基于BIM的宜家特色外立面工厂预制加工生产方式

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。为解决此问题，该文针对预制管段、支架及管组等深化设计的具体需求，引入建筑信息模型技术，提出了一种面向管道预制构件的自动深化设计方法，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。

Chuck Eastman提出的BDS（Building Description System）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

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：

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