卓 旬 徐艷紅 吳正剛 許慶江

(中建安裝集團(tuán)有限公司，南京 210046)

引言

近年來(lái)，建筑信息模型(Building Information Modeling，以下簡(jiǎn)稱BIM技術(shù))作為參數(shù)化表達(dá)及集成化管理的新型技術(shù)[1-2]，在MEP(Mechanical，Electrical and Plumbing)項(xiàng)目中應(yīng)用與推廣力度逐漸加大，關(guān)于新型預(yù)制裝配式建筑在建筑機(jī)電專業(yè)方面的研究(暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、整體廚衛(wèi))也陸續(xù)展開(kāi)[3-5]，實(shí)行工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配將機(jī)電設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工變得程序化、標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)易化，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，然而如何在提高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)裝配式機(jī)電全過(guò)程的BIM模型精細(xì)化控制，是企業(yè)追求的目標(biāo)和方向。本文在精準(zhǔn)地預(yù)留預(yù)埋前提下，提出了“深化設(shè)計(jì)—工廠預(yù)制—虛擬預(yù)裝配模型一體化”的裝配式機(jī)電精細(xì)化BIM模型控制方案，通過(guò)分析各個(gè)階段精細(xì)化控制的關(guān)鍵點(diǎn)，有計(jì)劃地對(duì)裝配式機(jī)電各階段進(jìn)行全面的、綜合的、完善的技術(shù)控制，以保證項(xiàng)目質(zhì)量、進(jìn)度目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 精準(zhǔn)化BIM模型

BIM模型是由各類系統(tǒng)族、標(biāo)準(zhǔn)族組合而成，一個(gè)BIM模型的精準(zhǔn)化精細(xì)化很大程度上取決于族的精度[6]，一個(gè)完整的、系統(tǒng)的、參變的、自適應(yīng)能力強(qiáng)的族是提高建模效率和模型精度的關(guān)鍵。對(duì)于裝配式建筑機(jī)電BIM模型而言，模塊的劃分方式對(duì)BIM模型精細(xì)度(Levels of Detail，LOD)也起著至關(guān)重要的作用。

1.1 高精度BIM族

高精度的BIM族包含兩個(gè)方面：一方面是最廣為人知的BIM構(gòu)件模型細(xì)度，即構(gòu)件的幾何參數(shù)信息； 另一方面則是BIM族的信息細(xì)度，即從產(chǎn)品細(xì)度等級(jí)出發(fā)包含性能信息、定位連接信息、設(shè)計(jì)屬性、價(jià)格參數(shù)、廠商信息等[7]。高精度BIM族與低精度BIM族的區(qū)別在于模型的面數(shù)對(duì)比不同、精細(xì)程度不同、應(yīng)用的范圍不同。低精度BIM族主要應(yīng)用于對(duì)模型質(zhì)量需求不高的投標(biāo)階段，而高精度BIM族則較多應(yīng)用于對(duì)模型的精度和細(xì)節(jié)要求非常高的深化設(shè)計(jì)階段。

在裝配式建筑機(jī)電工程深化設(shè)計(jì)過(guò)程中，在對(duì)各類設(shè)備及大型管件進(jìn)行三維BIM建模的同時(shí)，還需要將建模程度細(xì)化到機(jī)電設(shè)備組件，能夠清楚表現(xiàn)機(jī)電設(shè)備組件的所處位置[8]。結(jié)合廠家提供的設(shè)備、閥部件等的尺寸大樣圖進(jìn)行BIM族的調(diào)整，使模型內(nèi)構(gòu)件尺寸于產(chǎn)品規(guī)格尺寸相一致。構(gòu)件所帶信息完整、準(zhǔn)確，包含標(biāo)準(zhǔn)/圖集信息、技術(shù)參數(shù)信息、規(guī)格尺寸信息、工藝信息、廠商信息、運(yùn)維信息、管理信息、其他信息等。

1.2 BIM模塊劃分

一般情況下對(duì)于模型的精細(xì)化程度而言，人們往往關(guān)注的是BIM模型的幾何信息與屬性的層次深度。而對(duì)于裝配式機(jī)電模型來(lái)說(shuō)，機(jī)電模塊的劃分方式對(duì)于BIM模型精細(xì)化控制也具有同等重要的地位。為滿足工程預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配的順利實(shí)施，裝配式機(jī)電系統(tǒng)在深化設(shè)計(jì)階段就要根據(jù)零部件之間的各種關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)模塊的初步劃分，如圖1所示共分為管道支吊架模塊、工藝管道模塊、設(shè)備模塊、電氣管線槽模塊。

