Research on Intelligent Calculation Method of PC Main Structure Assembly Rate
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摘要: 当前国内装配式建筑的装配率都是在设计阶段根据施工图纸按照相关规范进行人工计算，这种计算方式产生了大量的时间和人力的成本，且同一种计算思路，所得结果也不尽相同，正确率难以得到保证。鉴于此，本文提出了一种基于BIM的计算方法，以.Net Formwork4.7为框架采用C#语言，对BIM核心软件Revit进行二次开发，将《装配式建筑评价标准》以及规定的装配率计算方法编入插件中，通过建立构件自定义编码体系，识别并获取构件数据信息，来计算装配式预制混凝土(Precast Concrete，简称PC)的主体结构装配率。最后以实际工程项目为例，验证本方法的可行性。研究表明，通过这种方式大大减少计算时间与人力成本，并提高了精度。Abstract: At present, the assembly rate of prefabricated buildings in China is calculated manually under relevant specifications according to construction drawings at the design stage. This kind of calculation generates a lot of time and labor costs. Moreover, the same calculation method has different results, and the accuracy is difficult to be guaranteed. In view of this, this paper proposes a calculation method based on BIM.With.Net Formwork4.7 as the framework, C# language was used to carry out secondary development of BIM core software Revit. And the assembly rate calculation method stipulated in the Prefabricated Building Evaluation Standard is incorporated into the plug-in, and the assembly rate calculation of the main structure is realized by establishing the component custom coding system, identifying and obtaining the component data information to calculate the assembly rate of main structure of Precast Concrete (PC). Finally, this paper uses a practical engineering project as an example to validate the feasibility of this method. The research shows that the calculation time and labor cost are greatly reduced and the precision is improved.
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Keywords:
- BIM /
- Assembly Rate /
- Secondary Development /
- Fabricated /
- Component Coding
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引言
近年来，随着国内工业化建筑的不断发展及国家政策性的引导，中国建筑将向着智能化、数字化方向发展[1]。国家提倡发展因地制宜的装配式建筑，并将全国按照人口比例划分为重点推进区、积极推进区、鼓励推进区，明确了一系列具体任务[2]，同时对装配式建筑实施过程提出新的要求，其中装配率计算是一个非常重要的指标。为了使装配式建筑在中国取得良好发展，2017年国家发行《装配式建筑评价标准》(GB/T51129-2017)采用综合打分的形式判断装配化程度[3]，也有地方实施意见中采用“两率”(预制率、装配率)的方式进行双控。
