文摘

在预制装配式结构,构建组件厂外运输到现场安装前制造的。精确的设计和规划平稳现场执行和提高效率至关重要,这就需要各种设计方案的评价。然而,由于设计过程的复杂性,这样的评价离不开自动化和优化。同时,数字设计技术的近期发展(例如,建筑信息模型(BIM))使得设计过程的灵活性。女子与其他分析算法的集成还允许优化设计,如生成设计可以用参数表示设计。本研究提出了一种生成的优化设计方法,采用石膏板安装布局来提高整个项目的效率。框架包含一个决策支持模块,考虑环境、成本、和审美方面确定最优布局。框架的实用性已经成功演示了通过一个案例研究。实现后,发现三个“最好”的设计方案根据决策方面。改进设计达到了37.5%、7%和54%的环境、成本、和审美因素,分别。 Accordingly, practitioners can make better decisions on planning drywall projects. This approach has proven effective in planning drywall installation and can be applied in similar design scenarios for other prefabricated construction processes.

1。介绍

预制结构的方法已被广泛采用来提高施工效率和生产率。相比传统stick-built施工过程,预制生产方式生产建筑组件厂外,并运送到安装位置。预制已经应用于各种建筑领域,例如,住宅,商业,和重型工业建筑。在预制的设计过程中,结构和建筑设计信息转化为施工图制造和现场安装指导。在北美房地产行业,住宅通常是用木材产品构造。木板制造工厂环境和运到现场的安装。在这样一个过程中,墙面板的内部和外部面临着覆盖着护套材料,如石膏、夹板做的。护套材料有标准尺寸,和他们的安装通常包括将材料切成小块,产生废品废料。这样的浪费,由于经济和环境都有消极影响处理的高成本浪费,作为垃圾填埋税征收部分(1]。然而,预制装配式结构提供了机会来改善护套安装实践。计划可以生成板布局安装前控制的工作环境。因此,有研究潜力开发BIM-based方法优化板预制结构环境中的布局安排。

女子已广泛应用于建筑行业的改进设计和规划(即。,估计和调度)和项目管理效率2]。例如,女子被用于量化建筑组件(例如,卷)在管理高层墙(3]。应用程序编程接口(api)是用来开发BIM工具实现自动化调度系统设施管理(4]。随着BIM-related技术进化,女子往往是与其他新兴技术集成解决建筑设计和协调问题。例如,现实捕捉,包括3 d扫描,最近介绍了建筑业提高网站调查,保证设计精度(5]。进行了一项研究探索的好处将3 d扫描与BIM实现质量管理的准确性和效率6]。BIM新兴技术的另一个领域是使用浸入式环境(例如,虚拟现实和混合现实)可视化并协调设计概念。这可以让用户更好地理解设计思想,想象计划建设活动,减少不必要的风险/安全隐患(7- - - - - -9]。然而,在预制建筑行业,建筑市场中可用的BIM平台设计为一般用途,而不是用于预制施工过程。因此,设计师还需要结合设计标准,如制造、物流、和装配过程(10]。一直在努力实现自动化,提高建筑设计的BIM环境。例如,一个方法从BIM 3 d模型生成预制施工图提出了自动化生产线上减少浪费(11- - - - - -15]。参数模型允许用户使用输入参数控制的设计,如混凝土联合布局设计使用发电机,一个开源可视化编程语言(16]。类似的应用程序是使用BIM实现屋面板布局优化(1]。BIM-related技术已经开发,设计信息从女子可以在预制被纳入其他分析的目的,例如,(1)加强生产过程和产品评估在预制17- - - - - -19),(2)BIM-enabled决策支持工具(例如,物联网和无线电频率识别)的预制供应链(6,20.- - - - - -24),(3)改进生产力和效率的预制过程(3,25- - - - - -27]。

与BIM技术的发展,并行生成设计(GD)作为一个迭代开发设计过程,依赖于计算机计算生成一定数量的设计选择,满足设计约束。在这样的实践中,设计过程中经常被参数化,并通过改变设计参数,设计输出可以改善其性能通过评估28]。建筑生成设计通常被认为与BIM技术集成。例如,设计检查可以通过生成设计执行,这就增加了设计效率比手工设计评估过程(29日,30.]。这种技术可以采用大规模生产环境中,类似的设计产品重复生产(28]。

