蔣博雅

(南京工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院， 南京 211816)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)及虛擬模擬建造技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)化裝配過程。2013年教育部正式啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，通過建設(shè)具有示范引領(lǐng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)。將信息化技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室虛擬仿真平臺(tái)結(jié)合可以有效促進(jìn)工業(yè)化建筑方向、工程管理學(xué)科之間的相互交叉和相互滲透，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室虛擬建設(shè)恰好為預(yù)制裝配這一新型建造方式提供一個(gè)很好的信息化共享平臺(tái)。

建筑學(xué)是一門綜合性學(xué)科，涉及理、工、文、藝諸領(lǐng)域，且正行走在更寬泛的交叉學(xué)科的道路上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的重要組成部分，除了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新意識(shí)之外，更重要的是讓學(xué)生深入了解國(guó)際前沿的工業(yè)化建筑學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)，隨著近幾年建筑信息化的快速發(fā)展[1-8]，與計(jì)算機(jī)、管理學(xué)以及相關(guān)專業(yè)的高度融合促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室向多元化虛擬教學(xué)發(fā)展[9-10]，真正讓學(xué)生切身體驗(yàn)線上模擬與線下教學(xué)的一體化教學(xué)環(huán)境。

1 預(yù)制裝配虛擬仿真平臺(tái)面臨的問題

1.1 試驗(yàn)性建造研究成本高

如建筑學(xué)、建筑設(shè)備、建筑節(jié)能等領(lǐng)域缺乏足夠的參考案例。所以，僅靠單一的專業(yè)背景，很難完成關(guān)于啟動(dòng)資金、運(yùn)營(yíng)成本、收入的具體財(cái)務(wù)分析。對(duì)于高校而言，如果在教學(xué)和科研中不利用仿真虛擬實(shí)驗(yàn)，而直接進(jìn)行試驗(yàn)性的建造研究，不但投資高，而且早期失敗的風(fēng)險(xiǎn)較大。為了普及和推廣虛擬建造實(shí)驗(yàn)的概念，并著重研究不同地區(qū)裝配式建筑的潛在經(jīng)濟(jì)效益和能源消耗情況，學(xué)院鼓勵(lì)老師開發(fā)擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)軟件。

1.2 基于工業(yè)化建造的工作目標(biāo)分解結(jié)構(gòu)建設(shè)的平臺(tái)基本沒有

傳統(tǒng)的建設(shè)工程根據(jù)工作目標(biāo)分解，將某一建筑項(xiàng)目分為4個(gè)層級(jí)，即單項(xiàng)工程、單位工程、分部工程和分項(xiàng)工程，并以此構(gòu)建建設(shè)項(xiàng)目的工作分解結(jié)構(gòu)(Work Breakdown Structure，WBS)體系。但是工業(yè)化住宅產(chǎn)品的施工方法、工藝流程、使用材料與構(gòu)配件趨向單一化、標(biāo)準(zhǔn)化。一般的工程建設(shè)項(xiàng)目的目標(biāo)解構(gòu)已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展的要求，適用于工業(yè)化發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更是缺乏[11]。

1.3 BIM技術(shù)中量算實(shí)現(xiàn)方法存在的問題

盡管BIM解決方案提供了強(qiáng)大的工程量計(jì)算功能，但這些操作都不能取代成本預(yù)算本身。預(yù)算人員在項(xiàng)目過程中執(zhí)行的工作遠(yuǎn)不止材料量化及測(cè)量，執(zhí)行的預(yù)算過程包括評(píng)估項(xiàng)目中可能對(duì)成本產(chǎn)生影響的條件，而其中一些因素是計(jì)算機(jī)無法進(jìn)行判斷的，只能靠人工來完成，因此，想要通過BIM工具實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化的成本預(yù)算是比較困難的，目前人們正積極探索部分或者絕大部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的可能[12]。

Autodesk Revit中的實(shí)例屬性參數(shù)功能一直未被重視，研究人員或軟件供應(yīng)商一直未對(duì)它的功能作進(jìn)一步的開發(fā)。Autodesk Revit中的實(shí)例屬性功能有很多優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)自己的需要對(duì)相應(yīng)的族自行添加所需的參數(shù)，并且對(duì)輸入的是否是數(shù)字沒有要求，可以自行設(shè)定編碼、場(chǎng)地屬性、進(jìn)度信息等，信息覆蓋面廣。然而，用戶缺乏合理利用此項(xiàng)功能并將它的功能與建造過程關(guān)聯(lián)指導(dǎo)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工的意識(shí)，主要是由于Revit軟件還無法直接導(dǎo)出實(shí)例屬性參數(shù)并合理集成既有數(shù)據(jù)，這需要對(duì)Autodesk Revit進(jìn)行2次開發(fā)才能實(shí)現(xiàn)。

