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。