基于BIM技術(shù)的地鐵綜合管網(wǎng)工廠化預(yù)配研究

馬勇軍 單 雨 李鵬堯

(1.中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司 天津 300308； 2.西南交通大學(xué) 成都 610031)

1 引言

在工業(yè)化進(jìn)程中，企業(yè)對生產(chǎn)水平的要求越來越高，工廠化預(yù)配逐漸被企業(yè)采納應(yīng)用。國外企業(yè)在20世紀(jì)60年代已經(jīng)開始了管道工廠化預(yù)配的研發(fā)，其中以美、歐、日為主的工業(yè)化發(fā)達(dá)國家在管道預(yù)配上取得了成功經(jīng)驗(yàn)并研發(fā)出一批專業(yè)化、自動化、智能化的機(jī)械設(shè)備。我國工廠化預(yù)配技術(shù)起步晚于發(fā)達(dá)國家，前期主要運(yùn)用在化肥企業(yè)管道預(yù)配工廠，其他專業(yè)廠商由于在發(fā)展水平層次上的不匹配，工廠化預(yù)配沒有得到推廣，預(yù)配需要的專業(yè)機(jī)械設(shè)備也只能在自動化程度較低的設(shè)備上進(jìn)行簡單的改良與優(yōu)化。

目前在管道工廠化預(yù)配發(fā)展已經(jīng)形成3種生產(chǎn)模式，即“工廠型”——固定型管道預(yù)制模式、“現(xiàn)場型”——“準(zhǔn)工廠化”管道預(yù)制模式、“移動型”——“現(xiàn)場型準(zhǔn)工廠化”管道預(yù)制模式[1]。然而在推進(jìn)管道預(yù)制工廠化的進(jìn)程中仍然存在許多阻礙因素，如：施工作業(yè)的流動性和施工持時短要求所有施工設(shè)備都應(yīng)具有較好的流動性，固定的預(yù)制加工廠建立和搬遷都非常困難；工廠化預(yù)制安裝的優(yōu)勢在技術(shù)工藝不成熟的施工單位未得到體現(xiàn)，許多施工單位對管道預(yù)制工廠化的理念不清晰，忽視其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；施工管理模式的轉(zhuǎn)變讓許多施工單位將管道工程進(jìn)行專業(yè)分包，使得管道預(yù)制工廠化無法組織；資金短缺使許多施工單位在招標(biāo)報價中未涵蓋建立預(yù)制工廠的費(fèi)用。

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建設(shè)速度加快、業(yè)主要求和新型管道預(yù)制專用機(jī)械的問世，管道工廠化預(yù)制逐漸規(guī)范且被越來越多的施工企業(yè)重視。企業(yè)根據(jù)自身的發(fā)展訴求和建設(shè)項目的實(shí)際情況，選擇適合自身的工廠化預(yù)配模式，實(shí)現(xiàn)管道預(yù)配工廠化。未來的管道工廠化預(yù)制將朝著多種管道預(yù)制模式并存的方向發(fā)展，管道預(yù)制工廠的功能性也隨著工藝的成熟朝多元化發(fā)展，預(yù)制現(xiàn)場將形成流水化作業(yè)，管道預(yù)制裝配也會更加專業(yè)化，管道的預(yù)制程度將進(jìn)一步加深，在管道預(yù)制安裝過程中會有更多的生態(tài)智能化元素加入。

本文針對地鐵工程中綜合管網(wǎng)工廠化預(yù)配安裝問題，結(jié)合成都地鐵5號線機(jī)電安裝工程項目，運(yùn)用建設(shè)項目全生命周期管理的建筑信息模型(building information modeling，BIM)理念，采用Revit軟件完成5號線地鐵站機(jī)電三維建模，并將模型導(dǎo)入專業(yè)的機(jī)電軟件Fabrication for mep(以下簡稱Fabrication)完成管道的鈑金展開、成本分析及支吊架的自動化排布，形成一套從概念設(shè)計、詳圖設(shè)計到工廠化預(yù)制加工、安裝的完整的綜合管網(wǎng)預(yù)制安裝系統(tǒng)。

2 地鐵管道預(yù)配工廠化研究

2.1 模型構(gòu)件的導(dǎo)入

在Revit中完成的機(jī)電模型設(shè)計，設(shè)計深度還未達(dá)到預(yù)制加工(LOD400)級別的機(jī)電預(yù)制加工圖的標(biāo)準(zhǔn)，管綜模型通常以族的形式存在。模型停留在三維可視階段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所建立的BIM模型具有更多的信息來創(chuàng)造更大的價值。將模型中的管道及管件通過線性單元儲存，機(jī)械設(shè)備則通過圖形單元保存。保存后以高保真的RIF文件格式輸出，可減少模型信息的丟失，保證后期模型的精度。

通過Fabrication在Revit平臺中的插件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫傳輸，將Revit中完成的各專業(yè)的管道模型導(dǎo)入到Fabrication中進(jìn)行深化設(shè)計，見圖1。

