邢 磊 王晨蔚

上海上安機(jī)電設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司 上海 200439

1 裝配化現(xiàn)狀分析

2016年2月《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》提出了要加大政策支持力度，力爭(zhēng)用10年左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的30%，積極穩(wěn)妥推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑。

同年9月《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出了以京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角三大城市群為重點(diǎn)推進(jìn)地區(qū)，常住人口超過(guò)300萬(wàn)的其他城市為積極推進(jìn)地區(qū)，其余城市為鼓勵(lì)推進(jìn)地區(qū)，因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑[1]。

同年11月，住建部在上海召開(kāi)全國(guó)裝配式建筑現(xiàn)場(chǎng)會(huì)，提出“大力發(fā)展裝配式建筑，促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)”，并明確了發(fā)展裝配式建筑必須抓好的7項(xiàng)工作。

隨著國(guó)家政策的不斷推廣與扶持，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始嘗試并開(kāi)展裝配化建筑的相關(guān)試點(diǎn)應(yīng)用。

近幾年來(lái)，以央企和地方國(guó)企為代表的試點(diǎn)工程不斷涌現(xiàn)，越來(lái)越多的裝配化成功案例展現(xiàn)在了世人面前。如中建三局深圳平安中心機(jī)電安裝工程項(xiàng)目，在風(fēng)管及AHU機(jī)房空調(diào)水管這2方面應(yīng)用了預(yù)制加工裝配施工技術(shù)；上海安裝工程集團(tuán)有限公司在上海中心大廈項(xiàng)目，風(fēng)管、部分水管、支架、橋架等采取了基于BIM的預(yù)制裝配化施工[2]；中建八局在中國(guó)銀行山東省分行綜合營(yíng)業(yè)樓項(xiàng)目中，制冷機(jī)房應(yīng)用了“BIM＋工廠預(yù)制化裝配式施工”技術(shù)[3]。

通過(guò)以上案例可以發(fā)現(xiàn)，大部分企業(yè)都已經(jīng)在項(xiàng)目中采用了裝配化的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，但使用范圍也僅僅是停留在一些局部區(qū)域或是一些主要機(jī)房，說(shuō)明裝配化技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展雖然已經(jīng)邁出了實(shí)質(zhì)性的一步，但距離大面積的推廣和應(yīng)用還存在一定的差距[4]。

2 裝配化設(shè)計(jì)軟件的選擇

BIM（building information modeling）技術(shù)作為建筑行業(yè)最炙手可熱的技術(shù)之一，隨著近幾年在國(guó)內(nèi)的不斷發(fā)展壯大，越來(lái)越多的工程項(xiàng)目開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)。北京、上海、廣州、深圳等眾多城市也相應(yīng)推出了各類BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推動(dòng)國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)發(fā)展，從政府部門(mén)到房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商，再到設(shè)計(jì)施工單位，各種階層、各類單位均將BIM技術(shù)歸納為企業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要技術(shù)支撐之一，對(duì)BIM技術(shù)的重視程度與日俱增。

作為實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)核心工具的BIM軟件，也在近幾年得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無(wú)論是從BIM軟件的數(shù)量上還是從軟件的種類上均有較大的發(fā)展。

目前市面上的BIM軟件有很多，但絕大多數(shù)的軟件都是用于解決前期設(shè)計(jì)問(wèn)題，并不適用于后方的加工生產(chǎn)，且預(yù)制加工軟件還需與前期的BIM模型相結(jié)合，能做到這點(diǎn)的軟件就更少了。

在經(jīng)過(guò)了多方比較和不斷嘗試之后，選用萊輔絡(luò)公司旗下的一款專業(yè)加工軟件Rebro作為實(shí)施數(shù)字化加工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)軟件。選用這款軟件的主要原因是它跟目前市面上最為普及的Revit系列軟件有非常好的兼容性，兩者可以做到無(wú)縫銜接；其次是這款軟件可直接與工廠內(nèi)的數(shù)字加工機(jī)床對(duì)接，減少了不必要的二道工序。

