超高层建筑具有结构超高、规模庞大、功能繁多、系统复杂、建设标准高等特点, 施工过程中, 钢筋、模板、钢管等材料运输及钢结构件吊装都需要用到塔机^[1], 塔机的选型和布置直接影响工程进度、安全及成本, 一直是人们关注的焦点问题. 目前, 塔机规划都是现场技术人员基于CAD图纸, 凭借既往工程经验做出决策, 导致塔机规划与施工技术脱节, 特别是针对超高层或装配式建筑的施工, 现有经验已不能满足要求.

建筑信息模型BIM (Building Information Modeling)以三维数字技术为基础, 集成了建筑工程项目各种相关信息. 近年来, BIM信息技术的应用已从计算机辅助设计拓展到工程造价及施工阶段的管理等方面^[2–4], 极大提高了设施管理能力^[5]. 文献[6,7]应用三维模型的碰撞检测功能, 将BIM技术应用到塔机安全及布置分析中, 但缺少对塔机吊运能力等方面的专业考虑. 国外已经开始研究利用BIM技术进行塔机的自动布局与规划^[8,9], 可有效提高施工效率, 但国内这方面研究还很少. 同时, 国内当前BIM 从业人员多数缺少现场施工经验, BIM技术应用与业务的脱离, 缺乏配套的 BIM 施工软件, 制约了BIM技术在施工阶段的应用. 本文将BIM技术与塔机规划的专业知识相结合, 利用Revit的API开发了计算机辅助塔机规划软件, 为超高层投标阶段塔机的选型布置提供了三维辅助工具.

1 系统方案设计

Revit作为BIM技术的应用软件, 为工程设计领域的建模工作提供了功能支持. 借助Revit软件封装的API接口, 可以从建筑的Revit三维模型中获取大量的建筑信息, 如各种构件的重量以及数量, 在此基础上结合专业的塔机规划经验知识设计计算机辅助塔机规划系统, 包括4个功能模块: 塔机型号管理、塔机布置、塔机数量预估以及辅助塔机定位, 如图1所示.

(1)塔机库管理: 利用Revit的族功能, 设计参数化塔机族, 实现塔机模型的共享, 具有增加、删除以及修改等塔机库的管理功能.

(2)塔机布置: 由塔机族创建族实例, 在Revit环境下布置塔机并实现三维展示.

(3)塔机数量预估: 根据建筑结构的Revit三维模型, 对吊运物料进行分类统计, 在此基础上, 利用改进的算法确定塔机型号及数量.

(4)辅助塔机定位: 利用塔机族的性能参数(载荷曲线)、结构参数(塔机位置)以及建筑结构的物料信息, 对塔机的吊运能力进行评估. 在Revit模型中实现超载构件的高亮显示, 提示工程技术人员目前哪些位置的构件超载, 为塔机位置更变提供了思路, 从而实现了计算机辅助塔机规划.

2 系统开发 2.1 参数化塔机族的建立

在Revit软件中, 族是一个功能强大的概念, 是三维模型进行参数化设计的载体, 通过族参数实现模型数据的信息化管理. 塔机是具有标准规格及尺寸的设备, 在工程项目中大量复用. 然而, Revit中却没有塔机标准族, 依靠手工方式在Revit系统中完成塔机建模, 工作效率低下. 本文利用Revit系统的族功能, 构建平臂塔、动臂塔及塔头塔等3种可载入类型的参数化塔机族库, 并定了族的结构参数及性能参数, 如表1所示. 其中, 结构参数描述塔机结构以及位置, 可用于塔机安全性评估, 如塔机碰撞检测, 安拆位置、方向评估, 以及附着锚位置的确定等; 性能参数主要描述塔机的起重性能, 是塔机规划的重要评价指标.

将塔机族参数以配置文件的方式放在Revit安装文件中, 通过配置文件对塔机族进行参数驱动, 实现了塔机型号在不同项目的重复应用, 以及型号的管理.

