張旭，楊斌，田野

（1.中鐵九局集團有限公司，遼寧沈陽 110051；2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844）

0 引言

在鋼筋混凝土工程中，鋼筋是其結(jié)構(gòu)的骨架成分，在整體結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。但在鋼筋工程施工中，存在鋼筋加工錯誤率高、原材料浪費、工期延誤以及成本效益在總體工程中相對較低等問題亟待解決。將BIM 技術(shù)應(yīng)用于智能鋼筋加工設(shè)備中，可以優(yōu)化設(shè)計、提高施工質(zhì)量、增加收益。隨著鋼筋加工技術(shù)和BIM 技術(shù)的迅速發(fā)展和日益完善，眾多專家積極開展將BIM 技術(shù)應(yīng)用于鋼筋工程的研究。新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用將使鋼筋智能化加工有很大的發(fā)展空間，但是很多新技術(shù)與新管理模式還停留在理論研究階段，需要進一步開展實踐與應(yīng)用探索。

1 智能化應(yīng)用現(xiàn)狀

在建筑工程中，鋼筋加工是非常復(fù)雜且重要的工作，也是建筑工程中相對關(guān)鍵的工作，其質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)工程是否安全，涉及材料管理、造價管理、施工計劃管理、成本控制管理、質(zhì)量管理、加工場地及內(nèi)部布局選擇、安全生產(chǎn)管理、生態(tài)環(huán)境保護管理等方面。為滿足管理需求應(yīng)綜合運用現(xiàn)有的技術(shù)，如智能加工設(shè)備、BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等，去解決鋼筋的數(shù)據(jù)對接、優(yōu)化套下料、精細(xì)算量、工廠化生產(chǎn)及加工過程管控中存在的問題。鋼筋工程實現(xiàn)智能化加工，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，一直是備受關(guān)注的課題，是體現(xiàn)工程項目現(xiàn)代化管理水平的重要方面之一。

1.1 智能化應(yīng)用程度和加工作業(yè)流程

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查，國內(nèi)外鋼筋智能化加工還沒有達到機械化徹底代替人工的程度，智能加工設(shè)備也僅改變了數(shù)據(jù)錄入方式、原料搬運形式，只是做到加工數(shù)據(jù)1 次輸入可批量化生產(chǎn)1 種規(guī)格半成品的程度。目前，鋼筋智能化加工主要關(guān)注數(shù)據(jù)統(tǒng)籌管理、生產(chǎn)機械化代替人工、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時回溯以及自動生成相關(guān)數(shù)據(jù)報表等，很多技術(shù)雖已實現(xiàn)，但真正應(yīng)用于生產(chǎn)的很少。新建京雄城際鐵路項目7 標(biāo)段的鋼筋智能化加工嘗試較為成功，其應(yīng)用BIM軟件Planbar 進行鋼筋數(shù)字化建模，將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為BVBS 加工數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入鋼筋智能加工管理系統(tǒng)（MES），用以指導(dǎo)智能鋼筋加工設(shè)備的批量生產(chǎn)加工。鋼筋智能化加工作業(yè)流程見圖1。

圖1 鋼筋智能化加工作業(yè)流程

1.2 加工設(shè)備

在鋼筋加工設(shè)備方面，市場上智能鋼筋加工設(shè)備品牌繁多，建筑相關(guān)行業(yè)應(yīng)用的設(shè)備主要有鋼筋彎曲設(shè)備、鋼筋剪切設(shè)備、滾籠機、彎箍機等。其中比較先進的設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)由計算機集中管理和控制，可將數(shù)據(jù)一次性導(dǎo)入計算機進行批量生產(chǎn)，還可將加工數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回傳給計算機用以分析。

1.3 加工精度與品質(zhì)

在加工精度與品質(zhì)方面，智能加工設(shè)備的控制都由計算機控制，數(shù)據(jù)錄入形式也是數(shù)字式錄入，精度與品質(zhì)取決于設(shè)備性能和人工對設(shè)備調(diào)制時參數(shù)的設(shè)置，加工設(shè)備聲稱可達到毫米級加工精度，但實際應(yīng)用中，由于鋼材本身的物理特性，在切斷、彎曲時會產(chǎn)生誤差，可控范圍只能控制在5 mm甚至是10 mm。

1.4 整體外觀

智能化加工的鋼筋在整體外觀方面，由于加工數(shù)據(jù)一次輸入，加工由伺服系統(tǒng)控制進行同一規(guī)格的批量生產(chǎn)。因此，同一規(guī)格半成品外觀尺寸相同，整體外觀品質(zhì)較好，避免了傳統(tǒng)人工手動加工同一規(guī)格半成品間存在的尺寸差異。

