智能化技術(shù)在工業(yè)廠房施工應(yīng)用探索

藍(lán)元海

(中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司廈門(mén)分公司 福建廈門(mén) 361000)

0 引言

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，工業(yè)廠房正向更大跨度、更大空間、預(yù)制裝配式方向邁進(jìn)，相應(yīng)的復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)增加，構(gòu)配件尺寸精準(zhǔn)度要求提高、各不同專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)量大，這就要求施工過(guò)程中要全面掌控所有施工信息，確保每一道施工工序都有跡可循，每一次施工環(huán)境都處于可控狀態(tài)。傳統(tǒng)的人力不定期監(jiān)控、冗雜的紙質(zhì)化據(jù)記錄、管理人員主觀意識(shí)判斷很難滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)廠房日趨復(fù)雜和高效化的施工要求。因此，工業(yè)廠房施工引入智能化技術(shù)迫在眉睫。本文通過(guò)某工業(yè)廠房施工過(guò)程實(shí)施電子信息智能技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，探索工業(yè)廠房施工過(guò)程如何更好地融入智能化技術(shù)及其具體措施，以供其他類(lèi)似工程參考。

1 工程項(xiàng)目概況

ABB廈門(mén)工業(yè)中心項(xiàng)目總建筑面積為196 253.53m2，包含LP(低壓)、PPMV(中壓)及PPHV(高壓)3大鋼結(jié)構(gòu)廠房，建成后將成為 ABB在全球最大的工業(yè)中心。此工程復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)多(如非等截面鋼柱與虹吸雨水管、ALC板墻及CCA硅酸蓋板交叉互穿節(jié)點(diǎn))，精細(xì)化程度要求極高(超平地坪施工需達(dá)到ASTM E1155美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)規(guī)范F-Number System中Flatness(FF)≥100，Levelness (FL)≥100以及3m靠尺落差≤1.6mm的要求)，傳統(tǒng)方法無(wú)法滿(mǎn)足如此高要求的施工狀況。

該工程從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，構(gòu)件BIM數(shù)據(jù)模型，在基礎(chǔ)施工階段前完成基礎(chǔ)模型修改，并在基礎(chǔ)施工階段完成整體模型修改。同時(shí)各智能化系統(tǒng)皆在基礎(chǔ)施工階段前進(jìn)行布置，并以施工開(kāi)始的一個(gè)月作為智能化系統(tǒng)“調(diào)試及適應(yīng)期”，逐步在施工過(guò)程中完善使用，并反饋至實(shí)體施工中。通過(guò)從預(yù)制樁承臺(tái)基礎(chǔ)施工、廠房鋼結(jié)構(gòu)施工、行政樓混凝土框架結(jié)構(gòu)施工、屋面系統(tǒng)施工、裝修工程施工等多個(gè)階段的不斷應(yīng)用、調(diào)整、反饋，完善了實(shí)體質(zhì)量管控和施工成本節(jié)約的最終目的。

2 BIM信息數(shù)據(jù)化應(yīng)用

該工程全生命周期采用BIM技術(shù)和云儲(chǔ)存及云平臺(tái)技術(shù)，由于工業(yè)廠房施工精確性、針對(duì)性強(qiáng)的要求較其他一般性房建工程更強(qiáng)，因此通過(guò)BIM模型將工程每個(gè)構(gòu)件，每個(gè)變化都化為數(shù)據(jù)流形成不同的信息，匯集成三維虛擬“實(shí)體”，能夠解決工業(yè)廠房施工的各項(xiàng)針對(duì)性和精確性要求，如圖1所示。該工程依靠這個(gè)蘊(yùn)含龐大信息量的“仿真工程活體”，直觀地調(diào)整工程結(jié)構(gòu)體系，及時(shí)預(yù)警危險(xiǎn)信息，全面地把控工程質(zhì)量等，同時(shí)借助各終端設(shè)備隨時(shí)隨地掌握、調(diào)整上述施工過(guò)程中需要的關(guān)鍵信息。下文詳細(xì)介紹其中2個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