3 機(jī)電裝配化設(shè)計(jì)流程

此次機(jī)電裝配化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于將BIM技術(shù)與傳統(tǒng)裝配化技術(shù)相結(jié)合，BIM作為引領(lǐng)建筑行業(yè)走向信息化的重要技術(shù)手段，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)融入了建筑設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的各個(gè)環(huán)節(jié)中。通過(guò)將BIM技術(shù)與裝配化設(shè)計(jì)相結(jié)合，利用BIM精確和直觀的表達(dá)方式來(lái)提高傳統(tǒng)裝配化設(shè)計(jì)的出圖質(zhì)量和效率。如圖1所示，在項(xiàng)目實(shí)踐的基礎(chǔ)上，不斷地探索、發(fā)掘，總結(jié)出了一套將BIM技術(shù)與裝配化設(shè)計(jì)相結(jié)合的工作流程，將BIM技術(shù)的價(jià)值發(fā)揮到了極致。

圖1 BIM裝配化設(shè)計(jì)工作流程示意

3.1資料收集

預(yù)制加工設(shè)計(jì)需要考慮的內(nèi)容要比傳統(tǒng)深化設(shè)計(jì)精細(xì)很多，因此在進(jìn)行預(yù)制加工設(shè)計(jì)之前需要將相關(guān)施工材料信息進(jìn)行收集整理，如管道的連接方式、管配件的規(guī)格型號(hào)、設(shè)備出口端的位置及大小等，通過(guò)與設(shè)備管材供應(yīng)商、現(xiàn)場(chǎng)施工人員的反復(fù)溝通確認(rèn)所有數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并將最終確認(rèn)后的數(shù)據(jù)資料分類整理，為后續(xù)加工圖紙的設(shè)計(jì)工作提供基礎(chǔ)。

3.2BIM建模

資料收集工作完成后，需要根據(jù)原設(shè)計(jì)的平面圖紙以及相關(guān)資料信息進(jìn)行BIM建模。建模過(guò)程中，將各專業(yè)機(jī)電管線按不同顏色進(jìn)行區(qū)分，便于后續(xù)管線綜合工作的開(kāi)展。同時(shí)將管材設(shè)備的實(shí)際參數(shù)錄入其中，如彎頭三通的實(shí)際尺寸、閥門(mén)的尺寸、設(shè)備出口端長(zhǎng)度等。通過(guò)實(shí)際參數(shù)的錄入確保模型的真實(shí)性（圖2）。

圖2 機(jī)電各專業(yè)建模效果圖

3.3管線綜合

當(dāng)所有專業(yè)建模工作完成后，利用BIM技術(shù)的三維表達(dá)形式和碰撞檢測(cè)功能，在三維環(huán)境下對(duì)機(jī)電各專業(yè)的管線進(jìn)行深化工作。深化工作主要分為2個(gè)部分：一是解決機(jī)電管線間的碰撞問(wèn)題，二是改善原有機(jī)電管線走向，使之更加合理。借由軟件自帶的碰撞檢測(cè)功能，將各專業(yè)的碰撞問(wèn)題一一解決，通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)各專業(yè)機(jī)電管線走向進(jìn)行合理優(yōu)化，使之布局美觀且便于檢修，符合現(xiàn)場(chǎng)施工需求（圖3）。

圖3 BIM管線排布優(yōu)化模型

3.4結(jié)構(gòu)復(fù)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)土建結(jié)構(gòu)施工完成以后，為避免結(jié)構(gòu)施工誤差對(duì)機(jī)電安裝造成影響，在項(xiàng)目裝配化設(shè)計(jì)過(guò)程中采用全自動(dòng)三維掃描設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光掃描測(cè)繪，并通過(guò)自動(dòng)掃描獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原有結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行比對(duì)，掌握現(xiàn)場(chǎng)施工與設(shè)計(jì)圖紙間的誤差范圍，并調(diào)整結(jié)構(gòu)模型使之與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況完全一致。最后根據(jù)修正后的結(jié)構(gòu)模型調(diào)整機(jī)電管線，避免現(xiàn)場(chǎng)施工誤差對(duì)機(jī)電管線安裝造成影響。

3.5數(shù)據(jù)調(diào)整及分段

現(xiàn)場(chǎng)施工人員確認(rèn)管線優(yōu)化的最終模型后，將BIM模型導(dǎo)入專業(yè)預(yù)制加工軟件（Rebro）內(nèi)來(lái)完成BIM模型預(yù)制加工化的處理工作。結(jié)合前期收集的相關(guān)數(shù)據(jù)，修正模型中的管道連接方式、管配件的尺寸、法蘭的規(guī)格型號(hào)、墊片的尺寸等所有材料信息。

