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        基于BIM的機電工程數字化建造技術研究與應用

        2020-09-23 07:21:40李解
        中華建設 2020年8期
        關鍵詞:設備模型

        李解

        隨著BIM技術和數字化建造技術的迅速發(fā)展,將BIM技術與數字化建造技術相結合已經成為行業(yè)趨勢,“工廠預制+現場快速裝配”已成為機電工程行業(yè)的新模式。傳統(tǒng)BIM模型在完成設計、詳圖階段后,已不滿足制造、安裝、運維等階段的需要。本文對如何實現基于BIM的數字化建造,需要在BIM全生命周期的不同階段,提供該階段所需的BIM數據,并實現全生命周期各階段的BIM數據互通和無縫傳遞進行了研究。

        一、基于BIM的機電工程數字化建造技術框架

        BIM的核心是數據,基于BIM的機電工程數字化建造技術關鍵在于實現BIM數據在工程全生命周期(包括設計、詳圖、制造、安裝、運維各個階段)進行無損傳遞和高效利用。

        1.基于BIM的機電工程數字化建造技術的主要支撐軟件

        圖1 基于BIM的機電工程數字化建造技術的主要支撐軟件

        其中Revit軟件用于模型創(chuàng)建,同時利用其預制構件服務、設計到預制等功能;Fabrication系列軟件主要有CADmep、CAMduct、ESTmep等,CADmep可以基于AtuoCAD進行預制加工模型設計及出圖;CAMduct用于板金展開,余量管理,導出預制加工數據,如CNC、TXT等格式文件,可寫入包括等離子切割機、激光切割機、切刀系統(tǒng)、路由器等多種類型的數控機床系統(tǒng);ESTmep用于材料成本、損耗的核算,人工費用的核算。)

        2.基于BIM的機電工程數字化建造技術的主要支撐硬件

        BIM電腦、風管全自動生產線、螺旋風管機、橢圓風管機、等離子切割機、多功能咬口機、共板法蘭機、角碼機、全自動角鋼法蘭生產線、合縫機、便攜式合縫機、新型射釘槍、相貫線切割機、相貫線焊機、全位置管/管自動焊機、橋架自動化生產線、3D掃描儀、放樣機器人、VR等。

        3.共享數字化建造數據庫

        基于Revit、Fabrication、BIM集成管理平臺、數字化加工基地設備、現場二次加工及快速裝配設備,創(chuàng)建共享數字化建造數據庫。該共享數字化建造數據庫主要包含:風管、水管、橋架、設備、支吊架等,并根據水暖電系統(tǒng)進行區(qū)分,共享數字化建造數據庫基于廠商信息和規(guī)范要求,滿足制造精度要求。

        圖2 共享數字化建造數據庫

        4.基于BIM的機電工程數字化建造技術

        基于共享數字化建造數據庫,運用Autodesk Revit、Autodesk Fabrication系列軟件(CADmep、CAMduct、ESTmep等)和二次開發(fā)軟件,在設計、詳圖、制造、安裝、運維階段實現基于BIM的機電工程數字化建造。

        設計階段(LOD100-200):利用Revit及二次開發(fā)軟件進行設計和模型創(chuàng)建;

        圖3 BIM+建造=智造 基于BIM的機電工程數字化建造技術

        詳圖階段(LOD300-400):利用放樣機器人、3D掃描儀等測量設備對現場建筑結構、裝修、幕墻等機電相關專業(yè)進行現場復核,對機電管線模型進行二次深化。將機電Revit模型轉換為共享數字化建造數據庫中的預制加工模型,根據數字化加工設備加工要求,進行自動分段,設置支吊架,對機電管線進行優(yōu)化,對預制加工構件進行編碼。根據預制加工模型進行BIM出圖(綜合管線圖、剖面圖、三維安裝示意圖)。

        制造階段(LOD400):將預制加工模型導入Fabrication軟件中,生成預制加工數據(CNC、加工圖紙、構件清單、成本清單等文件)。將預制加工數據發(fā)送至數字化加工基地,通過U盤等將數據導入數字化加工設備中,進行自動化生產,并張貼二維碼,錄入加工、驗收、運輸信息。