圖1 工程整體BIM效果圖

2.1 內(nèi)墻(ALC板)深化應(yīng)用

ABB廈門(mén)工業(yè)中心廠房?jī)?nèi)墻，采用預(yù)制裝配式ALC板(蒸壓加氣混凝土防火內(nèi)隔墻板)，利用BIM技術(shù)對(duì)ALC板材進(jìn)行參數(shù)化建模，導(dǎo)入給排水、電氣、通風(fēng)、消防等機(jī)電管線模型及門(mén)窗模型，以生成ALC板上預(yù)留洞口，同時(shí)深化ACL板導(dǎo)向角鋼與鋼柱的固定節(jié)點(diǎn)，最終導(dǎo)出包含各項(xiàng)節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵參數(shù)的每塊ALC編碼的墻體模型。通過(guò)檢索該模型，生產(chǎn)廠商依照編碼，精準(zhǔn)制造含有預(yù)留洞口及洞口加固的ALC板；現(xiàn)場(chǎng)管理人員及組裝工人通過(guò)模型，精準(zhǔn)安裝ALC墻體，如圖2～圖3所示。

圖2 ALC板局部模型(包含編碼信息)

圖3 管理人員核查墻體節(jié)點(diǎn)

同時(shí)通過(guò)模型共享，生產(chǎn)廠商和現(xiàn)場(chǎng)管理人員能及時(shí)將發(fā)現(xiàn)的墻體問(wèn)題明顯反映在模型上，及時(shí)通知相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行調(diào)整。

2.2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)信息淺析化

基于BIM模型可視化特性，針對(duì)涵蓋多個(gè)專(zhuān)業(yè)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理剖析，分析出合理施工順序，避免碰撞和返工。

例：廠房?jī)?nèi)有大量一體化鋼柱，通過(guò)BIM模型對(duì)ALC板排布，焊接固定方式，板材與鋼柱空間位置關(guān)系，ALC板與鋼柱間防火門(mén)位置關(guān)系，穿墻管線與鋼柱位置關(guān)系進(jìn)行剖析，分析合理施工順序。將原本設(shè)計(jì)貼靠鋼柱翼緣板的ALC板偏移30mm，鋼柱與板材通過(guò)導(dǎo)向角鋼進(jìn)行連接，以滿(mǎn)足ALC板安裝要求，并避開(kāi)碰撞的管線，確保防火門(mén)有足夠的安裝空間，提高ALC板工程質(zhì)量和安裝效率[1]，如圖4所示。

圖4 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)剖析核查模型

3 智慧型節(jié)能設(shè)備一體化應(yīng)用

由于工業(yè)廠房占地面積大，施工用水覆蓋面積廣，用水量大，傳統(tǒng)的工業(yè)廠房施工用水一般直接采用自來(lái)水經(jīng)增壓泵加壓后輸送到用水地點(diǎn)。該方式能耗高、成本高、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，已不能適用“四節(jié)一環(huán)保、創(chuàng)建節(jié)約型工地、綠色建造”的要求?；虿捎玫孛嫦轮辽偃?jí)沉淀方式進(jìn)行雨水收集回收利用，該方式在棄流和粗略過(guò)濾后，進(jìn)行沉淀才能排入蓄水系統(tǒng)，且地面的雨水雜質(zhì)多，污染源復(fù)雜，用水容易產(chǎn)生異味，存在雜物，造成管道堵塞等負(fù)面影響，還需定期清理沉淀池，電能、水資源及人力資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

該工程自主設(shè)計(jì)出一套雨水收集回收利用系統(tǒng)[2]，針對(duì)工業(yè)廠房“單層面積大，匯集雨水面積廣”的特點(diǎn)，采用一種屋頂建筑頂部匯水，通過(guò)棄流和簡(jiǎn)單過(guò)濾后，直接排入蓄水系統(tǒng)，進(jìn)行處理后使用于各施工用水區(qū)域的方式。它包括PE塑料雨水收集桶、自動(dòng)增壓泵、單路溝槽式廁所節(jié)水控制系統(tǒng)、圍墻噴淋系統(tǒng)、綠化噴淋系統(tǒng)及辦公區(qū)清潔用水系統(tǒng)。

