建筑施工模板计算机辅助设计系统
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摘要：为减少建筑施工模板浪费，加快模板的施工，设计并开发模板计算机辅助设计系统. 该软件是基于AutoCAD ObjectARX二次开发的，包括模板的优化配置和支撑设计，采用动态规划算法实现模板的最优布置，对模板支撑提出半刚性节点的计算模式，从模板的设计方案到最后详细的构件模板用量配置图都由计算机进行辅助设计，能够自动给出模板支撑计算书. 该软件能实现模板工程中施工的数字化管理，进而规范和优化模板工程设计.
关键词：建筑施工模板；ObjectARX；数字化施工
中图分类号：TU755.22；TP391.72文献标志码：A
Computer aided design system for formwork
ZHAO Ming1, ZHANG Fangchao2, ZHANG Guofeng3
(1. College of Civil Eng., Tongji Univ., Shanghai 200092, China;
2. Shanghai Housing Quality Inspection Station, Shanghai 200031, China;
3. Shanghai Zhu’an Construction Development Co., Ltd., Shanghai 200031, China)
Abstract：To decrease formwork waste and accelerate formwork construction, the computer aided formwork design system is designed and implemented based on secondary development of ObjectARX in AutoCAD. The optimized configuration and shore/reshore design on formwork are included. The dynamic programming algorithm is adopted to calculate the optimum allocation of formwork. A semi-rigid joint model is proposed for the design on shore of formwork. The computer aided design is used from formwork design scheme to final allocation drawing of detailed formwork dosage. The calculation sheet of formwork shore/reshore can be automatically outputted. The software can implement digitized construction for formwork project and further standardize and optimize formwork project design.
Key words：formwork; ObjectARX; digitized construction
0引言
现浇钢筋混凝土结构是我国建筑工程中的主要结构形式.钢筋混凝土结构的模板工程是混凝土成型中十分重要的组成部分之一.模板工程的费用往往超过混凝土费用，甚至超过混凝土和钢筋费用的总和.有统计资料[1]显示：模板工程费用一般占结构费用的30％～35％，用工数占结构总用工数的40％～50％.因此，设计混凝土结构模板工程时，应该考虑模板的经济性和质量.这对于研究采用何种模板最省材料、周转使用次数最多、安装与拆除最省工、混凝土质量及收到经济效益最好，具有非常重要的意义.[2]
目前的模板设计多按照习惯做法，由有经验的模板工根据经验制订，工程完工后很少考虑对模板剩余部分加工修理及将来的重复利用，造成浪费和积压.建筑施工模板辅助设计系统FMS①正是立足于目前的模板工程现状而开发的，该系统以ObjectARX为开发工具，采用面向对象的编程技术和工程师普遍熟悉的AutoCAD[3]为用户界面，可实现对模板的优化配置，方便现场模板的施工.
1软件系统的总体结构
FMS系统包括模型输入、模板配置、模板支撑设计和模板数据库等4个模块.模型输入子系统主要做一些前期处理工作，包括建立正确的结构几何模型，并通过计算检验模型数据的正确性.在FMS中，采用楼板平面输入方式，这与实际施工的做法一致.模板配置子系统主要根据前面的结构几何模型数据计算各个构件所需要的模板数量、尺寸及模板的具体来源，并记录每块模板所用到的某个构件信息.在前期计算完成后，进入绘图模块.绘图模块首先自动绘制出所需要的图框，然后根据需要绘出梁、柱及楼板的详细模板平面图形.支撑系统分析根据输入的支护参数和规范验算各种类型的构件强度，并输出计算书文件，方便施工单位现场使用.
FMS系统的各个功能模块及其相互关系见图1，各个模块既相对独立，又相互关联.
2FMS系统功能
2.1建筑轴线布置
利用系统提供的工具，可以快速准确地绘制建筑轴网，以方便对已有轴网进行编辑修改，完成轴网的文字和尺寸标注.
2.2结构平面的快速布置
用户可以在图形界面上方便地快速完成梁柱等构件的布置.楼板由梁围定，系统可以自动计算.同时系统提供大量工具用于结构平面布置的编辑和修改，并且支持AutoCAD提供的平移、复制、删除和镜像等操作命令，自动完成构件之间的相交判断和截断处理，绘制出实际需要配置模板的图形.
2.3模板动态规划算法的实现
对于楼板的模板排布，如果能找到一种使模板排布后楼板剩余面积最小的方式，这就说明利用的整块模板最多，需要用小块模板填补的区域最少，进而使整块模板的切割次数减少，提高模板利用率.
将板材切割成小的毛坯时，其切割过程是一系列条带切割过程，即每次切割总沿一条x或y向切割线切下一根条带；排样过程是切割过程的逆过程，每次总沿当前方式的x或y向边拼接上一根条带，最终形成在整张板材上的排样方式.
