面向制造和装配的预制建筑参数化设计外文翻译资料

Design for Manufacture and Assembly-oriented parametric design of prefabricated buildings

1. Introduction

Prefabricated buildings that are made of precast components at construction site are a recent trend in China.Although prefabricated buildings have been extensively studied and widely used in some developed countries,prefabricated buildings in China still have a certain research value and significance due to the particularity of each country.Compared with other kinds of prefabricated buildings, prefabricated concrete structure has developed rapidly in China.Prefabricated buildings studied in this paper mainly refer to prefabricated concrete structure.In comparison with traditional cast-in-situ concrete buildings, prefabricated buildings own lots of advantages,such as reducing environmental burdens,saving on-site construction labors,increasing on-site construction quality and efficiency [1 ,2,3].Developers and owners can also gain a rapid return of investment due to the improvements of construction quality and efficiency [4].Therefor，pre-fabricated buildings have a very good development prospect.

Ulrich Bogenstauml;tter points out that design stage determines up to 80% of building operational costs [5,6].Therefore,a good design system (or process) is vital to prefabricated buildings.However,the current design of prefabricated buildings is largely based on the original design system of traditional non-prefabricated buildings,and lacks a suitable method or principle considering the requirements of manufacturing stage and construction stage in prefabricated buildings. In1992, Lauri Koskela,a Finnish scholar，proposed that some mature principles of the manufacture industry should be applied to the construction industry, and then put forward the concept of lean construction according to lean production [7].Design for Manufacture and Assembly (DFMA) is one of mature principles in the manufacture industry.Table 1 shows general DFMA guidelines and their benefits.According to Table 1,DFMA is good to simplify design, manufacture and assembly,save time and costs,improve quality and environment[8,9].According to the research theory of Lauri Koskela, DFMA can also be introduced into the construction industry to improve the current design system (or process) of prefabricated buildings.

If DFMA can be achieved well in the construction industry,a sup-porting technology related to building design is indispensable.In comparison with traditional Computer-Aided Design (CAD), BIM is more suitable for modern building design,and reduces design co-ordination errors and later construction costs [52].The most striking feature of BIM is parametric design,which all entities in BIM are presented in the form of components [12,13].Any modifications inbuilding design will be automatically reflected in other related parts [12].The feature greatly lightens the work of building designers so as to improve design efficiency [14]. Although BIM has made great contributions to the construction industry so far,most ofexisting BIM toolsare developed in the context of traditionalnon-prefabricated buildingsand do not well take into account the new process that building components are produced in factory and moved to construction site forassembly [19].Some functionsrelated to prefabricated building designare not complete in some existing BIM products. Therefore,it is veryurgent to make improvements to current BIM technology to meet therequirements of prefabricated building design. There have been someresearches on BIM applications and improvements in prefabricatedbuilding design so far. Table 2 indicates some researches on BIM applications in prefabricated building design. According to the researchresults shown in Table 2,some scholars have realized that design,manufacture and assembly of prefabricated buildings are not isolatedand should be integrated together when they utilized BIM to solve theproblems encountered in design stage. However,they have not carriedout a systematic and detailed study to improve the design of pre-fabricated buildings.

This paper aims to study how to establish a prefabricated buildinginformation model for construction and its precast component information models for manufacturing, which have good manufacturability and assemblability so as to avoid the manufacture and assemblyproblems in later stage and improve theone-time success rate of design.To achieve the purpose, this paper first analyzes the characteristics ofprefabricated buildings which are different from traditional cast-in-situconcrete buildings, and then try to apply BIM technology to prefabricated building design. However,some limitations are found in BIMapplication process. Therefore, DFMA is introduced to propose theconcept of DFMA-oriented parametric design and develop the process of DFMA-oriented parametric design. Then, in order to make the DFMA-oriented parametric design implemented smoothly,some relevantauxiliary methods are also developed, namely DFMA-oriented architectural design team,precast component creation process based on family template and DFMA, DFMA-oriented BIM redevelopment process,and optimization process of DFMA-oriented prefabricated building information model. These auxiliary methods can also be seen as the refinement of some content in DFMA- oriented parametric design. In theend, some principles of DFMA- oriented parametric design are partially reflected through several examples.

Table1

General DFMA guildelines and their benefits[11,12].

Table 2

Researches on the BIM application in prefabricated buildings design.