圖1 模型構(gòu)件導(dǎo)入

2.2 預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計

2.2.1預(yù)制構(gòu)件設(shè)計

通過使用Fabrication產(chǎn)品定制符合項目使用需要的預(yù)制構(gòu)件，一般包括管段、支架及管件。Fabrication的預(yù)制構(gòu)件庫是一個基于真實(shí)產(chǎn)品制作用于選用、采購產(chǎn)品的構(gòu)件庫。它與傳統(tǒng)通用構(gòu)件庫相比，有精確的尺寸、人工和成本定義。在Fabrication EST mep中預(yù)裝有公制和英制2個參數(shù)化構(gòu)件庫，其中的構(gòu)件參數(shù)都是默認(rèn)值，在導(dǎo)入模型時需根據(jù)現(xiàn)場安裝的要求對構(gòu)件尺寸、連接方式、材質(zhì)進(jìn)行預(yù)設(shè)置，見圖2。對于一些特殊構(gòu)件則可通過產(chǎn)品廠商構(gòu)件庫下載或在CAD mep中進(jìn)行構(gòu)件預(yù)制。

圖2 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計

深化后的構(gòu)件為后期材料統(tǒng)計、成本統(tǒng)計提供原始數(shù)據(jù)，并可將構(gòu)件信息接入數(shù)控機(jī)床完成產(chǎn)品生產(chǎn)，形成流水線生產(chǎn)工序。

2.2.2管段的智能分段

在Revit中繪制的綜合管線長度一般大于現(xiàn)場安裝節(jié)段長度，為便于在工廠中完成批量生產(chǎn)和預(yù)裝配，提高生產(chǎn)和安裝的工作效率，需通過Fabrication中的管道優(yōu)化程序來實(shí)現(xiàn)，從而解決傳統(tǒng)的管段劃分由于受到法蘭連接厚度或螺紋口深度的限制不能對管道進(jìn)行精確下料，且后期調(diào)整的工作量巨大的缺點(diǎn)。

滿足加工和現(xiàn)場施工要求的管段劃的優(yōu)化見圖3和圖4。

圖3 管段優(yōu)化前

圖4 管段優(yōu)化后

2.2.3支吊架預(yù)排

支吊架用來固定綜合管線的位置，并為管線提供支撐。支吊架分為普通支吊架和綜合支吊架，傳統(tǒng)支吊架一般在現(xiàn)場完成尺寸測量、材料切割、材料組裝及支吊架打孔安裝。由于缺少對材料使用的整體規(guī)劃，容易造成浪費(fèi)，且現(xiàn)場切割和拼裝空間均受到限制，影響支吊架的整體施工質(zhì)量。而現(xiàn)有軟件Fabrication通過按所固定管道的類型、材質(zhì)及是否安裝隔熱層選取支吊架類型，然后對所支承的綜合管線進(jìn)行受力分析，可找出合適的支吊架布設(shè)點(diǎn)，并自動計算尺寸需求以進(jìn)行切割安裝。其支吊架的預(yù)排設(shè)見圖5。

圖5 支吊架預(yù)排

2.3 鈑金展開

在完成構(gòu)件的深化設(shè)計后，相應(yīng)的模型設(shè)計深度已經(jīng)達(dá)到了預(yù)制加工(LOD400)的精度。鈑金加工是機(jī)械生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各領(lǐng)域[2]。在工廠預(yù)制加工中管道通常由標(biāo)準(zhǔn)化的金屬板加工而成。在傳統(tǒng)的鈑金生產(chǎn)加工中多采用經(jīng)驗(yàn)法排料放樣[3]，由于事先無法準(zhǔn)確統(tǒng)計出整個加工產(chǎn)品對鈑金的消耗量容易導(dǎo)致鈑金利用不充分或浪費(fèi)現(xiàn)象，且在材料的采購中無法準(zhǔn)確把控。智能化鈑金展開是將整個項目中所有加工產(chǎn)品在計算機(jī)上完成預(yù)分割后全部展開在鈑金上，通過智能化系統(tǒng)的強(qiáng)大分析功能可對板材優(yōu)化排料，以達(dá)到最佳利用率，見圖6。

圖6 鈑金展開

在地鐵機(jī)電管道加工中，管道種類繁多，安裝要求復(fù)雜多變，鈑金展開后可使每一塊板材的使用管理都有據(jù)可依，便于在產(chǎn)品加工過程中進(jìn)行管理。鈑金展開排布放樣可以減少工藝準(zhǔn)備時間，降低產(chǎn)品加工人員的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)鈑金在加工制造全生命周期內(nèi)的數(shù)字化。

2.4 預(yù)制加工出圖

預(yù)制加工圖是指導(dǎo)鈑金到產(chǎn)品加工完成的實(shí)施性操作文件，規(guī)范的預(yù)制加工圖便于產(chǎn)品生產(chǎn)人員高效率生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品。完成鈑金排布放樣后，每塊鈑金分割后的板材都對應(yīng)有ID自動編號,如圖7所示。