圖1 機(jī)電系統(tǒng)模塊劃分

對(duì)于管線模塊的合理劃分應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮模塊的運(yùn)輸空間尺寸、運(yùn)輸和吊裝設(shè)備的能力、支吊架設(shè)置位置、模塊間對(duì)接的節(jié)點(diǎn)要求等因素[9]。在實(shí)際操作中，還需要針對(duì)各專業(yè)管道的不同標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度來(lái)劃分模塊(如風(fēng)管、噴淋管、空調(diào)供回水管、橋架等)。為便于后續(xù)模塊的運(yùn)輸與安裝，可酌情考慮設(shè)置短管作為管道長(zhǎng)度調(diào)整段余量[10-11]。與此同時(shí)，管段的模塊劃分還應(yīng)符合預(yù)制加工要求，以節(jié)省材料、安裝方便為前提，滿足模塊安裝可操作性、經(jīng)濟(jì)性、合理性。并注意模塊接口的處理方式，建立模塊標(biāo)準(zhǔn)化切割方案，明確不同類型接口標(biāo)準(zhǔn)化、流程化連接方式。對(duì)于管道支吊架間距在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的同時(shí)考慮施工操作便捷。

2 工廠預(yù)制加工

裝配式機(jī)電系統(tǒng)管道及其管支架的預(yù)制加工通常在工廠內(nèi)完成，為了保證預(yù)制加工精度，首先規(guī)范出圖標(biāo)準(zhǔn)，形成統(tǒng)一的圖紙格式和制圖模式，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行全面而細(xì)致的標(biāo)注，包括尺寸標(biāo)注、編號(hào)標(biāo)注、標(biāo)高標(biāo)注以及管間距標(biāo)注等。

以往在所有模型最終確定后，根據(jù)需求導(dǎo)出不同形式的BIM施工圖，如二維平面、立面圖、剖面圖、局部三維圖等。對(duì)于模塊加工圖而言，由于模塊結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜需要至少三個(gè)視口甚至多個(gè)視口才能完美地描述清楚。在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，三視圖出圖的效率低下、出錯(cuò)率高、圖面數(shù)據(jù)交錯(cuò)復(fù)雜、信息量大、表達(dá)不直觀。鑒于此引入石化工程中常用的正等軸測(cè)圖(ISO圖)，通過(guò)三維可測(cè)量的表達(dá)方式(如圖2所示)，將圖面信息更直觀地展現(xiàn)給施工人員[12]，采用這種表達(dá)方式使作業(yè)人員對(duì)管道信息的提取做到一目了然，不僅能很好地表達(dá)模塊的詳細(xì)尺寸，還能方便地看到模塊三維狀態(tài)，給管件預(yù)制加工帶來(lái)了便利。

創(chuàng)建企業(yè)族庫(kù)、自主開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件工具，將石化工程中常用的正等軸測(cè)圖(ISO圖)引入到BIM軟件中(目前已成功實(shí)現(xiàn)在Autodesk Revit中的應(yīng)用)，生成管道軸測(cè)圖，同時(shí)利用二次開(kāi)發(fā)插件完成管線尺寸標(biāo)記、標(biāo)注等工作。該方法解決了BIM軟件繪制正等軸測(cè)圖標(biāo)注困難、二維表達(dá)混亂、不清晰等問(wèn)題，相較于傳統(tǒng)機(jī)電工程平剖圖更易讀、圖紙精度更高、出圖效率更高、管線預(yù)加工兼容性強(qiáng)[12]。

3 3D激光掃描技術(shù)

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷普及和深入應(yīng)用，越來(lái)越多的施工企業(yè)意識(shí)到深化設(shè)計(jì)與施工階段緊密聯(lián)接的重要性。深化設(shè)計(jì)不僅僅是對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的進(jìn)一步深化，更是對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中問(wèn)題的前瞻式解決。

圖2 自主開(kāi)發(fā)插件及正等軸測(cè)圖

由于現(xiàn)場(chǎng)土建結(jié)構(gòu)與建筑施工、設(shè)備基礎(chǔ)施工難免會(huì)存在一定的誤差，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，同時(shí)結(jié)合3D激光掃描技術(shù)(又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù))通過(guò)高速激光測(cè)距原理獲得三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將多個(gè)數(shù)據(jù)串聯(lián)在一起形成建筑內(nèi)部與外部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將掃描到的點(diǎn)云文件導(dǎo)入到掃描軟件中特定的處理中心(如REVIT中.rcp和.rcs索引格式)，形成完整的點(diǎn)云模型，最后采用BIM逆向建模技術(shù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成實(shí)體模型，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)與Revit2012以后的版本可做到兼容與結(jié)合[13]。通過(guò)三維掃描技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)情況真實(shí)準(zhǔn)確地反饋到BIM模型中，清晰地反應(yīng)建筑機(jī)電設(shè)備的區(qū)間位置、安裝位置與土建結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系[8]。

