許國(guó)偉，雷全勇，吳業(yè)文，劉漢文

(中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

住宅造樓機(jī)是一款能滿足全天候空中作業(yè)的新型輕量化住宅樓建造集成平臺(tái)。由鋼平臺(tái)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、動(dòng)力及控制系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、掛架系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)組成，并集成遙控布料機(jī)、可開合雨篷、自動(dòng)噴淋裝置、模板吊掛、精益建造等功能。

住宅造樓機(jī)集多種功能于一體，組成機(jī)構(gòu)復(fù)雜，由3千多個(gè)裝配式構(gòu)件拼裝而成。住宅造樓機(jī)構(gòu)件加工、裝配精度要求高，且設(shè)備與建筑物上的附著節(jié)點(diǎn)需匹配結(jié)構(gòu)施工產(chǎn)生的正常偏差，附著節(jié)點(diǎn)構(gòu)造須具有一定的偏差調(diào)節(jié)能力。住宅造樓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)要求高，設(shè)備自重與承載力均較大，而且長(zhǎng)期高空運(yùn)行對(duì)各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)要求高。為解決以上問(wèn)題，在整個(gè)研發(fā)過(guò)程中，以基于BIM技術(shù)的數(shù)字化、信息化、可視化為核心理念，開展設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工、安裝維護(hù)工作，化繁瑣設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單的搭積木組合，化抽象平面圖紙為空間立體模型，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、高效調(diào)整，圓滿實(shí)現(xiàn)新型施工裝備從理論到實(shí)踐的落地。

1 基于BIM技術(shù)的裝配式設(shè)計(jì)

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件設(shè)計(jì)

住宅造樓機(jī)在研發(fā)之初就考慮到需滿足后續(xù)周轉(zhuǎn)使用，所有構(gòu)件盡量采用可周轉(zhuǎn)、可拆卸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并考慮其通用性。借助BIM技術(shù)進(jìn)行空間裝配模擬，分系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化零件的設(shè)計(jì)方案比選，最終確定掛座、軌道立柱、標(biāo)準(zhǔn)貝雷片、組裝式陰陽(yáng)頭、掛架吊點(diǎn)等標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件形式。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件設(shè)計(jì)也及時(shí)與相應(yīng)專業(yè)廠家進(jìn)行溝通，滿足構(gòu)件可加工型和可實(shí)施性要求。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型確定后，在住宅樓結(jié)構(gòu)模型外圍進(jìn)行空間拼裝，在不同形狀、不同建筑面積的建筑單體間也能進(jìn)行拼裝使用，從而提高構(gòu)件重復(fù)使用率，降低單項(xiàng)目造樓機(jī)使用成本。

住宅造樓機(jī)設(shè)計(jì)BIM團(tuán)隊(duì)共8人，6人采用BIM專業(yè)軟件分工建模，1人總拼，1人校核，共完成住宅造樓機(jī)6大系統(tǒng)3 092個(gè)構(gòu)件的三維設(shè)計(jì)工作，構(gòu)件間的連接形式均為銷釘、螺栓及卡槽連接等，杜絕了現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中的動(dòng)火焊接作業(yè)，為現(xiàn)場(chǎng)綠色、安全、文明施工保駕護(hù)航。支撐系統(tǒng)裝配如圖1所示。