1. Characteristics of prefabricated buildings

A prefabricated building is made up of many precast components,and these components are typically produced in a factory and transported to construction site for assembly [23,24,25]. Prefabricatedbuildings can date back to 1940 when t

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面向制造和装配的预制建筑参数化设计

1. 引言

建筑工地预制构件预制建筑是我国近年来的一种发展趋势，尽管预制建筑在一些发达国家得到了广泛的研究和应用，但由于各国的特殊性，我国预制建筑仍具有一定的研究价值和意义。与其他类型的预制建筑相比，我国预制混凝土结构发展迅速，本文所研究的预制建筑主要是指预制混凝土结构，与传统的现浇混凝土建筑相比，预制建筑具有减少环境污染等诸多优点。减轻负担，节省现场施工劳动力，提高现场施工质量和效率[1，2，3]。由于施工质量和效率的提高，开发商和业主也可以获得快速的投资回报[4]。因此，预制建筑具有很好的发展前景。

Ulrich Bogenstauml;tter指出，设计阶段决定了高达80%的建筑运营成本[5,6]。考虑预制建筑制造阶段和施工阶段要求的方法或原则。1992年，芬兰学者Lauri Koskela提出在建筑业中应用制造业的一些成熟原则，然后根据精益生产提出精益建设的概念[7]，制造与装配设计（DFMA）是制造业成熟的原则之一。图1显示了DFMA的一般指导原则及其效益，根据图1，DFMA有利于简化设计、制造和组装，节省时间和成本，改善质量和环境[8,9]，根据Lauri Koskela的研究理论，也可将DFMA引入建筑业，以改进P的现有设计体系（或工艺）。重新建造的建筑物。

如果建筑业能够很好地实现DFMA，那么与建筑设计相关的辅助技术是必不可少的。与传统的计算机辅助设计（CAD）相比，BIM更适合现代建筑设计，并降低了设计协调误差和后期施工成本[52]。BIM最显著的特点是公制设计，所有在BIM中的实体都以组件的形式呈现出来[12,13]，建筑设计中的任何修改都将自动反映在其他相关部分[12]中，这一特点大大减轻了建筑设计师的工作，从而提高了设计效率[14]。尽管BIM对建筑业做出了巨大贡献，但现有的大部分BIM工具都是在传统的非预制构件建筑的背景下开发出来的，并没有很好地考虑到建筑构件在工厂生产并转移到施工现场进行组装的新过程[19]。在一些现有的BIM产品中，装配式建筑设计并不完整。因此，对现有的BIM技术进行改进，以满足预制建筑设计的要求是十分重要的。目前，国内外对建筑预制设计中的BIM应用和改进进行了研究。表2显示了在预制建筑设计中应用BIM的一些研究。根据表2所示的研究结果，一些学者已经认识到，预制建筑的设计、制造和组装不是孤立的，在利用BIM解决设计阶段遇到的问题时，应将它们整合在一起。然而，他们还没有对预制建筑的设计进行系统而详细的研究。

本文旨在研究如何建立一个具有良好可制造性和可装配性的预制建筑信息模型及其制造用预制构件信息模型，以避免后期的制造和装配问题，提高设计的一次性成功率，从而达到设计的目的。为此，本文首先分析了不同于传统现浇混凝土结构的预制构件的特点，然后尝试将BIM技术应用于预制构件设计中。然而，在BIM应用过程中发现了一些局限性。为此，引入了面向DFMA的参数化设计思想，开发了面向DFMA的参数化设计过程。然后，为了使面向DFMA的参数化设计顺利实施，开发了面向DFMA的建筑设计团队、基于族模板和DFMA的预制构件创建过程、面向DFMA的BIM再开发过程、面向DFMA的预制构件优化过程等相关的辅助方法。信息模型。这些辅助方法也可以看作是对面向DFMA的参数化设计中某些内容的细化。最后，通过几个实例，部分地反映了面向DFMA的参数化设计的一些原则。

1. 预制建筑的特点

预制建筑由许多预制构件组成，这些构件通常在工厂生产，并运至施工现场进行组装[23、24、25]。预制建筑可以追溯到1940年，当时它们的应用可以在不同的国家建立，并迅速传播到世界各地[26]。随着装配式建筑的发展，其特点逐渐清晰。与非建筑不同的基本特征如下：

1. 设计标准化。设计标准化是指按照统一的建筑设计规范，对不同功能和形状的预制建筑进行设计。设计标准化的内容包括预制构件标准化和建筑设计过程标准化[3]，标准化有利于积累设计知识，节约设计时间和成本，提高设计质量。
2. 工业生产。工业生产是指大部分建筑构件在工厂按流水生产方式生产，而不是在施工现场铸造。精益生产或建设为企业提供了重要的节约机会[28,30]。由于先进的制造工艺，工业生产有助于实现预制件的精益生产，也为实现精益建造奠定了基础[27, 29]。
3. 装配施工。装配结构也称为模块化结构。指工厂生产的预制件运至施工现场，按照施工图纸或施工信息模型[31]进行组装。有利于促进施工标准化、机械化、信息化，改善施工环境[32]。