與此同時(shí)對(duì)工廠預(yù)制的設(shè)備、管道進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反饋到BIM模型中，通過(guò)不斷調(diào)整BIM模型數(shù)據(jù)，使模型與實(shí)際相契合。BIM模型詳細(xì)的展示設(shè)備與設(shè)備或建筑構(gòu)件間的接口信息[8]，模型集成建筑、機(jī)電元素的的幾何信息、物理信息和拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

通過(guò)3D激光掃描技術(shù)與BIM逆向建模技術(shù)完美的結(jié)合，科學(xué)高效地解決了深化設(shè)計(jì)階段與現(xiàn)場(chǎng)施工階段銜接的問(wèn)題，確保了BIM模型信息的精準(zhǔn)性，降低了后期現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程中的變更，提高了現(xiàn)場(chǎng)裝配的精度和質(zhì)量，節(jié)省資金成本及時(shí)間成本，大大提高了工程管理效率。

4 虛擬預(yù)裝配技術(shù)

為了將安裝誤差最小化，實(shí)現(xiàn)一站式裝配，通過(guò)引入虛擬預(yù)裝配技術(shù)，使設(shè)計(jì)圖紙、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、施工工序在BIM模型中進(jìn)行深度的結(jié)合。BIM模型中各個(gè)施工構(gòu)件按實(shí)際尺寸、安裝位置、標(biāo)高、連接方式、施工工藝先后順序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程模擬，再次復(fù)核管線排布的錯(cuò)、漏、碰問(wèn)題的同時(shí)，對(duì)安裝過(guò)程中可能發(fā)生的工作面偏離或誤差的重點(diǎn)、難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)，提前預(yù)估誤差積累值，通過(guò)安裝方案的調(diào)整減少誤差的積累。

通過(guò)不斷優(yōu)化確定最終方案，對(duì)安裝過(guò)程中的細(xì)節(jié)通過(guò)三維剖面圖與動(dòng)態(tài)漫游相結(jié)合的方式向施工技術(shù)人員進(jìn)行沉浸式可視化交底，使安裝人員更能充分理解施工方案，減少因個(gè)人主觀意識(shí)造成的錯(cuò)誤理解，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)進(jìn)一步提高施工工效。通過(guò)虛擬預(yù)裝配的整個(gè)過(guò)程，提前解決了安裝過(guò)程中的隱患，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電系統(tǒng)裝配過(guò)程的高精度控制。

5 項(xiàng)目應(yīng)用

從BIM模型創(chuàng)建、3D掃描模型優(yōu)化、模塊劃分、出圖預(yù)加工、虛擬預(yù)裝配等方面出發(fā)，裝配式機(jī)電BIM模型精細(xì)化控制技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目上進(jìn)行了成功應(yīng)用。

5.1 BIM模型精細(xì)化控制設(shè)計(jì)方案

(1)高精度BIM模型的建立

圖3 精細(xì)化參數(shù)化族

根據(jù)項(xiàng)目需要結(jié)合實(shí)際采購(gòu)設(shè)備清單資料中的機(jī)電各部品部件詳細(xì)的尺寸參數(shù)、接口位置等信息，創(chuàng)建了多個(gè)可參數(shù)化族，以及與廠家的真實(shí)尺寸相匹配的裝配式LOD400族(如圖1所示)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求實(shí)現(xiàn)族的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，通過(guò)修改設(shè)置參數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)了不同類型、不同尺寸裝配模塊的快速設(shè)計(jì)。項(xiàng)目各階段的技術(shù)人員通過(guò)構(gòu)件賦予的詳細(xì)的參數(shù)化信息，實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的信息提取，從而加強(qiáng)裝配式機(jī)電實(shí)施過(guò)程中的高效化管理。根據(jù)施工圖和已建立的設(shè)備族，建立設(shè)備器具、橋架、線槽、水管、風(fēng)管、閥門等模型，通過(guò)精細(xì)化的BIM模型進(jìn)行機(jī)電管線綜合，提前進(jìn)行碰撞檢查避免沖突的發(fā)生。

(2)3D掃描、模型優(yōu)化

采用3D激光掃描技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，采集到的現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的尺寸信息，點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、冗余數(shù)據(jù)剔除、軸網(wǎng)匹配后，將三維點(diǎn)云模型與BIM模型的疊加整合(圖5)進(jìn)行色譜偏差分析，在理想的掃描條件下，掃描精度達(dá)到2mm[14]，綠色部分表示偏差較小，在誤差可控范圍內(nèi)，紅色部分代表偏差較大，最大值約為180mm(圖6)。對(duì)于偏差較大的區(qū)域進(jìn)行問(wèn)題查找，進(jìn)而調(diào)整BIM模型(圖7)，使模型與安裝現(xiàn)場(chǎng)高度契合，形成一個(gè)真實(shí)、信息全面的虛擬建筑信息集成模型。

