2. 武汉大学 地球空间信息技术协同创新中心, 湖北 武汉430079;
3. 广西大学 海洋学院, 广西 南宁 530004
2. Collaborative Innovation Center for Geospatial Technology, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
3. School of Marine Sciences, Guangxi University, Nanning 530004, China
随着中国30多年的改革发展, 建筑业已经成为国民经济的重要支柱产业；同时, 国际建筑市场开放度进一步提高, 资金、技术、劳动力等生产要素出现跨国流动趋势, 我国建筑企业海外项目投资近年来增速迅猛[1].随着我国宏观经济下行压力的加大, 房建行业面临着房地产市场持续低迷, 房屋新开工面积不断下降的“新常态”[2], 同时房建企业间日益激烈的竞争造成房建企业利润率普遍下滑.建筑行业是一种需要消耗大量自然资源与能源的行业, 为了资源与环境的可持续发展利用, 推动绿色建筑和绿色施工已成为世界各国的共识, 绿色施工已成为建筑业主要的发展方向.绿色施工要求在保证工程质量、安全等基本前提下, 尽可能地节约资源减少浪费[3].为了满足绿色施工的要求和资源环境的可持续发展, 保证施工企业的项目利润率和竞争力, 建筑施工精细化管理成为当前建筑企业施工管理的必然趋势.
木质模板因使用灵活、加工方便以及较低的综合单价, 被广泛地用在房建施工的主体工程施工阶段, 模板的施工和管理关系到整个工程的质量和施工成本, 但是经过调查研究发现, 国内的房建企业在模板计算及管理方面面临着如下共性问题. 1) 缺少精确计算模板用量的方法, 目前施工企业依然采用手工方式计算模板用量.采用该方法计算得到的用量与使用实际用量差别较大, 造成施工企业难以精确备料, 给施工企业带来较大的仓储、运输和租赁压力, 这一点在海外施工项目中尤为突出(因为施工工艺和工人的施工习惯不同, 施工中使用的模板需要从国内运到当地).2) 模板施工管理粗放, 因为缺少精细化管理方法和依据, 模板施工管理粗放, 造成工人在施工过程中随意对模板加工和施工, 不仅造成了模板的大量浪费, 同时给施工带来安全隐患, 使返工率增高, 施工成本增加.
建筑信息模型(building information model，BIM)是以三维数字技术为基础, 集成了建筑工程项目全生命周期过程中的所有信息, 是对工程项目相关信息的详尽表达[4-5].随着BIM技术的发展, 该技术已广泛应用于房屋建筑领域.研究表明, 在设计阶段, 使用BIM技术可以把房建的各参与方的不同设计成果置于统一的3D设计环境中, 从而减少因专业不同和沟通不畅造成的“信息孤岛”和设计冲突[6], 提高建筑的设计质量, 避免后期设计的更改[7], 并且基于BIM的工程预算分析更加高效灵活和准确[8].在施工阶段, 使用BIM技术能够对施工过程进行动态管理[9], 提高施工质量[10], 节约施工成本, 缩短施工工期, 并且能够显著地降低建筑后期的维护成本[11].
在房建施工过程中, 使用BIM技术能带来很多益处, 国内的学者根据我国的国情和建筑规范对此进行了大量的研究.在施工成本预算方面, 广联达的系列造价软件基本解决了房建施工过程中钢筋混凝土等主要建筑材料的预算与造价管理问题.范喆[12]综合应用4D-CAD技术和BIM技术, 构建了施工阶段的4D施工资源信息模型、施工成本的实时监控及工程进度款的支付与管理.胡振中等[13]构建了施工现场及设施实体的4D时空模型, 提出施工现场物理碰撞检测的算法, 使用该模型对施工现场进行合理规划和实时调整.许娜等[14]创建了基于BIM技术的建筑供应链协同模型, 实现建筑供应链系统协同的动态优化过程和预测预报.该模型技术可以有效管理、协调和控制建筑供应链系统.王宇佳等[15]介绍了BIM技术在施工管理中的优势, 从施工的角度探讨了BIM技术对于推进施工过程管理精细化、信息化的重要意义.针对管道工程中预制管段、支架及管组等深化设计的具体需求, 胡振中等[16]引入了BIM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.但是当前对BIM技术对房建施工中的应用研究主要集中在钢筋混凝土等主要的施工材料的预算与管理以及施工现场的宏观管理和控制, 缺少对像模板这种在主体结构施工中使用广泛的辅助材料的精确预算和管理方法的讨论.为了解决当前施工企业在模板预算与管理方面的问题, 本文提出基于BIM技术的模板计算方法和管理模型.该方法首先根据结构施工图纸、模板施工方案以及模板施工技术及规范创建主体工程的BIM模型；然后结合模板施工技术和施工规范利用创建的建筑物BIM模型计算出建筑物的模板施工表面；最后在计算得到的模板施工表面上计算建筑构件所需的模板, 在计算的同时生成了模板用量报表、模板加工图纸以及模板施工图纸供施工单位采购和管理模板施工.