圖1 支撐系統(tǒng)裝配示意

1.2 基于BIM技術(shù)的支點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)分析住宅樓結(jié)構(gòu)平面形式，住宅造樓機(jī)在設(shè)計(jì)之初有10個(gè)支點(diǎn)(見圖2a)及12個(gè)支點(diǎn)(見圖2b)2種方案可供選擇，2種布置選點(diǎn)均較合理，難以選擇。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行建模及受力計(jì)算分析，同等荷載條件下，12個(gè)支點(diǎn)方案有少量桿件應(yīng)力比過(guò)大，鋼平臺(tái)最大位移矢量和為80mm；10個(gè)支點(diǎn)方案有較多桿件應(yīng)力比超標(biāo)，鋼平臺(tái)最大位移矢量和為100mm，而滿足設(shè)計(jì)要求的位移極限值為90mm。最后，選擇12個(gè)支點(diǎn)方案，通過(guò)BIM模型篩選出局部應(yīng)力比過(guò)大桿件進(jìn)行針對(duì)性加固處理(替換截面、增焊鋼板等)，重新植入整體模型中進(jìn)行計(jì)算分析，直至結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及局部桿件承載力均滿足計(jì)算要求，最后將通過(guò)計(jì)算的模型進(jìn)行桿件分解并提交廠家加工制作。

圖2 支點(diǎn)方案設(shè)計(jì)受力計(jì)算分析模型

1.3 基于BIM技術(shù)的雨篷方案設(shè)計(jì)

重慶當(dāng)?shù)厥忻嫔铣墒斓挠昱窕局挥锌缍?m以內(nèi)的產(chǎn)品，而與本住宅造樓機(jī)匹配的雨篷短向跨度通常在6～9m，且要求雨篷能經(jīng)常性地開啟與關(guān)閉，因此，雨篷方案設(shè)計(jì)為原創(chuàng)性設(shè)計(jì)。同樣，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)借助BIM技術(shù)將雨篷構(gòu)造設(shè)想進(jìn)行可視化推演，選定2種方案進(jìn)行比選：方案1為手動(dòng)雙導(dǎo)軌折疊式雨篷(見圖3a，手動(dòng)啟閉，穩(wěn)定性好)，方案2為電動(dòng)伸縮式雨篷(見圖3b，電動(dòng)啟閉，一鍵操作)，各有利弊。由于雨篷要在極端天氣情況下使用，安全性尤為重要。通過(guò)BIM軟件進(jìn)行風(fēng)荷載試驗(yàn)(見圖4)，發(fā)現(xiàn)方案1抗扭、抗剪系數(shù)更大，更堅(jiān)固，方案2構(gòu)造過(guò)于簡(jiǎn)單不能抵抗來(lái)自高空的各方向風(fēng)荷載。最終選擇方案1作為雨篷實(shí)施方案，隨后，現(xiàn)場(chǎng)按BIM模型分解構(gòu)件加工試制了試驗(yàn)篷，并在地面進(jìn)行開啟、關(guān)閉操作驗(yàn)證，成功后方可在住宅造樓機(jī)上進(jìn)行安裝運(yùn)用。

圖3 雨篷方案設(shè)計(jì)

圖4 手動(dòng)雙導(dǎo)軌折疊式雨篷抗風(fēng)總計(jì)算模型

1.4 基于BIM技術(shù)的頂升仿真演練

住宅造樓機(jī)為1臺(tái)隨著建筑物高度變化不斷向上爬升的超級(jí)移動(dòng)加工廠，自重270t，加上外掛荷載70t、鋼平臺(tái)頂面堆載30t、水平風(fēng)荷載20t，支撐立柱承載的總荷載約400t。住宅造樓機(jī)頂升由12個(gè)同步油缸完成，由于各支點(diǎn)受力不同，軌道立柱運(yùn)動(dòng)軌跡可能與實(shí)際存在偏差，因此，需對(duì)整個(gè)頂升過(guò)程進(jìn)行施工模擬。通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行同步液壓頂升系統(tǒng)虛擬仿真模擬(見圖5)，建立液壓驅(qū)動(dòng)(油缸、油泵)、監(jiān)測(cè)傳感器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的邏輯數(shù)字模型，對(duì)頂升過(guò)程中的力和位移控制、位移誤差控制、行程控制、負(fù)載壓力控制等進(jìn)行逼真還原，檢查運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各時(shí)刻受力重分布情況，并反復(fù)仿真推演，提前掌握運(yùn)動(dòng)軌跡中的最不利位置及應(yīng)力最大位置，提前制定好針對(duì)性應(yīng)急措施，以確保實(shí)際操作時(shí)萬(wàn)無(wú)一失，實(shí)現(xiàn)住宅造樓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的零事故。

