李文錦，謝曉峰，林 谷，唐開永，李春余

（1、廣州市第三建筑工程有限公司 廣州 510050；2、廣州建筑股份有限公司 廣州 510030）

廣州市某超高層綜合樓位處由珠江新城-金融城-琶洲總部區(qū)組成的“金三角”經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶，其機(jī)電安裝工程體量大，工期緊，施工管件等構(gòu)配件種類繁多，型號(hào)各異，施工空間不規(guī)則，難以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件復(fù)制，施工難度高，工期緊及質(zhì)量把控難度大。該項(xiàng)目采用BIM 技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的管理模式，冷卻塔作為機(jī)電安裝重點(diǎn)質(zhì)量把控部位，也是BIM 指導(dǎo)施工應(yīng)用的關(guān)鍵部位。冷卻塔是冷卻水系統(tǒng)中一個(gè)重要的設(shè)備，其運(yùn)行性能將對(duì)冷凝器的換熱有直接影響，從而對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率產(chǎn)生影響［1］。現(xiàn)場(chǎng)安裝18 臺(tái)冷卻塔，該項(xiàng)目冷卻塔安裝體量龐大，研究BIM技術(shù)指導(dǎo)冷卻塔集成模塊化施工方法將對(duì)其它類似項(xiàng)目有非常大的借鑒作用。利用BIM 技術(shù)研究在三維模式下進(jìn)行模擬建造，對(duì)冷卻塔及其大管徑管線進(jìn)行模擬安裝，對(duì)狹小空間內(nèi)的大管徑管線進(jìn)行精密模擬及相似部位管段進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)預(yù)制安裝。利用BIM 技術(shù)虛擬建造模擬冷卻塔施工，實(shí)現(xiàn)冷卻塔及其大管徑管線模塊化設(shè)計(jì)施工。

BIM 技術(shù)指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電安裝實(shí)現(xiàn)機(jī)電模塊化的施工方法作為目前較為先進(jìn)的方法之一，為BIM技術(shù)+裝配式施工打好技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)及技術(shù)推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)模塊化施工具有以下優(yōu)點(diǎn)：制定先進(jìn)的施工方案，施工方案可行性高；降低施工錯(cuò)誤率，提高施工成品質(zhì)量，降低施工工人技術(shù)要求；能進(jìn)行批量施工作業(yè)，方便施工管理。具有傳統(tǒng)方法無法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，是目前建筑行業(yè)理論與實(shí)踐的研究熱點(diǎn)，也是未來建筑業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)［2］。實(shí)際應(yīng)用中存在造價(jià)，設(shè)備與技術(shù)知識(shí)儲(chǔ)備，管理人員水平等因素的制約，但整體實(shí)踐施工效果理想，安裝質(zhì)量及成品效果優(yōu)異。近年來BIM 技術(shù)都受到各級(jí)政府的大力支持，機(jī)電安裝應(yīng)用作為BIM 技術(shù)突出應(yīng)用點(diǎn)在各大型政府項(xiàng)目施工管理中扮演重要角色［3］，但冷卻塔模塊化施工依然很少有實(shí)際應(yīng)用案例，也沒有相應(yīng)的理論分析，通過查閱文獻(xiàn)，目前還未見BIM 技術(shù)指導(dǎo)冷卻塔管線模塊化施工相關(guān)方面的系統(tǒng)介紹。因此結(jié)合當(dāng)前工程實(shí)踐現(xiàn)狀，分析該方法的應(yīng)用及項(xiàng)目管理情況非常必要。

1 工程概況

廣州市某超高層綜合樓位于廣州市天河區(qū)，規(guī)劃建設(shè)用地面積8 897.96 m2，建筑面積111 009.42 m2，建筑物高度為139.6 m。建筑設(shè)4 層地下室，地上32 層。建筑結(jié)構(gòu)形式為框剪結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目為施工總承包項(xiàng)目，能充分發(fā)揮施工單位在工程建設(shè)過程中的主導(dǎo)作用。基于超高層工程工期緊，功能復(fù)雜，施工難度大，施工技術(shù)要求高，使用BIM 技術(shù)做指導(dǎo)施工。項(xiàng)目管理采用以BIM 技術(shù)為主導(dǎo)，以BIM 建模出圖-三維技術(shù)交底-現(xiàn)場(chǎng)施工檢查的管理模式［4］。本項(xiàng)目冷卻塔系統(tǒng)設(shè)備機(jī)房設(shè)在屋面層，設(shè)備管線密集且管線管徑大，總共設(shè)置18臺(tái)冷卻塔，其中12臺(tái)開式冷卻塔，6臺(tái)閉式冷卻塔。