1 创建BIM模型根据建模方法的不同, 可以把三维模型分为线框模型、表面模型及实体模型.在施工时, 辅助材料主要应用在建筑构件的表面, 同时表面模型的渲染效率较高[17], 所以该方法使用表面建模表示建筑物的三维模型.为了描述建筑模型表面的孔洞, 使用带约束条件的Delaunay三角网构建建筑物的表面[18].
采用参数化建模的方法创建所需的BIM模型, 根据不同的建筑构件类型, 定义了不同的构件对象, 如墙、梁、柱、顶板、门窗等构件对象, 并把构件的特征属性抽象为构件对象的特征属性[19-20].在创建建筑构件的BIM模型时, 首先根据施工图纸和施工方案设置构件对象的属性信息实例化一个构件对象；然后在模型绘制界面确定构件对象的空间位置, 即完成一个建筑构件的BIM模型创建, 如图 1所示.
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图 1 建筑构件的属性设置和创建的BIM模型 Fig. 1 Setting attributes of building component and BIM models by parametric building modeling |
模板是一种临时性混凝土成形使用的模具, 按设计要求制作, 使混凝土结构、构件按规定的位置、几何尺寸成形, 保持混凝土结构的正确位置, 并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷载, 如图 2所示.
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图 2 模板施工示意图 Fig. 2 Template-construction schematic |
模板施工时, 因为构件之间的相交或自身存在一些孔洞(本文把施工表面上存在的门窗洞口统一简称为洞), 需要的模板规格不同.以木质模板为例, 市场提供的是固定尺寸的多层胶合板或竹胶合板等板材(比较常用的是宽高分别为1 830 mm×915 mm和2 440 mm×1 220 mm两种规格的板材), 因此需要对规则模板进行再加工, 使其成为施工所需要的不同尺寸的板材.
施工时, 一般以施工组为单位, 若干个构件或一层的建筑构件同时进行施工.为了节约模板的用量, 减少模板加工带来的浪费, 以一个施工小组为单位集中加工该小组所需的模板.模板的计算可以抽象为：用一种宽和高分别为w和h的固定矩形通过整块覆盖或者裁剪覆盖的方法去完全覆盖一组带有孔洞的多边形, 这些不规则多边形使用尽可能少的规则矩形裁剪得到；最后给出覆盖方案和不规则多边形的裁剪方案, 其中覆盖方案即为模板施工方案, 裁剪方案即为模板的加工方案.
2.1 模板施工方案从一个施工组中选取一个施工面使用w×h(不同的建筑构件要求模板排列的方向不同, 为了讨论的方便, 不失一般性地假设模板均横向排列)的格网对墙面进行划分, 如图 3所示.图中, 黑线为划分的格网, 对不足一个格网的按照一个格网计算.在不考虑孔洞的情况下, 每一个格网是一个模板的位置, 在确定模板的位置后, 可以进行拆分和裁剪运算, 得出初步的模板装配方案.当确定完模板位置后, 需要对以下2种情况进行处理.
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图 3 模板布设 Fig. 3 Template deployment |
1) 模板与墙的关系.当铺设的模板超出墙面时, 如图 4所示的上边缘和右边缘, 只需将边缘的格网与墙面求交.
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图 4 洞在模板内部时模板拆分方法 Fig. 4 Template-splitting method due to holes withintemplate |
2) 模板与墙面中洞的关系.a)当模板被包含在一个洞中时, 直接删除该模板；b)当洞被包含到一个模板中时, 为了加工和计算的方便, 把模板拆分成如图 4所示的4部分; c)模板和其他情况洞的处理方式为:把剩余的每一个模板块记为Ki(i=1, 2, 3, …, n), 剩余的每一个洞记为Hj(j=1, 2, 3, …, n), 对剩余的块与洞进行差值运算, 即
| $ {k_i} \leftarrow {k_i}-\bigcup\limits_{j = 1}^m {{H_j}} . $ | (1) |
如此操作之后, 可得一个可行的初始模板铺设方案, 如图 3所示.图中, 阴影填充部分为孔洞, 灰色部分为模板.
