機(jī)電安裝BIM+ 裝配式的模塊化施工方法研究

張思銳

（中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，陜西 西安）

引言

機(jī)電安裝過程處于工程建設(shè)與精裝修之間的環(huán)節(jié)，不僅受到工程建設(shè)過程的影響，還受到工程裝飾裝修施工的影響。因此，在整個(gè)項(xiàng)目中，機(jī)電安裝的時(shí)間就是竣工時(shí)間，所以對此環(huán)節(jié)施工時(shí)間的控制就成了這個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵。如何在此過程中，確保機(jī)電安裝工程項(xiàng)目在施工中，所有調(diào)試、安裝作業(yè)等環(huán)節(jié)按時(shí)完成，并確保完成后的項(xiàng)目質(zhì)量、安全、生產(chǎn)等各項(xiàng)質(zhì)量目標(biāo)達(dá)標(biāo)，成為現(xiàn)階段工程方、監(jiān)理方、技術(shù)人員等多個(gè)參與方面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題[1]。由于機(jī)電安裝施工中，管件等構(gòu)配件的種類很多、型號(hào)也各不相同，因此在施工過程中，很難對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的復(fù)制，這也是制約此類工程項(xiàng)目工期和質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵和難點(diǎn)。

“BIM+裝配式”施工技術(shù)是目前建筑工程市場內(nèi)較為先進(jìn)的一種施工方式，因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工廠化操作，因此，該方法擁有著傳統(tǒng)施工方法所不能相比的顯著優(yōu)點(diǎn)，它是當(dāng)今建筑業(yè)理論與實(shí)踐中的一個(gè)熱門話題，也是建筑業(yè)未來發(fā)展的方向[2]。但是，在實(shí)際運(yùn)用過程中，此項(xiàng)技術(shù)受到成本、裝備、人力、環(huán)境等多方面的約束，導(dǎo)致工程相關(guān)工作的實(shí)施一直未能達(dá)到預(yù)期[3]。近年來，隨著各地政府的支持，我國土木工程已開始對裝配式設(shè)計(jì)- 建造- 整體化應(yīng)用進(jìn)行探索，推動(dòng)了我國建筑工業(yè)化的理論與實(shí)踐。為進(jìn)一步落實(shí)此項(xiàng)工作，本研究將在此次研究中，以某機(jī)電安裝工程項(xiàng)目為例，開展如下文所示的研究。

1 工程概況

本次研究的工程項(xiàng)目位于A 市，該工程項(xiàng)目北側(cè)緊鄰315 省道，建筑基本情況見表1。

表1 工程項(xiàng)目基本情況

根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際，繪制單體分布結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。

圖1 項(xiàng)目單體分布結(jié)構(gòu)示意

該項(xiàng)目機(jī)電安裝施工由中建企業(yè)承包，包括電氣、給排水、采暖、智能建筑等各個(gè)單元中的機(jī)電安裝施工。

2 機(jī)電安裝模塊化施工中BIM 插件設(shè)計(jì)

為了向機(jī)電安裝裝配式模塊化施工奠定良好的基礎(chǔ)，在開展上述項(xiàng)目時(shí)，結(jié)合BIM技術(shù)，引入支吊布置插件、ISO 等軸測圖插件、焊接插件等，支吊架布置插件主要用于解決基于BIM 技術(shù)的布置計(jì)算困難問題，在實(shí)際運(yùn)用中將支吊架的計(jì)算、選型、布置等集成，通過插件完成復(fù)雜的運(yùn)算，快速得到計(jì)算結(jié)果。在利用BIM技術(shù)對幾點(diǎn)專業(yè)的預(yù)制加工圖進(jìn)行繪制時(shí)，可選用三視圖方式，即在一個(gè)模塊當(dāng)中生成2～3 張獨(dú)立的圖紙，針對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模塊，可以配合著不同角度的斷面圖進(jìn)行更準(zhǔn)確的測繪。圖2 為智能化定尺切割插件的運(yùn)算流程。

圖2 智能化定尺切割插件的運(yùn)算流程

按照上述流程，在插件進(jìn)行對該模塊模擬的過程中，將被切割后剩余管線的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。對數(shù)據(jù)庫中的剩余管道按照加入時(shí)間順序排列，在每條管道切割時(shí)，都會(huì)優(yōu)先調(diào)用最后加入的管道，從而保證了可以優(yōu)先調(diào)用最近的管道，降低了物料的二次逆向運(yùn)輸[4]。在管道切割完畢后，對管道進(jìn)行編號(hào)，并按照每條管道的切割長度，制作出一張材料定尺下料單。加工車間按訂單安排下料制作[5]。與手工管線切割的方式相比，這個(gè)插件可以實(shí)現(xiàn)模塊的自動(dòng)切割，并且極大地減少了材料的消耗。與此同時(shí)，它還可以對模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼，讓模塊的預(yù)制、運(yùn)輸和存儲(chǔ)以及吊裝和定位變得更加方便。

