基于建筑信息模型的房建施工木模板计算及管理方法-郑顺义.pdf

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1、第51卷第1期2017年1月浙 江 大 学 学 报(工学版)JournaI of Zhejiang University(Engineering Science)V0151 No1Jan 2017DOI：103785jissn1008973x201701003基于建筑信息模型的房建施工木模板计算及管理方法郑顺(1武汉大学遥感工程学院，湖北义12，魏海涛1，赵丽科1，黄荣永3武汉430079；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)摘要：针对房建施工过程中木质模板用量预算不准确以及因缺少精细化管理模板的方法，造成施工过程中模板管理粗

2、放，浪费严重，施工成本增加的问题，提出基于建筑信息模型(BIM)技术计算模板用量及管理的方法该方法根据结构施工图纸和施工方案创建BIM模型，结合施工规范计算模板的用量该方法在计算模板用量的同时，生成了模板的用量报表、模板加工图纸和施工图纸，施工企业根据用量报表采购模板材料，根据加工图纸集中加工模板，根据施工图纸管理工人施工，可以有效地减少模板加工过程中的浪费，提高施工速度和质量，最终降低施工成本在山西农业大学综合实验大楼项目中，对提出的方法进行应用结果表明，该方法计算模板的用量精确，按照该方法生成的图纸进行加工和施工能够有效地减少模板的浪费，降低模板的用量，节约施工成本关键词：建筑信息模型(B

3、IM)；模板；模板加工图；模板施工图中图分类号：TU 17 文献标志码：A 文章编号：1008973X(2017)01一001710BIM-based method for calculating and managing wooden templaterequired for housing constructionZHENG Shunyil一，WEI Haita01，ZHAO Likel，HUANG Rongyon93(1 ScoDZ o，RP7竹oP SP挖5i咒g岔nd j筇，o，mnio咒E挖gi卵eeri恕g，V旷“n扎己砌i口Brsify，V旷“n挖430079，Ci咒n；2Co

4、z口60r口i训e J72超。硼io行C8咒grbr GPos户口fi口Z T_c竹oZogy，矿“矗口孢U挖i伽r5i3，W“n扎430079，C硫i”。；3Sc忍ooZ o，缸ri起g Scie挖c已s，G“。，29zi Lhi铆8r5ity，、k押栉ig 530004，Ci挖口)Abstract：A building information model(BIM)-based method of calcuIating and managing the woodentemplate was proposed in order to address the problems of exten

5、sive management and heaVy waste oftemplate and the incensement of construction cost during housing construction resulting from budgetaryinaccuracy of ligneous template usage and a 1ack of comprehensive or highleVel management BIM modelwas constructed according to construction drawings and project Th

6、en the usage of template was calculatedbased on job specification The proposed method can compute the usage of template，and simultaneouslyproduce the dosage report，processing drawings and construction drawings of template which were ut订izedto assist construction enterprises in purchasing template an

7、d centralizing the processing of the requiredtemplate and managing construction respectively The method can efficiently reduce the material waste inthe process，improve the speed and the quality of the construction and thus 10wer construction costs Themethod was successfully applied in a comprehensiv

8、e and experimental bu订ding proj ect at ShanxiAgricultural University，which validated the accuracy of the proposed method in computing the amount ofthe template Construction process that is in compliance with the generated drawings can reduce the usageand waste of temDlate， and save construction cost

9、s收稿日期：20160718 浙江大学学报(工学版)网址：wwwzj ujournalscomeng基金项目：国家自然科学基金资助项目(41671452)作者简介：郑顺义(1973一)，男，教授，从事计算机视觉与BIM技术的研究ORcID：o000一o00155943493Email：syzhengwhuedu-cn万方数据18 浙 江 大 学 学 报(工学版) 第51卷Key words：building information model(BIM)；wooden template；templateprocessing drawing；templateconstruction drawing

10、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3J为了满足绿色施工的要求

11、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

12、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45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

13、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嘲在施工阶段，使用BIM技术能够对施工过程进行动态管理凹，提高施工质量1，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酷1 2综合应用4nCAD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1胡构建了施工现场及设施实体的4D时空模

14、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口钉创建了基于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1朝介绍了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n6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

15、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万方数据第1期 郑

16、顺义，等：基于建筑信息模型的房建施工木模板计算及管理方法 19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1“，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1 8【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口9。2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

17、的空间位置，即完成一个建筑构件的BIM模型创建，如图1所示图1 建筑构件的属性设置和创建的BIM模型Fig1 Setting attributes of building component and BIMmodels by parametric building modeling2模板计算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，使昆凝土结构、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所示模板施工时，因为构件之问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，

18、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 mm915mm和2 440 mm1 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，单位，PoIolInIo主龙骨次龙骨(圆形钢管)(方木)墙模板正立面图 剖面图图2模板施工示意图Fig2 Template-construction schematic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硼和九的固定矩形通过整块

19、覆盖或者裁剪覆盖的方法去完全覆盖一组带有孑L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21模板施工方案从一个施工组中选取一个施工面使用叫矗(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1)模板