2 工業(yè)化建筑新型學(xué)科方向下的虛擬仿真需求分析

利用Revit API研發(fā)一套專用于可移動(dòng)鋁合金工業(yè)化建筑模型的自動(dòng)族參數(shù)統(tǒng)計(jì)導(dǎo)出插件。用Revit API實(shí)現(xiàn)成本預(yù)算管理的可行且高效的做法是考慮如何導(dǎo)出族實(shí)例參數(shù)來突破預(yù)算過程中BIM本身明細(xì)表量算(工程量計(jì)算)工具導(dǎo)出的數(shù)據(jù)覆蓋面窄的局限，實(shí)現(xiàn)快速可視化、對(duì)象識(shí)別及參數(shù)提取[13]。在實(shí)例參數(shù)設(shè)置過程中考慮如何將成本預(yù)算和建造過程高度結(jié)合，從而為可建造性審查提供可靠依據(jù)，為價(jià)格優(yōu)化預(yù)留出更多的時(shí)間(見圖1)。

圖1 族、族類型、族實(shí)例類圖

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

為了促進(jìn)教師科研成果落地，應(yīng)將科研成果轉(zhuǎn)變?yōu)榍袑?shí)可行并能廣泛應(yīng)用的教學(xué)案例[14-15]。以開發(fā)的《基于Revit輕質(zhì)結(jié)構(gòu)工業(yè)化建筑構(gòu)件BIM信息集成及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件》為例，該軟件已經(jīng)成功獲得軟件著作權(quán)，該軟件的主要功能是：利用Revit API研發(fā)一套專用于可移動(dòng)鋁合金工業(yè)化建筑模型的自動(dòng)族參數(shù)統(tǒng)計(jì)導(dǎo)出插件。技術(shù)特點(diǎn)：通過Revit API實(shí)現(xiàn)訪問文檔對(duì)象、進(jìn)行對(duì)象過濾、族創(chuàng)建、模型動(dòng)態(tài)更新、模型顯示分析結(jié)果等功能?；赗evit API開發(fā)的插件可以擴(kuò)展和增強(qiáng)Revit的功能和應(yīng)用。

將Revit插件放在虛擬仿真平臺(tái)上，可供學(xué)生分享和體驗(yàn)，加深對(duì)工業(yè)化裝配施工技術(shù)與裝配式管理概念的理解與認(rèn)識(shí)，掌握該類型的設(shè)計(jì)中多方案比較和可行性分析的方法。這需要教師具備一定的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，通過C語言編程(詳見4.2,4.3)，在頁面上清楚地展示該軟件網(wǎng)絡(luò)界面，實(shí)驗(yàn)使用者直接通過登錄網(wǎng)站，模擬實(shí)際工業(yè)化裝配過程，根據(jù)需要將數(shù)值輸入或點(diǎn)擊，并可以自動(dòng)化生成工業(yè)化裝配散件清單結(jié)果，讓教師的科研成果真正地轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓科研成果真正地落地(見圖2)。

3.1 操作過程

(1) 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。在工業(yè)化建筑項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員不僅需要為采購(gòu)、生產(chǎn)建筑構(gòu)件的供應(yīng)商提供鋁合金型材的統(tǒng)計(jì)清單，而且還要為建造階段的施工團(tuán)隊(duì)提供詳細(xì)的建造指導(dǎo)方案(如建造流程圖、建造所需的工器具、組織人員、模擬建造等)。為了最大限度地減少下游工廠制造、現(xiàn)場(chǎng)建造所消耗的工時(shí)，那么設(shè)計(jì)人員使用軟件工具的功能就不能只是停留在簡(jiǎn)單輸出2維平面圖紙、3維透視圖或是簡(jiǎn)單輸出明細(xì)表這一層面，項(xiàng)目下游階段還要求設(shè)計(jì)軟件能夠自動(dòng)生成某些表格，提取用于建造流程所需的詳細(xì)的過程數(shù)據(jù)。也就是說，工業(yè)化建筑項(xiàng)目不僅在出圖層面對(duì)設(shè)計(jì)軟件的要求很高，在軟件輔助功能方面也有超出常規(guī)項(xiàng)目水平的需求。從而為工廠制造的觸發(fā)點(diǎn)——即材料下單，人員的安排，機(jī)具的準(zhǔn)備等提供有力的支持。

圖2 工業(yè)化總體裝配流程網(wǎng)絡(luò)化模擬

目前，Autodesk Revit系列軟件解決方案在明細(xì)表功能研發(fā)方面做出了嘗試和努力，Revit 軟件本身已經(jīng)具備了半自動(dòng)化程度的算量統(tǒng)計(jì)功能，但量算數(shù)據(jù)類型較少，并且離全自動(dòng)化還有一段距離。

