基于BIM技术的铝合金模板设计软件研究与开发

(1.中国建筑科学研究院深圳分院，深圳 518057； 2.广州合润铝模架安装有限公司,广州 510220)

1 引言

目前在国内建筑施工过程中，铝合金组合模板(以下简称铝模板)正以其具有绿色、低碳、经济、方便、施工质量好等多种优点，逐步成为建筑项目施工首选的模板材料，大量的住宅项目都开始采用这种施工技术。同时国家住建部和各地住建局也都在积极鼓励在建筑施工推广、应用铝模板这种绿色施工技术。

在铝模板施工中，最重要特点就是在工厂生产加工铝模板、运输到施工现场进行拼装，形成可施工的模板。目前在施工现场中没有铝模板的加工设备，因此要求出厂的铝模板必须进行精准设计和加工，若运输到施工现场后才发现错误，会导致无法拼装，影响施工进度，同时铝模板必须重新设计和生产加工，导致成本大幅攀升。可见，铝模板设计是铝模板施工的龙头，设计成果的质量直接影响后续的施工及公司的利润。

国内目前铝模板设计工作中超过80%的内容还是依赖设计师手动设计，在铝模板施工时，不仅要完成结构主体构件设计，还要把建筑部分(滴水、外围线条、压槽等)的构件包含进去，这样形成了更为复杂的三维结构体，增加了设计工作量，更加大了设计的难度； 在当前计算机技术飞速发展的时期，仍然以人工方式从事这样重复、低效率的铝模板设计工作，不仅是人工的浪费，更影响铝模板这种新技术、新材料的推广。

综上所述，研究和开发出一套专业的铝模板设计软件，变得尤为必要和紧迫。

2 开发语言及平台

AutoCAD是目前在设计行业中应用最为广泛、使用人数最多的CAD软件。同时，ObjectARX二次开发相对其它图形平台更为成熟，它提供了以C++为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口，能真正快速的访问AutoCAD图形数据库，ObjectARX应用程序是一个DLL(动态链接库)，可共享AutoCAD的地址空间，实现对AutoCAD进行直接函数调用。使用ARX编程的函数的执行速度很高，并且ARX 类库采用了标准的C++类库的封装形式，这也大大提高了程序员编程的可靠度和效率。本软件基于AutoCAD开发平台，采用Visual Studio 2010 组件中C++及C#编程语言完成开发的。

3 软件功能介绍

3.1 结构三维建模

结构三维模型是整个软件的核心，它为模板设计过程中的沾灰面计算、模板排布、数据检查等环节提供必要的数据支撑。

结构三维建模采用智能化的人机交互方式，引导用户在操作界面中逐步完成柱、墙、梁、板等结构构件的建立，搭建起楼层的结构构架，在搭建过程中，软件提供多种编辑功能，包括复制、移动、镜像、旋转、延伸、对齐等功能，实现构件的快速排布和准确定位。

图1

在本软件中支持三种模式结构建模：

(1)数据接力

可接力国内常见结构设计软件(SATWE、MIDAS)的模型数据，在减少用户建模工作量、实现快速准确建模的同时，实现结构设计数据与铝模板设计数据间的连通，符合BIM技术思想。

(2)图纸识别

根据国家建筑结构设计规范和相关图集规范，可对AUTOCAD软件电子版dwg格式文件的施工图进行识别。可完成轴线、柱、剪力墙、梁等结构主体内容的识别。对识别完成的内容进行数据分析整理，形成与实际工程完全相符的三维建筑数据模型。

软件支持自动识别和手动识别，可以对批量选中的对象进行识别，也可以单独选中某一个或几个对象进行识别，并支持撤销回退； 软件支持衬图功能，提高识别的准确性和方便性。

(3)手动建立

软件支持纯手动的数据建模，即逐一完成柱、墙、梁、板等结构构件的布置和绘制，形成整层的结构模型。为便于用户建模，软件提供丰富的捕捉、定位功能，以及多种视图控制显示功能。

3.2 铝模板排布及编辑

软件根据建筑构件形体的不同，结合铝模板设计规范、模板施工要求和模板材料规格标准，形成了模板排布的规则库。在模板排布设计时，根据三维结构构件相互位置关系，软件提供模板自动排布、半自动排布、手动排布等多种模板设计方式，以设计师设计理念为主导的同时，也提高了设计效率和准确性。

软件提供丰富的铝模板编辑功能，包括绘制、复制、旋转、移动、镜像、拉伸，拖拽等功能，排布上的模板自动与结构构件建立起关联关系。

3.3 施工模拟展示

软件可在三维视图模式下准确展示出模板的排布情况，配件连接点位置，视图中可显示出模板的尺寸规格，三维视图是模板设计结果的真实展现，尤其在复杂节点位置，可清晰、准确模拟出施工效果，为模板施工提供指导。

