張 波 蔡煥鈞

(中建安裝集團(tuán)有限公司,南京 210023)

引言

為提高地鐵機(jī)電工程建設(shè)的效率、精度、質(zhì)量，我們提出以BIM技術(shù)為核心，以“模塊化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工”的應(yīng)用理念，并在承建多個(gè)城市地鐵工程建設(shè)中，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

以杭州地鐵5號(hào)線機(jī)電設(shè)備安裝和裝修工程為例，解決了工期短、換乘車站多、周邊環(huán)境復(fù)雜、機(jī)電避讓精度高等諸多難題，本工程的一個(gè)典型換乘車站：打鐵關(guān)站的BIM整體土建模型，如圖1所示。

圖1 杭州地鐵5號(hào)線“打鐵關(guān)站”的整體模型

1 BIM機(jī)電裝配式施工深化設(shè)計(jì)

1.1 BIM多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同

為滿足地鐵車站專業(yè)化程度高、BIM建模精度要求高、多專業(yè)協(xié)作程度高的深化要求，我們以Revit 為中心，以Rhino作為中間件轉(zhuǎn)換平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械產(chǎn)品構(gòu)件與建設(shè)工程模型之間的轉(zhuǎn)換與協(xié)同，其協(xié)調(diào)應(yīng)用策劃導(dǎo)圖，如圖2所示。

圖2 多軟件BIM平臺(tái)協(xié)作的深化設(shè)計(jì)

地鐵工程機(jī)電管線多，電氣橋架與通風(fēng)風(fēng)管、空調(diào)設(shè)備、給排水管道緊密層疊、相互交織[1]，BIM深化設(shè)計(jì)要求滿足較高的配合精度，如圖3-4所示。

圖3 建國路站：土建結(jié)構(gòu)模型

圖4 建國路站：機(jī)電管綜模型

1.2 局部詳圖節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化設(shè)計(jì)

為提高地鐵工程較高的砌筑質(zhì)量要求，需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)質(zhì)量控制節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步細(xì)化模型節(jié)點(diǎn)，明確每一根鋼筋、模板的工藝要求，如圖5所示，同時(shí)開展可視化技術(shù)較低[2]，在施工過程中，實(shí)現(xiàn)較高的工藝、質(zhì)量控制水平。

1.3 “預(yù)制構(gòu)件”設(shè)計(jì)

BIM團(tuán)隊(duì)從施工準(zhǔn)備階段，就明確了以“預(yù)制構(gòu)件(模塊化)設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工”為中心的總體BIM思路和應(yīng)用目標(biāo)，以Revit+Fabrication為設(shè)計(jì)平臺(tái)，開展全面預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)。如圖6-7所示。

圖5 砌筑及構(gòu)造柱施工交底模型

圖6 Fabrication風(fēng)管分段與裝配模型

圖7 Fabrication導(dǎo)出分段排版平面圖

為實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)的產(chǎn)品級(jí)出圖[3]，BIM模型不僅要呈現(xiàn)機(jī)電管綜設(shè)計(jì)、解決管線碰撞，還必須完成預(yù)制構(gòu)件的數(shù)據(jù)輸出[4]，這要求模型必須從傳統(tǒng)的LOD350精度，提升到LOD450產(chǎn)品級(jí)精度，模型信息必須涵蓋工廠化預(yù)制所需的全部生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容：

1)訂單信息：編號(hào)、型號(hào)、安裝序號(hào)、系統(tǒng)類型；

2)構(gòu)件信息：材質(zhì)、尺寸、接口類型、連接方式；

3)生產(chǎn)信息：加工詳圖、數(shù)控NC數(shù)據(jù)；

4)進(jìn)場信息：進(jìn)場時(shí)間節(jié)點(diǎn)、吊裝要求；

5)裝配信息：二維碼、裝配詳圖、APP物流定位數(shù)據(jù)。

Revit+Fabrication提供了優(yōu)秀的機(jī)電預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，從裝配式設(shè)計(jì)模型，到工廠化預(yù)制訂單，以及符合生產(chǎn)加工要求的詳圖數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)高效的模型信息輸出，我們利用Revit SDK編寫了導(dǎo)出生產(chǎn)訂單信息的插件，一次性導(dǎo)出全部預(yù)制裝配件的訂單表格和附圖，如圖8所示。