(2) 軟件框架。整個(gè)系統(tǒng)按照功能分為3個(gè)模塊：① 參數(shù)處理模塊。針對(duì)REVIT的工業(yè)化BIM模型進(jìn)行族的構(gòu)件分類和自定義共享參數(shù)。② 族實(shí)例設(shè)置模塊。對(duì)相應(yīng)的族實(shí)例導(dǎo)入工業(yè)化信息平臺(tái)設(shè)置的共享參數(shù)。③ 自動(dòng)化數(shù)據(jù)導(dǎo)出及統(tǒng)計(jì)模塊。工業(yè)化信息平臺(tái)的BIM模型是由單獨(dú)的散件和構(gòu)件構(gòu)成，對(duì)應(yīng)單獨(dú)的族文件，系統(tǒng)族將以實(shí)例的形式導(dǎo)出其參數(shù)，在新產(chǎn)品研發(fā)過程中還可直接使用工業(yè)化信息平臺(tái)中已經(jīng)導(dǎo)入的族及參數(shù)，最大化地使族類型復(fù)用，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)制造。

(3) Revit API架構(gòu)。以上第3點(diǎn)提及的自動(dòng)化數(shù)據(jù)導(dǎo)出及統(tǒng)計(jì)模塊是需要通過Revit API來實(shí)現(xiàn)。Revit API是建立在Revit產(chǎn)品基礎(chǔ)之上的一個(gè)類庫，需要在Revit運(yùn)行時(shí)才能工作。通過Revit API可以實(shí)現(xiàn)訪問文檔對(duì)象、進(jìn)行對(duì)象過濾、族創(chuàng)建、模型動(dòng)態(tài)更新、模型顯示分析結(jié)果等功能?；赗evit API開發(fā)的插件可以擴(kuò)展和增強(qiáng)Revit的功能和應(yīng)用(見圖3)。

圖3 Revit API 架構(gòu)

3.2 Revit 2次開發(fā)實(shí)現(xiàn)步驟

使用C#語言在Visual Studio 2010中進(jìn)行Revit 2次開發(fā)，主要有兩種方式：

方式1使用外部命令(External Command)，添加一個(gè)Revit功能，使用Add-in Manager或ini加載后，用戶點(diǎn)擊按鈕啟動(dòng)執(zhí)行。

方式2使用外部應(yīng)用(External Application)添加ribbon菜單和工具條或者其它初始化命令，外部應(yīng)用將在Revit啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)自動(dòng)運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)方法運(yùn)用的是方法1。

3.3 實(shí)現(xiàn)方法

首先，在REVIT中為自定義構(gòu)件族設(shè)定統(tǒng)一的共享參數(shù)，制定好應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定所需的過程管理參數(shù)。其次，對(duì)REVTI進(jìn)行2次開發(fā)，以下是Revit 2次開發(fā)實(shí)現(xiàn)步驟：

(1) 打開的一個(gè)Revit文檔(.rvt，.rfa，…)，通過它獲取族實(shí)例文檔對(duì)象，獲得Revit當(dāng)前活動(dòng)的UIDocument。

commandData.Application.ActiveUIDocument

獲得當(dāng)前級(jí)別UI文檔中的數(shù)據(jù)庫文檔

commandData.Application. ActiveUIDocument.Document

(2) 通過過濾器獲取當(dāng)前文檔中的所有族實(shí)例。

過濾器是API中使用最廣的方式，也是推薦使用的方式。

首先創(chuàng)建一個(gè)收集器(collector):

FilteredElementCollector collector = new Filtered-ElementCollector(RevitDoc)；

然后創(chuàng)建一個(gè)過濾器：

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

接著調(diào)用收集器的WherePasses函數(shù)對(duì)元素進(jìn)行過濾：

collector.WherePasses(FamilyInstFitler)；

之后可以遍歷收集器，獲取需要的元素：

foreach (FamilyInstancefaminst in collector)

(3) 遍歷每一個(gè)族實(shí)例，獲取該族實(shí)例的所有參數(shù)，將參數(shù)寫入目標(biāo)文件。

foreach(FamilyInstancefaminst in collector)

{

foreach (Parameter param infaminst.Parameters)

{

//獲取族實(shí)例的所有參數(shù)

(4) 編輯遍歷到的當(dāng)前族實(shí)例文檔，遞歸執(zhí)行(2)和(3)，獲取嵌套的族實(shí)例的所有參數(shù)。

(5) 生成所有族實(shí)例的參數(shù)文件。

① 導(dǎo)出的數(shù)據(jù)結(jié)果并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。程序最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)依照既定規(guī)則設(shè)定的輕質(zhì)裝配化建筑信息模型的自動(dòng)化輸出Microsoft Excel電子表格格式的過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