圖7 預(yù)制加工圖

根據(jù)ID編號可定位構(gòu)件的拼裝位置，使產(chǎn)品加工人員直觀了解每一塊板材的安裝位置，避免由于板材數(shù)量繁多導(dǎo)致板材使用混淆,減少技術(shù)交底難度，板材定位如圖8所示。在加工圖信息的流通過程中，不同層級的人員均可在移動終端和WEB端看到相關(guān)信息和流程[4]。

圖8 板材定位圖

2.5 成本分析

2.5.1材料統(tǒng)計

工廠化預(yù)配中材料統(tǒng)一采購可節(jié)約大量的經(jīng)費(fèi)和時間，提高管道加工生產(chǎn)的效率，因此鈑金材料統(tǒng)計在提高項目整體效益上就顯得尤為重要。通過Fabrication對所有的構(gòu)件完成鈑金展開后，軟件即可統(tǒng)計整個項目所需要的鈑金材料信息，包括各構(gòu)件使用鈑金的數(shù)量和重量，鈑金的利用率等。傳統(tǒng)的材料統(tǒng)計通常會按一定比例擴(kuò)大數(shù)量以保證材料數(shù)量足夠，在保證材料充分的同時引起材料的浪費(fèi)。隨著綠色建筑要求在施工中的廣泛推廣，環(huán)保性被越來越多的施工企業(yè)重視[5]。精確高效的材料統(tǒng)計在Fabrication中得到很好的應(yīng)用，運(yùn)用智能化的材料管理系統(tǒng)，如圖9所示，可以為采購提供準(zhǔn)確的數(shù)量信息。

圖9 材料用量

2.5.2成本計算

在預(yù)制加工中，人工、材料、機(jī)械的使用量關(guān)系到產(chǎn)品成本的高低。通過將相關(guān)定額導(dǎo)入系統(tǒng)中，如圖10所示，可以快速地完成各個專業(yè)包括各個管件類型綜合單價和總價的計算，為施工企業(yè)在招投標(biāo)中的投標(biāo)報價文件提供依據(jù)，減少因工程量計算不準(zhǔn)確帶來的經(jīng)濟(jì)損失，同時可為招標(biāo)企業(yè)提供評標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 總成本分析

3 Fabrication軟件與數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)對接

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展過程中不斷優(yōu)化的產(chǎn)物，其運(yùn)用程度制約著整個制造業(yè)的發(fā)展水平[6]。與傳統(tǒng)機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床通過計算機(jī)自動化系統(tǒng)控制產(chǎn)品的加工生產(chǎn)，整個產(chǎn)品加工過程的數(shù)字化使得產(chǎn)品尺寸更精確、質(zhì)量更高且極大地減少了人為因素的干擾，提高了生產(chǎn)效率。在Fabrication完成的深化設(shè)計構(gòu)件數(shù)據(jù)是可以直接運(yùn)用于生產(chǎn)加工的，通過Fabrication的外接端口可以將設(shè)備的參數(shù)信息導(dǎo)入到Fabrication中，F(xiàn)abrication根據(jù)設(shè)備要求可以將構(gòu)件信息轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床能夠識別的參數(shù)，并可在網(wǎng)絡(luò)終端完成整個產(chǎn)品加工的模擬。

4 結(jié)論

1) 為滿足管道預(yù)配化工廠生產(chǎn)，利用Revit建立的三維機(jī)電模型進(jìn)行管道、支吊架、管件等構(gòu)件的深化設(shè)計，探索出基于BIM的管道構(gòu)件深化標(biāo)準(zhǔn)，為管道工廠預(yù)配提供技術(shù)支持。

2) 利用Fabrication for mep軟件實(shí)現(xiàn)全自動化智能的構(gòu)件鈑金展開，通過合理的排布放樣為管道工廠預(yù)配提供加工圖紙，提高了生產(chǎn)的效率，為建設(shè)項目取得工期上的優(yōu)勢，降低了整個構(gòu)件生產(chǎn)成本。

3) 通過對構(gòu)件的排樣放料得到建設(shè)項目各專業(yè)所需的材料數(shù)量，并根據(jù)定額計算整個建設(shè)項目所需要的造價成本，為工程中材料采購提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并為投標(biāo)文件的報價提供參考。

4) 充分發(fā)揮BIM在產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用，將完成的模型數(shù)據(jù)通過開放式的數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床中，形成一套由模型到產(chǎn)品全自動化生產(chǎn)的系統(tǒng)，減少數(shù)據(jù)在傳輸途中的丟失，避免模型精度的下降。

[1] 張云建.管道工廠化預(yù)制在工程中的應(yīng)用[J].石油化工建設(shè),2007,29(1):21-22.

[2] 王小玲.基于制造過程的鈑金CAD系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2008.

[3] 蔡力鋼,饒運(yùn)清,郭軍,等.面向集中下料的鈑金排樣編程系統(tǒng)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1999,27(6):66-68.

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[6] 錢立鋒.數(shù)控技術(shù)對機(jī)械制造的影響研究[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊,2014(17):452-452.