为便于查看，把模板按类别划分到不同图层，可进行颜色和显隐控制。

图2

3.4 碰漏检查

铝模板设计排布完成后，对存在模板重叠和设计遗漏的情况，软件可进行三维空间实体运算检查，检查后，相应位置变为警示色，提醒用户进行修正调整。

软件也对各模板连接情况进行准确性检查，对于出现没有连接、孔位或铣槽没有准确对位的模板进行警示色显示。

3.5 设计输出

本软件基于AutoCAD图形平台进行二次开发，因此在设计完成后，直接就可以利用AutoCAD提供的图层控制、线性、比例及布局，打印等多种功能，进行施工图和模板加工图的打印输出，无需导出到其它第三方软件。

软件提供输出模板下料清单和模板用量统计报表功能。以列表形式统计出当前楼层不同分区的模板用量，内容包括模板类别、编号、数量，面积等，根据用户的需求不同，报表输出内容及样式可进行定制。

4 关键技术点

(1)构建基于BIM技术的三维建筑数据平台

模板设计施工在建筑工程生命周期中处于中后期，是建筑生命周期中的重要环节。因此，软件必须可接力上游数据，并将本身的数据信息继续向下游传送，实现建筑信息数据的共享； 其次必须满足工程出现变更时，模板设计数据能快速跟随调整或可局部重新设计。为此，本软件是基于BIM技术进行数据模型设计，三维数据模型中可包含多阶段的数据内容，并可根据数据的增加而进行扩展，实现建筑生命周期中的数据管理和共享。

(2)结构构件沾灰面提取

结构构件沾灰面即铝模板与建筑构件的贴合面。建筑结构形式、施工规范和模板施工工艺决定了结构构件沾灰面的属性。在提取沾灰面时要考虑的因素很多，包括不同类结构构件之间的相交扣减、合并关系； 在构件间关系的基础上还要考虑施工工艺。本软件对结构构件间关系、施工方案和模板工艺等内容整理、并深入研究后，形成了计算机可识别的语言、规则，目前可准确提取出构件沾灰面，并可统计出单个及整层构件的周长、面积等数据，并为后续的模板自动排布做好数据准备。

(3)三维结构模型中的模板排布

铝模板存在多种类别，包括侧板、底板、转角、撑头等，模板有单面、双面、和三面。在模板排布时，软件根据模板类型，可准确放置到构件的相应位置。软件内置模板设计规则库，并提供根据设计师需要，可对规则参数进行调整，符合规则库条件的构件可实现模板自动排布。

(4)配模方案准确性检查

拼装后的铝模板是一个紧密联系的整体，但设计完成的模板是否与结构构件表面完全吻合？不同模板彼此连接是否合理？模板间是否存在交叠碰撞和空隙？这些问题中的某一个问题的存在，将直接影响结构施工。本软件是基于BIM技术进行架构设计，将结构构件、铝模板、模板孔洞、连接配件等多种实体进行三维数据实例化，数据独立建立，通过数据平台再将各种数据有序地联系到一起，因此可以实现铝模板的模拟施工和碰漏检查，会检查出问题点，提示设计师进行修正。

(5)基于AutoCAD图形平台的二次开发研究

本软件中三维建筑结构数据存储于后台数据库中，借助AutoCAD软件二维线条来展示柱、梁、墙、板和模板等建筑实体，并以符合CAD软件的习惯进行编辑处理，实现编辑二维图素，三维数据跟随改变，不改变现有设计人员的设计习惯和操作模式，降低了学习和推广成本。

5 应用效果

为了检测软件的应用情况，我们在多个未借助专业设计软件、已完成设计的铝模板工程上，运用本软件对工程重新设计，进行模拟应用。在应用过程中，本软件可准确地完成复杂截面构件三维建模； 通过软件的智能模板排布和三维实时显示和检查功能，可帮助设计人员准确、快速地完成了复杂节点部分的模板排布，在输出加工图和清单报表方面，也极大地提高了工作效率； 运用碰漏检查功能，可消除模板碰、漏的错误； 因此与原始的设计方法相比，极大地提高了设计效率和质量。

6 结束语

软件采用了许多前沿技术，很好地解决了模板设计中的难点问题。经多个设计项目使用实践证明：该软件除具有技术先进、使用高效的特点外，还有计算详细准确、运行稳定、人机交互性强，用户界面良好、操作方便及便于维护的优点。该软件的成功使用可使设计人员摆脱繁复的重复劳动，把精力和时间用于更重要的设计优化工作中去，以创造更多的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] (美)伊斯曼等著，耿跃云，等译.BIM手册(原著第二版).中国建筑工业出版社， 2016.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.组合铝合金模板工程技术规程(JGJ 386- 2016)中国建筑工业出版社， 2016.

[3] 王文波.2010-AutoCAD二次开发实例教程Object ARX.机械工业出版社， 2013.

[4] 张丹，等.铝合金模板支撑体系中BIM技术的应用价值.四川建筑科学研究.2015(4)

[5] 夏祥斗. BIM+绿色施工技术在高层住宅建筑群中的应用[J].上海建设科技.2017(2).