當(dāng)所有信息輸入完成且模型中的各類構(gòu)件均已按照實(shí)際產(chǎn)品調(diào)整完成后，就可以開(kāi)始對(duì)BIM模型的裝配化分段工作，這也是裝配化設(shè)計(jì)過(guò)程中最核心的內(nèi)容。裝配化設(shè)計(jì)方案是否合理就在于管道組件的分段能否滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的要求。在進(jìn)行管道分段工作時(shí)，裝配化設(shè)計(jì)人員與現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行了反復(fù)溝通，并最終就管線的具體分段位置及分段的長(zhǎng)度達(dá)成共識(shí)。為了便于現(xiàn)場(chǎng)的材料運(yùn)輸，設(shè)計(jì)人員將每個(gè)分段組件的尺寸控制在現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地和條件所能允許的最大規(guī)格范圍內(nèi)（圖4）。

圖4 裝配化分段尺寸

對(duì)于分段組件與組件間的連接問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員將組件與組件間的連接位置設(shè)置在閥門(mén)或其他連接配件處。針對(duì)有些特殊組件，設(shè)計(jì)人員則在連接處增設(shè)2片活接法蘭，通過(guò)法蘭進(jìn)行組件間的連接。另外，除組件分段外，裝配化設(shè)計(jì)還需考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝誤差的問(wèn)題。為了避免現(xiàn)場(chǎng)安裝偏差給整體管道預(yù)制帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì)人員在設(shè)備接口處設(shè)置了部分現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整段，通過(guò)調(diào)整段消除現(xiàn)場(chǎng)施工所帶來(lái)的誤差。

3.6加工出圖

上述預(yù)制加工模型調(diào)整完成后，將加工模型導(dǎo)出成為二維加工圖紙，指導(dǎo)后場(chǎng)加工及現(xiàn)場(chǎng)安裝。預(yù)制加工圖紙由機(jī)電系統(tǒng)圖、組件安裝圖、分段加工圖、材料信息表這4個(gè)主要內(nèi)容組成，加工圖中包含了所有管段的規(guī)格、長(zhǎng)度、連接方式等基本信息，用于指導(dǎo)后場(chǎng)管道的管材加工。而安裝圖則是將所有管段組裝成為一個(gè)個(gè)部件，后場(chǎng)在加工完成所有管段后，再將各管段以部件形式進(jìn)行組裝并運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員則根據(jù)安裝圖將各部件吊裝就位，以此提高現(xiàn)場(chǎng)安裝的整體效率。裝配化加工圖紙中的組件安裝圖及材料信息表如圖5所示。

圖5 組件安裝圖及材料信息表

4 機(jī)電裝配化試點(diǎn)應(yīng)用

此次課題分別在多個(gè)不同項(xiàng)目的不同區(qū)域展開(kāi)了裝配化安裝的試點(diǎn)應(yīng)用，考慮到機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和項(xiàng)目實(shí)施情況，課題選取了制冷機(jī)房、機(jī)電綜合管井及標(biāo)準(zhǔn)層這3個(gè)區(qū)域作為此次課題研究的試點(diǎn)區(qū)域，并通過(guò)上述區(qū)域的成功實(shí)施，突破了設(shè)計(jì)過(guò)程中的諸多技術(shù)壁壘，將BIM技術(shù)融入到了傳統(tǒng)裝配化設(shè)計(jì)工作中，成功打造了一套全新的數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)新模式，大大提高了裝配化設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。

4.1制冷機(jī)房裝配化設(shè)計(jì)

制冷機(jī)房是空調(diào)系統(tǒng)的核心組成部分，無(wú)論是從設(shè)計(jì)還是施工的角度都是重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。跟一般的辦公、走道相比，制冷機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備和管道密度高、數(shù)量多、尺寸大，施工難度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。因此該區(qū)域成為了裝配化試點(diǎn)的首選區(qū)域。

