賈驍，張長(zhǎng)亮

（深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

0 引言

BIM（Building Information Model/Management）最早作為一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)出現(xiàn)于國外建筑三維設(shè)計(jì)領(lǐng)域[1-2]，發(fā)展至今，可用于建立包含工程造價(jià)、工藝工序、進(jìn)度管控、質(zhì)量管理、運(yùn)維管養(yǎng)等多維度信息模型的技術(shù)，并服務(wù)于建筑全生命周期[3]。目前市面上主流的計(jì)算輔助設(shè)計(jì)軟件開發(fā)公司均已形成各自成熟的建筑模型信息化解決方案。近些年BIM技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)掀起一股熱潮，在房建工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)主要是針對(duì)復(fù)雜造型建筑實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同[4]。在橋梁隧道工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)在超大跨徑橋梁、山嶺隧道工程、海中沉管隧道、地鐵區(qū)間隧道和市政隧道中均有初步應(yīng)用，如可視化[5]、碰撞檢驗(yàn)[6]、進(jìn)度模擬與工藝推演[7]、信息化運(yùn)維管養(yǎng)[8]等，但總體來說設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)用較成熟，施工、運(yùn)維環(huán)節(jié)應(yīng)用較少，遠(yuǎn)未達(dá)到全生命周期應(yīng)用。

沉管鋼殼結(jié)構(gòu)形式繁復(fù)，內(nèi)部劃分為上千個(gè)相似的小隔倉。利用BIM技術(shù)建立鋼殼信息模型，對(duì)其進(jìn)行零件拆解，優(yōu)化裝配順序，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的信息化，提升生產(chǎn)制造效率。本文依托深中通道項(xiàng)目沉管鋼殼制造經(jīng)驗(yàn)，研究利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)流水線生產(chǎn)以及信息化管理。

1 工程背景

沉管鋼殼作為沉管管節(jié)的外殼連同澆筑在其內(nèi)的混凝土組成了鋼殼-混凝土-鋼殼的“三明治”組合結(jié)構(gòu)，在同等荷載、跨徑情況下，相比鋼筋混凝土沉管，減小了構(gòu)件截面尺寸[9]。為保障鋼殼與內(nèi)部混凝土協(xié)調(diào)受力，鋼殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部劃分1500多個(gè)小隔倉，在隔倉頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)設(shè)置大量剪力鍵、加勁板。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)鋼殼長(zhǎng)165 m，最大用鋼量達(dá)12000 t，焊接長(zhǎng)度近300 km。利用BIM技術(shù)建立鋼殼制造分段信息化模型，搭建信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分段自動(dòng)化流水線高效生產(chǎn)。

2 模型建立

2.1 總體思路

鋼殼塊體模型建立圍繞BIM中“M”所代表兩大特點(diǎn)開展，即模型（Model）和管理（Management），利用BIM模型正向設(shè)計(jì)，按工序拆分管節(jié)結(jié)構(gòu)，補(bǔ)充材料、工藝等信息。鋼殼結(jié)構(gòu)類似船體，在建模時(shí)選用造船行業(yè)建模軟件AVEVA Marine[10]，在二維設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)（廠化）設(shè)計(jì)，利用BIM技術(shù)可視性、可計(jì)算性和可交互性，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)各專業(yè)協(xié)同和施工關(guān)鍵方案4D模擬。

2.2 建模流程

鋼殼塊體模型建立以二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖為基礎(chǔ)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)，建模流程見圖1。

圖1 鋼殼BIM模型建立流程圖Fig.1 Flow chart of steel shell BIM model establishment

主要流程分為：建立鋼殼整體結(jié)構(gòu)模型，施工聯(lián)合設(shè)計(jì)，管節(jié)模型空間劃分，節(jié)段模型工序劃分，生產(chǎn)設(shè)計(jì)出圖。

2.3 模型建立

塊體模型建立是在鋼殼結(jié)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上加入生產(chǎn)要素相關(guān)信息，塊體模型空間劃分需要依據(jù)生產(chǎn)廠家的硬件條件進(jìn)行，在塊體模型中定義與生產(chǎn)相關(guān)的信息為后續(xù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化生產(chǎn)組織創(chuàng)造先決條件。

2.3.1塊體模型的空間劃分

綜合考慮車間條件、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)效率、工藝流程、焊接技術(shù)、質(zhì)檢驗(yàn)收等因素，對(duì)鋼殼整體模型進(jìn)行空間劃分，將小節(jié)段作為鋼殼總拼最小單元，整個(gè)鋼殼劃分為22個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，再將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段拆解為底板、頂板、側(cè)墻、中墻4類平面塊體。平面塊體有利于生產(chǎn)流水線及焊接機(jī)器人的大規(guī)模使用，其中塊體模型中定義的各類信息將成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。

