基于BIM的鋼筋數(shù)控集中加工在大型房建工程中的應(yīng)用研究

(中交一公局第四工程有限公司，南寧 530000)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

西昌市航天大道東延線道路建設(shè)工程棚戶區(qū)改造拆遷安置點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，位于西昌市航天大道東延線道路北側(cè)城東大道東側(cè)高枧鄉(xiāng)屬地內(nèi)，地理坐標(biāo)：北緯27°52'29.00"，東經(jīng)102°17'50.00"。地處鮮水河-小江斷裂帶的分支斷裂帶：安寧河-則木河斷裂帶上。主要結(jié)構(gòu)形式:框架-剪力墻結(jié)構(gòu)(地下2層,地上4層至20層，為住宅、酒店、商業(yè)及其他配套設(shè)施)，抗震設(shè)防烈度為9°。建筑面積：96.76萬(wàn)，鋼筋用量約為8萬(wàn)多t，其中一分部和五分部的筏板基礎(chǔ)、框剪結(jié)構(gòu)、鋼筋總用量約4.8萬(wàn)t。

1.2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

本項(xiàng)目為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，鋼筋用量巨大；抗震設(shè)防烈度為9°，技術(shù)專業(yè)水平和鋼筋成品質(zhì)量要求高；所有分部同步施工，建設(shè)工期緊張，需要綜合資源優(yōu)化組合，高效率生產(chǎn)，確保鋼筋成品供應(yīng)質(zhì)量的同時(shí)還要確保供應(yīng)規(guī)模；按照以往的傳統(tǒng)模式，分散建立相應(yīng)的鋼筋加工廠，投入大成本高，管理難度大，浪費(fèi)嚴(yán)重，人才利用率低；前端鋼筋料單生成依靠人工放樣或借助某種軟件翻模生成，涉及很多人工，存在著鋼筋翻樣精度不高等問(wèn)題，對(duì)于后端，基本上還需要手工輸入料單到數(shù)控加工設(shè)備，不能形成料單和設(shè)備的自動(dòng)對(duì)接，將會(huì)造成生產(chǎn)效率低，鋼筋成品的質(zhì)量管控難度大；生產(chǎn)過(guò)程不能系統(tǒng)記錄統(tǒng)計(jì)步驟數(shù)據(jù)信息，成型鋼筋質(zhì)量責(zé)任的追溯困難；為省內(nèi)首批PPP大型房建項(xiàng)目，承擔(dān)著新模式探索應(yīng)用及專業(yè)管理經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)總結(jié)的使命，特別是鋼筋作為工程成本控制的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用，更需要對(duì)實(shí)踐過(guò)程中的數(shù)據(jù)資料分步驟留存，房建工程產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步發(fā)展需要將信息化融入生產(chǎn)管理中。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

通過(guò)采用基于BIM技術(shù)的鋼筋集中加工模式，解決鋼筋翻樣精度不高和翻樣速度慢的問(wèn)題，同時(shí)可通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)所有鋼筋進(jìn)行編號(hào)歸類，提高鋼筋半成品理料效率，基于BIM平臺(tái)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的鋼筋原料和半成品進(jìn)行綜合管理，節(jié)省施工時(shí)間和原材料，大大的提高施工生產(chǎn)效率，降低成本[1-2]。

2.2 實(shí)施方案

本項(xiàng)目基于BIM技術(shù)的鋼筋數(shù)控集中加工模式就是在施工場(chǎng)地外圍的固定場(chǎng)地，建立鋼筋集中加工廠，如圖1所示[3]，采用BIM技術(shù)建立的結(jié)構(gòu)鋼筋模型自動(dòng)導(dǎo)出經(jīng)過(guò)優(yōu)化組合過(guò)的精確下料單，結(jié)合成套的鋼筋切割工具以及自動(dòng)化鋼筋數(shù)控加工設(shè)備和完善的信息化生產(chǎn)管理體系，實(shí)行制度化批量生產(chǎn)，結(jié)合工程施工生產(chǎn)進(jìn)度提前將鋼筋制作成各個(gè)分部分項(xiàng)所需要的鋼筋制品，并通過(guò)運(yùn)輸設(shè)備配送到施工現(xiàn)場(chǎng)位置的一種鋼筋加工應(yīng)用模式[4]。

圖1 鋼筋集中數(shù)控加工場(chǎng)布圖

基于BIM技術(shù)的鋼筋數(shù)控集中加工模式作為當(dāng)前建筑工程中先進(jìn)的鋼筋加工工藝的產(chǎn)物，和以往傳統(tǒng)工藝相對(duì)，具有生產(chǎn)管理信息化、裝備工藝自動(dòng)化、生產(chǎn)水平專業(yè)、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)化和集中加工產(chǎn)業(yè)化等五方面的特點(diǎn)，能夠很好地解決鋼筋加工應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的一系列難題。