装配式建筑中预制构件通常以毫米为单位，其中预留预埋问题，精确的定位问题给设计方和施工方带来了一定程度上的经济与时间损失，针对这一问题，本文利用建筑信息模型(Building Information Modeling)将部品部件进行高效集成，充分发挥BIM自身优势，并结合Revit二次开发手段，依据《装配式建筑评价标准》(GB/T51129-2017)装配率计算规则，简化主体结构应用比例统计方式，提出一种基于Revit的智能装配率的计算方法，大大提升了计算速度和准确性，通过这种计算方法可以在项目方案中快速衡量装配化程度。
1. 传统装配率计算方法概述
我国发行的《装配式建筑评价标准》将以往的“预制率”、“装配率”合二为一，使用装配率作为唯一指标，采取综合打分的形式来判断装配化程度，该标准分为预评价和项目评价两个阶段；评价指标都为装配率，其中计算原则是指单体建筑室外地坪以上的主体结构，围护墙和内隔墙、装修和设备管线等预制部品部件的综合比例[4]。同时根据标准规定装配式建筑装配率不低于50%。装配率计算方法如下：
$\text { 公式: } P=\frac{Q_{1}+Q_{2}+Q_{3}}{100-Q_{4}} \times 100 \% $
(1) 其中，P—装配率；
Q1—主体结构指标实际得分，通过q1a、q1b的比例对应到表 1，得到对应评价分值；
表 1 主体结构装配式建筑评分评分项 评价要求 评价分值 最低分值 主体结构(50分) 柱、支撑、承重墙、延性墙板等主体结构竖向构件 35%≤比例≤80% 20~30 20 梁、板、楼梯、阳台、空调板等构件 70%≤比例≤80% 10~20 20 Q2—围护墙和内隔墙指标实际得分值；
Q3—装修和设备管线指标实际得分值；
Q4—评价项目中缺少的评价分值总和；
公式中的各项分值通过计算预制构件、建筑部品的数量(或面积)占同类构件部品总数量(或面积)的方法计算出，主体结构评价标准表与计算方法如表 1：
式中，以主体结构为对象，q1a为竖向构件中预制部品部件的应用比例；q1b为竖向构件混凝土总体积V1a为竖向构件中预制混凝土体积之和，V为竖向构件混凝土总体积；A1b为各楼层中预制构件的水平投影面积之和；A为各楼层建筑平面总面积。
在传统计算方法中，各部品的体积或面积需通过对CAD图层单独提取操作进行各部分体积或面积的计算，且需要人工逐个统计水平竖向构件所占应用比例，通过查表算出评价分值并累加出各项分值，对于体量较大的建筑物，会浪费大量时间且易存在人为误差，针对此问题，本文通过Revit二次开发手段，通过对构件进行自定义编码，实现自动识别并过滤各构件信息数据，把本应逐项计算或不规则构件进行数据的一键提取，极大地节省了时间成本，有利于推动整个方案设计阶段时间进度。
2. 研究思路
由于在装配率P的计算方法里，软件无法自动完成如管线装修一体化的判断，管线分离长度判定，干式工法楼面集成卫生间判定问题，即Q2与Q3取值受主观因素影响较大，且个别问题需根据地方专家评审会中进行鉴定与判断，为保障计算准确性、有效性，本文针对主体结构Q1进行了智能化装配率计算，利用Revit平台，使用Visual Studio开发工具，通过建立自定义编码系统进行构件归类，提取构件几何信息，准确计算主体结构中水平构件和竖向构件应用比例，方便在实际工程中快速获取主体结构装配化程度信息，设计插件功能思路流程如图 1所示。
2.1 建立构件编码系统
为了更好地把装配式建筑部品部件进行归类，本系统建立服务于项目的构件编码体系，编码本身具有唯一性、合理性、简明性、规范性、可拓展性等特点[5]，对构件进行编码同时也进行了归类管理；根据构件的不同类别进行“唯一”编码得到建筑构件归类编码系统，该方法适用于所有建筑物构件，通过此归类方式可将建筑物的所有构件分为结构主体、围护墙和内隔墙、装饰和设备管线三大类，具体模型编码规则如表 3。
表 3 模型编码规则构件 命名 预制柱 ZT_预制_Z_XXX 预制楼板 ZT_预制_LB_XXX 预制空调板 ZT_预制_YKB_XXX 预制阳台板 ZT_预制_YTB_XXX 预制楼梯 ZT_预制_LT _XXX 混凝土阳台板 ZT_现浇_YTB_XXX 混凝土柱 ZT_现浇_Z_XXX 预制外墙 WH_预制_WQ_XXX 预制内隔墙 WH_预制_NGQ_XXX 2.2 构件数据提取