雨水收集桶由雨水斗、連接管、懸臂吊管、細(xì)濾網(wǎng)、雨水收集桶、出水管、PP棉和活性炭過(guò)濾網(wǎng)、球閥調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)和各管道連接件等組成。連接管和懸臂吊管通過(guò)屋檐L形吊桿和板房鋼柱焊接牛腿支撐，并用鋼絲綁扎固定，連接管末端設(shè)置防堵反沖閥門(mén)，自動(dòng)增壓泵放置于雨水收集桶旁與雨水收集回收利用系統(tǒng)連接管道連接，自動(dòng)增壓泵根據(jù)連接管道內(nèi)氣壓大小自動(dòng)增壓，從而構(gòu)成雨水收集回收利用系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 雨水收集回收利用系統(tǒng)示意圖

雨水收集回收利用系統(tǒng)包括固定在連接管道上的三根主管。一根連接廁所節(jié)水控制系統(tǒng)，主管上安裝電磁閥，電磁閥與單路溝槽式廁所節(jié)水控制器和紅外線熱敏探測(cè)器相連。由紅外線熱敏探測(cè)器感應(yīng)，并將感應(yīng)信號(hào)傳送給控制器，由控制器控制電磁閥打開(kāi)放水，做到來(lái)人放水，無(wú)人停水，節(jié)水效率高，安全省電。另兩根連接圍墻噴淋系統(tǒng)和綠化噴淋系統(tǒng)，主管起始端設(shè)置球閥調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，噴淋時(shí)打開(kāi)，主管上設(shè)置支管，支管上設(shè)置噴頭。

廁所中設(shè)置的單路溝槽式廁所節(jié)水控制器，通過(guò)探頭感應(yīng)器識(shí)別人體后傳到控制器中，從而自動(dòng)控制沖水開(kāi)關(guān)。同時(shí)，沖洗方式不是傳統(tǒng)的壓力水流沖洗，而是采用溝槽式管道滴水進(jìn)行沖洗，相較于傳統(tǒng)的沖洗方式，耗水量節(jié)約50%。

雨水收集回收利用系統(tǒng)，通過(guò)這一系列的感應(yīng)聯(lián)動(dòng)，形成可以自動(dòng)搜集并且加以控制的一體化施工用水節(jié)能設(shè)備。它的“智慧”體現(xiàn)在自動(dòng)搜集雨水，精細(xì)化地合理利用每滴水資源，節(jié)約大量不必要的工程開(kāi)支，與外界聯(lián)動(dòng)成為可循環(huán)的環(huán)保體系，如圖6～圖7所示。

圖6 雨水收集回收利用系統(tǒng)

圖7 單路溝槽式廁所節(jié)水控制器

該工程雨水回收利用系統(tǒng)中雨水收集有效總面積約為108 542.45m2，2016年一年廈門(mén)年降雨量為2167.3mm，2017年一年廈門(mén)年降雨量為1831.9mm?？紤]20%的各類(lèi)損耗(水頭損壞等)，共計(jì)收集雨水347 266.37m3，結(jié)合廈門(mén)工業(yè)用水價(jià)格為每噸3.2元，共計(jì)節(jié)約水費(fèi)111.13萬(wàn)元。同時(shí)，收集的雨水處理后作為供水使用，也節(jié)約了直接排放的污水處理費(fèi)用共計(jì)16.4萬(wàn)元；加之與多處節(jié)水設(shè)備聯(lián)動(dòng)使用，節(jié)水達(dá)40%以上。共計(jì)節(jié)約費(fèi)用127.53萬(wàn)元，應(yīng)用效益十分可觀。