初步的模板布设方案中, 有些模板的布设不符合施工要求(施工时要求尽量使用整块模板, 需要裁剪的模板尽可能地布设到边角, 并且要求需要裁剪的模板尽可能地在一块规则模板内), 因此需要对模板的初步布设方案进行调整, 使方案更符合施工和模板加工的要求.例如图 5(a)所示, 6号和9号模板均为经过裁剪的模板, 最合理的布设方式为6号与8号合并后通过与规则模板求交, 生成新的6号模板；剩余的部分与9号模板合并生成新的9号模板, 如图 5(b)所示, 调整位置后的模板加工方案比较合理.
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图 5 模板方案调整 Fig. 5 Adjustment of template-deployment scheme |
不同构件的模板按照施工工艺和现场条件的不同, 可能有不同的施工顺序, 以由左至右为例调整模板.若模板A的宽度小于整板的宽度, 判断是否存在模板B(见图 6), 若存在, 按照如下方式进行操作.
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图 6 AB模板的几种相邻情况 Fig. 6 Adjacent AB templates |
1) 将模板A与模板B合并, 获得两个模板的并集.
2) 判断并集的宽度, 若并集的宽度小于整板的宽度, 则直接合并；若并集的宽度大于整板的宽度, 则将并集和规则模板求交, 将获得的交集作为当前的模板A, 并将模板B剔除后继续处理, 同时按照步骤3) 判断差集.
3) 用并集与交集进行求差, 获取差集, 差集中所有的多边形都添加到待处理多边形中.按照上述方式依次进行左右方向的判断, 直到最右侧最后一块多边形判断完成.
由下至上方向的模板调整需要判断两块模板上、下方向是否存在公共区域, 其余计算方法和左、右方向一致.
2.2 模板加工方案规则模板的加工方案是实际施工过程加工规则模板的方法, 通过对规则模板进行裁剪得到施工所需不规则(各种规格)模板的方案, 规则模板加工时要尽可能地利用每一块规则模板, 即若干个不规则模板可以拼接到一个规则模板内的同时, 具有最大的面积, 最大程度地减少耗材.
为了方便叙述, 将不规则模板块记为：Ki, i=1, 2, 3, …, n, 通过Ki之间的不同排列组合, 产生最少的规则模板.这些不规则模板的排列组合方式, 即为施工过程中加工模板的方案.
不规则模板的排列组合是得到模板加工方案的关键, 不规则模板的具体排列组合如下.当给出Ki与Kj的一对顶点之后, 需要列举出这一对顶点的所有可能的重组方案, 然后从所有可能方案中选取一种最优组合方案.假定每一个顶点连接的两条边相互垂直, 在二维的情况下, 只需要给出一个对应点以及两个相互垂直的对应方向, 即可计算相应的变换参数(即一个正交矩阵和一个平移向量), 每一对顶点会有8种连接关系.假设Ki的一个顶点对应的两个方向分别为
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图 7 两块不规则模板的拼接情况 Fig. 7 Stitching templates |
| $ \begin{array}{l} \left. \begin{array}{l} \left( {\overrightarrow {{A_i}}, \overrightarrow {{B_i}} } \right) \leftrightarrow \left( {\overrightarrow {{A_j}}, \overrightarrow {{B_j}} } \right), \\ \left( {\overrightarrow {{A_i}}, \overrightarrow {{B_i}} } \right) \leftrightarrow \left( {\overrightarrow {{A_j}}, -\overrightarrow {{B_j}} } \right), \\ \left( {\overrightarrow {{A_i}}, \overrightarrow {{B_i}} } \right) \leftrightarrow \left( {\overrightarrow {{B_j}}, \overrightarrow {{A_j}} } \right), \\ \left( {\overrightarrow {{A_i}}, \overrightarrow {{B_i}} } \right) \leftrightarrow \left( {\overrightarrow {{B_j}}, -\overrightarrow {{A_j}} } \right), \\ \left( {\overrightarrow {{A_i}}, \overrightarrow {{B_i}} } \right) \leftrightarrow \left( {\overrightarrow {-{A_j}}, \overrightarrow {{B_j}} } \right), \\ \left( {\overrightarrow {{A_i}}, \overrightarrow {{B_i}} } \right) \leftrightarrow \left( {\overrightarrow { - {A_j}}, - \overrightarrow {{B_j}} } \right), \\ \left( {\overrightarrow {{A_i}}, \overrightarrow {{B_i}} } \right) \leftrightarrow \left( { - \overrightarrow {{B_j}}, \overrightarrow {{A_j}} } \right), \\ \left( {\overrightarrow {{A_i}}, \overrightarrow {{B_i}} } \right) \leftrightarrow \left( { - \overrightarrow {{B_j}}, - \overrightarrow {{A_j}} } \right). \end{array} \right\} \end{array} $ | (2) |
为了表述方便, 以图 7中的块1和块2为例进行说明, 假设块1的面积为S1, 块2的面积为S2, 规则模板的面积为S, 拼接后的面积为Su, 若S1+S2 > S, 则块1和块2不能组合到一块模板中；若S1+S2≤S, 则有可能进行组合.若能够组合, 则选取任意一对顶点开始拼接, 此处均选择左下点进行拼接, 得到的8种组合方式如图 7所示.