1.5 生產(chǎn)管理

在鋼筋智能化加工管理上，隨著設(shè)備改進、技術(shù)日漸成熟，新的管理模式也在積極探索中。傳統(tǒng)鋼筋生產(chǎn)都是由技術(shù)人員進行套料，形成技術(shù)交底，交由鋼筋工人手動加工。任務(wù)的獲取是有紙傳遞，尺寸數(shù)據(jù)的管控也是由工人進行尺量加工。在智能化模式的鋼筋加工中，鋼筋的套料已不再由人工進行，而是將大量的加工數(shù)據(jù)輸入（導(dǎo)入）計算機，通過套料軟件進行套下料，軟件核心算法的完善程度決定了材料的利用率，能夠有效地提高加工效率，實現(xiàn)精細(xì)化管理。

在原材料及余料管理方面，為實現(xiàn)智能化下材料高效利用，需提高對材料管理要求。各種規(guī)格鋼筋都應(yīng)進行規(guī)范化整理統(tǒng)計，提高其統(tǒng)計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。加強現(xiàn)場對材料有序管理的同時也能提高施工效率。加強現(xiàn)場鋼筋標(biāo)識管理，鋼筋加工后半成品和原材料應(yīng)分類堆放整齊，掛牌標(biāo)識，便于存放和識別。

2 存在的問題

2.1 設(shè)備采購成本較高

智能鋼筋加工設(shè)備的加工效率相對于傳統(tǒng)設(shè)備已有一個質(zhì)的飛躍，但是其采購成本高昂。很多施工企業(yè)望而卻步，即使采購也是通過相關(guān)產(chǎn)能計算后采購滿足計劃工期的一定數(shù)量的加工設(shè)備，一旦在施工過程中需要提高加工效率時受設(shè)備不足的影響較大。而傳統(tǒng)設(shè)備雖然加工效率低，但成本低廉，在工期緊張時可通過增加機械數(shù)量和人工數(shù)量快速提高加工效率，這成為影響鋼筋智能加工設(shè)備推廣的主要因素。

2.2 相關(guān)軟件有待完善

鋼筋工程智能化加工軟件在實際應(yīng)用中也存在不足，主要體現(xiàn)在余料管理方面。套下料軟件為保證鋼筋的利用率，將本任務(wù)前的任務(wù)產(chǎn)生的余料放到后續(xù)計算中，增加了傳統(tǒng)余料管理難度。一旦參與本次計算的余料數(shù)量與現(xiàn)場實際余料的數(shù)量不符，則通過套下料軟件生成的方案無法按照計劃實施，或者實施過程需用原料代替數(shù)據(jù)庫中不準(zhǔn)的余料，失去了節(jié)材的作用。

3 可行性分析與發(fā)展方向

3.1 可行性分析

在土木建筑行業(yè)，鋼筋下料有著非常重要的經(jīng)濟意義，是提高施工行業(yè)產(chǎn)值利潤，降低施工材料消耗率的一項重要工作。利用BIM技術(shù)結(jié)合套下料軟件優(yōu)化鋼筋下料，對鋼筋工程質(zhì)量及成本控制起決定性作用。

3.1.1 技術(shù)可行性

在BIM 技術(shù)方面，鋼筋BIM 模型的信息包括幾何信息和非幾何信息。其中，幾何信息包括：鋼筋的直徑、長度、彎折角度等；非幾何信息包括：鋼筋等級、鋼筋半成品數(shù)量、鋼筋半成品應(yīng)用部位等。模型包含的信息完全滿足鋼筋加工需要，這是BIM 能夠應(yīng)用于鋼筋智能化加工的原因所在。

同時，BIM技術(shù)在鋼筋智能化加工方面也有著區(qū)別于傳統(tǒng)作業(yè)的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在應(yīng)用傳統(tǒng)圖紙進行鋼筋的下料時，技術(shù)人員需在實體三維空間思維與圖紙二維平面思維間不斷進行轉(zhuǎn)換思考［1］，從而檢查圖紙是否存在錯誤。這種方式很難發(fā)現(xiàn)錯誤，而一旦應(yīng)用錯誤的圖紙進行鋼筋加工，就會造成時間和資源的浪費。BIM技術(shù)具有三維可視化、信息可存儲提取和協(xié)同性等優(yōu)點，應(yīng)用BIM 技術(shù)進行鋼筋詳圖表達，可實現(xiàn)三維的平面視圖、剖面視圖直觀可見，便于與施工設(shè)計圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計圖進行對照分析，還可以對復(fù)雜部位進行不同構(gòu)件間的碰撞檢查分析，對鋼筋尺寸和鋼筋的排布位置的表達更加準(zhǔn)確，給加工工人展現(xiàn)更加直觀，還便于核對半成品是否準(zhǔn)確。