2.2 塔机数量自动评估

目前, 施工前期策划塔机的需用量是根据施工方已确定的工期以及施工现场需吊运的钢筋、模板以及其它构件的总量, 参照《建筑施工手册(缩印本)》, 计算塔机需用量如式(1), 其中, 系数0.8表示塔机吊载为满载荷的80%.

$N = \frac{{Q \times K}}{{T \times m \times L \times 0.8}}$

(1)

其中, N为塔机需用台数; T为建筑工期(d); m为每天工作吊次; K为不均衡系数(一般取1.1~1.4, 吊装(装卸)作业取1.4); Q为各类构件的工程总量(吨); L为塔机最大吊载能力.

对于装配式建筑或超高层建筑, 由于使用的大型构件或预制件体积及重量大, 只能单件吊运, 且吊装用时较长, 与其他物料比每天塔机吊运大型构件的吊次较少. 根据超高层建筑的施工特点, 在进行塔机数量评估时, 本文将大型构件的吊装与其他模板、混凝土等物料的吊运分开, 大型构件按数量评估, 其他物料按重量评估, 可更准确预估吊机需用量. 算法改进如下:

$N = {N_1} + {N_2} = \frac{{Q \times K}}{{b \times T \times {n_1}}} + \frac{{W \times K}}{{b \times T \times {n_2} \times L \times 80\% }}$

(2)

其中, N为需用塔机总台数; ${N_1}$ 为吊运大型构件塔机需用量; ${N_2}$ 为吊运其它模板、混凝土等料材塔机的需用量; Q为大型构件数量; W为其它模板、混凝土等重量; ${n_1}$ 为大型构件每天调运次数; ${n_2}$ 为其它模板、混凝土等每天吊运次数. 其他变量同式(1).

2.3 塔机辅助定位

塔机位置与塔机型号及吊运构建的重量都密切相关, 用神经网络或粒子群等优化方法确定塔机的位置, 一直都是研究热点^[10], 然而, 这些优化方法离实际应用还有一段距离. 目前, 塔机位置的规划主要是通过工程技术人员不断改变塔机型号或位置, 反复试错, 直到塔机吊运能力满足施工现场的要求为止, 工作效率低.

塔机的规划必须保证超高层建筑中大型钢构件吊装不能超载. 利用Revit的API函数可以获得大型钢构件或预制构件的单件重量及其位置信息; 在此基础上, 结合本文设计的塔机族性能参数, 以及当前塔机位置对构件逐个进行校核, 如果超载则在Revit模型中将不能吊运的构件进行高亮显示. 技术人员以此为依据, 调整塔机的型号或为止, 直到所有构件满足要求为止, 从而实现辅助定位的功能.

Revit中, UIDocument类提供了GetElements-ToShow方法和Showelements方法, 可以实现对当前活动文档中的构件进行超载校核, 并对超载构件高亮显示. 部分关键代码如下:

public static void HighlightElement(Autodesk.Revit.UI.UIDocument uiDocument, List<Autodesk.Revit.DB.ElementId> elementIds)

{

　Autodesk.Revit.DB.Document document = uiDocument.Document; //打开文件, 当前活动文档

　if (document == null || document.ActiveView == null) return;

　var activeView = document.ActiveView;//当前活动视图

　List<Autodesk.Revit.DB.ElementId> shouldHighlightElements = GetElementsToShow(document, elementIds); //调用GetElementsTOShow方法将超载构件放入到shouldHighlightElements集中

　if (shouldHighlightElements.Count > 0) //判断构件数量是否为空

　　{ShowElements(uiDocument, shouldHighlightElements);

　//调用当前活动文件中需要高亮显示的构件}

}

private static void ShowElements(Autodesk.Revit.UI.UIDocument uiDocument, ICollection<Autodesk.Revit.DB.ElementId> elementIds)

{

　uiDocument.Selection.SetElementIds(elementIds); //高亮显示SetElementIds选中构件Id集合

　uiDocument.ShowElements(elementIds); //构件居中显示

}

2.4 模块封装与加载

功能模块开发完成后, 利用NSIS (Nullsoft Scriptable Install System)工具软件将塔机族文件、配置文件、软件运行生成的dll文件及注册的addin文件打包, 生成exe形式的应用程序, 运行该程序就可将计算机辅助塔机规划软件集成到Revit环境中, 在Revit菜单界面显示辅助规划软件的功能选项卡如图2.