本研究提出了一种BIM-based GD方法优化板预制结构环境中的布局安排。这种方法可以让从业者整体减少浪费,给出布局设计和评估各种备选方案。该模型已经开发和Python环境中实现的。创建了一个脚本在发电机环境可视化优化布局的BIM平台。模糊层次分析法(AHP)方法实现优化管理相应的标准和选择最好的布局选项。

2。方法

图1显示了整个研究方法,包括四个分析模块和一个可视化模块:(1)建立组件的几何信息(即。墙架的几何坐标)提取BIM的3 d模型。(2)这些信息输入到基于仿真的设计算法。也用作输入和数据模型,如材料价格和单位劳动力成本。仿真算法结合了设计和安装规则为石膏板布局生成多个可行的设计方案。(3)启发式优化方法用于局部优化材料浪费每个设计替代使用贪婪算法。(4)介绍了模糊AHP方法对设计方案并选择最好的选择根据优先级管理标准。(5)计算的结果返回BIM软件,即。发电机,女子的可视化环境。每一步都将进一步解释下面。

2.1。数据提取

在本研究项目中,信息从BIM模型包括几何性质(即。(即,坐标)和材料属性。、材料类型)。BIM模型也可能包含信息建设管理单位材料成本和单位劳动成本等常用的建设项目的规划阶段。在实现中,女子从Revit模型信息提取为木制结构结构。然而,数据提取的过程中可以为其他广义模型类型。在这个特殊的研究,BIM模型信息导出为XML文件,然后使用它作为输入的模拟过程。数据输入的另一部分是材料和劳动力的成本信息。在建筑行业,这些成本信息可以收集到的材料供应厂商。在这个研究项目中,作者使用了样本信息从市场和劳动力成本率在加拿大当地的建筑业(表1)。

2.2。基于仿真的设计算法

生成设计需要参数化设计的输入来生成设计方案后评估目的。在数据提取,仿真算法的数据输入和运行循环替代设计的一代。图2显示了仿真循环高级逻辑流程图。首先初始化过程模拟周期。仿真循环生成一个随机因子生成设计方案的起点。再往下,仿真检查设计规则指定的用户。具体的设计规则的案例研究部分实现以下。如果设计选择满足设计规则,然后进入一个优化算法减少材料浪费(这将进一步阐述了在以下部分)。最后,设计选择的结果存储在每个模拟循环直到所有迭代完成。本地的输出包括多个布局优化的材料浪费。购买材料计划,削减计划和数量起飞计划提供了仿真的结果。这种选择将进一步评估通过决策制定的支持(模块四个图1)。

2.3。启发式优化算法

如前所述(图2),设计规则检查和满足后,启发式算法试图在每个设计替代本地减少材料浪费。因此,该算法重用石膏板削减设计布局,墙墙,后一组启发式规则(图3)。启发式优化目标函数制定如下:最小化 受 在哪里表示与设计相关的材料浪费的选择 的索引设计选择的列表吗设计方案,表示每个材料库存的大小在每一个设计的选择在一个给定的计量单位(即。平方英尺)是石膏板库存材料的数量,表示每个干墙的面积在每个设计替代材料 , 干墙片的数量用于布局,然后呢代表了约束优化。在这种情况下,设计参数(例如,干墙的长度减少重用布局)包含约束的启发式优化算法。是边界或限制这样的参数数值。

2.4。决策支持

模块四个(“决策支持”图1)打算评估设计方案生成的基于仿真的优化算法。这个模块包括两个步骤:(1)评估设计布局下三个管理标准:环境、成本、和审美方面,和(2)实现模糊AHP方法对设计方案确定优化设计替代(s)的优先级管理标准。在第一步中,提到的方面量化和计算如下:(1)环境标准:用于评估环境影响的分析计算,材料浪费的材料浪费的比例每个设计选择,一样贺 在哪里每个设计替代材料浪费的比例 , 表示与浪费材料,相关的区域代表总库存材料相关的区域。(2)成本标准:作为一个指标的成本与石膏板相关操作,分为三部分:材料,安装,和废物处理成本,使用下面的公式计算: 在哪里是每个设计的总成本的选择,材料成本,材料的安装成本,废物处理成本,是股票材料区域,是股票单位成本,单位劳动成本,材料安装的生产力,材料浪费面积,垃圾填埋处理成本。本研究中使用的成本数据来估计相关的总成本的情况下研究了在桌子上1。(3)审美标准:石膏板接缝的总长度在每一个设计方案选择的因素是量化的审美组件布局。因此,关节的总长度是由下列公式计算: 在哪里的总长度是石膏板片段之间的关节在每个设计替代 , 表示个人各关节的长度,和代表石膏板接缝的数量。