        安裝階段(LOD400):將到場的預制加工構件進行掃碼驗收,根據三維安裝示意圖及清單,將預制加工構件運輸至指定區(qū)域(如需進行部分二次加工的構件,在現場進行二次加工)。根據三維裝配圖紙、支吊架定位信息,結合放樣機器人、快速支吊架安裝設備、升降設備,將預制加工構件進行快速裝配。并用放樣機器人對已安裝機電管線進行復核,掃碼驗收。

        運維階段(LOD500):利用BIM集成管理平臺,完善模型竣工信息,用于運維管理。

        二、項目應用實踐

        1.項目簡介

        鞍山百腦匯科技廣場工程是鞍山市地標性建筑,地下五層、地上三十九層的超高層單塔樓建筑,屬大型城市綜合體,其中B5-B1F為停車場,1-10F為裙房商業(yè),11-12F、14-20F為凱悅酒店,21-29F為公寓,31-38F為辦公,39F為云頂餐廳,13F、30F為設備層,總建筑面積132445.84m2,地上建筑總高度168.80m,為鞍山市的“第一高度”。

        2.項目難點

        難點1:該工程為機電總承包工程,層高較低,裝修標高較高,管線綜合排布困難;

        圖4 鞍山百腦匯科技廣場工程BIM模型

        難點2:項目處于市中心,施工場地狹??;垂直運輸困難;安全文明施工方面存在噪聲、施工垃圾、火災、機械傷害等隱患;人工進行材料加工效率低、廢品率高、誤差大、觀感不佳;風管、橋架等加工過程中板材損耗較高;現場人工焊接存在沙眼、未焊透、未融合等問題;加工設備現有下料軟件未能有效使用BIM模型數據。

        難點3:物資管理過程中,由于機電工程設備及材料種類、型號繁多,物資工程量計算及物資采購困難、存在人為誤差,施工過程中物資管控困難;工廠預制加工及現場裝配過程中,安全質量管控及進度把控難度大;運營維護過程中,由于設備資料較多,不便于物業(yè)進行快速故障分析及維修;BIM應用全生命周期各階段所產生的數據無法進行統(tǒng)一高效管理。

        3.項目BIM技術應用

        除了在二次深化與建模、碰撞檢查及調整、施工工藝和方案模擬、無人機、VR、進度管理、工程量統(tǒng)計、成本管理等方面的常態(tài)化應用之外,本項目中基于BIM的機電工程數字化建造技術應用實踐主要包括:基于BIM的二次深化及出圖、基于BIM的數字化加工與安裝、基于BIM的集成管理平臺三個方面。接下來結合鞍山百腦匯項目,介紹該技術的實際應用情況。

        4.基于BIM的二次深化及出圖

        針對難點1,基于Revit平臺快速創(chuàng)建建筑結構模型、機電模型和幕墻、裝修等相關專業(yè)模型并深化,可根據需要在施工前協(xié)調相關單位對建筑結構等進行修改,以利排布,保證乃至提高裝修標高;根據數字化加工設備創(chuàng)建與之匹配的共享數字化建造數據庫,利用Revit軟件將風管、橋架、水管等機電模型轉換為數據庫中的預制加工模型(亦可直接創(chuàng)建預制加工模型),進行BIM出圖和預制加工;深化圖紙審批通過后對預制加工模型進行自動分段,根據實際預制加工情況對其進行優(yōu)化,設置支吊架。

        5.基于BIM的數字化加工與安裝

        針對難點2,創(chuàng)建數字化加工基地,將現場加工轉移至加工廠;精細化建模,利用物資軟件進行精確算量,將數字化加工基地生產的預制構件進行編碼,快速準確運輸至相應的安裝區(qū)域;將大部分人工加工轉移至數字化加工基地進行自動化生產,將預制構件運輸至現場進行拼裝;現場加工部分通過采用便攜式全位置自動焊機、便攜式合縫機等設備進行加工;利用Revit、Fabrication系列軟件和BIM集成管理平臺進行控制和優(yōu)化。對加工設備進行修改,將設備所用軟件改為Fabrication系列軟件與Revit進行數據交互;建立物資編碼體系,研發(fā)BIM集成管理平臺行管理;將密集區(qū)域焊接管道轉移至加工廠進行預制加工,其余焊接管道通過便攜式全位置自動焊機進行現場焊接,同時可以對工廠預制加工管道成品對接處進行現場自動焊接。