2 BIM+模塊化技術(shù)模擬建造

2.1 優(yōu)化整體管線排布及走位設(shè)計(jì)

根據(jù)冷卻塔機(jī)組構(gòu)件參數(shù)及設(shè)計(jì)圖紙，利用BIM技術(shù)對(duì)冷卻塔進(jìn)行三維定位及管線安裝三維模擬。結(jié)合廠家參數(shù)及BIM 三維模型對(duì)冷卻塔構(gòu)件進(jìn)行三維組裝模擬。冷卻塔由工廠構(gòu)件預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件組裝施工工藝，對(duì)應(yīng)每個(gè)構(gòu)件制定具體的安裝位置和拼接順序，施工前的三維構(gòu)件預(yù)拼接可以充分考慮冷卻塔與土建安裝空間關(guān)系［5］。經(jīng)BIM 技術(shù)結(jié)合土建模型發(fā)現(xiàn)土建框架梁安裝空間不足，無法滿足安裝條件，對(duì)冷卻塔進(jìn)行構(gòu)件尺寸優(yōu)化，平面定位優(yōu)化及三維漫游，最終中間原有6 臺(tái)尺寸6 500×4 700×4 400 開式冷卻塔改為9 臺(tái)尺寸為5 530×3 210×4 808 開式冷卻塔，容量由600 m3/h 改為400 m3/h，整個(gè)屋面放置18 臺(tái)冷卻塔，其中12臺(tái)開式冷卻塔如圖1?所示，6臺(tái)閉式冷卻塔如圖1?所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2所示。

圖1 冷卻塔Fig.1 Cooling Tower

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工Fig.2 Site Construction

2.2 確定模塊化施工部位

BIM 對(duì)冷卻塔機(jī)組及附屬管線進(jìn)行整體三維施工模擬，冷卻塔機(jī)組體積龐大，冷卻塔配套管線安裝屬于大管徑管線（管徑最大DN450）施工，安裝空間有限，施工工期緊張，施工難度大，綜合樓項(xiàng)目專業(yè)管線多，管線設(shè)計(jì)難度高，如何確定最合理管線三維排布方案是一大難點(diǎn)，采用BIM+模塊化設(shè)計(jì)能快速提高管線安裝效率，優(yōu)化冷卻塔內(nèi)走管式方案，管線與冷卻塔的接駁口由原來的管徑DN250 改為管徑DN150，對(duì)多專業(yè)間管線密集處進(jìn)行管線模塊化設(shè)計(jì)，18臺(tái)冷卻塔設(shè)計(jì)18處模塊化管線安裝部位，出具三維深化設(shè)計(jì)圖，如圖3 所示，確定最優(yōu)平面布置方案如圖4 所示，使得管線安裝施工精度及施工效率得到顯著提高，極大的減少管線安裝作業(yè)對(duì)焊接空間的依賴，現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)明顯減少。

圖3 冷卻塔管線綜合Fig.3 Cooling Tower Pipeline Synthesis

圖4 管線走位模擬及模塊化設(shè)計(jì)Fig.4 Pipeline Alignment Simulation and Modular Design

2.3 深化BIM模型構(gòu)件

冷卻塔預(yù)制管段的加工、預(yù)制和焊接有嚴(yán)格的要求，這也就對(duì)BIM 模型的精度規(guī)定非常高，所以在深化BIM 模型構(gòu)件之前，要對(duì)預(yù)制加工的管件規(guī)格尺寸進(jìn)行一定程度上的了解。通常BIM 建模手段是使用企業(yè)自有積累的族庫模型，但是模塊化構(gòu)件每一個(gè)都需單獨(dú)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 預(yù)制構(gòu)件規(guī)格Fig.5 Specification of Prefabricated Components

2.4 預(yù)制式管道模塊化拆分成組

為方便預(yù)構(gòu)件工廠進(jìn)行預(yù)制，提高各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)運(yùn)效率及便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，需要對(duì)已通過BIM 深化的管道根據(jù)一定的邏輯進(jìn)行模塊化整合或拆分，并對(duì)各模塊模組逐一編碼排序，使其能按照預(yù)設(shè)好的工序進(jìn)行后續(xù)的裝配式（法蘭盤安裝）安裝施工。