计算后的管理标准,模糊层次分析法用于等级的设计选择。模糊层次分析法是一种多准则决策技术基于层次分析法,结合决策者的不确定性使用模糊数(范围值)31日]。因此,模糊层次分析法提出了代替传统的AHP,批评其无法处理不精确和主体性与决策者的判断(31日- - - - - -34]。在这个研究中,采用三角模糊数,因为他们的计算简单和代表模糊环境的能力。一个三角模糊数可以表示为一个= (一个1,一个2,一个3)(35]。模糊层次分析法使用一个比较相对重要性构造比较矩阵的规模通过两两比较的选择标准(表2相对重要性的模糊基本规模)(32,36,37]。后构造比较矩阵,计算概率(优先级重量)为每一个决定的可能性的标准实现决策者的预期目标,相对与相应的标准。在这个研究中,数值评级是通过采访领域专家(如施工项目经理和材料供应商)。

数值的相对重要性然后用来计算模糊AHP最后得分乘以它与选择标准(环境、成本和美学)。设计替代值模糊AHP最后得分最高的产量优化设计选项。这可以表示为下面的公式: 在哪里是数值评级与每个准则关联,表示每个标准的模糊AHP优先重量。

3所示。实现和案例研究

在本研究中,两层木住宅(53木框架)作为案例研究演示开发。图4显示了开发的3 d模型(只显示了木材框架)Revit环境。设计信息(例如,木框架组件)的坐标从BIM环境中提取到XML文件通过一个脚本在Revit开发软件。BIM信息提取方法的代码可以在前面找到工作(38]。所需的BIM数据输入仿真模型包括几何信息、维度和属性的对象(如墙壁,地板,门,窗户,并钉(图5)。

3.1。通用仿真实现逻辑

一旦数据被提取到Python环境中,模拟周期将开始产生干墙布局图中给出的逻辑6:(1)三十仿真周期启动布局生成过程,基于不同的干墙大小(例如,公称尺寸4×8或4×10石膏板表)。(2)模拟循环的主体由一个“循环”遍历每个仿真周期。一般来说,该算法在每个仿真周期循环墙,墙的地方干墙表相应不同的公称尺寸(随机)。系统会检索每个墙信息,确定面向墙,情节石膏板行布局基于预定义的设计规则(以下部分细节设计规则描述)。(3)系统然后使用切割损失(石膏板板切割材料废料)优化。图的优化算法7。因此,创建设计布局和优化所有墙壁BIM的3 d模型,并不断重复在每个仿真周期产生不同的设计可能性。(4)最终优化结果输入到模糊AHP分析优化和模拟循环后完成。

在布局一代,认为设计规则如下。(1)垂直或水平方向上:如果一张干墙的长度大于一堵墙的高度和干墙片的高度大于墙的长度,然后干墙表放置在一个垂直方向(图8)。否则,石膏板板放置在水平方向。(2)序列:如果石膏板床单决心被放置在水平方向,墙中的每一行代表一个序列的干墙片水平放置。例如,如果干墙表是4英尺的高度。和墙8英尺的高度。,then the drywall design layout in the wall will constitute two horizontal rows. (3) Drywall edge on stud: drywall edges must be aligned with a stud to be nailed against the wall. Else, the drywall sheet must be cut, so that its edge is correctly aligned with a stud. (4) Staggered seams: a gap of 1/8 in. should be set as the seam space between two drywall sheets. Also, drywall seams must not be aligned in two consecutive rows in the wall to ensure the structure’s better integrity. (5) Openings in doors and windows: the areas around the openings of doors and windows are of high stress. Thus, drywall seams should be placed away from such locations to avoid cracks of seams. Figure9旨在提供澄清设计规则(2),(3),(4),(5)。一般干墙设计和安装额外的细节和解释规则可以发现在前面的工作38]。