圖8 批量導(dǎo)出Excel訂單報(bào)表(節(jié)選)

生成訂單的同時(shí)，暖通專業(yè)工程師在模型中復(fù)核訂單[5]，如圖9所示，確認(rèn)與最初BIM裝配式設(shè)計(jì)一致，確認(rèn)滿足現(xiàn)場的施工裝配要求，經(jīng)確認(rèn)的預(yù)制產(chǎn)品，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分配唯一的產(chǎn)品ID標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)劃專員在加工廠完成排產(chǎn)，根據(jù)信息系統(tǒng)中預(yù)定的生產(chǎn)序號(hào)預(yù)制加工，完成從BIM預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)、工廠自動(dòng)化生產(chǎn)、到現(xiàn)場裝配式施工的完整流程。

1.4 “預(yù)制構(gòu)件”的生產(chǎn)方式

預(yù)制加工廠技術(shù)人員的根據(jù)構(gòu)件的復(fù)雜程度，選擇采用不同的生產(chǎn)方式：

(1)全自動(dòng)化生產(chǎn)(數(shù)控加工)

針對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)”風(fēng)管管段：標(biāo)準(zhǔn)管段、標(biāo)準(zhǔn)彎頭等，預(yù)制加工廠優(yōu)先采用成套數(shù)控加工設(shè)備，進(jìn)行全自動(dòng)的生產(chǎn)，目前很多風(fēng)管加工廠都擁有NC代碼的數(shù)控設(shè)備，這種生產(chǎn)方式的生產(chǎn)效率高，即使生產(chǎn)任務(wù)較重的訂單，一般也能在24h內(nèi)裝車送貨。

(2)半自動(dòng)化生產(chǎn)

針對(duì)“非標(biāo)”風(fēng)管管件：彎頭，三通等，因規(guī)格尺寸差異較大，通常會(huì)采用半自動(dòng)化的生產(chǎn)方式，即采用數(shù)控的板材生產(chǎn)機(jī)械完成板材生產(chǎn)和切割，然后根據(jù)不同的復(fù)雜程度二次加工，生產(chǎn)效率中，但可以滿足復(fù)雜形狀，特殊風(fēng)管管件的定制要求，如圖10所示。

圖10 風(fēng)管Fabrication構(gòu)件設(shè)計(jì)和送貨核對(duì)

1.6 BIM虛擬“樣板間”模型

為實(shí)現(xiàn)地鐵工程標(biāo)準(zhǔn)、一致的質(zhì)量要求和工藝標(biāo)準(zhǔn)，建立BIM 數(shù)字化樣板模型、房間可視化3D 模型，作為質(zhì)量控制的重要依據(jù)，如圖11所示。

圖11 在Revit中完成的樣板模型

“BIM虛擬樣板”可以作為現(xiàn)場樣板的補(bǔ)充和豐富，可以建立BIM數(shù)字中心的形式全息展示，也可以用手機(jī)等移動(dòng)端APP查看和交底。與施工現(xiàn)場耗費(fèi)大量實(shí)體材料建設(shè)的樣板間、樣板段相比，BIM數(shù)字化的樣板間具有諸多優(yōu)勢，如圖12-13所示。

圖14 打鐵關(guān)站冷凍機(jī)房模型

圖12 土建專業(yè)樣板間模型及做法說明

圖13 機(jī)電綜合樣板間模型及做法說明

與現(xiàn)場實(shí)際施工的實(shí)體樣板相比，BIM虛擬樣板是隨身攜帶的技術(shù)要求，且可以重復(fù)應(yīng)用于后續(xù)的同類工程中，展現(xiàn)出實(shí)體樣板無法比擬的應(yīng)用價(jià)值：