② 程序?qū)氩⑦\(yùn)行。點(diǎn)擊“the External Tools”按鈕去打開Add-in Manager(Manual Mode)對(duì)話框加載程序，然后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕生成結(jié)果(見圖4、5)。

③ 接口導(dǎo)出的部分參數(shù)。BIM族實(shí)例通過接口可以全部導(dǎo)出，具體包含族名稱、參數(shù)名稱和參數(shù)值，如表1所示，圖中僅選取了導(dǎo)出的部分族實(shí)例參數(shù)進(jìn)行說明。

④ 經(jīng)信息集成后得到所需的各階段裝配信息。將導(dǎo)出的參數(shù)排序規(guī)整后，每個(gè)階段所需的組件及組件的組裝次序一目了然，并且對(duì)應(yīng)每個(gè)組件每個(gè)工序所需的材料、價(jià)格、進(jìn)度時(shí)間都可以清楚地看到。如在組裝次序方面，先進(jìn)行1級(jí)工廠化的內(nèi)圍護(hù)體模塊(NW1)裝配，再將NW1與結(jié)構(gòu)體模塊(JG)和外圍護(hù)體模塊(WW)實(shí)現(xiàn)2級(jí)工廠化的裝配，組裝成U1，最后主體單元體(U1)與其余模塊依照裝配工序現(xiàn)場(chǎng)總裝成建筑產(chǎn)品成品(見表2)。

表1 通過建筑信息模型的Revit API接口導(dǎo)出模型參數(shù)

⑤ 細(xì)化的1級(jí)工廠化裝配階段的結(jié)構(gòu)框架統(tǒng)計(jì)。圖6顯示了3級(jí)工廠化階段的結(jié)構(gòu)框架建筑信息模型，在清楚每個(gè)階段的組裝次序及大體的組裝參數(shù)后，對(duì)實(shí)例參數(shù)可以進(jìn)行更加詳盡的設(shè)置，通過接口可以得到更加細(xì)化每一構(gòu)件的進(jìn)度、材料、組織、人工費(fèi)、機(jī)具統(tǒng)計(jì)，即更加全面和詳細(xì)的5D基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

圖6 結(jié)構(gòu)框架1(JG1)的1級(jí)工廠化裝配

通過建造工法和過程進(jìn)度統(tǒng)計(jì)，清楚看到構(gòu)件組的安裝工序，對(duì)應(yīng)每個(gè)部件細(xì)化了的安裝步驟和工法說明，通過單個(gè)部件起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，數(shù)量的統(tǒng)計(jì)得出最終的總消耗時(shí)間(見表3)，便于合理安排工作，也便于工人清楚每個(gè)部件的安裝順序和安裝要領(lǐng)，提高工作效率，降低時(shí)間成本。

表2 建筑信息模型中每一組裝階段的參數(shù)信息統(tǒng)計(jì)

表3 結(jié)構(gòu)框架1(JG1)的建造方法說明與組裝過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

基于計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在工業(yè)化裝配建筑施工、BIM建筑管理課程群中，打破沒有線上教學(xué)的空白，通過新增的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，增加過去無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑理論形象化再現(xiàn)，使網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)置緊密結(jié)合，相互補(bǔ)充，從而形成“教學(xué)—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”良性循環(huán)的層次化多結(jié)構(gòu)的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，保證了適應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展的高素質(zhì)新型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。

另一方面，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)教師對(duì)信息化技術(shù)運(yùn)用的動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工業(yè)化裝配虛擬仿真設(shè)計(jì)的常用軟件，如REVIT/BIM及管理評(píng)估軟件等的直觀認(rèn)識(shí)，通過操作這些軟件提高實(shí)際工程施工技術(shù)、施工流程、輔助設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理能力。同時(shí)抽象化的特點(diǎn)也增強(qiáng)了學(xué)生的想象力，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)把握的信心，加強(qiáng)對(duì)信息化技術(shù)的應(yīng)用能力。

實(shí)驗(yàn)中心建立目的是增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐中的創(chuàng)新意識(shí)，在學(xué)生參與各種競(jìng)賽項(xiàng)目中，學(xué)生可利用工業(yè)化建筑創(chuàng)新實(shí)踐虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。在分析的基礎(chǔ)上，可增強(qiáng)學(xué)生在模擬工業(yè)化建筑建造、建筑信息模型、節(jié)能建筑技術(shù)等方面的探索，有力促進(jìn)學(xué)生在競(jìng)賽中發(fā)揮技術(shù)強(qiáng)項(xiàng)，學(xué)生及教師獲得多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利、實(shí)用新型專利、軟件著作權(quán)等，依托平臺(tái)促進(jìn)高質(zhì)量論文的發(fā)表，促進(jìn)學(xué)校間、國(guó)際間的學(xué)術(shù)交流。