1）管線綜合?？紤]到后期裝配化需求，深化設(shè)計(jì)人員在前期深化的同時(shí)，除本身的錯(cuò)漏碰撞外，著重考慮了施工和加工便利性的問(wèn)題。例如，閥門(mén)和閥門(mén)之間的短管統(tǒng)一設(shè)定為20 cm，所有閥門(mén)和管配件的位置和高度盡可能統(tǒng)一，支架的位置與管道連接點(diǎn)的距離不小于10 cm。模型中的彎頭直接替換成1.5d長(zhǎng)彎頭，支管閥門(mén)距總管管壁不小于20 cm，所有影響裝配化分段的問(wèn)題盡可能地在管線綜合階段解決處理，以免影響分段的效果。

2）支架計(jì)算。為確保深化設(shè)計(jì)方案的可行性，在管線優(yōu)化完成后，需要對(duì)機(jī)電管道的每個(gè)受力點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的支架受力計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，確定每個(gè)受力支架的大小、形式和具體位置，避免因受力支架影響機(jī)電管線的排布。

3）分段設(shè)計(jì)。機(jī)房管道由于受到場(chǎng)地、規(guī)格尺寸和運(yùn)輸條件等多方因素的限制，經(jīng)多方考察和協(xié)商后，最終采用了組段的設(shè)計(jì)思路來(lái)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的管道進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，即將兩到三段相連的分段設(shè)計(jì)成為一個(gè)組段，管道加工廠負(fù)責(zé)加工組段，現(xiàn)場(chǎng)工人負(fù)責(zé)按照?qǐng)D紙進(jìn)行組段的拼裝，如圖6所示。這樣不僅降低了現(xiàn)場(chǎng)的拼裝難度，還提高了現(xiàn)場(chǎng)拼裝的效率。分段設(shè)計(jì)的另一個(gè)問(wèn)題就是組段的最大尺寸，為滿足現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸要求，在經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際調(diào)研和施工人員的確認(rèn)后，裝配化組段的最大長(zhǎng)度被設(shè)定為4 m。

圖6 管道組段示意

4）加工出圖?？紤]到安裝、加工環(huán)節(jié)的不同需求，裝配化設(shè)計(jì)圖紙總共包含了平面圖、加工圖、拼裝圖和材料清單這4個(gè)組成部分，加工圖和材料清單主要是交由加工廠用于組段的加工，平面圖和拼裝圖則是交由現(xiàn)場(chǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)拼裝。

4.2標(biāo)準(zhǔn)層及走道裝配化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)層及走道的形式與制冷機(jī)房差別較大。首先，在一個(gè)項(xiàng)目中制冷機(jī)房的數(shù)量一般只有1～2個(gè)，而標(biāo)準(zhǔn)層及走道的數(shù)量遠(yuǎn)高于機(jī)房。其次，標(biāo)準(zhǔn)層及走道的管道規(guī)格和尺寸并沒(méi)有制冷機(jī)房中那么大，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層及走道的相似度極高，因此就裝配化的使用價(jià)值而言，標(biāo)準(zhǔn)層及走道的價(jià)值要高于制冷機(jī)房。因此，此次課題研究的第2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域就是標(biāo)準(zhǔn)層及走道區(qū)域。

1）管線綜合。標(biāo)準(zhǔn)層及走道管線優(yōu)化關(guān)注的重點(diǎn)是機(jī)電凈高、檢修空間、末端點(diǎn)位這3個(gè)主要方面。機(jī)電凈高是指滿足業(yè)主或精裝修對(duì)于機(jī)電完成凈高的要求；檢修空間是指在不影響機(jī)電系統(tǒng)使用的前提下，預(yù)留出足夠的空間用于后期檢修維護(hù)；末端點(diǎn)位是指在不影響機(jī)電使用效果和裝飾效果的前提下，為末端點(diǎn)位尋找最佳的安裝位置。除此之外，還需借鑒制冷機(jī)房深化中的成功經(jīng)驗(yàn)，若同一根管道上有多個(gè)閥門(mén)時(shí)，閥門(mén)和閥門(mén)之間的間距統(tǒng)一設(shè)置為20 cm，支架的位置避開(kāi)管道的連接點(diǎn)等。