首先判断每种组合的最小包围盒与规则模板的关系.若最小包围盒大于规则模板, 则表明块1和块2不能由一块规则模板拼接而成, 直接删除这种组合；然后判断每一种组合S1+S2与Su的关系, 若S1+S2>Su表明两块有交集, 舍去这种组合；剩余的组合中最小包围盒的面积最小者即为当前顶点对组合的备选最优组合方式.对每一个顶点按上述方法组合, 取最小包围盒的面积最小的备选最优组合作为这两块的最优组合.
得到最优组合后, 把块A与块B的组合作为新的块A, 删除块B.再次搜索组合新的块B, 直到搜索不到新的块B时组合完成.
2.3 模板编号模板施工图给出每一个模板在施工面的具体位置, 而模板的具体尺寸和加工方法在模板加工图纸中, 因此需要一个唯一的编号使施工图上的模板和加工图纸中的模板相对应；同时, 施工图上的模板可能是通过加工旧模板(包括旧的规则模板和不规则模板)得到的, 因此要求能够通过这个标号快速地检索出模板的加工过程.
以最初的一块基础模板为基本单位, 采用树形编码的方式对模板进行编号, 即每一块模板都保存两个编号.一个为自身的编号(ID), 一个为父模板的编号(FID)指向父模板, 父模板是指裁剪加工得到当前模板的模板, 如图 8所示.在进行模板组合时, 每组合一块模板, 都需要给该模板设置一个唯一的ID；同时把父模板的ID作为该模板的FID, 并把这两个编号赋给模板施工图上的同一块模板, 模板施工图中的模板同模板加工图中的模板通过ID进行关联；最后从同一个基础模板裁剪得到的模板均保存在该基础模板中, 其中基础模板的父模板编号为空.在查找施工图上模板的加工方案时, 首先根据施工图上模板的ID在加工图中检索到对应的模板和基础模板；然后根据FID向上进行遍历, 当FID为NULL时终止遍历, 得到该块模板的加工过程, 如图 9所示.图中，虚线为根据FID的遍历路线，实线箭头为模板被加工过程.当模板计算完成后, 为了模板施工图纸和加工图纸的清晰美观, 同时为了方便在施工时对模板进行管理, 使用“组号_编号”(编号按照施工顺序由小到大进行排列)这种更加简洁的编号形式对树形编号进行映射, 最终生成的模板加工图纸和模板施工图纸如图 10所示.图 10(a)中，外包围矩形为规则模板，带编号的多边形为要加工的模板，图中给出每一块模板的加工尺寸和编号；图 10(b)中，每一个带编号的多边形为一个模板，编号和加工图纸中的编号对应, 在施工时首先根据加工图纸集中加工模板，然后根据施工图纸进行施工.
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图 8 模板树形编号 Fig. 8 Template tree-form number |
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图 9 模板施工图上模板加工方案查找方法 Fig. 9 Method of searching for template working plan in template-construction drawing |
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图 10 计算生成的模板加工图纸和施工图纸 Fig. 10 Template-processing drawings and template-construction drawings |
模板用量计算完成之后, 对每一组要使用的模板材料进行统计, 生成模板用量报表, 供施工单位合理安排模板材料进场和管理模板施工, 生成的模板用量报表如表 1所示.