20、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2)模板与墙面中洞的关系a)当模板被包含在_ J I霞爹j| I|i|。隧誊l I F、t曩| 。 ：。j|_ I0 ；I 矧 贰i!专冈、_S一 漤。f|j。 j图3模板布设Fig3 Template deployment万方数据20 浙 江 大 学 学 报(工学版) 第51卷洲蕊蕊心沁沁心 鋈图4洞在模板内部时模板拆分方法Fig4 Template-splitting method due to holes withintemplate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

21、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K：(i一1，2，3，咒)，剩余的每一个洞记为Hi(?=1，2，3，挖)，对剩余的块与洞进行差值运算，即是i一是z_，H， (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

22、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

23、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lO lI 12s H。 8 9l 2 3(a)模板初步施工方案1 O II l 2s斟s 91 2 3(b)溯整后的模板施工方案图5模板方案调整Fig5 Adj ustment of templatedeployment scheme蒯脚隘匿驴镯图6 AB模板的几种相邻情况F远6 Adjacent AB templates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22模板加工方案规则模板的加工方案是实际施工过

24、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：K；，i一1，2，3，咒，通过K，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K；与K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，

25、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，即可计算相应的变万方数据第1期 郑，顷义，等：基于建筑信息模型的房建施工木模板计算及管理方法 21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荭和茸，Ki一个顶点连接的两个方向分别为芩和茸，则可以列举出如式(2)的8种可能的对应关系，而对应这8种组合方式，如图7所示(A。，Bi)一(Ai，B，)，(A；，Bi)一(A，一B，)，(Ai，Bi)一(Bi，A，)，(Ai，B。)一(Bi，一Ai)，_+，l -(A：，B：)一(一Ai，Bi)，I呻_一 _(A；，B；)一(一A

26、，一B，)，(Ai，B，)一(一B，A，)，(A：，Bf)一(一B，一A，)(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S。，块2的面积为S。，规则模板的面积为S，拼接后的面积为S。，若s。+S。S，则块1和块2不能组合到一块模板中；若S。+S。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S，+5。与S。的关系，若S，+S。s。表明两块有交集，舍去这种

27、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23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

28、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_- _(a)(彳。B，)一(爿，B，) (b)(爿，B，

29、)一(爿，一B，) (c)(爿，B，)一(B，爿，) (d)(爿，B)一(B，一爿，)训 B熬 B爿， 一溺-宣爿一一爿 1纛。声_ -+(e)(爿。B，)一(一爿，B，) (n(爿，口，)一(一爿，一B，) (g)(爿，日，)一(一口。爿，) (h)(爿，B，)一(一B，一爿，)图7两块不规则模板的拼接情况Fig7 Stitching templates万方数据万方数据第1期 郑顺义，等：基于建筑信息模型的房建施工木模板计算及管理方法 23，。f 0DB501习l 87】350l ，nqnODB3550DB 5080DB512 ODB1 8740DB-】271l 26U 980叫卜-200O

30、DB361ODB51 5 ODI 1 88695U 490ODB1 869，ffODB500)f 0DB504J 0DB1 2701 36n 1()8()0DB354ODB18760DB 5090DB695_1叫3 50P1岬ff 0DB。】888ol0DB5160I ODB520)： ODB1 889 ODB1 2729kPl唑P9虬0DB368(a)模板加工图纸l 22 of ODB1 347 0DB51 0 0D B1 8U址一 上2包U一 -i8LLODB。363ODB 51 3 ODI 1 8821 950 4900DB365。I ODB1 350 ODB526 ODE 1SUU l

31、 4UODB504 DDB53 l ODB508 0DB512 麈 ODB51 6 l ODB520 ODB524 ODB528 枣 j532ODB527ZB ZB 3531ZB ZB ODB526 353CZB ZB 0DB525眨 贮ZB 0DB53 1 i ZB )DB511 ODB5l 5xZB ODB一53。 l ZB )DB5lO 0DB514ODB501 DDB53： l ZB )DB509 ODB51 3羽 隈(b)模板施工图纸图10计算生成的模板加工图纸和施工图纸Fig10 Template_processing drawings and template-construct

32、ion drawings图11 当前使用企业的模板管理流程Fig11 0riginal template management model4 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 9893 m2，地下一层，层高42 m，地上六层，层高39m，总建筑高度为2385 m41 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

33、的模板万方数据24 浙 江 大 学 学 报(工学版) 第51卷图12提出的模板管理模型Fig1 2 Proposed template management model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

34、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_模板用量一模板施工面积图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Fig1 3 Compa“son of template requirements： manualcalculation，calculation using proposed methodand actuaI dosage万方数据万方数据26 浙 江 大 学 学 报(工学版) 第51卷HU Zhenzhong，ZHANG Jianping，ZHANG XinConstruction c01lis

35、ion detection for site entities basedon 4一D spacetime modelJJournal of Tsinghua unjversity：Science and Technology，2010(6)：820一82514许娜，张雷基于BIM技术的建筑供应链协同研究J北京理工大学学报，2014(12)：13151320XU Na，ZHANG Lei0ptimaization of building industry supply chain based on BIM technologyJ Trans-actions of Beijing Institu

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