本文是一篇土木工程论文，笔者认为我国人口老龄化日益严重，建筑行业劳动力缺失已经是一个严重的问题。建筑信息化结合机器人工作可以减少人工劳动力，所以建筑行业信息化是一种必然的趋势。
第1章 绪论
1.1 研究背景
随着我国综合国力的不断提高，人民追求美好生活水平的需求日益增加，建筑行业目前依然是我国经济发展重要的组成部分之一。从中华人民共和国住房和城乡建设部发布的文件显示，2019年度工程招标代理机构工程招标代理中标金额110096.63亿元，其中房屋建筑和市政基础设施工程招标代理中标金额82193.64亿元[1]。2020年虽然总体金额比上一年减少了4.86%，但是在房屋建筑和市政基础设施工程代理中标金额方面依然有80444.98亿元[2]。如此大额的投资，说明国家新开发的建筑体量依然巨大。目前我国新建建筑还是以现浇为主，从上述数据可以推断出模板需求量巨大。在项目实施过程中，模板及支撑体系作为钢筋混凝土结构的施工工具，作用时间从基础工程到主体结构浇筑完毕｡模板工程是房屋建筑中的一个重要组成部分。模板工程的重要性主要体现在以下三个方面：第一，经济性方面。混凝土结构工程中，模板工程的用工量占了总用工量的30%至40%，施工工期大约为总工期的50%，消耗的费用为总体费用的20%至30%[3]。第二，工程质量方面。模板工程的施工质量会直接影响混凝土结构的成型情况。混凝土工程出现的蜂窝麻面、缺棱掉角、尺寸和垂直度偏差等质量问题，模板施工质量是主要影响因素之一。第三，安全方面。模板是混凝土成型的模具，起临时支撑的作用。模板要求不仅能够承受浇筑混凝土时产生的各种荷载，还必须保证施工安全。
目前我国模板工程主要通过CAD(Computer Aided Design)绘图方式进行辅助设计。CAD技术在绘图方面是由手工绘制转变到电脑绘图的一种技术上的飞越，使图纸绘制效率更高而且以数字形式易于保存。但是CAD只是改变了生产的工具，却并没有挖掘和放大生产的内容。随着建设工程规模和复杂程度的不断提高，基于CAD技术的传统设计方法的弊端也逐渐暴露。首先是设计信息内部关联性低。CAD只是一种绘图工具，表现的是建筑相关的图形，但是一张图纸上很难表现出全部的建筑信息，所以就会造成信息内部关联性不高，无法形成图数一体的数据结构。其次是设计成果直观性差。目前工程设计的常见现象是多个设计人员共同进行一个单体建筑的设计。这种方法可以减轻设计人员的工作量，多人协作可以加快设计进度。但是同时会产生设计人员由于沟通不及时导致的设计问题，这些问题在二维图纸中很难被发现，这不仅是设计人员之间沟通的问题。设计成果对于业主、施工单位沟通时，随着工程规模的增大沟通难度同样也在增加。
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1.2 BIM技术概述
1.2.1 BIM技术的定义
BIM思想源于20世纪70年代，Chuck Eastman[4]教授提出了“建筑描述系统”与“建筑产品模型”的概念。BIM应用始于美国，美国总务管理局GSA(General Services Administration)于2003年推出了国家 3D-4D-BIM计划，并陆续发布了系列BIM指南。美国国家BIM标准NBIMS(National Building Information Modeling Standard)对BIM的定义为：“BIM是设施物理和功能特性的数字表达；BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全寿命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责的协同工作。”[5]我国在《建筑信息模型统一标准》中对BIM的定义为“在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依次设计、施工、运营的过程和结果的总称，简称模型。”