3. 带BIM的传统参数化设计系统

3.1 传统的参数化设计过程

现有的许多BIM工具都是在传统的非预制构件背景下发展起来的，如现浇混凝土结构和砖混结构。工业基础类（IFC）标准实现了这些BIM工具之间的数据交换〔44〕。图1为非预制构件传统的参数化设计过程。在图1中，首先是在熟悉设计理念和意图的基础上，建立非预制构件的概念模型。概念模型是由建筑设计团队创建的初步模型，只有粗略的建筑轮廓。第二步是在概念模型的基础上进行详细的设计分析，然后检查BIM中所需的参数分量和功能。如果BIM不拥有它们，则需要通过BIM重新开发或BIM族模板来创建它们。作为世界上最大的三维设计软件公司Autodesk对族的定义，族是一组具有相关图形表示和一组公共属性的元素。如果BIM拥有这些模型，则需要进行下一步，即绘制建筑信息模型并对其进行优化，一些反馈机制对于建筑信息模型的持续优化是必不可少的。最终的结果是输出一个建筑施工信息模型而不是施工图来指导现场施工。在图1中，应注意，“Y”表示是，“N”表示否。

图1. 非预制构件的传统参数化设计过程

3.2 当前预制建筑设计的局限性

参数化设计意味着BIM中的所有实体都以组件的形式呈现。BIM的特点恰好与由许多预制构件组成的预制建筑相一致。此外，通过多年来对AutoDek的一些BIM产品的研究，可以看出，BIM已经具备了一定数量的参数化预制构件族，一些非预制构件功能也适合于预制构件。根据图1中传统的参数化设计过程，建立了一个简单的预制建筑信息模型，如图2所示，图2右侧是构成预制建筑信息模型的一些基本参数化预制构件，BIM实现了这些构件之间的自动识别和连接。模拟过程中的准公制预制件。然而，在建模过程中也发现了一些问题，在一些实际案例中也很常见。一些BIM产品中的参数化预制件库没有足够类型的预制件族。参数预制件之间的装配和连接功能需要改进。此外，据黑龙江省有关企业介绍，由于建筑设计企业缺乏制造和装配领域的专家，建筑设计企业的设计师只能绘制非预制构件的施工图或模型，拼装设计移交给预制构件的设计师。一个工厂。它降低了不同领域设计师之间的沟通效率，不能在预制建筑设计过程中同时考虑制造和装配的要求，进而影响到预制建筑的设计变更次数、成本和质量。考虑到上述问题，有必要Saryto开发了一个专用于预制建筑的设计系统。

图2. 一个简单的预制建筑模型

4. 面向DFMA的参数化设计的概念与过程

4.1 DFMA的概念。面向参数化设计

制造设计（DFM）是指预制建筑构件的设计应满足制造的要求，以使其具有良好的可制造性[10,11,33,34]。装配设计（DFA）是指预制构件的设计应满足装配的要求，使其具有良好的可装配性[10,11,33,34]。为了使预制建筑具有良好的可制造性和可装配性，在设计阶段对预制建筑进行了研究[35,36,45]，这是产品开发和改进过程中采用的一种设计审查方法[36,51]，DFM和DFA的有机结合意味着DFM和DFA在DFMA中是相互关联和可分离的。良好的可制造性和可装配性体现在制造和装配的技术和经济可行性[35]。DFMA的核心目标是通过将其他阶段的专业知识和信息整合到设计阶段，帮助设计师优化预制建筑设计，提高其一次性成功率。因此，在预制构件设计的早期阶段，应尽可能采用DFMA原理。

4.2 面向DFMA的参数化设计过程

BIM是支持DFMA的关键技术，而DFMA使BIM更适合于预制建筑，面向DFMA的参数化设计是DFMA与BIM参数化设计的有机结合，这意味着设计人员不仅要考虑设计阶段的要求，而且要考虑到设计要求。f制造阶段和组装阶段，当他们使用BIM技术设计预制建筑时。除建筑设计师外，还应配备制造设计师和装配技术人员参与设计过程，使预制建筑具有良好的可制造性和可装配性。图3所示为面向DFMA的参数化设计过程。在图3中，首先要建立一个类似于非预制建筑的施工信息模型。二是在模型的基础上进行详细的设计分析，特别是分体设计分析和DFMA分析。考虑到制造和组装的技术和经济可行性，采用分体设计分析和DFMA分析来确定建筑物的哪些构件应进行预制。第三件事是检查BIM中所需的参数预制组件和装配功能。如果BIM不具备所需的参数预制部件和装配功能，则可以通过BIM重新开发或BIM族模板来创建这些部件和装配功能。一旦创建了组件和功能，就需要重新检查它们是否满足DFMA或DFA的要求。此外，创建的预制构件也应保存到标准参数预制构件库中，因为这将简化预制建筑的后续设计工作[43,53]。如果BIM拥有所需的参数化预制组件和装配功能，则需要进行下一步，即绘制和优化预制建筑信息模型。一些反馈机制对于预制建筑信息模型的连续优化是必不可少的，将DFA的要求作为输出预制建筑施工信息模型的判断条件，并需要在以下基础上对所有参数预制件进行详细的设计分析：预制构件施工信息模型，将DFM的要求作为输出预制构件生产信息模型的判断条件。在图3中，应注意“y”表示是，“n”表示否。