参数化是BIM技术的巨大优势，在Revit中其参数类型包括类型参数和实例参数[6]，类型参数代表一类构件的属性，实例参数则是每一个构件的特有属性；所以在建模初期阶段需要对构件赋予特定的属性参数。根据上文的编码原则在建模过程中对构件进行编码如图 2所示，充分体现相同类构件的唯一性；以便于分类提取建筑构件信息，Revit API提供一种机制，用于过滤和迭代Revit文件中的图元，获取一组相关图元，如项目中所有的预制外墙或者预制柱[7]，对于预制构件来讲，通过提取“构件编码”这一参数信息，就能够自动识别该预制构件，通过获取GeometryElement的实例，遍历其属性获取其Volume、Area、SurfaceArea、Curve、Line、ID等具体信息。
3. 开发平台及开发工具
本文采用Revit2019平台进行的功能扩展，使用Visual Studio2019、Revit Add In Manager、Revit Lookup开发工具，目标框架为.NET Formwork4.7，通过调用Revit API(Application Programming Interface)进行二次开发，添加装配式模块插件。
3.1 Revit2019
Revit是当前国内受认可度很高的BIM建模软件，其模型所携带的信息与现实具有一致性特点，软件本身兼容性较高，导出格式种类较多、可拓展性和接口技术都比较成熟[8-9]，使得Revit在国内工程领域地位遥遥领先于其它BIM软件。
3.2 Visual Studio2019和C#
通过Visual Studio2019创建最终文件为外部dll文件，被Revit识别与读取，使用VS建立功能类库[10]。利用C#程序语言，结合Revit2019提供的外部接口，实现在Revit中进行构件的归类和主体结构装配率计算及规范展示功能。
3.3 Revit API、Revit Lookup及Add-In Manager
Revit为开发者提供了开放的API，通过这些接口调用外部功能应用并集成到Revit软件中，实现访问模型各类数据，其中包括图形数据和参数数据，通过对Revit二次开发来创建插件形式完成对一些对模型参数提取的智能化。
Revit Lookup工具可以查看Revit后台的数据参数名，方便开发人员在开发过程中对模型信息的查询和提取。
Revit Add-In Manager用来动态加载.dll文件，使得不用重复打开Revit就可以进行调试，提高了开发效率[10]。
4. 插件功能实现
4.1 界面设计
通过RevitAPI访问和拓展Revit，在插件中实现外部接口IExternalApplication，通过IExternalApplication外部重载OnStartup和OnShutdown函数，在Revit启动和关闭时候定制所需的功能，在Visual Studio2019平台下构造类库，建立YZLCalculation类、ZPL类、ShowPDF类、MainWindow类、UIDemo类FamilyInstanceGeometry类、Window1、Area calculation类、Assembly rate calculation主窗体类等，创建功能栏部分代码如图 3所示，菜单标签页如图 4所示，单击功能面板按钮以模态形式展示窗体，并在每一个控件的事件通过调用不同类的计算方法，来达到开发者想实现的功能。
4.2 参数提取与计算
控制程序通过FamilyInstance过滤文档中的族实例图元，通过编码系统过滤获取到各类几何数据参数，通过构造函数进行不同分项的信息数据计算，过程如下：
1) 通过创建收集器来访问项目中所有对象，对项目所有构件进行过滤收集，首先实例化FilteredElementCollector类，通过OfClass()过滤族类别然后利用foreach循环筛选预制构件的族实例，代码如图 5所示，并将所筛选出的构件数据进行绑定。
2) 按照上文建立的编码体系将构件编码与条件语句进行关联判断计算，若返回值为“Z”则程序自动通过调用自定义方法GetFamilyInstanceSolidVolumn()读取其Solid获取体积参数，这里Revit软件默认单位为英尺，需要进行单位转换，代码如图 6所示；同理若返回值为“LB”则提取其水平投影面积参数；
3) 通过程序循环过滤方式，统计出竖向构件如预制柱、承重墙等预制部分与现浇部分体积，应用表 2中公式进行计算得到应用比例；同理得到水平构件面积的应用比例。
