BIM技術(shù)在裝配式混凝土中應(yīng)用

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摘要:為推動(dòng)裝配式混凝土建筑的發(fā)展，分析了bim技術(shù)在裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件制造中應(yīng)用的意義，介紹了基于BIM技術(shù)的預(yù)制構(gòu)件庫(kù)的創(chuàng)建、預(yù)制構(gòu)件編碼方式和構(gòu)件生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，并對(duì)基于BIM和ＲFID技術(shù)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理進(jìn)行了闡述，包括生產(chǎn)計(jì)劃制定和優(yōu)化、技術(shù)交底和生產(chǎn)任務(wù)的布置、構(gòu)件生產(chǎn)即時(shí)追蹤和構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)等。

關(guān)鍵詞:裝配式混凝土;BIM技術(shù);預(yù)制構(gòu)件;生產(chǎn)管理

BIM是BuildingInformationModeling(建筑信息模型)的縮寫(xiě)，是一種空間三維信息模型，動(dòng)態(tài)、直觀、立體地反映建筑全方位的信息形象(亦有把時(shí)間、成本等視作維度，稱(chēng)其為四維或五維的)。BIM技術(shù)指的是用這一信息模型作為數(shù)據(jù)化工具，整合項(xiàng)目的各種信息，并在項(xiàng)目的全周期中共享，搭建各階段協(xié)同工作的公共平臺(tái)。裝配式混凝土建筑是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的重要途徑［1］，其與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土建筑相比最大的不同是大量的構(gòu)件在工廠預(yù)制完成，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)則主要為裝配施工。裝配式建筑對(duì)設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工和運(yùn)行維護(hù)等各個(gè)階段的相互協(xié)調(diào)的要求很高。將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式混凝土建筑可以優(yōu)化工程各環(huán)節(jié)的銜接，有助于實(shí)現(xiàn)建造的數(shù)字化和智能化。2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家發(fā)展改革委、科技部等13部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，其第一項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)———加快建筑工業(yè)化升級(jí)中明確指出“大力發(fā)展裝配式建筑，……在建造全過(guò)程加大建筑信息模型(BIM)……等新技術(shù)的集成與創(chuàng)新應(yīng)用”［2］。這標(biāo)志著B(niǎo)IM技術(shù)與裝配式建筑這一組合開(kāi)始由探索期轉(zhuǎn)入推廣期。然而，目前國(guó)內(nèi)的BIM技術(shù)在裝配式混凝土中的應(yīng)用研究和實(shí)踐多見(jiàn)于項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)施工等方面［3］，對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的研究工作較少。研究基于BIM的預(yù)制構(gòu)件制造技術(shù)對(duì)推動(dòng)BIM技術(shù)在裝配式混凝土建筑中的應(yīng)用有重要意義［4］。

1BIM構(gòu)件模型庫(kù)

目前，國(guó)內(nèi)的裝配式混凝土建筑的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是“等同現(xiàn)澆”，設(shè)計(jì)單位通常先進(jìn)行整體設(shè)計(jì)然后拆分設(shè)計(jì)構(gòu)件，這樣拆分出的構(gòu)件往往存在種類(lèi)多、構(gòu)造復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)工作量大又不利于預(yù)制構(gòu)件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。而利用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一種模塊化的設(shè)計(jì)方法:預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)其生產(chǎn)能力、生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通過(guò)BIM軟件的相關(guān)功能建立預(yù)制構(gòu)件模型庫(kù)，并通過(guò)項(xiàng)目的BIM協(xié)同平臺(tái)提供給設(shè)計(jì)單位。設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接選擇構(gòu)件庫(kù)中的模型或在其基礎(chǔ)上修改，這就大大減小了設(shè)計(jì)工作量，也更易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。目前，常用的BIM建模軟件主要有Ｒevit，BentleyArchiCAD，CATIA，天正，廣聯(lián)達(dá)等，預(yù)制構(gòu)件模型庫(kù)示例如圖1所示。