通过以上动态规划算法的分析，可以把复杂的模板配置问题用数学方法解决，然后再用计算机编程实现.在施工模板用量计算分析中，由于每根梁和柱子或者楼板所需要的模板不是正好合适，需要对整块模板进行切割，如果在切割过程中没有统一的计算，必然造成很多模板的浪费.因此，在模板施工过程中，必须对模板进行统一管理,并进行优化配置，使最终丢弃的模板量最少.
2.4构件模板图显示
为了方便现场施工，每根梁柱以及楼板的模板都需要有平面图，这样方便工程师的施工及模板的协调配置.
根据结构平面图，当需要知道任何一根梁或者柱子的模板图时，只需用鼠标点击需要显示模板图的构件，就可以显示模板图.梁柱模板配置见图3.
2.5模板数字化统计
在进行优化计算时，对每块切割后的模板都进行编号，然后把记有编号的模板配置到梁或者柱子上，最终使梁、柱需要的模板和模板所配置的构件形成对应关系.具体模板配置见图4～6.
通过对该模板的配置设计，模板的加工设计完全可以由生产厂商完成，这样更能加快模板工程的现场施工.
2.6模板支撑设计
为编制一套符合规范要求、便于操作、具有实用价值的模板自动支撑系统，必须搜集足够的技术资料，熟悉相应的技术规范，确立程序设计的指导思想，这样计算书才能被施工工程师应用.
该模板支撑设计子系统采用参数化设计方法和人机交互界面，根据用户输入的支撑设计数据，以及相应规范和一些支撑理论给出支撑计算书；在支撑计算书里，计算内容主要包括支撑模板和支架的抗弯、抗剪和挠度验算及其他构件的验算.
根据现场情况并在钢架和排架结构理论基础上对脚手架的支撑提出一种新的计算模型，即半刚性节点计算模式，见图7；在以往的排架结构计算模型[4，5]中(见图8)，把立杆假定为一根直杆，中间没有铰接，而在实际脚手架连接中，立杆均由几根钢管连接在一起，并且还存在一定的偏心作用，因此在新的模型中不但考虑到斜撑的作用，而且把立杆分段中间按铰接处理，这样比较符合实际情况.
用有限元分析软件对钢架模型、排架模型和铰接模型分别进行分析计算，分析结果见图9.脚手架步距为h，立杆纵距为l，在计算中，步距h都假定为1.5 m，共4层4跨(见图10).
根据实际情况建立的新模型中，考虑斜支撑的存在，中间支撑和立杆在中间位置按铰接处理(图7)，该计算模型模拟施工现场的实际情况，计算结果偏低于全部铰接处理的模型见图11，说明比铰接模型偏于安全.另外，立杆铰接的位置影响极限承载力，说明用该模型计算脚手架承载力时要根据实际情况确定，这样使计算结果更接近真实值.
在新计算模型中，还分别根据脚手架步距和钢管截面大小的变化计算这几种情况的承载力，所用钢管外径均为48 mm，步距分别为1.0 m，1.2 m，1.5 m和1.8 m，极限载荷见图12.
由图12可知，钢管脚手架的直径和步距对极限承载力影响很大，因此在脚手架设计中，可以根据实际情况合理选择脚手架钢管壁厚、步距及跨度等几何参数.
3应用实例
下例是1个简单的框架结构，层高为3.0 m，楼板厚度为100 mm，模板规格为900 mm×1 800 mm，梁柱截面信息见图13.
模板计算分析步骤为输入轴网；输入梁柱；修改截面信息及构件偏移输入轴网编号；点分图；生成计算文件；生成楼板配板图；梁柱模板图；最后的模板信息统计；构件的支撑设计.
建模后的结构平面图、优化的楼板平面图和优化计算后的部分梁柱模板图见图14～16.
4结论
模板工程在现浇混凝土工程中工程量非常大，工程造价十分高,模板统计烦琐，绘图工作量大，重复劳动多，软件FMS可以方便快捷地处理模板配置问题，大大减轻设计强度，节省时间.
模板的配置可以采用动态规划方法优化，由计算机完成复杂的模板配置过程，从而最大限度地利用模板，对减少模板浪费、加快模板施工具有非常大的现实意义；同时，对模板支撑设计，FMS系统可根据现有规范对其进行抗弯、抗剪以及挠度等方面的验算，直至满足各种要求，方便工程应用.
参考文献：
[1]林宇煦. 优化模板工程的管理和施工[J]. 福建建设科技, 2000, 15(1): 10-20.
[2]李景茹, 胡程顺. 建设工程项目数字化施工管理[J]. 基建优化, 2005, 26(1), 39-42.
[3]MCAULEY C. ObjectARX 2000编程指南[K]. 北京: 机械工业出版社, 2000.
[4]杜荣军. 建筑施工脚手架实用手册[K]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1994.
[5]普里福伊 R L. 混凝土结构的模板工程[M]. 陈昌贤，译. 北京: 中国建筑工业出版社, 1995.
[6]杜荣军. 混凝土工程模板与支架技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”