表 2 应用比例计算方法构件所属类别 应用比例 柱、支撑、承重墙、延性墙板等主体结构竖向构件 $ q_{1 a}=\frac{V_{1 a}}{\mathrm{~V}} \times 100 \%$ 梁、板、楼梯、阳台、空调板等构件 $q_{1 b}=\frac{A_{1 b}}{A} \times 100 \% $ 4) 利用此种参数提取方式，应用于项目中所有被编码的构件。依据评价标准在方案阶段对不同的拆分方案可自行勾选过滤条件，一键计算来得到比率，筛选出最佳方案，计算界面如图 7所示。同时通过在Revit内创建Excel表格方式进行导出各项计算结果，统计各构件几何信息来进行工程量校核。
4.3 建立装配式规范库
Revit本身并不能查询规范，为方便设计人员在方案阶段对装配率把控与查询工作，通过上文叙述开发手段，在主窗口内点击按钮触发事件并实例化子窗体，利用WPF的WebBrowser控件读取本地文件，代码如图 8所示，将《装配式建筑评价标准》编入插件中，如图 9所示，辅助设计人员快捷查询所需规范，提高设计效率，补充软件功能。
5. 项目应用
河北省某装配式项目，地上建筑共21层，采用装配式剪力墙结构形式，规划建筑高度59.5m，其中竖向构件F4-F21层实施装配式，水平构件F3-F20顶板实施装配式，抗震设防烈度7度，预制底部加强区采用现浇结构。为满足当地对该项目装配率要求，对外墙、叠合板底板、内隔墙、楼梯进行提前预制，结构墙体统一厚度为200mm，水平预制叠合板厚度为130mm，底板布置图见图 10所示。以F4标准层为例，在Revit中对相关构件进行系统分类并计算其主体结构装配率，建立BIM模型如图 11所示。通过面板功能一键计算水平和竖向构件应用比例，实现PC主体结构智能装配率计算。
本项目主体结构中根据评价标准统计竖向构件应用比例为51%，水平构件应用比例为76%，根据内插法计算主体结构Q1总得分为39.6，插件统计竖向构件应用比例51.9%，水平构件应用比例75%，如图 12所示，同理Q1得分为38.8，经计算最终装配率分别为57.6%和56.8%如表 4所示，相差接近1%，具有参考意义。
表 4 统计方式对比统计方式 智能统计结果 人工统计结果 Q1 39.6 38.8 Q2 10 10 Q3 8 8 Q4 0 0 P(%) 57.6 56.8 这种计算方法可扩展应用到各类装配式混凝土结构项目中，对于设计阶段多种构件拆分方案之间进行对比，通过改变构件类型参数，可以快捷的获取更改后项目主体结构预制构件应用比例。得到Q1值，计算结果并以Excel形式输出构件尺寸信息，极大地节省人力成本，缩短项目施工周期，同时这种统计方式实现了快速获取不同方案的装配化程度并能准确地进行经济算量，并筛选出最佳方案，有助于后续建设。
6. 结语
本文利用信息化手段针对《装配式建筑评价标准》中装配率的计算方法进行研究与分析，使用Revit平台通过创建扩展性功能，将规范编入到插件中，通过计算机程序辅助快速获取构件几何信息并计算主体结构装配率，本着一种构件归类计算的思想，利用信息化手段可以代替传统手算的部分工作，并产生经济效益，大大节省时间成本，使得在实际工程中智能化装配率计算成为可能，通过实际项目案例验证，这种方法可行、可用，有效缩短人工计算时间同时提升了计算精度。
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表 1 主体结构装配式建筑评分
评分项 评价要求 评价分值 最低分值 主体结构(50分) 柱、支撑、承重墙、延性墙板等主体结构竖向构件 35%≤比例≤80% 20~30 20 梁、板、楼梯、阳台、空调板等构件 70%≤比例≤80% 10~20 20 
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表 3 模型编码规则
构件 命名 预制柱 ZT_预制_Z_XXX 预制楼板 ZT_预制_LB_XXX 预制空调板 ZT_预制_YKB_XXX 预制阳台板 ZT_预制_YTB_XXX 预制楼梯 ZT_预制_LT _XXX 混凝土阳台板 ZT_现浇_YTB_XXX 混凝土柱 ZT_现浇_Z_XXX 预制外墙 WH_预制_WQ_XXX 预制内隔墙 WH_预制_NGQ_XXX
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表 2 应用比例计算方法
构件所属类别 应用比例 柱、支撑、承重墙、延性墙板等主体结构竖向构件 $ q_{1 a}=\frac{V_{1 a}}{\mathrm{~V}} \times 100 \%$ 梁、板、楼梯、阳台、空调板等构件 $q_{1 b}=\frac{A_{1 b}}{A} \times 100 \% $
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