BIM 技術(shù)可以快速模擬冷卻塔的施工過程，根據(jù)冷卻塔的施工特點(diǎn)及時(shí)制定相應(yīng)的措施，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，提前做好施工準(zhǔn)備的人力及物力，實(shí)現(xiàn)工作間的無縫銜接。傳統(tǒng)的施工管理中依據(jù)二維圖紙及施工方案，需要實(shí)時(shí)跟進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，難以準(zhǔn)確把控現(xiàn)場(chǎng)步驟，現(xiàn)場(chǎng)跟進(jìn)難度較大，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)及項(xiàng)目管理層間的及時(shí)溝通協(xié)調(diào)難度較大，不利于實(shí)時(shí)施工管理的把控。BIM 實(shí)時(shí)模擬施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度情況，保證現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度與三維模型一致，如圖6所示。

圖6 施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度模擬Fig.6 Construction Site Schedule Simulation

2.5 導(dǎo)出模塊化加工設(shè)計(jì)圖

第一步：分割整合模塊化模組；第二步；利用WBS（Work breakdown structure 工作分解結(jié)構(gòu)）工具對(duì)模組的安裝步驟邏輯進(jìn)行解構(gòu)，完成邏輯順序?qū)诱撟C；第三步：經(jīng)過數(shù)次的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)確認(rèn)，細(xì)化調(diào)整模塊化構(gòu)件參數(shù)，最終確定加工設(shè)計(jì)圖紙并導(dǎo)出圖紙到工廠下單生產(chǎn)；第四步：確?，F(xiàn)場(chǎng)空間位置與模塊化構(gòu)件尺寸能逐一對(duì)應(yīng)吻合，同時(shí)做好調(diào)節(jié)余量的預(yù)留，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

2.6 現(xiàn)場(chǎng)管道裝配安裝流程

受限于作業(yè)面空間狹小，施工工藝難度高，工程量大，成本造價(jià)高，現(xiàn)場(chǎng)18 臺(tái)冷卻塔及其附屬管線安裝采用模塊化預(yù)制管線現(xiàn)場(chǎng)組裝形式，現(xiàn)場(chǎng)18臺(tái)冷卻塔其附屬管線管徑分2 種，由BIM 技術(shù)模擬同種型號(hào)的冷卻塔附屬管線預(yù)制模塊化施工部位，BIM 出三維模型分析每段管預(yù)制尺寸及預(yù)制具體位置（BIM 出圖），冷卻塔管線模塊安裝施工工藝流程如下：第一步：預(yù)制模塊化構(gòu)件1并與冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)法蘭連接；第二步：現(xiàn)場(chǎng)大管徑主管焊接并預(yù)留法蘭盤；第三步：預(yù)制模塊化構(gòu)件與預(yù)留法蘭盤組裝連接，如圖7 所示。在工廠預(yù)制好相應(yīng)的附屬管段及模塊化部件，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)與冷卻塔進(jìn)行組裝，18 臺(tái)冷卻塔預(yù)制18 個(gè)模塊化管道組件，最后在現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)備組裝在一起，如圖8 所示。采用模塊化管線安裝的施工工藝減少了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面窄，不利于工人焊接作業(yè)的問題，又提高了工作效率及保障了成品質(zhì)量。

圖7 BIM模塊化施工模擬Fig.7 BIM Modular Construction Simulation

圖8 現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果Fig.8 Site Construction Results

2.7 冷卻塔模塊化施工算量把控

傳統(tǒng)的施工管理模式屬于二維的管理模式，BIM技術(shù)施工管理屬于多維度的施工管理模式，從圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，施工進(jìn)度到工程算量信息多維度施工管理。冷卻塔構(gòu)件及其附屬管線可利用BIM 技術(shù)快速統(tǒng)計(jì)不同類別不同尺寸的工程量，針對(duì)模塊化施工的管線構(gòu)件能非?？焖俚慕y(tǒng)計(jì)不同類型構(gòu)件的數(shù)量，有利于成本預(yù)控。本項(xiàng)目模塊化構(gòu)件1 工程量預(yù)制72個(gè)，模塊化構(gòu)件2 工程量預(yù)制18 個(gè)，模塊化構(gòu)件3 工程量預(yù)制18。管徑DN150 的法蘭盤統(tǒng)計(jì)需要216 個(gè)，管徑DN250 的法蘭盤統(tǒng)計(jì)需要144 個(gè)（僅統(tǒng)計(jì)冷卻塔及其附屬管線部位）。