BIM具有三维可视化、模拟性、协同性、可出图性和优化性五个特点。其中与传统平面设计相比，主要是三维可视化这一特点在技术领域中是一个重要的突破。BIM将传统的二维平面设计加入了可视化的三维模型展示部分，这样意味着从模型中获取到的信息会更加全面。其余四个特点，是基于可视化部分的功能延伸。模拟性和协调性目的是为了能够消除由于信息之间沟通不顺畅产生的问题。可出图性和优化性是基于三维模型，利用BIM技术提前模拟，查看各专业之间是否发生碰撞情况，发现问题尽早解决，有利于后期施工顺利进行。美国弗罗里达大学通过对200名建筑从业人员进行BIM技术使用建议调研[7~8]，结果表明BIM技术的可视化、协调性等特点减少了施工期间返工的现象，给项目增加了效益。
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第2章 基于BIM技术的优化配模方法
2.1 改进UV网格算法的优化配模方法
2.1.1 可视化编程平台Dynamo概述
Dynamo是以Autodesk Revit软件为基础的可视化编程平台，可以实现与Revit模型的及时联动，这种优势更有利于复杂模型的设计，实现无障碍传输，防止出现丢失数据的情况[33]。使用Dynamo自主编程，对模型参数信息进行收集和处理更加高效、便捷。Dynamo是操作节点来进行编程，使用者通过图形化界面，组织连接预先设计好的节点(Node)来进行数据处理，形成一个可以执行的程序。其自带节点库主要分为8个大类，分别是：Analyze(分析节点)、BuiltIn(内置节点)、Core(核心节点)、Display(显示节点)、Geometry(几何图形节点)、Office(办公软件相关节点)、Operator(运算节点)、Revit(Revit相关节点)，这些节点可以满足基本的设计需求。如果想实现节点库中没有的综合类功能，可以把这些节点组合成一个新的节点。该平台支持DS(Design Script)脚本语言和Python两种计算机语言。用户可以在Python Script中编写Python脚本调取Revit软件的应用程序接口API(Application Programming Interface)或者编写算法公式实现需要的功能。
使用Dynamo进行编程建模，是对Revit软件进行二次开发的一种方法。目前主流的Revit二次开发方法，一种是使用Python语言在Dynamo上进行编辑，另一种是使用C#语言开发Revit插件。这两种方法都能对Revit进行功能上的延伸，但是从灵活性方面来说，使用C#做的插件一次只能实现固定的几个功能，而且开发的周期长、成本高，无法应对短时间项目的需要。Dynamo编程相对编写插件而言，具有简单、可塑性高等特点，适用于大批量和机械化的工作。设计人员使用Dynamo可在重复性的工作上减少时间消耗，从而使设计人员有更多精力关注于设计本身，促使提高设计的质量和效率。
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2.2 基于改进自适应遗传算法的优化布模方法
2.2.1 排样问题的概述
排样问题是指需要开料的工件在板料上的布置和开切方式。排样问题从空间维度上可以划分为一维、二维、三维来对应不同行业和材料的特性[35]。一维主要对应线材或条材，例如管道或者电线等材料。二维主要对应板材，在板材上既可以进行规则形状切割，如矩形切割、圆形切割等，也可进行无规则形状进行切割。三维主要对应的是长、宽、高都有要求的大型立体材料，还可以衍生至装箱问题。其中二维排样布局问题大量应用于机械制造、服装剪裁、集成电路设计、城市规划和建筑设计等领域。建筑模板工程的板面布置可以看作是二维排样问题，以单个楼板为排样空间，每块模板为排样材料，不同尺寸的模板在排样空间内进行排列组合，最终填满整个排样空间。
目前我国建筑模板配模大多还是人工计算，人工配模具有配模耗时长、人的主观性强、不能充分利用板材从而浪费材料等缺点。计算机辅助配模就能很好地解决人工配模产生的问题。随着科学技术的发展，计算机可以替代人做一些数据庞大以及重复性的计算。计算机辅助配模是将现实问题转化成数学模型，通过大量计算来生成目标方案。计算机辅助配模的优点主要包括：
(1) 减少人工试配的工作量，节约排料时间、节约原材料、降低成本，提高经济效益。
(2) 通过提高准确率，减少后期施工中因前期错误而导致的停工现象，从而提高工作效率。