但是，BIM技術(shù)應(yīng)用于鋼筋加工也有不足之處，一是建模工作量大，鋼筋模型內(nèi)涵蓋的大量信息都需要錄入；二是文件數(shù)據(jù)量大，占用計算機內(nèi)存大，軟件運行速度慢，對繪圖電腦配置要求高；三是軟件靈活度未完全滿足智能化應(yīng)用需求，很多異型、不規(guī)則、漸變的鋼筋模型創(chuàng)建存在一定的困難，即使能夠創(chuàng)建，創(chuàng)建效率也較低，會大量增加工作量；四是建筑業(yè)尚未實現(xiàn)在設(shè)計階段就有完善的鋼筋模型體系，而是由施工單位根據(jù)設(shè)計單位出具的二維平面圖紙進行翻模，大量增加了施工單位工作量。

目前，鋼筋建模的主流軟件有Autodesk REVIT、Planbar、Bentley ProStructures 等，每款軟件都有其優(yōu)勢，軟件的選擇需視項目的具體情況確定。

3.1.2 應(yīng)用效果

近年來，BIM 技術(shù)在建筑工程應(yīng)用中功能不斷更新、技術(shù)不斷完善，給土木建筑行業(yè)帶來了巨大變革。在工效上，應(yīng)用BIM 鋼筋模型直接指導(dǎo)鋼筋智能加工設(shè)備進行生產(chǎn)，減少了人工套下料時間，并且節(jié)材效果好，不僅節(jié)約勞動力，也能節(jié)約成本、提高質(zhì)量、縮短工期。在加工現(xiàn)場管理方面，應(yīng)用BIM技術(shù)可以準(zhǔn)確計算整體工程及分部工程的鋼筋量，應(yīng)用套下料軟件進行鋼筋工程量總量計算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，為現(xiàn)場進料管理提供了數(shù)據(jù)支持。在加工過程中，應(yīng)用BIM模型檢核設(shè)計圖紙，能夠減少錯誤生產(chǎn)和原材料浪費［2］。

3.2 發(fā)展展望

目前，我國大多數(shù)鋼筋工程項目基本還是采用傳統(tǒng)現(xiàn)場加工方式，原材料浪費高、加工工人勞動強度大、鋼筋加工周期長、現(xiàn)場管理難等問題突出。未來鋼筋工程的發(fā)展趨勢將逐漸從人工操作向自動化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，隨著BIM 技術(shù)的應(yīng)用，建筑施工自動化和專業(yè)化分工進程的快速發(fā)展［3］，鋼筋智能化加工配送中心已成為市場發(fā)展的必然趨勢。

另外，鋼筋加工設(shè)備的智能化水平越來越高，數(shù)據(jù)的輸入方式越來越簡單和易于操作，對BIM 的接口兼容度也會越來越高，多格式的兼容降低了對BIM 軟件的要求。BIM技術(shù)的發(fā)展會減少鋼筋建模難度，施工單位僅需進行BIM 模型的深化設(shè)計甚至僅審核即可。隨著計算機各種管理系統(tǒng)（MES）的應(yīng)用，現(xiàn)場原料庫存、余料庫存、半成品加工數(shù)量統(tǒng)計等工作將更加智能、準(zhǔn)確。

在與BIM 的結(jié)合方面，隨著鋼筋工程的需求變化，BIM軟件也隨之改進。目前，BIM軟件僅部分支持鋼筋智能化加工的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到加工設(shè)備中，未來BIM 軟件可實現(xiàn)直接與智能鋼筋加工設(shè)備無縫對接，在軟件中建立的模型就是加工數(shù)據(jù)，無須二次導(dǎo)出。BIM 的三維可視化一直是其推廣中的強項，后續(xù)的智能鋼筋加工設(shè)備也會具有三維可視化功能，能夠更好地避免加工錯誤發(fā)生［4］。

在加工場區(qū)管理方面，鋼筋智能化加工管理中的原料、余料、廢料和半成品的管理也會和現(xiàn)代物流技術(shù)進行結(jié)合，使現(xiàn)場半成品存儲近乎達到零庫存，按照生產(chǎn)進程將對應(yīng)物資運輸?shù)街付ǖ陌惭b部位，原料和余料實現(xiàn)實時統(tǒng)計、動態(tài)更新。加工場內(nèi)的操作工人將越來越少，僅需要幾名管理人員通過遠(yuǎn)程操控即可完成鋼筋加工生產(chǎn)任務(wù)［5］。

4 結(jié)束語

BIM技術(shù)的應(yīng)用是建筑行業(yè)鋼筋工程技術(shù)領(lǐng)域與管理領(lǐng)域的一次革命，實現(xiàn)了鋼筋工程管理的程序化和數(shù)字化，有效實現(xiàn)資源的最大化利用。將智能鋼筋加工設(shè)備與BIM 技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，極大減少了人力成本投入，并解決了鋼筋工程的管理困惑和質(zhì)量問題。但在鋼筋工程智能化加工中仍有很多問題有待解決，如BIM軟件與智能鋼筋加工設(shè)備的數(shù)據(jù)接口、現(xiàn)場物料的管理模式、設(shè)備的智能化水平、BIM 軟件的建模效率等，隨著技術(shù)的發(fā)展和實踐的探索，這些問題必將得到逐步解決。