图7显示了优化算法,指的是“启发式优化:贪婪算法”图6。贪婪算法使用启发式规则优先级的重用,减少部分根据自己的尺寸。首先,贪婪算法最适合用于验证如果任何削减部分可以重用的设计布局,而无需再次把那篇文章剪下来(局部最优)。如果这种情况下是不可能的,那么另一个贪婪算法是用于顺序切割块根据自己区域的列表。在这个场景中,局部最优是通过假设一块更大的重用将导致更少的浪费中生成模型。当优化材料浪费,作者认为切段长度在材料重用,例如,当一个块切割损失超过2英尺(废材料),4英尺6英尺,或0英尺,它被认为是在重用相同的墙上或其他墙壁。尽管实现遵循特定的设计规则如上所述,类似的逻辑可以应用与其他设计方案修改。

3.2。模糊层次分析法(AHP):数值例子

设计场景生成的仿真算法对不同设计参数(例如,削减的各种维度)是由三个标准评估使用模糊AHP改进计划:环境标准,标准成本,和审美标准(正如上面所讨论的“方法”)。仿真结果的摘要给定案例研究提出了图10。每箱线图显示了最大和最小值根据评估标准和四分位范围(差)的仿真结果。例如,箱线图位于图的左边10显示了一个最小的材料浪费10%的所有场景和中间材料浪费接近16%。然后,相对分数分配给每个设计场景基于仿真结果,提出了图的差11排名的替代品。

毕竟布局选项已经排名,模糊层次分析法构造比较矩阵通过两两比较的标准使用模糊相对重要性(表的规模2)。表3提供了一个示例创建模糊比较矩阵的每个标准相比在业内专家。绿色和黄色的颜色是用来表示数值评级和互惠的评级,分别。如果用三角模糊数一个= (a1, a2, a3),那么它可以表示为互惠=或= 。然后,模糊几何平均数使用以下公式计算为每个标准(表吗4)。 在哪里是一个模糊值与标准的两两比较吗为标准 。

后,为每个标准模糊计算几何平均数,模糊权重由归一化计算,如方程所示(8);也可以表示 作为一个三角模糊数, 代表较低,中间,和模糊的上界为每个标准体重 。表5提供每个标准的模糊权重得到的数值例子。

平均模糊权重(优先级权重),然后计算和归一化来确定实现决策者的预期目标的可能性(表5)。在这个数值的例子中,审美方面是最高的标准(即重要性。模糊优先级权重),66%,根据模糊AHP方法。

最后,最后一个模糊AHP得分的计算方法是用模糊AHP优先重量乘以替代品的相对排名得分。用方程表示(6),设计替代值模糊AHP最后得分最高的收益率(s)的优化设计方案。表6为设计方案提供了最终的模糊AHP得分最高。在这个例子中,设计布局s25和s65车型占了最好的解决方案根据管理标准的优先级。

在图12,提出了两个假设的场景来评估模糊AHP方法的影响。值得注意的是,不同的模糊AHP优先级权重产生不同的优化设计方案,如图12。在第一种情况下,审美组件占体重最高优先级,66%,导致以下最佳设计方案:s25 s65车型。然而,在第二种情况,最好的设计布局是不同的(s62 s88, s177)因为每个组件的相对重要性进行了改造。因此,“最好”的设计方案是有条件的优先级管理标准。因此,一组模糊AHP优先级权重在实践中可能依赖公司的目标或决策者。例如,分包商可能只选择最小化整个过程的成本和不注意材料废弃物对环境的影响。在这种情况下,标准成本将占最高优先级的重量。另一方面,提到的另一个公司可能会考虑权衡标准,给各个方面根据相对重要性所期望的目标。因此,模糊AHP方法选择设计场景中展示了它的价值。