圖4 三維點(diǎn)云

圖5 點(diǎn)云與模型整合

圖6 偏差分析

圖7 模型調(diào)整

(3)模塊劃分、預(yù)制加工

利用BIM技術(shù)進(jìn)行模塊劃分，根據(jù)加工廠的設(shè)備加工需求合理利用法蘭進(jìn)行管道分段，結(jié)合閥門、儀表形成各種設(shè)備模塊。綜合考慮管道場(chǎng)外預(yù)制和運(yùn)輸?shù)谋憷瑢?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝無(wú)焊接，模塊劃分接口避開(kāi)管道支吊架部位。通過(guò)Revit API接口，自主研發(fā)了Revit插件(圖8)，可以將管線在滿足國(guó)家規(guī)范的情況下大批量自動(dòng)切割劃分管道，并自動(dòng)按規(guī)則編號(hào)。

圖8 管道自動(dòng)拆分插件及模塊示意圖

圖9 正等軸測(cè)圖紙

模塊劃分完畢后，利用的三維尺寸標(biāo)注出圖。通過(guò)二次開(kāi)發(fā)插件完成管線尺寸標(biāo)記、標(biāo)注等工作并生成ISO管線加工圖(圖9)。工廠根據(jù)圖紙和材料表的數(shù)據(jù)信息，利用專業(yè)的加工設(shè)備對(duì)管道進(jìn)行機(jī)械化流水制造，加工、焊接、探傷、熱處理，嚴(yán)格的生產(chǎn)流程在保證了質(zhì)量的同時(shí)大大減少了臨時(shí)材料、零星材料的使用量，降低了加工成本。

在BIM模型中對(duì)每個(gè)模塊信息進(jìn)行自動(dòng)編碼，編碼具有空間位置唯一性、可查詢性，將圖紙上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器生成二維碼作為模塊自身獨(dú)有的身份“ID”，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通過(guò)掃描二維碼即可查看圖紙。

(4)虛擬預(yù)裝配

圖10 模塊的虛擬預(yù)裝配

圖11 地下室走道模型與現(xiàn)場(chǎng)圖

圖12 一層走道模型與現(xiàn)場(chǎng)圖

項(xiàng)目施工階段遵循“先試后建、虛擬建造”的原則，利用BIM技術(shù)進(jìn)行信息化構(gòu)件預(yù)裝配模擬(圖10)，將三維掃描/實(shí)際測(cè)量的預(yù)裝配構(gòu)件的控制截面數(shù)據(jù)通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入BIM模型中，核對(duì)構(gòu)件加工偏差和構(gòu)件之間的空隙是否滿足規(guī)范要求，在施工前最大程度地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程的模擬和預(yù)裝配分析，確定設(shè)備部件組裝及管道安裝的最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)一次整體拼裝成型[15]。

5.2 實(shí)施效果及效益分析

通過(guò)BIM管段編號(hào)，三維模擬施工，優(yōu)選最佳管排安裝順序，在確保安裝精度和質(zhì)量前提下，完成管道的整體提升組隊(duì)及法蘭盤拼接，BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果如圖10所示。

項(xiàng)目采用“深化設(shè)計(jì)—工廠預(yù)制—虛擬預(yù)裝配模型一體化”的裝配式機(jī)電精細(xì)化BIM模型控制方案，LOD400高精度的BIM族，提高了建模效率及BIM應(yīng)用深度，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行偏差分析節(jié)約了人工測(cè)量的時(shí)間成本加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度，通過(guò)引進(jìn)ISO出圖方法大大提高了圖紙的精準(zhǔn)度，使技術(shù)人員能夠一目了然地獲取信息。

6 結(jié)語(yǔ)

裝配式機(jī)電是BIM精益化、數(shù)字化制造的體現(xiàn)，本文提出了裝配式機(jī)電精細(xì)化BIM模型控制設(shè)計(jì)方案，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了應(yīng)用，通過(guò)對(duì)裝配式機(jī)電各階段的統(tǒng)籌管理，將BIM模型精細(xì)化控制工作進(jìn)行細(xì)化分解，利用科學(xué)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)手段，在保證機(jī)電系統(tǒng)安裝質(zhì)量的前提下，進(jìn)一步提高了施工效率，為裝配式機(jī)電全過(guò)程精細(xì)化控制奠定了良好的基礎(chǔ)。在保證高精度BIM模型的前提下，如何兼顧快速性及模型輕量化，是在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中仍需不斷探索和努力的方向。