圖5 住宅造樓機(jī)頂升虛擬仿真

2 基于BIM技術(shù)的數(shù)控加工

由于住宅造樓機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件式裝配設(shè)計(jì)，三維建?？煽焖偕蓸?gòu)建加工圖及BOM物料清單，這樣為構(gòu)件加工提供了便捷的數(shù)據(jù)支撐，減少了手工繪制加工圖的工作量。

BIM模型數(shù)據(jù)與構(gòu)件加工數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接，機(jī)床自動(dòng)提取構(gòu)件加工幾何尺寸信息，實(shí)現(xiàn)模塊化的加工工藝制定及智能化加工參數(shù)設(shè)置。不僅提高了構(gòu)件加工制造精度，提升了加工效率，而且降低人工數(shù)據(jù)錄入的出錯(cuò)幾率。

3 基于BIM技術(shù)的裝配式施工

住宅造樓機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)BIM技術(shù)搭建管理平臺(tái)，以模型和信息采集為基礎(chǔ)。依靠構(gòu)件ID唯一性制定二維碼和裝配圖，將構(gòu)件屬性參數(shù)、生產(chǎn)信息、裝配定位等信息生成二維碼，然后通過(guò)后臺(tái)服務(wù)器將造樓機(jī)構(gòu)件模型放置在云平臺(tái)。構(gòu)件出廠時(shí)將二維碼妥善粘貼在醒目位置并做好防水等保護(hù)措施。

構(gòu)件運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后，現(xiàn)場(chǎng)安裝人員通過(guò)移動(dòng)端掃描構(gòu)件二維碼可準(zhǔn)確獲得構(gòu)件安裝定位信息及安裝工藝，避免現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)管理后臺(tái)通過(guò)BIM+二維碼技術(shù)對(duì)每個(gè)構(gòu)件狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，從構(gòu)件加工、運(yùn)輸、存放至現(xiàn)場(chǎng)安裝可做到精細(xì)化跟蹤管理，確保住宅造樓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拼裝準(zhǔn)確、安裝進(jìn)度符合計(jì)劃要求。

4 基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)孿生式健康監(jiān)測(cè)

住宅造樓機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)裝配式組裝完成后，利用BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建造樓機(jī)智能安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)(見圖6)，實(shí)現(xiàn)造樓機(jī)數(shù)據(jù)孿生式健康監(jiān)測(cè)。

圖6 住宅造樓機(jī)健康監(jiān)測(cè)模型

在靜態(tài)施工階段，物聯(lián)網(wǎng)傳感器對(duì)住宅造樓機(jī)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變、水平度、垂直度、位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，運(yùn)維人員通過(guò)模型可隨時(shí)監(jiān)測(cè)住宅造樓機(jī)各部位的運(yùn)行工況，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)檢人員能第一時(shí)間處理，效率大大提高。

在造樓機(jī)自動(dòng)頂升階段，12個(gè)油缸在BIM+智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)上協(xié)同工作、智能頂升，將高程誤差控制在20mm內(nèi)。真正做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)處理，為住宅造樓機(jī)健康、安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)在住宅造樓機(jī)的研發(fā)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到運(yùn)維的全過(guò)程應(yīng)用，通過(guò)可視化、參數(shù)化、模塊化的裝配式設(shè)計(jì)為住宅造樓機(jī)成功實(shí)施打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，通過(guò)基于BIM模型的協(xié)同工作，大大提高了設(shè)計(jì)、加工、運(yùn)維等各環(huán)節(jié)的溝通效率，提升了整個(gè)項(xiàng)目精細(xì)化管理水平。