1)更精確的工藝展示，更全面的質(zhì)量管控依據(jù)；

2)可視化、可傳承、更直觀的技術(shù)交底效果；

3)更低的設(shè)計(jì)成本，可在多個(gè)工程中重復(fù)利用。

1.7 暖通環(huán)控機(jī)房的BIM深化設(shè)計(jì)

地鐵工程機(jī)房數(shù)量眾多，其中暖通環(huán)控機(jī)房、冷凍機(jī)房是BIM設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，這類機(jī)房內(nèi)設(shè)備占用空間大，管道尺寸大、管道眾多且系統(tǒng)復(fù)雜，在BIM中完成精確的設(shè)備建模和管綜深化設(shè)計(jì)，如圖14-15所示。

(1)通過優(yōu)化機(jī)房內(nèi)冷水機(jī)組、水泵、分集水器等設(shè)備布局，預(yù)留人員通行和設(shè)備檢修空間；

(2)通過優(yōu)化管道避讓關(guān)系，讓交織管道平直有序，呈現(xiàn)水管的自然美感，實(shí)現(xiàn)最佳的視覺感官質(zhì)量；

(3)通過精確建模，優(yōu)化各類閥門、儀表、過濾器位置朝向和標(biāo)高，滿足地鐵運(yùn)營的高標(biāo)準(zhǔn)功能要求。

圖15 建國路站：環(huán)控機(jī)房(含綜合支吊架)設(shè)計(jì)

為解決傳統(tǒng)BIM軟件對(duì)于雙曲面、高精度模型處理能力弱的問題。我們利用Rhino作為中間件平臺(tái)，打通機(jī)械CAM類建模平臺(tái)與BIM建筑信息模型直接的行業(yè)壁壘，讓工廠提供的Pro/E、Solidworks等高精細(xì)度模型可以輕易進(jìn)入BIM建模平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)一的協(xié)調(diào)互用。

Rhino是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的曲面設(shè)計(jì)軟件，是處理高精度曲面模型設(shè)計(jì)的首先，同時(shí)與BIM類軟件具有良好的交互接口(Revit可直接導(dǎo)入3DM格式模型)，同時(shí)也進(jìn)一步提升了綜合模型表現(xiàn)力，Rhino完成的冷水機(jī)組模型，如圖16所示。

圖16 在Rhino中完成打鐵關(guān)站的冷水機(jī)組模型

1.8 BIM造價(jià)分析管理

借助廣聯(lián)達(dá)BIM 5D統(tǒng)一造價(jià)管理平臺(tái)[6]，對(duì)比BIM導(dǎo)出明細(xì)表數(shù)據(jù)與廣聯(lián)達(dá)報(bào)表進(jìn)行對(duì)比分析，搜尋機(jī)電設(shè)備和管線管路中的設(shè)計(jì)優(yōu)化點(diǎn)，基于模型開展雙優(yōu)化管理。

借助廣聯(lián)達(dá)優(yōu)秀的報(bào)表輸出能力，生成分類工程量數(shù)據(jù)匯總表、鋼筋工程量分類明細(xì)表，這些造價(jià)信息表格與Revit模型相互對(duì)照，協(xié)同校核，如圖17所示。

圖17 機(jī)電綜合樣板間模型及做法說明

1.9 綜合支吊架設(shè)計(jì)(含抗震支架)

地鐵機(jī)電管線多而復(fù)雜，綜合支吊架的設(shè)計(jì)是深化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，BIM管線綜合為綜合支吊架設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的空間依據(jù)。

地鐵工程的設(shè)備區(qū)(環(huán)控機(jī)房、供電)管線繁多、走道上空縱橫交錯(cuò)，為滿足各類自動(dòng)化控制清晰、美觀的布置，引入了機(jī)械 CAM 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，LOD450 級(jí)別的鈑金設(shè)計(jì)，滿足CAE有限元分析所需的模型精度要求，通過 Revit SDK 二次開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)BIM 管線綜合→機(jī)械設(shè)計(jì)→有限元分析→支吊架詳圖，最終形成完整的支吊架設(shè)計(jì)模型，如圖18-19所示。