3 結(jié)果與分析

3.1 模塊優(yōu)化施工對(duì)提高施工質(zhì)量的影響

從圖9 體現(xiàn)出來的管道連接一致性及整齊性可知，結(jié)合BIM 技術(shù)采用同軸心設(shè)計(jì)法對(duì)同類管線及閥件進(jìn)行排布并做管道模塊化設(shè)計(jì)，然后通過BIM 技術(shù)出的模塊化加工圖進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)制，經(jīng)過加工運(yùn)輸，最后預(yù)制管段的焊接組裝，閥門模塊及管道模塊的安裝應(yīng)對(duì)上加工圖的標(biāo)記號(hào)［6］?，F(xiàn)場(chǎng)管道安裝配對(duì)時(shí)，不能出現(xiàn)強(qiáng)行對(duì)接、偏斜、錯(cuò)口或偏心等情況。這樣不僅保證了模塊化管道裝配過程中對(duì)精度的把控，而且一定程度上保證了管道的整齊美觀。

圖9 模塊化管道連接拼裝Fig.9 Assembly of Modular Pipe Connections

3.2 模組優(yōu)化施工對(duì)加快施工進(jìn)度的影響

采用BIM+模塊化施工方式，與傳統(tǒng)冷卻塔設(shè)備管線施工相比，現(xiàn)模式可將傳統(tǒng)施工模式下先后施工工序轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫惺┕つＪ?，即機(jī)電管件配件在工廠預(yù)制生產(chǎn)難以影響現(xiàn)場(chǎng)其它機(jī)電安裝準(zhǔn)備的工作，不僅有利于保證工期的實(shí)現(xiàn)，而且避免了多專業(yè)機(jī)電管線交叉施工的影響，通過錯(cuò)開而形成的多平行的作業(yè)面方式施工，加快了施工進(jìn)度，提高了項(xiàng)目的管理質(zhì)量和效率。

3.3 模組優(yōu)化施工對(duì)提升現(xiàn)場(chǎng)工程管理水平及先進(jìn)創(chuàng)新性的影響

在模塊化施工起始階段前，采用BIM 出三維模塊化設(shè)計(jì)施工圖的方式清晰呈現(xiàn)各材料工件的具體型號(hào)，使班組人員在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)開始前對(duì)材料規(guī)格有更直觀的認(rèn)識(shí)，降低了安裝出錯(cuò)造成質(zhì)量誤差的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行順序編號(hào)，理順施工步驟，優(yōu)化工序，提高了效率。也利于提高安裝過程中各管道之間的裝配精度，大大提升冷卻塔及其附屬管線設(shè)備整體安裝效益和質(zhì)量。施工前充分落實(shí)對(duì)新技術(shù)虛擬建造成果技術(shù)交底，管道安裝工作一步步分解，利于讓管理人員及施工人員充分認(rèn)識(shí)新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及先進(jìn)的管理模式，讓現(xiàn)場(chǎng)工程管理能力的先進(jìn)創(chuàng)新性顯著提升。

4 結(jié)果與討論

⑴相較于前人的研究，采用BIM 技術(shù)出裝配加工圖的方式配合預(yù)制管道的加工和安裝，模組優(yōu)化有利于管道模塊的精準(zhǔn)下料和精度控制［7］；對(duì)于難連接及不確定的部位和管道，采用安裝自由段和通過活套法蘭的方法，相比起傳統(tǒng)工藝更有利于消除制造及安裝過程中產(chǎn)生的累計(jì)誤差［8］。

⑵相較于傳統(tǒng)大管徑管線焊接，工藝要求高，施工難度大，僅依靠工人的手藝無法保證每條焊縫的質(zhì)量效果。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)功底扎實(shí)的焊工在狹小的空間內(nèi)也很難做到每條焊縫質(zhì)量符合要求，且拖慢進(jìn)度，采用BIM+模塊化設(shè)計(jì)施工，在工廠提前預(yù)制加工，效率更高，成品質(zhì)量更好，施工成品效果更加美觀?，F(xiàn)場(chǎng)管線安裝前管段預(yù)先進(jìn)行工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)模塊化部位管段直接進(jìn)行法蘭組裝，利用工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)組裝，從而減少橫焊、立焊或仰焊等不利環(huán)境的施工情況，降低施工技術(shù)難度，降低對(duì)工人的技術(shù)要求，提高施工效率，提高成品質(zhì)量。

⑶BIM+模塊化施工技術(shù)適用于大型綜合樓項(xiàng)目、綜合型醫(yī)療項(xiàng)目、現(xiàn)代裝配式項(xiàng)目、工廠批量預(yù)制化項(xiàng)目［9］。特別適用于復(fù)雜大型綜合樓項(xiàng)目和綜合型的醫(yī)療項(xiàng)目。不僅實(shí)現(xiàn)了冷卻塔管道施工部品部件的設(shè)計(jì)模塊化、而且使現(xiàn)場(chǎng)施工更加便捷、高效，成品質(zhì)量更高，節(jié)省成本7 萬元，縮短施工工期15 d，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。