最初的研究是利用线性规划方法解决排样问题。国外在19世纪60年代初，Eisemmat、Hemnnna和Vajda[36~37]等人首次将二维平面线性规划排样的方法应用到制造业，但并没有达到理想的效果。随后有人将二维线性规划排样方法和数学理论相结合[38]。Gomory和Gilmore[39~42]建立了基于线性规划的数学模型，该方法成功解决了一维线性、二维排样和三维空间的问题。Paull[43]和Eisemann[44]利用线性规划排样解决了工业生产问题。
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第3章 基于BIM技术的模板方案优化设计 ............................ 33
3.1 基于BIM的模板方案设计 .................................. 33
3.1.1 使用BIM技术设计优势 ................................. 33
3.1.2 常用BIM模板设计软件概述 ..................... 33
第4章 基于BIM技术的模板工程施工管理 ......................... 51
4.1 模板工程材料管理库的建立 ............................... 51
4.1.1 模板材料管理库建立的目的 .............................. 51
4.1.2 模板材料管理库组织结构 .............................. 51
第5章 工程实例 ................................. 69
5.1 工程概况 .................................... 69
5.2 基于模板设计软件和算法生成方案 ................................ 69
第5章 工程实例
5.1 工程概况
本文使用的工程实例是位于石家庄市的某20层办公楼建筑。该建筑主体结构形式采用框架-剪力墙结构，分为地下2层和地上18层。地上建筑中，除1层层高5.4m和2层层高4.8m，其余楼层的层高均为4.5m。本文主要选取地上建筑进行模板方案设计。经过工程量统计，此建筑地上18层的模板工程量为38012.1m2，其中梁、板、柱、墙模板工程量汇总，见表5-1所示。
土木工程论文参考
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结论
模板工程在建筑工程施工阶段成本占比较大，如何得出性价比高、满足施工要求的方案，并且能够提高施工精细化管理程度，是本文研究的核心问题。本文根据目前模板工程存在的问题，提出了基于BIM技术的模板方案优化设计和辅助管理方法。本文研究成果包括：
(1) 使用智能算法优化配模。本文首先提出改进UV网格算法，算法是根据模板布置范围结合模板标准板尺寸，通过对计算迭代，进行平面网格划分。该算法可以进行横向排布和竖向排布两种方式，可以快速、整齐地布置模板，但是由于算法自适应的限制，在少数情况下会生成不符合施工要求的模板尺寸，则需要手动调整。基于将改进UV网格算法的不足和在前人的研究经验基础上，本文将配模过程类比做排样问题，提出改进遗传算法优化配模。该算法改进方面有：第一，在排布时通过对比前人研究，为适应模板布置需要填满排样空间的要求，提出了启发式搜索最低水平线排样算法；第二，编码形式采用实数组合编码表示；第三，在交叉方面提出了不等长染色体组间交叉方式；第四，引入自适应交叉概率和自适应变异概率；第五，引入筛选和精英保留政策对高适应度的个体进行保护。本文提出的两种算法，在配模速度以及配模的效果上都优于人工配模，依靠计算机自行配模，极大地解放了劳动力。根据实际工程验证，本文提出的配模方法相比较优于软件配模的结果，不仅整板数量更多，模板的利用率更高，可以达到节约材料的效果。
(2) 使用模块化的成本计算方式。本文提出了改进成本计算公式，计算数据来源于设计方案，所以计算出的成本能准确反映实际成本。采用模块化的计算方式，可以快速计算出每种方案的结果，极大提高了计算精度和效率。
(3) 运用层次分析法进行方案比选。成本不能作为模板工程考虑的唯一因素，如果想得到更加符合本工程的模板方案，需要考虑多种因素。本文使用的层次分析法，结合施工安全、混凝土成型质量、成本、工期和社会影响五个方面因素考虑，通过量化权重比较结果。
参考文献（略）