2預(yù)制構(gòu)件編碼

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)得到設(shè)計(jì)單位提供的構(gòu)件設(shè)計(jì)后，運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行生產(chǎn)管理，記錄構(gòu)件全過(guò)程數(shù)據(jù)信息，這就要求每一構(gòu)件必須有獨(dú)立編碼［5］。需要注意，構(gòu)件信息需要在項(xiàng)目的BIM協(xié)同信息平臺(tái)上進(jìn)行共享和傳遞，所以構(gòu)件的編碼不僅用于構(gòu)件的生產(chǎn)管理，也用于設(shè)計(jì)和裝配施工等各階段。在項(xiàng)目的全過(guò)程中，每一構(gòu)件的編碼應(yīng)該是統(tǒng)一的。構(gòu)件分類(lèi)和編碼，應(yīng)結(jié)合構(gòu)件的構(gòu)造、生產(chǎn)工藝及應(yīng)用特點(diǎn)，在項(xiàng)目構(gòu)件庫(kù)建立的同時(shí)，由設(shè)計(jì)單位會(huì)同構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)來(lái)進(jìn)行。通用構(gòu)件編碼采用3層結(jié)構(gòu)，三個(gè)層次分別代表構(gòu)件類(lèi)型、構(gòu)件名稱(chēng)、構(gòu)件尺寸，如圖2所示。具體項(xiàng)目中，可結(jié)合實(shí)際要求在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，例如后加注混凝土強(qiáng)度等級(jí)等。編碼之后，構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)就可以在項(xiàng)目BIM協(xié)同平臺(tái)中共享項(xiàng)目的預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)，并將BIM構(gòu)件數(shù)據(jù)及ＲFID(ＲadioFrequencyIdentification)信息同步。后續(xù)生產(chǎn)時(shí)，在相應(yīng)構(gòu)件的首道工序中嵌置ＲFID芯片，以便于后續(xù)生產(chǎn)和施工時(shí)在構(gòu)件實(shí)體上調(diào)取信息。

3預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

目前預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)工藝主要有固定模工藝和流水線工藝，雖然兩種工藝在模具方案和自動(dòng)化程度方面有一些區(qū)別，但其工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容和過(guò)程是類(lèi)似的。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)是構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)制作構(gòu)件的依據(jù)，其內(nèi)容主要包括:1)建筑、結(jié)構(gòu)、水電暖、設(shè)備等各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)匯集;2)構(gòu)件的生產(chǎn)工序設(shè)計(jì);3)構(gòu)件脫模設(shè)計(jì);4)吊點(diǎn)設(shè)計(jì);5)構(gòu)件的倉(cāng)儲(chǔ)和堆放設(shè)計(jì)等。在各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)匯集時(shí)，構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)可以通過(guò)項(xiàng)目的BIM協(xié)同平臺(tái)調(diào)取各環(huán)節(jié)對(duì)各預(yù)制構(gòu)件的要求，要確保無(wú)遺漏的反映在生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)中。工序設(shè)計(jì)指的是鋼筋加工和綁扎、模板和預(yù)埋件安裝、混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)等的設(shè)計(jì)。工序設(shè)計(jì)時(shí)，利用構(gòu)件的BIM模型復(fù)核預(yù)埋件及鋼筋的位置，用BIM軟件的碰撞檢測(cè)功能檢測(cè)預(yù)埋件與鋼筋是否存在位置沖突，是否距離過(guò)近影響混凝土的澆筑和振搗施工，如有則需對(duì)原構(gòu)件設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。構(gòu)件脫模設(shè)計(jì)時(shí)，按所編制脫模順序，用BIM模擬脫模過(guò)程，檢測(cè)是否有無(wú)法脫?；虿灰酌撃５奈恢?，如有則需調(diào)整模具設(shè)計(jì)方案。吊點(diǎn)設(shè)計(jì)和堆放設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的是索具、支撐及構(gòu)件本身的承載能力和變形驗(yàn)算，然后用BIM技術(shù)進(jìn)行吊運(yùn)和堆放空間的模擬與檢測(cè)。

4預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理

基于BIM和ＲFID技術(shù)設(shè)計(jì)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理和控制流程主要包括利用協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃制定和優(yōu)化、技術(shù)交底和生產(chǎn)任務(wù)的布置、構(gòu)件生產(chǎn)即時(shí)追蹤和構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)等。

4．1生產(chǎn)計(jì)劃

根據(jù)所在工程項(xiàng)目的總進(jìn)度要求、構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能和預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)工藝等編制生產(chǎn)計(jì)劃，包括構(gòu)件生產(chǎn)的進(jìn)度計(jì)劃、生產(chǎn)班組織計(jì)劃、機(jī)械設(shè)備計(jì)劃和模具的周轉(zhuǎn)方案、構(gòu)件物料配置計(jì)劃、倉(cāng)儲(chǔ)和出廠計(jì)劃等。另外，編制生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整預(yù)案，以針對(duì)可能的突發(fā)問(wèn)題利用預(yù)留產(chǎn)能和優(yōu)化算法調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃。生產(chǎn)計(jì)劃導(dǎo)入BIM協(xié)同平臺(tái)里，以供后續(xù)的生產(chǎn)任務(wù)布置和生產(chǎn)即時(shí)追蹤時(shí)加以利用。

