数字化模型在装配整体式预制建筑设计中的应用

王 恒

（南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210000）

南通市北城小学北校区项目方案设计阶段开始于2016年7月，作为江苏省南通市第一批进行装配整体式预制建筑设计的中小学校舍项目，在设计过程中对合理划分预制式及现浇式区域以及从设计初期把控预制装配率，不出现因预制装配率不达标而引起设计过程反复等技术问题进行分析，结合数字模型软件，探索出了解决途径。

1 工程概况

南通市北城小学北校区项目位于江苏省南通市港闸区，永达路以南、友谊路以西、纬一路以北所围合地块内，地块西侧毗邻秦灶河。建筑性质为南通市北城小学北校区（60班小学）的教学及辅助用房等，总建筑面积32282.43㎡。其中主要包括四栋主要建筑建筑，如下所述。1）01#教学楼为地上四层外廊式教学楼，建筑面积5330.84㎡；2）02#教学楼、行政办公楼、多功能厅包括地上四层外廊式教学楼、内廊式办公楼及地上二层多功能厅，建筑面积为6804.64㎡；3）03#科艺图文综合楼、报告厅包括地上四层科艺图文综合楼及地上一层报告厅，建筑面积为6869.27㎡，下部为07#地下室；4）04#学生食堂、体育馆为地上三层食堂及体育馆，学生食堂位于地上一二层、体育馆位于地上二层，建筑面积为6291.46m2；规划要点中，要求该项目整体预制装配率不低于50%。

2 装配整体式预制建筑设计

2.1 装配整体式预制建筑设计的应用区域

装配整体式预制建筑设计应用的平面及体型宜简单规则。该项目中，教学楼的教室、行政办公楼的办公室等区域，较符合装配整体式预制建筑设计的条件；而多功能厅、体育馆等部分，则由于空间跨度较大、内含功能较多导致平面及造型不规则，不宜应用装配整体式预制建筑设计，因此该工程根据各个单体实际情况进行不同深度的装配式设计，如下：1）该项目01#教学楼、02#教学楼、行政办公楼、03#科艺图文综合楼，为装配整体式预制建筑。结构体系为装配式整体框架结构；内外围护采用装配式NALC蒸压加气混凝土内、外墙板。装配式吊顶、地面干式铺装按照建筑实际使用功能按需设置。2）除上述单体外，02#多功能厅、03#报告厅、04#学生食堂、体育馆，结构体系为现浇框架结构；内外围护采用装配式NALC蒸压加气混凝土内、外墙板。装配式吊顶、地面干式铺装依建筑实际使用功能按需设置。

2.2 方案阶段采用Google SketchUp平台搭建数字化模型进行预制装配率计算的应用目的

相对预制装配率的手工计算，通过Google SketchUp软件平台搭建数字化模型能够根据建筑信息模型所包括的参数信息，自动形成计算表格，最终应用各类同平台辅助插件以及其他软件，由计算机得出准确的计算数据，从而在数据计算流程上避免了人工干预所造成的计算错误以及统计疏漏。

并且，由手工方式进行计算，计算人个体的不同或者同一计算人对相同项目进行多次计算后，均有很大概率因各类计算或统计错误从而得出不同的计算结果，但是采用自动生成的方式进行该数据的计算，能够保证每次得出的数值均是准确和一致的。

计算机自动计算与手工计算相比，二者在计算效率方面完全不在一个数量层级，前者能够在数秒钟内得到预制装配率计算结果，而手工计算则需要数个小时。

准确的预制装配率计算需要在建筑施工图完成后才能开始该部分的工作，但是此时间节点却是项目设计的后期阶段，假如一旦预制装配率不达标，再对建筑方案进行修改，则会遇到很大的阻力，造成时间成本和资金成本的提高，甚至导致设计方案和施工图推翻重做[1]。

针对上述问题，采用Google SketchUp软件平台对建筑项目进行控制，则在项目实行的早期得到预制装配率的数值，虽然在该阶段所得到的数值无法做到绝对精确，但是其准确度在宏观层面，能够被限定在一定范围，对后续的设计过程不会产生重大影响。

