储量,即根据网格相似性匹配方法对各构件进行两两相似性分析,先对几何外形相似的构件采用相同的三角网格表示,再通过转换矩阵映射到其它相似构件中;

2)该平台采用了包络网格的三角形网格简化技术以减少网格的数据,能够在保持构件形状没有大的变更的前提下大大减少三角形的数目,从而得到简化的三维模型。图3为2组模型的三角网格简化结果,每组模型的右侧图形为简化后的结果。

图3 建筑构件网格简化效果图

图3建筑构件网格简化效果图

2.1.2递进式参数化建模

管道工程中常用的构件及配件包括横担、立柱、抱箍、管束等,这些构件通常由一个或多个基本的三维实体组成,本研究采用开源项目Helix3DToolkit的Mesh-Builder构造三维模型,该构造器能够实现基本三维实体(长方体、球、圆锥、圆柱等)、拉伸实体、扫掠实体、放样实体的参数化建模。

横担、立柱通常由型钢制作而成,通过内置常用的C型钢、圆钢、工字钢、槽钢、T型钢等型钢的横截面定义,可实现型钢的快速参数化建模。标准管束及抱箍的参数定义包括外径、边缘宽度、保温层厚度、壁厚、高度,通过这几个参数即可使用Mesh-Builder建立管束及抱箍的模型。

完成几何建模之后,再给该几何模型赋予系统类型、材质、型号、标识等附加属性,接着将该模型集成到原BIM模型并建立关联关系,最终实现递进式参数化BIM建模过程。

2.1.3模型信息共享

本研究的数据来源于前期的建筑、结构及机电模型,通过将这些模型导出为IFC格式(一种通用的建筑信息交换标准)的文件,再在BIM-FIM系统导入该文件信息到服务器中的BIM数据库,实现了初步设计模型信息在管道工程施工深化设计阶段的共享。

在管道工厂化生命期中,管道预制构件的设计处于前期阶段,通过提取BIM数据库中的模型信息,在此基础上进行管道预制构件的深化设计,设计完成后再将结果集成到BIM数据库,从而实现分阶段递进式建模,同时该模型可供管道工厂化生命期中的后续阶段应用。其应用包括2种方式:

1)通过开发接口将BIM数据库导出为IFC文件,供其他BIM软件导入应用;

2)直接基于该数据库开发新的专用BIM软件来实现管道工厂化全生命期应用。

这些应用包括:

1)基于该BIM数据库,在预制构件生产阶段,通过采用二维码或无线射频技术标识预制构件,实现预制构件的物流及库存信息查询;

2)在安装阶段,通过读取构件标识信息,从BIM数据库中获取预制构件信息以指导安装;

3)在运维管理阶段,实现应急管理及预制构件的模型定位等功能。

2.2BIM-FC系统的架构设计

系统采用客户端/服务器物理架构,此架构能够充分利用客户端的硬件资源。BIM数据库存放在服务器端,可供多个客户端并发访问,其技术方案如表1所示。

表1 整体技术方案

表1整体技术方案

在代码架构层面上,系统采用微软提出的技术框架MVVM(Model-View-ViewModel)作为底层架构(如图4所示),该架构包括模型、视图(userinterface,UI)、视图模型(viewmodel,VM)这3个部分组成。

图4 系统架构设计

图4系统架构设计

2.3系统功能模块

前处理模块 负责将数据从BIM数据库中提取出来后对数据进行一定的处理,供后续流程使用。其中,提取的信息仅包含管道划分、支架拼装及管组切分所需的数据,BIM模型的其它数据不提取;

库管理模块 负责管理支架拼装及管组切分中需要用到的型钢及管束,用户可以通过导入后缀为.xls文件来管理型钢及管束信息,或者通过手动输入参数往库中添加型钢或管束;

管道划分模块 包括自动划分和手动调整功能,前者指将管道划分为预设长度的管段以便统一进行预制加工,后者则提供了一种相对灵活同时又可以节省工作量的设计方式;

支架拼装模块 在用户指定间距和需要选定关联的管道后,系统会根据选定的关联管道的位置自动计算横担、立柱、抱箍的位置并完成自动拼装。拼装完成后,用户还可以调整各参数以及手动添加或删除横担、立柱、抱箍;

管组切分模块 包括划分管组长度及管组内框架的拼装。用户选定不同专业的管道后,先按固定长度进行管组的自动切分,也可手动调整切分位置。切分位置调整完成后,再进行自动拼装,此时系统会根据管道的类型及位置进行计算,得出横担、立柱、抱箍的位置及型号。自动拼装完成后,用户还可以再手动调整;

后处理模块 对设计好的预制管道、支架、管组进行后处理,包括集成到BIM数据库、导出料表供预制加工使用、进行简单的力学计算以校核设计是否合理。

3应用案例

本研究所提出的设计方法和研发的BIM-FC系统在北京大兴英特宜家购物中心项目(图5a)和武汉英特宜家购物中心项目(图5b)中进行了实际应用。前者位于北京市大兴区西红门镇兴宁大街以西,总建筑面积为508486m2,是大型商场、购物中心、电影院等综合体;后者位于武汉市硚口区长风西路与江发路交汇处,集商铺、餐饮、超市、电影院等多功能于一体,工程总建筑面积218430m2。


以武汉宜家项目为例,其L11层南侧A04s-A20s轴(共128m)员工通道走廊范围内的所有机电管线桥架采用管组预制加工和施工技术,该通道宽3.6m,无吊顶。综合管廊管组包括空调冷冻水供回水管道、热水供回水管道、生活给水管道、新风管、排风管、排烟风管及强弱电桥架。管组宽度(含支架)约2800mm,高度约2300mm。为保证管组整体效果,将实施区域内的所有机电管道桥架,按照6m一段进行划分(图5c),并在加工厂进行预制,制作成20多个单元管段(包括空调风及空调冷热水管道的保温,图5d),运输至现场进行整体吊装。整个设计过程中,设计部采用BIM-FC系统进行管道、支架及管组的智能设计,设计结果及所导出的料表(图5e)也直接应用于预制构件的生产加工并服务于后期的运输和安装(图5f)。设计人员反馈该系统大大提高了设计人员的工作效率。据统计,较之传统管道设计和安装方法,提高工效10%~15%,节省材料费用8%~10%。

图5 工程概况及管组设计、加工及安装

图5工程概况及管组设计、加工及安装

4结论

为适应管道工程逐渐向工厂化方向转型的过程,针对当前市面上缺乏管道预制构件深化设计相关工具和软件系统的现状,本文通过引入BIM技术,面向预制管段、支架及管组等深化设计的具体需求,提出了一种管道预制构件的自动深化设计方法。该方法通过导入初步设计过程中的管道几何信息,依据实际工程经验、力学计算模型、国家相关规范中的条文以及模型匹配和网格划分等技术,在算法层面实现了管道辅助划分、支架半自动设计和管组智能拼装。在此基础上,从物理和代码架构层面上设计了一个包含6个主要模块的通用的管道预制构件智能设计系统。该系统突破了模型可视化、递进式参数化建模以及模型信息共享3个核心技术问题。最后,通过在2个实际项目中的应用验证了本文所提出的方法和系统能提高设计效率,减少材料浪费,也为BIM技术在管道工厂化中的应用提供了新的思路和参考。

(作者:胡振中陈祥祥何田丰清华大学土木工程系,王亮中建三局第一建设工程有限责任公司)

来源:清华大学学报

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