3 機(jī)電安裝模塊化施工實(shí)施與過程控制

在完成對施工中BIM插件的設(shè)計(jì)后，嚴(yán)格按照施工步驟完成機(jī)電安裝的模塊化施工。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合以上的工程概況，按以下幾個(gè)步驟來進(jìn)行施工。BIM模型在整個(gè)施工過程中共有三次的繪制和更新，一次是BIM技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)藍(lán)圖、招標(biāo)確定廠家提供的設(shè)備、零部件尺寸等，完成各機(jī)電專業(yè)模型的繪制[6]。第二次是以第一次為基礎(chǔ)，對模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，從整體的空間布置、行人通道、支撐結(jié)構(gòu)、維修空間等方面，對每一個(gè)區(qū)域都進(jìn)行了詳細(xì)地分析和分解，同時(shí)也要做好與土建、精裝修等相關(guān)的銜接工作。將設(shè)備底板圖紙轉(zhuǎn)交給土建工程部，并進(jìn)行地基混凝土的澆筑[7]。第三次是技術(shù)員根據(jù)設(shè)備在安裝完畢后的真實(shí)位置和大小，對BIM 模型進(jìn)行修正，以保證整體模型的準(zhǔn)確性，并保證其與已交付應(yīng)用的工程信息的一致性[8]。其次，對支吊架進(jìn)行合理選型和布置。利用支吊架布置插件，對支吊架載荷進(jìn)行了自動(dòng)計(jì)算，并根據(jù)支吊架的穩(wěn)定性及強(qiáng)度，給出了相應(yīng)的支吊架模型。根據(jù)組件吊裝的順序，對支吊架部件進(jìn)行代碼處理，并生成支撐件平面圖和支撐件細(xì)節(jié)圖。在這一過程中，支吊架荷載的計(jì)算公式選用下述公式（1）所示：

式中：F 代表支吊架的荷載；m 代表彎矩；I 代表懸臂長度；lx 代表單根支吊架長度。再次，提取工程量和材料計(jì)劃。在BIM深化模型中，利用比目云的價(jià)格插件，讀出BIM 中的數(shù)量信息，按照清單規(guī)格，實(shí)時(shí)產(chǎn)生特定領(lǐng)域特定專業(yè)的數(shù)量、價(jià)格、模型以及成本信息，并將其匯總報(bào)送給材料員，進(jìn)行下料加工。將模組加工圖紙和模組代碼，按照所需的工程進(jìn)度，發(fā)送到制造廠家，完成模組預(yù)加工。為確保模件預(yù)制的準(zhǔn)確性，在保證原料品質(zhì)的同時(shí)，還必須對模件制造工藝中的各大環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，如管件、管道連接法蘭的實(shí)際焊接承插深度和焊縫寬度的控制。檢查完焊縫后，應(yīng)將偏差控制在±3 mm 以內(nèi)。管件的銹蝕處理由噴砂爐進(jìn)行，管件的切割處理由等離子體切割處理，管件的焊接處理由全自動(dòng)焊機(jī)完成。在此基礎(chǔ)上，將焊接過程中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄入到BIM建模中，并通過插件生成焊接過程中的二維碼，并將其粘貼到管線的焊口上，為后續(xù)的焊縫和管線的跟蹤和維保提供便利。最后，進(jìn)行對各個(gè)模塊的組裝。在施工操作開始前，對全體技術(shù)人員及施工人員進(jìn)行一次施工計(jì)劃方案的施工技術(shù)交底。負(fù)責(zé)對模組的安裝工作，并對模組的安裝布置，技術(shù)要點(diǎn)，安裝隱患，文明施工等做好技術(shù)指導(dǎo)。施工人員根據(jù)模塊管線標(biāo)簽，識(shí)別二維碼，確認(rèn)模塊信息，根據(jù)BIM裝配圖，進(jìn)行管段拼接，根據(jù)施工編號(hào)，對模塊區(qū)域進(jìn)行吊裝施工。采用點(diǎn)對點(diǎn)的方法對支架進(jìn)行定位，從而確定支架的安裝位置以及管道走向。以預(yù)制管線彎頭、異形件等線路關(guān)鍵部件的放樣為手段，有效地指導(dǎo)并控制管道等構(gòu)件模塊的有序吊裝。