        接下來以機電工程中體量最大的風管、水管、橋架為例進行介紹

        (1)風管數字化加工與安裝工作流程

        可對按材質(鍍鋅板、不銹鋼板、碳鋼板、復合板等)、不同連接方式(共板法蘭、角鋼法蘭)或不同截面形式(矩形、圓形、橢圓形)的各種風管進行加工,以鍍鋅板矩形共板法蘭風管為例。

        ①二次深化與建模,利用Revit預制零件功能將LOD300模型轉換為LOD400深度的預制加工模型并自動分段;

        ②統(tǒng)一編碼,以方便實際應用為原則,確定風管編碼,通過中鐵BIM物資插件生成二維碼。利用中鐵BIM物資插件導出二維碼及物資清單;

        ③預制加工

        利用插件,將預制加工模型以MAJ格式導出至CAMduct軟件,并對公司信息、板材、保溫、咬口、法蘭、生產設備等進行詳細設置;

        繼續(xù)對非標準段及異形件按最優(yōu)排布方式進行一鍵排布,將展開的板片排布在預設定的板材上;

        選擇Write NC命令,將鍍鋅鋼板上的排布信息導出成數控機床數字化程序代碼(CNC文件)。根據不同廠家設備需要,亦可生成TXT等其他格式文件。通過View NC命令,對板材切割情況進行模擬,模擬無誤,生成排料單;

        將物資清單、二維碼、CNC文件、排料單發(fā)送至數字化加工基地。為提高生產效率,將物資清單中的標準直線段清單導入全自動風管生產五線進行生產,利用合縫機、角碼機進行加工;非標準直線段和異形件通過等離子切割機等設備進行生產,根據排料單中板材信息,進行板材下料,將CNC文件通過U盤導入等離子切割設備,進行自動切割、編碼,利用咬口機、共板法蘭機、合縫機、角碼機進行加工。加工完成后進行質量驗收,張貼二維碼。

        ④裝車運輸,現場快速拼裝

        根據編碼將風管預制成品運輸至施工現場指定樓層、區(qū)域,結合三維安裝示意圖和安裝清單進行拼裝。

        (2)管道數字化加工與安裝工作流程

        通過采用BIM技術,可對焊接、法蘭、卡箍、絲接、承插、卡壓、熱熔、膠粘等各種連接方式的管道進行預制建模并加工生產。以安裝量最大、技術要求最高的“焊接連接”為例:

        ①二次深化與建模

        ②Revit模型轉換為預制加工模型

        選擇“設計到預制”命令將Revit模型轉換為預制加工模型。選擇優(yōu)化長度命令完成管道的自動分段??筛鶕嶋H需要,對管道參數進行微調,并設置支吊架。

        ③自動分段

        根據預制需要,將管道進行自動分段,可將密集區(qū)管線及管件設置為預制段。

        ④統(tǒng)一編碼

        以方便實際應用為原則,確定管道編碼,通過中鐵BIM物資插件生成二維碼及物資清單(預算清單及實際下料清單)。

        ⑤)工廠預制與現場預制

        工廠預制加工:管線密集區(qū)域焊接管道可以轉移至加工廠進行預制加工,加工成品運輸至現場,現場通過法蘭或者焊接拼裝?,F場預制加工:其余管道預制及焊接(如標準層、管道豎井等區(qū)域)可通過便攜式自動焊機去指定區(qū)域進行現場預制加工,將預制加工構件與管道進行自動焊接。本工程便攜式自動焊機選用全位置管/管自動焊接系統(tǒng),主要應用于管道與管道、管道與管件、管道與法蘭之間的焊接。