圖18 Creo(Pro/E)中完成高精度支吊架，生成Revit族

圖19 支吊架模型導(dǎo)入REVIT設(shè)計(jì)模型，形成支吊架詳圖

2 BIM創(chuàng)新建模與擴(kuò)展應(yīng)用

2.1 Revit SDK 二次開發(fā)插件

通過 Revit SDK 二次開發(fā)接口，編寫墻體與管線之間的“空間交集”計(jì)算，自動(dòng)生成預(yù)留洞口模型，快速生成標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)留洞口“平法標(biāo)注”的施工圖紙，如圖20所示。

圖20 地鐵工程：數(shù)量巨大的“預(yù)留洞口”模型

根據(jù)實(shí)際施工的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，地鐵一個(gè)車站357個(gè)預(yù)留洞口(>DN50)，與后開洞施工相比，二次開發(fā)的插件以最低的設(shè)計(jì)成本和最快速度，完成預(yù)留洞口的設(shè)計(jì)出圖，在實(shí)際施工中，取得了進(jìn)度、成本、感官質(zhì)量的多重效益。

2.2 3D 打印在BIM裝配式設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、多角度、多維度的審查設(shè)計(jì)成果，可以與藍(lán)圖疊合(等比例縮小的3D打印)，相互對(duì)照，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱藏在設(shè)計(jì)圖紙中的錯(cuò)誤和問題，做到施工風(fēng)險(xiǎn)的事前控制，如圖21所示。

圖21 3D打印的冷凍機(jī)房實(shí)體機(jī)電模型

裝配式施工預(yù)演是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用3D打印，輸出等比縮小的預(yù)裝配組合模塊，像樂高一樣進(jìn)行施工預(yù)演和交底，如圖22所示，在深化設(shè)計(jì)階段開展全面的“裝配式預(yù)演”和“預(yù)裝配交底”，可以有效地發(fā)現(xiàn)和解決裝配式構(gòu)件的設(shè)計(jì)問題，提高裝配質(zhì)量和裝配進(jìn)度。

圖22 3D打印與裝配式“施工預(yù)演”

技術(shù)交底是現(xiàn)場施工能否達(dá)到技術(shù)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但勞務(wù)人員流動(dòng)性較大，能力水平參差不齊，對(duì)于藍(lán)圖的理解深淺不一。近幾年，一些項(xiàng)目開展BIM三維交底，取得了顯著的應(yīng)用效果。

3 本項(xiàng)目BIM效益分析

3.1 “模塊化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配式設(shè)計(jì)”

本工程利用Revit+Fabrication預(yù)制構(gòu)件建模，實(shí)現(xiàn)了LOD350到LOD400的飛躍，同時(shí)借助CADmep、CAMduct以及二次開發(fā)的接口插件，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的自動(dòng)化數(shù)控生產(chǎn)，利用編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝配式施工。

本工程“模塊化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工”完整的BIM方法體系和流程成果，對(duì)于難度大、工期緊的地鐵工程，具有很高的推廣價(jià)值和示范效應(yīng)。

3.2 高精度BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的示范性效益

本工程利用BIM+CAM工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了高精度的協(xié)同設(shè)計(jì)，其建模成果實(shí)現(xiàn)了對(duì)于施工風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確預(yù)判，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的空間配合、管綜設(shè)計(jì)，洞口預(yù)留等，避免了后期開洞、剔鑿、拆改等，取得了降低成本、提高工藝和感官質(zhì)量的綜合應(yīng)用效益。

3.3 3D打印在模塊化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效益

3D打印技術(shù)，讓BIM設(shè)計(jì)模型，可以跳出屏幕，展現(xiàn)在技術(shù)交底的臺(tái)面之上，讓BIM“可視化”進(jìn)一步進(jìn)化為“可觸摸、可裝配”的掌中實(shí)體建筑模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的有效驗(yàn)證，真正實(shí)現(xiàn)BIM三維實(shí)體出圖。