2.3 團(tuán)隊(duì)組織

對(duì)應(yīng)項(xiàng)目組織架構(gòu)，設(shè)立了基于BIM技術(shù)的鋼筋集中加工管理小組，成立了了BIM技術(shù)鋼筋翻樣辦公室，對(duì)應(yīng)設(shè)置組長(zhǎng)和各個(gè)崗位專業(yè)人員及對(duì)口協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)人，按照各版塊的責(zé)任分工和工作流程，有序開(kāi)展工作[5-6]。

2.4 應(yīng)用措施

工程開(kāi)工前，通過(guò)BIM模型，分構(gòu)件、分層自動(dòng)編制鋼筋總量計(jì)劃；按項(xiàng)目管理要求對(duì)鋼筋下料順序和分料進(jìn)行統(tǒng)籌；每月要根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃編制鋼筋需用計(jì)劃；根據(jù)庫(kù)存和鋼筋加工情況及市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行采購(gòu)計(jì)劃和采購(gòu)；每批次鋼筋進(jìn)場(chǎng)后將合格證上傳至BIM鋼筋管理平臺(tái)，同時(shí)更新材料入庫(kù)單，堆場(chǎng)信息等；根據(jù)BIM管理平臺(tái)下發(fā)實(shí)驗(yàn)通知單進(jìn)行取樣送檢，并出具試驗(yàn)報(bào)告上傳至管理平臺(tái)；利用BIM鋼筋管理平臺(tái)，對(duì)鋼筋進(jìn)場(chǎng)，加工進(jìn)度和施工進(jìn)度階段性生成結(jié)算單，輔助財(cái)務(wù)結(jié)算工作；每月在BIM鋼筋管理平臺(tái)填寫(xiě)盤(pán)點(diǎn)單，記錄盤(pán)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.5 軟硬件環(huán)境

配備了用于BIM建模的高配置臺(tái)式電腦和移動(dòng)工作站，軟件采用基于Revit的二次開(kāi)發(fā)的鋼筋建模插件和聯(lián)合星層科技有限公司研發(fā)的BIM鋼筋加工管理平臺(tái)等其他相關(guān)軟件(主要軟硬件配置如圖2所示)，鋼筋廠主要設(shè)備配置數(shù)控彎箍機(jī)2臺(tái)、數(shù)控調(diào)直機(jī)2臺(tái)、切斷機(jī)2臺(tái)、全自動(dòng)彎曲機(jī)4臺(tái)、閃光對(duì)焊機(jī)2臺(tái)、行吊2臺(tái)、車(chē)絲機(jī)4臺(tái)。

圖2 BIM軟、硬件配置圖

3 應(yīng)用內(nèi)容

3.1 基于BIM技術(shù)的鋼筋數(shù)控集中加工模式實(shí)施工藝流程

3.1.1 鋼筋下料單準(zhǔn)備

近年來(lái)，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)腳步不斷加快，使自然環(huán)境遭到毀壞，加重了水土資源的流失，因此，對(duì)環(huán)境保護(hù)需求逐漸加重。在環(huán)境管理與環(huán)境執(zhí)法階段，均以環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為核心要素，并對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量提出更高要求，使環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理工作成為重中之重。根據(jù)之前的環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理內(nèi)容來(lái)看，存在的管理問(wèn)題偏多，很難彰顯環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理優(yōu)點(diǎn)。工作人員要結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)特征，提出行之有效的解決方案。

(1)鋼筋數(shù)控集中加工廠通過(guò)CAD施工圖自動(dòng)創(chuàng)建BIM模型，生成BIM模型的同時(shí)導(dǎo)入配筋信息，根據(jù)構(gòu)件配筋信息自動(dòng)生成3D鋼筋并符合平法圖集及相關(guān)規(guī)范，如圖3所示。

圖3 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)鋼筋模型

(2)其中鋼筋模型的錨固長(zhǎng)度及搭接長(zhǎng)度將按照預(yù)設(shè)的抗震等級(jí)自動(dòng)生成，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際做法一致，如圖4所示。

圖4 根據(jù)鋼筋結(jié)構(gòu)模型生成初步料單

(3)利用鋼筋模型生成初步料單，接著以獨(dú)立分部為將項(xiàng)目初步鋼筋料單根據(jù)鋼筋型號(hào)、加工順序及安裝區(qū)域等信息自動(dòng)分類匯總，通過(guò)軟件自動(dòng)優(yōu)化配料和工位分配，使鋼筋切割按長(zhǎng)短科學(xué)搭配，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)套料，將廢料量控制到最低，最后提前生成各工位加工鋼筋料單和分揀料單，如圖5所示[7-8]。