面向DFMA的参数化设计过程的输出结果是一些三维动态信息模型，即预制构件生产信息模型和预制构件施工信息模型。用基于BIM技术的三维动态信息模型代替二维静态图形是面向DFMA的参数化设计的一个重要思想。这些三维动态信息模型可以实时、多角度地显示出来，还可以进行虚拟生产培训和虚拟施工培训，提高工人的工作效率和质量。

图3. 面向DFMA的预制建筑参数化设计过程

5.面向DFMA的参数化设计过程的辅助方法

5.1 面向DFMA的建筑设计团队

传统上，预制建筑的分体设计是在建筑设计公司完成施工图后，由预制构件厂进行的[37]。它的局限性很容易导致设计变更，因为不同的专业人员无法提前沟通。面向DFMA的参数化设计的目标之一是避免这种局限性，希望在预制建筑概念设计阶段之前或之前，能够运用制造和装配领域的专业知识。为了更好地实现面向DFMA的参数化设计，开发了面向DFMA的建筑设计团队，如图4所示，与一些传统的设计团队相比，除了建筑设计师和结构工程师外，还增加了分体设计师和装配技术员。面向DFMA的建筑设计团队以BIM技术为设计平台，更加注重不同专业之间的协作。建筑设计公司是设计团队的主导方，其他双方需要与建筑设计公司合作。非预制构件建筑施工信息模型主要由建筑设计人员和结构工程师绘制，建筑分体设计主要由分体设计人员完成。在设计过程中，这些人之间的沟通是必不可少的。装配技术人员向其他设计人员提供有关预制件现场安装的一些知识。总之，在面向DFMA的体系结构设计团队中，所有的信息都能得到及时的反馈。

图4. 面向DFMA的建筑设计团队

5.2 基于族模板和DFMA的预制构件创建

随着BIM中参数化预制构件族和相关装配功能的增加，BIM在一定程度上实现了预制建筑的参数化设计。但是，这不能满足所有预制建筑的设计要求。如面向DFMA的参数化设计过程所示，如果BIM不拥有预制建筑所需的参数化预制组件，则只能创建它们。创建它们有两种方法。一种方法是在BIM中通过适当的族模板来创建它们。另一种方法是通过BIM重新开发创建它们，它需要通过BIM的应用程序编程接口（API）访问BIM数据库[38,39]。图5显示了基于族模板和DFMA的参数化预制构件创建过程。该过程在revit中运行，这是由autodesk开发的一种典型的BIM技术。revit最大的优点是参数化设计，它可以在设计过程中同时生成平面、立面、剖面、三维和详细视图40]。这一优点使得revit非常适合于预制建筑设计。在图5中，首先进行DFMA分析，以便及时将预制构件制造和装配阶段所需的详细信息整合到设计阶段，如几何、结构、连接、制造工艺、装配工艺、机械设备。第二件事是规划和创建所需的参数化预制构件族。它类似于创建可载入族的传统工作流[41]。最后，在面向DFMA的体系结构设计团队对该系列进行测试时，应再次考虑DFMA的要求，以确保基本的可制造性和可组装性。在图5中，应该注意的是，“Y”表示是，“N”表示否，并且大部分基本内容来自于欧特克和中国BIM。

新族的整个创建过程是通过在预定义的族样板中使用族编辑器来执行的。图6显示了revit 2014中的参数化预制柱族，该族是通过柱族样板创建的。其具体创建过程如下。首先，面向DFMA的建筑设计团队对所需的预制柱进行了详细的DFMA分析，以确定制造和装配阶段的要求，并选择适当的柱族模板。其次，根据DFMA分析得到的信息绘制预制柱族并设置参数。

图5. 基于族模板和DFMA的预制构件创建过程[41,42,54]

图6. 通过柱族模板绘制预制柱族

5.3 面向DFMA的BIM再开发

在面向DFMA的参数化设计过程中，BIM的再开发可以产生预制装配所需的一些功能，从而进一步挖掘BIM的潜力。通过调用BIM应用程序编程接口（API），软件程序员可以利用软件开发工具对BIM进行二次开发。通过BIM的重新开发，可以创建一些特殊的组装功能。revit api是一种bim api，允许软件程序员编写revit的指令[39]。图7显示了面向DFMA的REVIT重新开发过程。revit重新开发的本质是向revit添加插件。

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