2.3.2塊體模型的生產(chǎn)信息

塊體模型主要由面板、隔板片體單元組成，主要包含鋼材材質(zhì)及規(guī)格、焊縫接頭形式及參數(shù)、精度控制及補(bǔ)償量、工序安排及零件流向等生產(chǎn)信息。將塊體模型剖切可得到一系列平面圖；將零件從塊體中分離，進(jìn)行套料出圖，可得到零件表及裝配計(jì)劃（裝配樹、組立圖等）；對(duì)模型中的焊縫進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)可得到無損檢測(cè)清單。邊墻塊體模型見圖2。

圖2 塊體三維模型圖Fig.2 Three dimensional model of blocks

3 軟硬件集成

利用BIM模型信息驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)管理，搭建BIM協(xié)同平臺(tái)，集成制造各環(huán)節(jié)和各板塊操作系統(tǒng)，打通車間執(zhí)行系統(tǒng)（MES）[11]與BIM模型間信息傳遞，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息與生產(chǎn)信息協(xié)同共享。搭建模型應(yīng)用硬件環(huán)境，改造生產(chǎn)線使其可以讀取、應(yīng)用模型信息，采集、存儲(chǔ)實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況，為后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘與工效分析奠定基礎(chǔ)。

3.1 信息化生產(chǎn)管理平臺(tái)搭建

參照BIM模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)生產(chǎn)管理平臺(tái)，生產(chǎn)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)看板見圖3。

圖3 生產(chǎn)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)看板Fig.3 Data board of production management platform

打通車間執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與BIM模型間信息傳遞，通過工程計(jì)劃編排模塊、胎架布置模塊、塊體運(yùn)輸管理模塊、質(zhì)量管理模塊、設(shè)備管理模塊、狀態(tài)看板模塊等，實(shí)現(xiàn)鋼殼塊體制造信息化管控。

3.2 生產(chǎn)線信息化改造

改造下料切割流水線，通過外接工控機(jī)將數(shù)控切割機(jī)、型材線切割機(jī)與局域網(wǎng)連接，使數(shù)控切割設(shè)備可以通過局域網(wǎng)與BIM平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，自動(dòng)接收設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息及反饋生產(chǎn)數(shù)據(jù)，監(jiān)控?cái)?shù)控切割設(shè)備，顯示設(shè)備狀態(tài)、當(dāng)前加工任務(wù)、工作人員等信息。切割流水線改造示意圖如圖4所示。

圖4 切割流水線改造示意圖Fig.4 Schematic diagram of cutting line reconstruction

改造焊接生產(chǎn)線，通過局域網(wǎng)將BIM平臺(tái)與片體生產(chǎn)線進(jìn)行集成，片體生產(chǎn)線由上料及裝配工位、機(jī)器人焊接工位、檢查修補(bǔ)工位、卸料工位及機(jī)器人焊接門架系統(tǒng)組成。焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)接受BIM模型信息后，可采用離線編程或者3D激光掃描自適應(yīng)編程方式，標(biāo)示焊縫類型，規(guī)劃焊接路徑，進(jìn)行焊接作業(yè)。改造后的片體生產(chǎn)線把設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、片體制作信息、耗材信息等經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反饋至BIM平臺(tái)。片體生產(chǎn)線改造內(nèi)容如表1所示。

表1 生產(chǎn)流水線改造升級(jí)功能表Table 1 Function table of production line reconstruction and upgrading

4 生產(chǎn)應(yīng)用

利用鋼殼塊體BIM模型可驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化零件下料加工、流水線塊體裝配、生產(chǎn)組織及質(zhì)量管控信息化。

4.1 自動(dòng)套料與信息化派工

4.1.1 自動(dòng)套料

建模時(shí)考慮通用數(shù)據(jù)格式及軟件接口的二次開發(fā)，零件模型可用于Cadwin軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)套料功能。程序完成板材和型材套料后，經(jīng)技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)切割設(shè)備性能進(jìn)行微調(diào)，保證切割可行性與材料利用率，輸出套料圖、切割指令，生產(chǎn)管理系統(tǒng)對(duì)模型物料屬性進(jìn)行提取形成物料清單，結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃編制物料需求表。

4.1.2 信息化派工

零件自動(dòng)套料后將產(chǎn)生下料加工對(duì)象及工藝信息，生產(chǎn)信息經(jīng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)計(jì)劃編排及量化派工后生成具體切割指令，經(jīng)內(nèi)網(wǎng)傳輸給下料切割生產(chǎn)線，生產(chǎn)過程中智能設(shè)備采集上傳生產(chǎn)信息，統(tǒng)計(jì)優(yōu)化工效，動(dòng)態(tài)調(diào)整派工計(jì)劃。這些信息包括數(shù)控切割機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，設(shè)備工作時(shí)長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)切割的零件個(gè)數(shù)或者切割米數(shù)的記錄等。