3 应用案例

成都天投国际商务中心二期C栋地下4层、地上38层, 建筑高度198.2米, 为超高层建筑. 工程的主体为圆钢管混凝土柱的核心筒结构(图3), 结构使用600多根圆钢管混凝土柱为主体, 其中最大空心钢柱重量达10吨. 以此为例, 用本文系统进行塔机策划.

第1步. Revit环境中载入项目的Revit模型, 其包含建筑物所有的物料信息, 如构件材质, 重量, 坐标, 体积等.

第2步. 物料统计与塔机需用量预估.

根据该建筑结构特点, 按物料分类统计, 空心钢柱及结构框架为大型构件, 如图4所示, 显示了大型构件或结构柱件的ID、名称、所在标高、重量、体积以及坐标点信息. 从该构件明细表中, 可以得出该建筑物最大构件的重量为10.18吨, 每层空心钢柱11根.

为预估塔机需用量, 需要设置施工信息: 施工工期, 班次, 大型构件调运次数, 其他模板(混凝土, 构件)调运次数, 以及最大吊载能力. 如图5所示设置的施工信息可计算出塔机需用量为1台.

第3步. 塔机布置.

根据市场情况, 本项目考虑选用中联的12吨平臂塔机(TC7030). 利用系统的“塔机布置”功能, 输入塔机类型以及型号, 如果该塔机型号已经在塔机库中创建, 则可直接在施工图中添加一台指定信号的塔机, 并通过鼠标移动对塔机进行位置预置. 本项目为超高层, 一般采用内爬安装方式, 将塔机布置在高层建筑的电梯井, 如图6所示; 如果该塔机型号在塔机库中没有创建, 则需要利用“塔机型号管理”功能创建该塔机, 如图7所示, 输入塔机型号以及相关族参数(结构参数以及性能参数), 点击“+”, 可以创建该塔机型号的族.

第4步. 塔机辅助定位.

选择需要进行吊载能力校核的塔机, 点击“辅助塔机定位”功能选项, 系统将根据塔机位置以及建筑物料信息对塔机的吊运能力进行校核, 并以列表方式显示超载构件的名称, 标高及超载原因. 本项目如选用一台最大吊重8吨的塔机, 校核结果如图8显示, 大量的混凝土钢柱由于超载不能满足要求, 进一步点击“高亮显示”, 可以在Revit模型中高亮显示出超载的构件位置, 如图9中显示的蓝色构件.

一般情况, 技术人员可以根据本文第二步统计的最大构件重量选择塔机型号, 第三步进行塔机布置, 最后利用第四步的校核以及超载构件位置提示, 施工技术员可以很直观地将塔机向超载构件的方向移动, 从而减小吊载力矩, 或重新选择塔机型号, 直到塔机位置满足吊运能力要求, 从而完成定位.

4 结语

在超高层建筑中, 塔机是运输物料的主要设备, 目前塔机规划缺乏专业的辅助工具, 可能直接影响施工成本. 本文将BIM技术与塔机规划的专业知识相结合, 利用Revit的族创建了塔机族库, 实现了标准塔机的重复利用, 提高了前期策划效率. 在此基础上, 利用Revit的API开发了计算机辅助塔机规划系统, 实现了塔机型号管理、塔机数量的预估以及塔机布置与定位, 为超高层建筑的塔机规划提供了三维辅助工具, 有助于提高效率、减少规划的失误.