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表 1 模板用量报表 Table 1 Generated dosage report |
施工企业当前使用的模板管理流程如图 11所示.在该管理模型中, 使用手工计算模板的用量, 计算的模板用量与实际的施工用量差别较大；同时, 在施工时采用边加工边施工的方式, 在加工和施工的过程中缺少监管, 会造成模板材料的浪费, 增加施工成本.
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图 11 当前使用企业的模板管理流程 Fig. 11 Original template management model |
根据提出的模板计算方法, 提出新的模板管理模型, 如图 12所示.在新的管理模型中, 首先计算每一组的模板用量报表、施工图纸和加工图纸, 施工企业根据生成的用量报表采购模板材料；然后根据加工图纸集中加工施工每一个施工组所需的模板, 在分发环节根据每一组的用量报表和施工图纸分发模板材料, 在施工时根据施工图纸指导工人按照图纸施工；同时, 引入奖惩机制, 在施工完成后根据用量报表和施工图纸统计每一组的损耗率, 若小于允许的损耗率, 则对施工组进行奖励, 否则需要赔偿.
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图 12 提出的模板管理模型 Fig. 12 Proposed template management model |
与施工企业原来的管理流程相比, 新的管理模型按照施工组计算模板的用量更符合施工实际；同时, 按组集中辅助材料能够减少模板的浪费, 并且在材料分发和施工过程中加强了监管, 同时引入了奖惩机制, 有助于施工企业实现模板材料的精细化管理.
4 实验分析为了检验该方法的正确性与有效性, 在山西农业大学生物工程综合实验大楼项目对该方法进行验证.综合实验楼的总建筑面积为19 989.3 m2, 地下一层, 层高4.2 m, 地上六层, 层高3.9m, 总建筑高度为23.85 m.
4.1 与原来的模板计算方法比较在使用该方法之前, 施工单位采用手工的方式计算模板的用量(根据结构图纸手工计算施工面积, 再根据施工面积核算出模板的大概用量), 本文称为“手工计算量”, 实际的使用量称为“实际用量”.选择综合实验大楼的负一层和第一层, 使用原来的模板计算方法和施工方式进行施工, 手工计算得到的模板用量、实际用量以及使用该方法计算得到的模板用量对比如图 13所示.图中，A为模板块数.
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图 13 手工方式和本方法计算的模板施工面积和用量以及实际的施工面积和用量 Fig. 13 Comparison of template requirements: manual calculation, calculation using proposed method and actual dosage |
通过分析图 13中的用量, 可以得到如下结论.
1) 使用该方法计算得到的模板施工面积与实际的施工面积基本相同, 而手工计算的施工面积大于实际的施工面积, 采用该方法计算得到的结果更加准确.
2) 使用手工计算的模板用量比实际用量多了约20%.同时, 模板的实际用量比使用该计算方法计算得到的量多了约28%.这主要是因为在施工时缺少对模板的精细化的管理, 在材料加工的过程中存在着大量浪费, 因为在施工现场, 工人更喜欢剪裁整块的模板得到所需的模板.
4.2 同原来的模板管理流程比较为了检验提出的模板管理模型, 选取两个施工面积同为2 738.5 m2的标准层(结构完全相同), 分别按照原来的管理方式和提出的管理模型进行施工.最终所使用的模板用量如图 14所示.
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图 14 原来的模板管理流程和本文提出的管理模型的模板用量 Fig. 14 Template requirements determined by conventional and proposed management model |
通过分析使用这两种模板管理模型进行施工所使用的模板用量, 可以得到如下结论.
1) 使用原来的管理流程进行施工, 模板的用量比本文的管理模型所使用的模板量多了约26%, 在加工和施工过程中存在着大量的浪费, 这种管理方式不利于节约施工成本.
2) 使用该方法计算得到的辅助材料用量更精确, 更符合施工实际；同时使用本文的辅助材料管理模型能够有效地降低模板的用量, 模板的用量减少了约26%, 使用该管理模型能够有效地降低施工成本.
5 结论(1) 使用本文方法计算得到的模板材料用量准确, 使用该计算方法能够解决施工企业因模板预算不准确造成的施工成本增加的问题.
(2) 与施工企业现有的模板管理方法相比, 使用本文的辅助材料管理模型管理模板材料施工, 能够有效地降低加工过程中的浪费, 降低施工成本和节约材料用量, 帮助企业实现模板材料的精细化管理, 有助于施工企业实现绿色施工.
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