4 機(jī)電構(gòu)配件模塊劃分

針對上述建設(shè)項(xiàng)目，采用BIM+裝配式的模塊化方式施工。針對車庫、走廊、展廳等區(qū)域重點(diǎn)實(shí)施管道支架模塊安裝和管路的模塊化拼接施工。針對主會(huì)議廳等高大空間重點(diǎn)實(shí)施風(fēng)管模塊化集成式施工。表2中記錄了該項(xiàng)目具體劃分模塊及數(shù)量。

表2 機(jī)電構(gòu)配件模塊劃分

5 模塊化施工方法應(yīng)用效果分析

5.1 項(xiàng)目模塊化閉環(huán)施工

由于該項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模大、工期緊，所以在對建設(shè)計(jì)劃進(jìn)行論證的時(shí)候，需要考慮到工程項(xiàng)目所在區(qū)域的不同專業(yè)如何能夠?qū)崿F(xiàn)一體化模塊化施工技術(shù)的應(yīng)用。綜合工程方的商議與決策，利用BIM技術(shù)進(jìn)行工程節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)，結(jié)合工程具體需求，對機(jī)電安裝施工中的每一道施工程序進(jìn)行仿真，對每一道節(jié)點(diǎn)和模塊進(jìn)行優(yōu)化與銜接，持續(xù)探索模塊化施工在本次工程中的應(yīng)用，保證各部門之間的密切合作，以便于及時(shí)對模塊化施工的難度、模塊化施工的設(shè)計(jì)是否合理、是否方便快速施工、是否節(jié)能降耗等問題進(jìn)行分析，以此給出合理、具體的意見，將意見反饋給項(xiàng)目的技術(shù)部門，技術(shù)部門可以將其作為依據(jù)，對每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模塊化施工方案與計(jì)劃進(jìn)行重新審核、優(yōu)化、改進(jìn)，最后形成一個(gè)閉環(huán)模式，見圖3。

圖3 項(xiàng)目模塊化閉環(huán)施工模式

在此種模式下，可以有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)電安裝工程項(xiàng)目的反饋與聯(lián)動(dòng)，使項(xiàng)目裝配式施工過程持續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，為施工全過程提供高效的服務(wù)。

5.2 模塊化施工方法應(yīng)用效果綜合比對

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊化施工方法應(yīng)用效果綜合比對中相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：A 代表機(jī)電安裝工程項(xiàng)目萬元產(chǎn)值設(shè)計(jì)天數(shù)；J代表機(jī)電造價(jià)，單位：萬元；S 代表深化設(shè)計(jì)時(shí)間，單位：天。

式中：C 代表機(jī)電安裝工程項(xiàng)目施工過程中材料損耗率，單位：%；c 代表機(jī)電安裝工程項(xiàng)目施工過程中材料損耗成本，單位：萬元。

式中：M 代表機(jī)電安裝工程項(xiàng)目每日萬元產(chǎn)值，單位：萬元；T 代表機(jī)電安裝工程項(xiàng)目施工天數(shù)，單位：天。

式中：Z 代表機(jī)電安裝工程項(xiàng)目造價(jià)節(jié)約率，單位：%；Y 代表施工圖具體預(yù)算。

完成上述計(jì)算后，對該項(xiàng)目BIM+裝配式施工技術(shù)應(yīng)用前、后的效果進(jìn)行比對，見表3。

表3 模塊化施工方法應(yīng)用效果綜合比對

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為更加直觀的分析施工技術(shù)應(yīng)用效果，以柱狀圖的方式，進(jìn)行模塊化施工方法應(yīng)用效果綜合比對，見圖4。

圖4 模塊化施工方法應(yīng)用效果綜合比對柱狀圖

結(jié)束語

根據(jù)上述研究，得到如下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1） 從表3 中看出，相比模塊化施工方法應(yīng)用前，該方法應(yīng)用后，萬元產(chǎn)值設(shè)計(jì)天數(shù)增加、材料損耗率降低、每日萬元產(chǎn)值增加、造價(jià)節(jié)約率提升，說明此項(xiàng)施工技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，可以起到節(jié)約材料、縮短工期、提高設(shè)計(jì)深度、深化設(shè)計(jì)時(shí)間等作用，通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對工程項(xiàng)目建設(shè)過程的全面優(yōu)化。

（2） 綜合圖4 中內(nèi)容可以看出，相比應(yīng)用前，此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用后綜合效果良好，由此可以證明，上文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)揮預(yù)期的效果與作用，全面提升工程的質(zhì)量與建設(shè)水平。