因此采用该方法能够在早期、中期和后期各个阶段得到该阶段所能够得到的预制装配率计算结果，进而在项目设计的推进过程中不断对该数值进行微观修正。

同时，由于能够准确、低成本、高效和全面得到预制装配率计算数值，并且提供直观可视的技术模型，能够为建设方和深化设计方提供相应的参照，对其项目决策和设计决策提供有利的客观数据支撑，大量减少沟通成本[2]。

2.3 建模计算法的技术路径及原理

2.3.1 软件介绍

首先Google SketchUp不是以建立建筑信息模型为开发目的软件，而是以提供快捷简便的空间建模方式，以求在建筑设计方案阶段实现快速形体推敲等功能的建筑草图软件，其本身无法承载过多信息，但由于软件本身操作简单，一般建筑师均能熟练掌握，其他专业在短时间培训后也可快速上手；并且行业的应用度广泛，建模成果直观；以及其平台接口开放，目前有大量机构以Google SketchUp平台为基础，采用Ruby语言进行各类插件的二次开发，极大地扩充了原软件的功能，因此在Google SketchUp平台上进行预制装配率计算完全具有可操性。

使用Google SketchUp建立建筑工作模型进行预制装配率自动计算需要使用如下软件：AutoCAD、Google SketchUp 2015版及以上、SketchUp Fredo6插件集、Group push/pull插件及Microsoft Excel软件。

2.3.2 数据提取原理

按照江苏省出台的预制装配率计算控制文件，预制装配率计算分为四个部分，即Z1、Z2、Z3和αi部分。前三部分分别代表着结构体、内外维护体、装修体中的预制构件所占比重，而αi则是额外的加分权重项。采用构件法进行建模工作，能够将前三部分的数据自动识别、提取和计算，见表1。

表1 预制装配率计算分项示意表

2.3.3 实例演示

以02分项教学楼为实例，进行分步建模，统计预制率。

2.3.3.1 阶段1：CAD源文件梳理

结构：现浇柱平面图、现浇梁平面图、现浇板平面图、预制柱平面图、预制梁平面图、预制板平面图及现浇楼梯剖面图、预制楼梯剖面图。

建筑：预制墙体平面图、非预制墙体平面图。

预制装配率统计中的Z1、Z2、Z3项指标的自动计算实际上是一个求和累积再进行比率计算的过程，其数学计算规则并不复杂，重点在于基础数据的提取与统计。

首先，装配式建筑本身是基于一个个构件实体来组成整个建筑的，采用Google SketchUp遵循装配式建筑的生成逻辑，对各类构件进行快速建模，得到准确、直观的工作模型；随后，使用插件自动对工作模型中各类构件的数据进行识别、分拣和统计，进而最终得到在该设计阶段所能够得到的最精确的预制装配率计算结果。

2.3.3.2 阶段2：Google SketchUp快速建模

将CAD源文件分别根据实际建造情况建立模型后进行组合，得到地上一层建筑的基本模型，如图1所示。

图1 一层结构梁板柱模型图

2.3.3.3 阶段3：基础模型归纳整理

经过上述步骤，得到基础的工作模型，现根据预制装配式建筑预制率统计所需的各单项数据，将基础工作模型中的各分项群组进行归纳、整理。

利用Google SketchUp图层功能，对各分项结构、建筑以及内装构建进行分类，在CAD源文件中即按上述分类对各图元的图层进行设置，导入后自动继承图层属性，图层设置如图2所示。

对模型进行图层分类，可通过以下两种方法：1）在CAD源文件中即按上述分类对各图元的图层进行设置，导入后自动继承图层属性；2）建模完成后，在模型空间内选择各图元、群组，分别给予图层属性。如下图3所示。