2）分段設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)層及走道的分段設(shè)計(jì)思路與制冷機(jī)房不同，取消了組段設(shè)計(jì)而保留了最基礎(chǔ)的分段方式。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)層的管道尺寸遠(yuǎn)小于機(jī)房，施工難度低，且標(biāo)準(zhǔn)層運(yùn)輸主要依靠施工電梯，空間有限，若采用組段方式，不但所需空間難以保證，而且運(yùn)輸效率更是遠(yuǎn)低于“散件”運(yùn)輸。因此標(biāo)準(zhǔn)層及走道的分段原則是以基本“散件”為主。

3）加工出圖。與機(jī)房加工出圖一樣，標(biāo)準(zhǔn)層及走道的加工出圖同樣分為平面圖、加工圖、裝配圖和材料清單這4個(gè)部分。

4.3機(jī)電管井裝配化設(shè)計(jì)

機(jī)電管井與標(biāo)準(zhǔn)層類似，在一個(gè)項(xiàng)目中數(shù)量多且相似性較強(qiáng)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電管井的裝配化，那會(huì)給整個(gè)項(xiàng)目的施工進(jìn)度和質(zhì)量帶來(lái)極大的幫助。因此，此次課題研究的第3個(gè)重點(diǎn)區(qū)域就是機(jī)電管井。

1）管線綜合。對(duì)于機(jī)電管井的深化，主要考慮的是上下管井的梳理、共用支架的設(shè)置、出口位置和高度這3個(gè)主要方面。上下管井的梳理是為了確保管井上下管的連通，避免出現(xiàn)錯(cuò)接、漏接的情況；采用公用支架主要是考慮到管井空間有限，無(wú)法滿足各專業(yè)單獨(dú)支架的需求，因此支架的設(shè)置對(duì)于管井深化至關(guān)重要；出口位置則是為了保證管井出口端與橫向管道間的連接，確保機(jī)電系統(tǒng)的完整性。

2）分段設(shè)計(jì)。由于管井是一個(gè)縱向結(jié)構(gòu)，因此不會(huì)存在像平面管道這種走向變化或交叉翻繞的問(wèn)題。在管井分段設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮分段的長(zhǎng)度，結(jié)合樓層層高和管井工藝，保證單根管道的最大長(zhǎng)度不超過(guò)4 m，且管道與管道間的連接點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)支架的位置。

3）加工出圖。加工出圖依舊延續(xù)了之前的工作經(jīng)驗(yàn)，將圖紙分為平面圖、加工圖、裝配圖和材料清單這4個(gè)部分，分別交于加工廠和現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行施工。

5 機(jī)電裝配化發(fā)展前景

機(jī)電裝配化技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)施工而言是一種全新的嘗試與創(chuàng)新，與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝相比，數(shù)字化加工工藝能夠提高整體施工效率30%～40%，節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械及措施費(fèi)用10%～20%，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)不必要的材料浪費(fèi)8%～10%。在施工工期方面，通過(guò)數(shù)字化加工這種創(chuàng)新性的施工工藝，可大大提高現(xiàn)場(chǎng)施工的效率，縮短安裝作業(yè)的時(shí)間，前期預(yù)制不受現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)地的影響。在質(zhì)量方面，數(shù)字化加工技術(shù)能有效保證現(xiàn)場(chǎng)安裝的質(zhì)量，確保整體管道施工滿足設(shè)計(jì)及施工規(guī)范的要求；較之傳統(tǒng)做法，其質(zhì)量顯著提升，工廠焊接可確保一次性驗(yàn)收合格。而B(niǎo)IM裝配化設(shè)計(jì)技術(shù)的成功應(yīng)用則更好地滿足了裝配化實(shí)施的需求，從設(shè)計(jì)角度提高后續(xù)施工的準(zhǔn)確性，發(fā)揮了設(shè)計(jì)的最大價(jià)值。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，此次課題分別對(duì)機(jī)房、標(biāo)準(zhǔn)層及走道、管井這3個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行了裝配化設(shè)計(jì)的研究，并通過(guò)BIM技術(shù)成功突破了裝配化設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了裝配化設(shè)計(jì)出圖的目標(biāo)，并借此總結(jié)出了一套符合項(xiàng)目實(shí)際需求的設(shè)計(jì)流程和標(biāo)準(zhǔn)。隨著中國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展，預(yù)制裝配式施工技術(shù)也必將迎來(lái)新的機(jī)遇。