3.3。计算设计使用发电机

最终,最后设计场景生成可视化Revit环境中通过使用计算机设计软件,发电机。发电机是一个可视化编程工具,适用于Revit并提供访问API。发达的逻辑如图发电机脚本13。在这个研究中,发电机平台用于整合设计场景和可视化结果加权分数最高的后模糊AHP方法的实现。首先,在发电机包括所有程序的输入与石膏板相关几何坐标和属性表和建筑元素。这些数据是从一个Excel文件进口仿真输出存储的地方。接下来,Revit软件功能,即“分部分,”是用于创建一个图形表示的干墙表放置在每个墙板Revit 3 d模型。Revit,石膏板元素创建为“墙层,”这意味着干墙元素的几何尺寸相似的尺寸墙元素。例如,如果一个墙元素有10线性英尺高(lin.英尺)和20 lin.英尺的长度,然后干墙元素相同尺寸的墙Revit模型(图14)。由于这个默认Revit配置,石膏板元素被指定为一个“部分”的3 d模型和“部分”可分为更小的部分画线。正如前面提到的,干墙表通常是在建筑业生产名义尺寸4′×8′,4′×10′,4′×12′;Revit API函数的,“分”是用来再现现实的干墙表的大小在3 d模型草图石膏板作为部门行关节。启用了“分部分”功能为每个墙墙表在哪里放置在水平方向和与三个参数(即激活。,一个ttributes): the element part to be divided (drywall layer), a sketch plane as geometrical reference for each wall, and the division lines (drywall joints) which are the intersecting references to divide the selected parts. Ultimately, the final and optimal design scenarios can be visualized in the Revit environment by implementing this program in the computational design environment, dynamo, as presented in Figure15。重要的是要注意,干层放置在室内的墙壁。然而,图15显示墙表的外部面放置在墙上。这个图形表示了作者有意的可视化结果在本研究的目的,不过,最后的原型占这种需求。

4所示。评估结果和讨论

仿真结果的统计值指标用于比较的场景对最优解决方案(仿真结果的概要图10)。最好的设计布局的解决方案是根据三个管理标准分类:(1)环境标准:最好的设计布局的材料浪费比例达到仿真结果的值相比减少了37.5% (16%)。(2)费用标准:最好的设计布局的总成本完成仿真结果相比减少了7%的中位数5580 (CAD)。(3)审美标准:最好的设计布局的石膏板接缝的长度达到减少54%相比,仿真结果的中位数(231 lin.英尺)。先前的研究只关注减少材料浪费比例为石膏板护套材料(1,24]。这项研究结果扩展了以前的研究工作,通过融合更多的管理标准布局评估,成本和美学等方面。因此,本研究的模型实现最低10%的材料浪费与6.8%在以前的工作24]。然而,重要的是要注意,最好的设计布局方案在本研究中可以是一个权衡多个优先级管理标准。

实际实现的结果突出的优势发达BIM-based生成设计框架。在传统的施工方法,探索设计的可能性是有限的,因为它是一个费时和复杂的任务为设计师24]。然而,GD允许多个设计方案的探索,根据不同的管理标准不同。布局设计的本质是内在的计划和执行。换句话说,每一个独特的设计替代经历个人计划和安装任务。因此,拟议的框架的重要性是探索和分析多个设计方案及其效果在计划和安装活动最终引导从业者一个最佳的解决方案。

5。结论

本研究引入了一个生成石膏板布局设计的设计方法结合了模糊层次分析法。中已被证明有效的方法提供石膏板预制结构布局的场景。可以受益的施工队伍发展规划和减少浪费。生成的干墙布局可以提供给预制建筑公司(例如,石膏板安装)按规格裁剪材料在安装之前。这可以缩短施工进度,减少材料浪费。研究结果显示优化设计方案在三个管理标准:材料废料百分比(减少37.5%),总成本(减少7%),和石膏板接缝的长度(减少54%)(图10)。因此,最好的选择是指不同的布局选择根据个人评估组件。认为是“最好的”设计布局方案的优先级是有条件的管理标准。本研究的研究贡献包括:(1)生成设计的预制建筑规划和设计、(2)整合生成设计与模拟方法引入随机性结果代,和(3)实现的模糊AHP方法在生成设计结果的评估。

6。建议和未来的工作

生成设计和可视化编程模型可以应用在其他预制结构一般规划场景。未来可能的研究方向包括:(1)将实时现场数据的决策。例如,当石膏板安装现场,工人们可以重新运行更新生产力信息设计系统和更新相应的输出;(2)发展现状不考虑材料的可用性(例如,库存)和限制物流。未来发展可以填补这一缺口,包括供应链的分析;(3)发展可以直接集成与BIM数据交换标准(例如,行业基础类(IFC))来提高互操作性和兼容性。结果可以被翻译成机器语言(如数控)实现自动化制造和生产。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者意识到资金的支持加拿大自然科学和工程研究理事会(NSERC) (ALLRP549126-19和rgpin - 2020 - 04126)。