        (3)橋架數字化加工與安裝工作流程

        將BIM技術與橋架自動化生產線等數字化加工設備相結合,統(tǒng)一編碼規(guī)則,通過采用Revit和Fabrication系列軟件,導出預制加工數據,發(fā)送至數字化加工基地進行自動化生產,現場只需進行組裝作業(yè)(對橋架標準直線段、非標準直線段及異形件進行組裝),避免現場二次加工造成橋架保護層的破壞,同時降低材料成本、提高生產效率。

        (4)機電工程其他材料數字化加工

        除風管、管道、橋架之外,同樣可實現排風罩、風帽、消聲器、靜壓箱、風管調節(jié)閥門、風管防火閥門、方圓型散流器、鋁合金百葉風口系列、配電箱、配電柜、成品支吊架、定制支吊架的數字化加工與安裝。

        三、BIM集成管理平臺

        針對難點3,建立統(tǒng)一編碼體系,研發(fā)中國中鐵BIM集成管理平臺,包括族庫、安全、質量、進度、物資等模塊,通過Revit插件端、移動APP端、Web管理端在BIM應用各個階段進行數據維護。

        四、效益分析

        1.利用Revit,并結合二次開發(fā)軟件

        快速創(chuàng)建可視化的建筑、結構、機電、裝修、幕墻等相關模型進行綜合管線排布,提高繪圖效率;利用三維模型與甲方、設計、土建、精裝、幕墻等單位進行溝通,更加直觀、高效;結合數字化加工設備創(chuàng)建共享數字化建造數據庫,將傳統(tǒng)Revit模型轉化為預制加工模型,進行BIM出圖和預制加工,提高施工圖和預制材料的吻合度,規(guī)避碰撞問題,減少現場返工;深化圖紙審批通過后對預制加工模型進行自動分段,根據實際預制加工情況對其進行優(yōu)化,合理設置支吊架,規(guī)避現場碰撞問題;將圖紙深化及審批時間,由12個月縮短至7個月,保證現場施工進度。

        2.創(chuàng)建數字化加工基地

        將現場加工轉移至數字化加工基地進行自動化生產,將預制構件運輸至現場進行拼裝,減少噪聲污染、施工垃圾和機械傷害,同時避免進場材料因施工安排調整帶來的長期堆放、多次倒運和加工空間緊張等問題;通過精細化建模,利用物資軟件進行精確算量,將數字化加工基地生產的預制構件進行編碼,快速準確地運輸至相應的安裝區(qū)域,同時根據材料實際情況,優(yōu)化運輸方案,如風管標準直線段采用L型運輸,提高運輸效率;基于BIM進行風管數字化加工與安裝,提高材料加工質量、生產效率,降低材料損耗和廢品率,減少人工投入;基于BIM進行管道數字化加工與安裝,提高管道施工質量,規(guī)避火災等安全隱患,降低對技術人員的依賴性;基于BIM進行橋架數字化加工與安裝,提高材料加工質量、生產效率,降低材料損耗,規(guī)避現場二次加工和材料保護層損壞問題,降低人工成本,提高施工質量;

        3.通過搭建基于BIM的集成管理平臺

        將BIM數據進行管理,更好的實現BIM數據在軟件和數字化加工設備之間的傳遞,同時實現預制加工構件流轉信息記錄和工程量統(tǒng)計等,為BIM數據在BIM應用全生命周期各個階段的應用提供平臺保障。

        五、結語

        將BIM與數字化建造相結合,對于提高機電管線施工質量、施工生產效率、材料利用率、施工安全管理水平,降低對施工技術人員的依賴性、部分施工環(huán)節(jié)對人體的損害、人工投入,實現自動化生產、綠色建造和節(jié)能減排具有重要意義。

        公司利用BIM技術,在鞍山百腦匯項目從基于BIM的機電工程數字化建造等方面進行深入研究,在各區(qū)域經營中心創(chuàng)建數字化加工基地,實現基于BIM的機電工程數字化建造,探索出機電工程施工管理的新模式。

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