4．2技術(shù)交底和生產(chǎn)任務(wù)布置

在每種新的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)前，利用BIM的三維可視化模型進(jìn)行技術(shù)交底;在各工序銜接段，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和構(gòu)件生產(chǎn)即時(shí)追蹤結(jié)果，協(xié)同平臺(tái)自動(dòng)向技術(shù)人員和工人布置當(dāng)前的生產(chǎn)任務(wù)以及相應(yīng)的技術(shù)資料。例如，平臺(tái)通過(guò)ＲFID追蹤到鋼筋籠和預(yù)埋件安裝工作完成，則自動(dòng)布置混凝土攪拌和澆筑的任務(wù)，并同時(shí)發(fā)送配套的BIM模型和物料清單表。技術(shù)交底和生產(chǎn)任務(wù)布置時(shí)，應(yīng)基于“一模型通”原則。所謂“一模型通”，就是對(duì)于每種構(gòu)件提供該構(gòu)件的完整模型，在該模型上可以調(diào)取生產(chǎn)所需的各種信息，不要讓技術(shù)人員和工人在不同的模型或圖樣去查詢同一構(gòu)件信息。利用BIM技術(shù)模擬構(gòu)件制作過(guò)程，并導(dǎo)出視頻供技術(shù)交底使用。

4．3生產(chǎn)即時(shí)追蹤

生產(chǎn)過(guò)程中，利用BIM和ＲFID技術(shù)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)即時(shí)追蹤。其中，ＲFID技術(shù)用于預(yù)制構(gòu)件即時(shí)追蹤的識(shí)別，而B(niǎo)IM用于將追蹤到的生產(chǎn)信息以模型和圖標(biāo)展示出來(lái)并加以顯示和應(yīng)用。選用ＲFID技術(shù)進(jìn)行識(shí)別，可以避免因?yàn)轭A(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程中的污損、蒸汽養(yǎng)護(hù)工序高溫高濕等無(wú)法貼近讀寫(xiě)的問(wèn)題［6］。追蹤過(guò)程主要涉及生產(chǎn)工序、信息識(shí)別記錄、信息集成和管理三個(gè)環(huán)節(jié)。識(shí)別預(yù)制構(gòu)件信息的時(shí)間節(jié)點(diǎn)包括:生產(chǎn)開(kāi)始、鋼筋綁扎結(jié)束、模具安裝完畢、混凝土澆筑完畢、蒸汽養(yǎng)護(hù)開(kāi)始、構(gòu)件脫模、構(gòu)件入庫(kù)、構(gòu)件出廠時(shí)。

4．4預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)

預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目主要有各類(lèi)構(gòu)件的外觀質(zhì)量、尺寸偏差、裝飾層、保溫層、防水和粗糙面的質(zhì)量等。其中，尺寸偏差是影響結(jié)構(gòu)性能和安裝、使用功能的主要因素。構(gòu)件尺寸偏差傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是人工量測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)主要通過(guò)鋼尺、靠尺、塞尺等測(cè)量工具進(jìn)行實(shí)體測(cè)量得到。人工量測(cè)耗時(shí)多，易產(chǎn)生誤差?？衫肂IM技術(shù)聯(lián)合3D激光掃描技術(shù)對(duì)構(gòu)件的尺寸偏差進(jìn)行快速、精確的檢測(cè)。在BIM－3D激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)中，BIM模型參數(shù)結(jié)合具體項(xiàng)目要求的檢測(cè)指標(biāo)和合格標(biāo)準(zhǔn)，確定各構(gòu)件的檢測(cè)規(guī)范，標(biāo)定其檢測(cè)屬性，整合設(shè)計(jì)參數(shù)和合格標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，建立合格條件數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)自動(dòng)判定構(gòu)件的尺寸偏差合格與否提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。激光掃描檢測(cè)后，系統(tǒng)自動(dòng)比較構(gòu)件設(shè)計(jì)值與實(shí)際值，判斷誤差是否滿足合格條件，完成構(gòu)件尺寸偏差檢測(cè)。檢測(cè)的結(jié)果通過(guò)編碼方式存在BIM模型中。同時(shí)，也可以用該技術(shù)檢測(cè)構(gòu)件的外觀質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)表面缺陷。該檢測(cè)技術(shù)具有效率高、精度高、信息化、智能化的特點(diǎn)，更適于裝配式混凝土建筑發(fā)展的需要。上述基于BIM的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理過(guò)程如圖3所示。

5結(jié)語(yǔ)

BIM參數(shù)模型可以整合建筑項(xiàng)目的各種信息，為項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、制作、施工、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，不僅在生產(chǎn)效率、成本和工期方面發(fā)揮重要作用，而且為實(shí)現(xiàn)智能化建造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件制造，是其中不可或缺的中間環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)中能夠最大程度的體現(xiàn)裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)，并且也直接影響B(tài)IM在設(shè)計(jì)、施工等其他階段的應(yīng)用。隨著裝配式建筑的發(fā)展，其將成為各預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)的必由之路。

作者:韓超 吳金花 單位:河北水利電力學(xué)院土木工程系