图3 设置各类构件图层

图层设置完成后，可通过勾选“可见”，来开关不同图层，从而方便于进行快速选择以及核对修正等操作。

为便于工作进行以及汇报展示，可使用“材质”功能对各不同类型构件赋予不同色彩，增强模型展示的直观感受，材质可自由命名，原则上应与图层名称一致，如图4所示。

图4 设置各类构件材质

通过以上方法，得到较为完善的装配式建筑模型，以北城小学02#教学楼为例，组合后的整体模型如下图5所示。

图5 02#教学楼数字化模型完成图

2.3.3.4 阶段4：分项数据提取

图层归类完成后，选择需要提取数据的群组，使用Fredo6插件中的“实体体积”功能，自动计算所选群组的体积，如图6所示，教学楼2层预制梁共111根，体积总和为120.41立方米。

又如图6，教学楼1层整体现浇板和叠合板现浇层的现浇体积总和为131.10立方米，合计164块楼板。以上统计结论可右键直接导出为Excel表格进行储存。

图6 构件数据提取图

以上为体积数据的提取，在Z2分项中，提取的面积通常为投影面，而Fredo6插件中的面积一般为实体所有面的总面积之和，针对这种情况，使用“材质”功能手动对需要统计的面进行区分，操作如下图7所示。

图7 通过材质功能区分面

接上述，以一间教室的墙体面积计算为例，软件中无法自动进行投影面面积的计算，因此，利用材质功能，对需要计算的面进行区分。选择其他颜色，命名为投影面，赋予墙体最大的计算面，再进行自动统计，得到详细数据如下图8所示。

图8 统计墙体面积

通过上述统计方法自动统计出Z1、Z2、Z3指标所需的各项基础数据后，根据江苏省装配式建筑装配率计算规则进行Excel表格的填写，即可快速、准确地得到所建立模型建筑的各项装配率指标。以上基础操作思路，总结如下：1）确立正确清晰的计算思路；2）扎实有序地整理好各类型构件的CAD源文件；3）利用SketchUp Fredo6插件集、Group push/pull插件等优秀插件，快速准确建立Google SketchUp模型；4）对应计算表格，对计算模型进行归类整理；5）使用插件依次依项生成数据，完成表格填写。

由上述操作，在建筑方案阶段即可对项目的预制装配率进行大致计算，保证后续的施工图设计阶段基本不会出现反复设计的情况。

3 装配整体式预制建筑设计成果

经方案阶段合理划分了装配式设计的应用区域以及使用数字化模型稳固建筑形式，在后续的施工图设计阶段中，统计出正确的装配率。

3.1 Z1 主体结构和外围护结构预制构件

南通市北城小学北校区项目采用装配式整体框架结构的建筑设计的单体，其主体结构除部分单体一层柱及屋面板采用现浇外，其余一层楼面以上结构部分采用预制装配整体式框架结构，结构主体竖向构件采用预制混凝土框架柱；水平楼面梁采用预制混凝土叠合梁；标准层楼梯采用预制混凝土梯板；楼板采用预制非预应力混凝土叠合板。

3.2 Z2 装配式内外围护构件

该工程外围护采用外挂NALC蒸压加气混凝土外墙板。

3.3 Z3 内装建筑部品

该工程内装部分的装配式设计包括装配式吊顶、干式铺装楼地面以及预制栏杆。

以02#教学楼、行政办公楼为例，所统计出的预制装配率指标如下。Z1 主体结构和外围护结构预制构件：20.07%。Z2 装配式内外围护构件：22.38%。Z3 内装建筑部品：6.46%。S 创新加分项：4%。02#教学楼、行政办公楼预制装配率合计：52.91%。

经施工图阶段的计算，该项目的整体预制装配率与上述结果基本吻合且不低于50%。

4 结语

装配式建筑是未来建筑产业的发展方向，数字化模型同样是未来建筑设计行业的得力助手，该文提供的根据建筑条件灵活应用装配式设计以及使用数字模型从方案前期把控装配率的实用方法，目的是希望为类似项目提供参考。正如该文所述，使用数字化模型应贯彻到建筑设计的每个阶段，特别是方案设计前期阶段，利用如Google SketchUp平台，通过各类插件，将本不是以建筑信息模型为开发目的方案造型设计软件转变为具有类BIM性质的操作工具且具有上手简单、功能全面等优点，对在方案初期把控预制装配率，具有一定的积极意义。