圖5 生成優(yōu)化料單

3.1.2 下達(dá)成品鋼筋加工配送任務(wù)

鋼筋集中加工廠按照制定的加工配送計(jì)劃，將復(fù)核確認(rèn)過(guò)的鋼筋料單數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成二維碼鋼筋料單，如圖6所示，下發(fā)給操作工人；二維碼鋼筋料單上同時(shí)顯示鋼筋信息，并對(duì)相應(yīng)加工操作人員下達(dá)加工任務(wù)指標(biāo)，明確加工的成型鋼筋原材料牌號(hào)規(guī)格、堆放位置和加工成型鋼筋制品幾何尺寸、加工數(shù)量以及加工任務(wù)完成時(shí)間等要求[9-10]。

圖6 下達(dá)成品鋼筋加工任務(wù)

3.1.3 實(shí)施成型鋼筋加工

圖7 實(shí)施成型鋼筋加工

3.1.4 成型鋼筋出廠檢驗(yàn)及配送

在成型鋼筋出廠配送前，鋼筋集中加工廠質(zhì)量檢驗(yàn)人員對(duì)加工完成的成型鋼筋進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查成型鋼筋物理力學(xué)性能指標(biāo)，出具檢驗(yàn)報(bào)告，經(jīng)檢查合格的成型鋼筋供應(yīng)批次發(fā)放出廠合格證。經(jīng)出場(chǎng)檢驗(yàn)合格的成型鋼筋，鋼筋集中加工廠按照工程建設(shè)需求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將相應(yīng)數(shù)量和規(guī)格型號(hào)的成型鋼筋制品配送到項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)并提供成形鋼筋質(zhì)量證明文件[9]。

3.2 創(chuàng)新應(yīng)用點(diǎn)

通過(guò)基BIM鋼筋數(shù)控工解決方案，創(chuàng)新點(diǎn)有：

(1)基于CAD圖紙自動(dòng)創(chuàng)建BIM模型。從CAD電子版圖紙，通過(guò)自主研發(fā)的軟件，自動(dòng)識(shí)別梁、板、柱、墻，智能創(chuàng)建BIM模型；同時(shí)鋼筋信息包含在BIM模型構(gòu)件屬性中。和目前普遍采用的人工建模比，效率大大提高，并能保證質(zhì)量；

(2)智能生成梁板柱墻實(shí)體鋼筋。通過(guò)自主研發(fā)的軟件，基于以上，能快速自動(dòng)智能生成實(shí)體鋼筋，同時(shí)滿足國(guó)標(biāo)平法圖集及相關(guān)規(guī)范；

(3)形成項(xiàng)目完整的鋼筋數(shù)據(jù)庫(kù)?？梢噪S時(shí)提取各區(qū)域鋼筋數(shù)據(jù)，可在不同項(xiàng)目中比對(duì)校核鋼筋量，形成鋼筋優(yōu)化的數(shù)據(jù)依據(jù)；鋼筋加工生產(chǎn)可以和施工過(guò)程對(duì)應(yīng)。

4 應(yīng)用效果

當(dāng)傳統(tǒng)的分散現(xiàn)場(chǎng)加工換成工廠式集中數(shù)控加工，當(dāng)手工料單換做軟件生成，當(dāng)人力操作也被自動(dòng)化數(shù)控機(jī)器替代， 工廠化集中生產(chǎn)、BIM技術(shù)精準(zhǔn)化翻樣、精細(xì)化加工、精確化管控，采用基于BIM技術(shù)的鋼筋數(shù)控集中加工模式，改變了耗時(shí)耗力的傳統(tǒng)苦辦法,展現(xiàn)出新技術(shù)的威力，應(yīng)用效果顯著[11-12]。

4.1 解決人員技術(shù)不專業(yè)問(wèn)題，大大提高鋼筋加工效率，降低加工成本

基于BIM結(jié)構(gòu)鋼筋模型，按施工進(jìn)度和流水段匯總鋼筋料單，依據(jù)料單數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)合理采購(gòu)原材料，降低庫(kù)存成本，并對(duì)鋼筋料單進(jìn)行智能優(yōu)化，最終生成經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的鋼筋下料單，數(shù)控加工設(shè)備可直接識(shí)別料單，進(jìn)行鋼筋的自動(dòng)加工；在鋼筋放樣上，和傳統(tǒng)的鋼筋數(shù)控加工相比，從鋼筋放樣開(kāi)始即真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，有效解決人員技術(shù)不專業(yè)問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率。例如傳統(tǒng)人工放樣1 000m2鋼筋，需約一個(gè)工作日，而基于BIM技術(shù)放樣則只需幾分鐘[13-14]。