4.2 流水線裝配

要實(shí)現(xiàn)鋼殼塊體的流水線生產(chǎn)，加工車間需要確定塊體各部件的組裝方式及組裝場(chǎng)地信息，裝配計(jì)劃（裝配樹及組立圖）可提供工序信息和場(chǎng)地信息指揮現(xiàn)場(chǎng)完成塊體組裝。

4.2.1 工序編碼

用模型信息驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，需要建立一套統(tǒng)一、適用的編碼規(guī)則，通過編碼信息定義所屬部件的工位和流向信息，指導(dǎo)生產(chǎn)線進(jìn)行模塊化裝配，形成板單元制作，片體小組立，框架中組立，塊體大組立的生產(chǎn)流水，使得塊體制造模塊化、條理化，提高生產(chǎn)效率。裝配編碼示例見表2。

表2 裝配編碼示例Table 2 Example of assembly code

4.2.2 裝配組織

各類零件的裝配信息通過編碼定義后逐級(jí)形成裝配樹，塊體裝配樹示例見圖5。

圖5 底板塊體裝配樹示例Fig.5 Example of bottom plate assembly tree

裝配樹是一個(gè)樹狀的存儲(chǔ)空間，每個(gè)裝配樹對(duì)應(yīng)一類鋼殼塊體物理實(shí)體。裝配樹中收集了組成該類塊體的所有零件信息，從完整的塊體開始，逆向于組裝過程，逐級(jí)拆分，直到收集完最基礎(chǔ)一級(jí)的零件，形成樹狀圖和對(duì)應(yīng)的零件表，生產(chǎn)線按照裝配樹收集零件、組織裝配順序。

4.3 信息化生產(chǎn)管理

在庫存管理方面，通過對(duì)以往生產(chǎn)情況的統(tǒng)計(jì)研究，根據(jù)鋼殼制造塊體生產(chǎn)工藝流程規(guī)劃，制定標(biāo)準(zhǔn)周期，倒推生成工程計(jì)劃。通過生產(chǎn)管理BIM平臺(tái)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)切割庫存、片體庫存，比對(duì)工程計(jì)劃對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)估，針對(duì)超負(fù)荷以及產(chǎn)能過剩的情況，采取提升或降低庫存的相應(yīng)措施。在提升胎位利用率方面，根據(jù)各胎架使用信息繪制總體工位利用圖，在交互界面內(nèi)調(diào)整胎位布置，胎架計(jì)劃時(shí)間節(jié)點(diǎn)智能聯(lián)動(dòng)，根據(jù)計(jì)劃時(shí)間和空間信息，系統(tǒng)可仿真模擬生產(chǎn)場(chǎng)地上過去、實(shí)時(shí)和未來的胎位資源利用情況；在質(zhì)量管控方面，對(duì)構(gòu)件轉(zhuǎn)序報(bào)驗(yàn)離胎信息進(jìn)行監(jiān)控采集，可統(tǒng)計(jì)各工序轉(zhuǎn)序報(bào)驗(yàn)合格率，分析評(píng)價(jià)近期質(zhì)量管控水平。

5 結(jié)語

本文依托深中通道沉管鋼殼制造項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，開展鋼殼塊體制造BIM技術(shù)應(yīng)用及信息化制造關(guān)鍵技術(shù)研究，建立了鋼殼塊體信息化模型，搭建模型信息與生產(chǎn)信息交互管理平臺(tái)，改造生產(chǎn)流水線并全面應(yīng)用塊體模型指導(dǎo)生產(chǎn)。工程實(shí)際應(yīng)用表明：

1）利用BIM模型的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的干涉檢測(cè)功能，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)鋼殼管節(jié)舾裝、臨時(shí)輔助安全設(shè)施、施工工序工藝優(yōu)化聯(lián)合設(shè)計(jì)。通過塊體BIM模型，完成自動(dòng)套料、零件物料信息提取、輸出裝配圖、套料圖、生成套料指令等，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工信息協(xié)同。

2）通過搭建BIM協(xié)同平臺(tái)和生產(chǎn)線改造，可利用BIM模型驅(qū)動(dòng)鋼殼塊體自動(dòng)化、流水線化生產(chǎn)。改造后的板/型材下料切割線可完成信息化派工，改造后的焊接生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)片體/塊體自動(dòng)化流水線生產(chǎn)，BIM協(xié)同平臺(tái)可收集生產(chǎn)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。

3）BIM技術(shù)在施工環(huán)節(jié)的順暢應(yīng)用離不開軟硬件的有效集成，在后續(xù)的工程實(shí)踐中應(yīng)持續(xù)采集生產(chǎn)過程信息，優(yōu)化迭代軟件系統(tǒng)，提升BIM技術(shù)的易用性。