4 施工環(huán)境智能監(jiān)控

由于工業(yè)廠房為功能性建筑，相較于普通房建工程，施工環(huán)境變化頻繁，對(duì)其各項(xiàng)細(xì)致參數(shù)的全面監(jiān)控顯得尤為重要。傳統(tǒng)的晴雨表、溫濕度計(jì)等儀器僅僅是簡(jiǎn)單的小范圍數(shù)據(jù)記錄，無(wú)法分析環(huán)境參數(shù)并形成監(jiān)控曲線，也無(wú)法自主“發(fā)出”預(yù)警信息。項(xiàng)目管理層通過(guò)采用一套環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警儀及多個(gè)無(wú)線式太陽(yáng)能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成工程全面智能監(jiān)控體系，同時(shí)把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)反饋至BIM模型中，聯(lián)動(dòng)反映施工環(huán)境情況變化，供施工人員進(jìn)行安全預(yù)警及施工措施調(diào)整。

4.1 環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警儀

采用全方位環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，如圖8所示，于辦公區(qū)入口處、施工現(xiàn)場(chǎng)入口處等多個(gè)關(guān)鍵性出入口設(shè)置LED信息屏，通過(guò)布置在整個(gè)工程的多個(gè)感應(yīng)設(shè)備，及時(shí)搜集相關(guān)環(huán)境參數(shù)(噪音、PM2.5、PM10、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等)和影像資料，反饋于信息屏上，形成預(yù)警信息，及時(shí)通知管理人員進(jìn)行處理。

整套環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警儀包含了多個(gè)噪聲揚(yáng)塵自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器(量程30-130db/0-2mg/m3)、多個(gè)擴(kuò)展氣象參數(shù)探頭(溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信號(hào)的擴(kuò)展接入)、視頻信號(hào)聯(lián)網(wǎng)裝置(通過(guò)以太網(wǎng)或者無(wú)線3G/4G網(wǎng)絡(luò)可以完美支持視頻信號(hào)傳輸)、高配置嵌入式系統(tǒng)(工業(yè)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和看門(mén)狗電路，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以允許同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù))、故障提示報(bào)警器等多個(gè)自主運(yùn)行的設(shè)施設(shè)備。

圖8 環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀

依靠上述設(shè)備，項(xiàng)目整套環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制如下：

(1)多用戶(hù)、多賬號(hào)的在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的分級(jí)管理方式，便于特定環(huán)境的監(jiān)控參數(shù)不被大量環(huán)境參數(shù)覆蓋而錯(cuò)過(guò)最佳預(yù)警時(shí)機(jī)。

(2)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳間隔30s。

(3)豐富的歷史數(shù)據(jù)分析手段，可選1h、24h、15d、1個(gè)月、半年的歷史數(shù)據(jù)，及時(shí)導(dǎo)出、分析歷史數(shù)據(jù)曲線，通過(guò)該系統(tǒng)上傳月報(bào)并及時(shí)分析處理消項(xiàng)，達(dá)到自查、自測(cè)的效果。

4.2 無(wú)線式太陽(yáng)能監(jiān)控系統(tǒng)

太陽(yáng)能供電無(wú)線通信和視頻監(jiān)控系統(tǒng)(圖9～圖11)在供電方式上采用太陽(yáng)能供電，傳輸方式上采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 801.11a OFDM 無(wú)線技術(shù)。采用太陽(yáng)能監(jiān)控系統(tǒng)可以擺脫線纜的束縛，實(shí)現(xiàn)快速安裝，施工時(shí)間短，投入低，效果好。既可以擺脫山地、森林、河流、開(kāi)闊地等特殊地理環(huán)境的限制，又無(wú)須考慮電源線及通信光纜的布線和施工問(wèn)題，徹底解決布線工程周期長(zhǎng)、施工成本高昂甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的困難。

圖10 太陽(yáng)能監(jiān)控系統(tǒng)顯示屏二

當(dāng)太陽(yáng)光照較強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能光伏組件產(chǎn)生的電流匯聚到控制器，控制器進(jìn)行供電監(jiān)控。太陽(yáng)能光伏組件通過(guò)控制器給視頻監(jiān)控部件供電，同時(shí)將多余的能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)。

當(dāng)太陽(yáng)光照較弱時(shí)，太陽(yáng)能儲(chǔ)能單元板的發(fā)電滿(mǎn)足不了視頻監(jiān)控需求的能量時(shí)，負(fù)載除從太陽(yáng)能儲(chǔ)能單元板獲取能量以外，儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)處于放電狀態(tài)以滿(mǎn)足視頻監(jiān)控穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)?shù)揭归g、陰天等日照條件不好的情況下，轉(zhuǎn)由儲(chǔ)能系統(tǒng)給視頻監(jiān)控供電。

圖11 無(wú)線式太陽(yáng)能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

通過(guò)安裝于塔吊、施工電梯等高處的太陽(yáng)能監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)監(jiān)控施工環(huán)境變化，為大型施工機(jī)械的運(yùn)行、高處作業(yè)等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)提供預(yù)警，避免安全事故的發(fā)生。

5 便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用

針對(duì)局部環(huán)境信息變化較快的施工部位，如密閉空間(地下蓄水池、污水池、人防結(jié)構(gòu)等)等，項(xiàng)目采用便攜式的智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，采集信息后錄入至BIM模型中，形成虛擬安全預(yù)警信息，同時(shí)采取針對(duì)性安全調(diào)整措施，如鏑燈光照過(guò)強(qiáng)，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，采取增加遮光器、遮光屏等措施調(diào)整光強(qiáng)。

5.1 光亮數(shù)字照度計(jì)

通過(guò)采用便攜光亮數(shù)字照度計(jì)(測(cè)量范圍：200/2000/20 000/200 000Lux；分辨率0.1Lux；準(zhǔn)確度:±4%±10dgts<10 000Lux)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工照明亮度進(jìn)行嚴(yán)格控制。以夜間施工照明為例，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，夜間施工照度不得超過(guò)20～50Lux，通過(guò)照度計(jì)的使用、記錄，及時(shí)調(diào)整照度，以確保施工照明不造成光污染，起到了很好的預(yù)警調(diào)控作用，如圖12所示。

圖12 光亮照度計(jì)的使用

5.2 氧氣濃度儀

針對(duì)密閉空間施工安全隱患，一直是建筑業(yè)長(zhǎng)期重視的問(wèn)題，密閉空間氧氣濃度的監(jiān)測(cè)，更是重中之重。該項(xiàng)目通過(guò)應(yīng)用便攜式的氧氣濃度測(cè)試儀，在每次施工前對(duì)密閉空間氧氣濃度進(jìn)行測(cè)試，低于19.5%即4.368mol/L則進(jìn)行通風(fēng)加氧處理；在施工過(guò)程中，由監(jiān)護(hù)人員攜帶氧氣濃度儀，時(shí)刻監(jiān)控匯總氧氣含量信息，如圖13所示。

圖13 氧氣濃度儀的使用

6 結(jié)語(yǔ)

該工程通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，以及智慧型節(jié)能設(shè)備，施工環(huán)境智能監(jiān)控設(shè)備，便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備等智能化應(yīng)用實(shí)例的剖析，對(duì)施工智能化技術(shù)的應(yīng)用探索提煉出一些心得：

(1)BIM技術(shù)需根據(jù)工程特點(diǎn)不同，進(jìn)行調(diào)整和側(cè)重點(diǎn)應(yīng)用，如本文中工業(yè)廠房，側(cè)重應(yīng)用于ALC內(nèi)墻板、鋼結(jié)構(gòu)深化等方面。

(2)智能化設(shè)備的選擇應(yīng)該根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型及使用用途的工業(yè)廠房進(jìn)行針對(duì)性甄選，以本文中工業(yè)廠房為例，存在多個(gè)密閉式的高科技泵房、化學(xué)池等，因此氧氣濃度儀的適用性很高。

(3)智能化系統(tǒng)的選用，建議和工程建成后運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行接續(xù)，這樣就避免施工用一套，運(yùn)營(yíng)又采用另一套，無(wú)形中增加了建筑成本，造成浪費(fèi)。

[1] 元軒中. 蒸壓加氣混凝土板(ALC板)在重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的施工應(yīng)用[J]. 福建建筑,2014(10):95-98.

[2] 藍(lán)元海.雨水收集與利用系統(tǒng)：中國(guó)，0775316.2[P].2016-07-22.