4.2 有效解決施工現(xiàn)場(chǎng)加工下料剩余長(zhǎng)度難以利用、損耗大的問(wèn)題，降低鋼筋加工損耗

基于BIM技術(shù)的鋼筋數(shù)控集中加工廠可同時(shí)為多個(gè)工程提供鋼筋加工配送，并通過(guò)使用專用鋼筋下料軟件及數(shù)控機(jī)械連接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多工程或同一工程不同部位鋼筋需求綜合套裁下料加工，滿足不同工程不同部位對(duì)鋼筋長(zhǎng)度尺寸的不同需求，減少鋼筋下料損耗，通過(guò)BIM技術(shù)使鋼筋切割按長(zhǎng)短科學(xué)搭配，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)套料，可以使大料廢料率控制在約0.8%以內(nèi)，小料廢料率控制在約0.4%以內(nèi)，綜合廢料率約在0.68%；正常鋼筋數(shù)控加工損耗率為2%左右，則降低鋼材使用量1.32%以上。

4.3 輔助鋼筋加工質(zhì)量監(jiān)管追溯，確保鋼筋成品質(zhì)量

將多工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)加工轉(zhuǎn)移到一個(gè)工廠集中加工配送，可以通過(guò)對(duì)一個(gè)鋼筋集中加工廠的質(zhì)量監(jiān)管實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)加工質(zhì)量監(jiān)管，能夠有效減少監(jiān)管人力的投入，提高監(jiān)管質(zhì)量效率。同時(shí)，通過(guò)BIM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化流程操作，形成每一步的電子檔案，每一步可追溯，從流程上對(duì)質(zhì)量進(jìn)行把控，減少人為錯(cuò)誤的發(fā)生；建立從原材料進(jìn)廠到成型鋼筋出廠配送全過(guò)程的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)用于建設(shè)工程成型鋼筋質(zhì)量責(zé)任的追溯。

4.4 避免現(xiàn)場(chǎng)鋼筋加工條件限制，確保成品鋼筋供應(yīng)規(guī)模

施工現(xiàn)場(chǎng)加工鋼筋受場(chǎng)地條件、氣候條件、人員素質(zhì)裝備水平等條件限制，在場(chǎng)地狹小、交叉作業(yè)種類多、作業(yè)人員臨時(shí)缺失、加工設(shè)備突發(fā)故障等條件下，都將難以實(shí)施鋼筋連續(xù)順暢加工，影響鋼筋加工和工程進(jìn)度，而鋼筋集中加工在專用封閉的加工廠房?jī)?nèi)，有固定作業(yè)技工和同型多臺(tái)鋼筋加工設(shè)備，確保24h鋼筋加工連續(xù)作業(yè)，確保鋼筋供應(yīng)質(zhì)量和規(guī)模。

4.5 對(duì)鋼筋集中加工過(guò)程信息存儲(chǔ)集成，為項(xiàng)目的鋼筋應(yīng)用管理方面的總結(jié)提供有力的數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)，提高項(xiàng)目的信息化管理水平

鋼筋集中加工全過(guò)程中有一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，能夠?qū)σ韵聰?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)：1)鋼筋集中加工合同、施工單位鋼筋配料單、鋼筋集中加工廠的配送計(jì)劃；2)進(jìn)場(chǎng)原材料時(shí)間、牌號(hào)規(guī)格、數(shù)量、廠家以及復(fù)檢結(jié)果、堆放區(qū)域等數(shù)據(jù)；3)鋼筋加工過(guò)程設(shè)備加工任務(wù)、加工作業(yè)人員、加工時(shí)間、成型鋼筋堆放區(qū)域等數(shù)據(jù)；4)成形鋼筋出廠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和配送車(chē)輛、分部、時(shí)間等信息；5)3個(gè)月以內(nèi)的影像監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)記錄。通過(guò)這一數(shù)據(jù)庫(kù)能夠很好地為鋼筋使用管理總結(jié)提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)資料。

在完成相應(yīng)部位鋼筋成品加工及配送的同時(shí)，還可以通過(guò)BIM鋼筋管理平臺(tái)，按樓層和構(gòu)件類型過(guò)濾項(xiàng)目模型，快速定位到施工需要綁扎鋼筋的構(gòu)件，在BIM鋼筋管理平臺(tái)移動(dòng)端可自動(dòng)顯示該構(gòu)件的鋼筋綁扎示意圖，如圖8所示，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)鋼筋的領(lǐng)料和綁扎，提高施工生產(chǎn)效率和項(xiàng)目信息化管理水平。

圖8 鋼筋綁扎可視化交底

5 結(jié)束語(yǔ)

作為建筑領(lǐng)域主要材料的混凝土已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化，模板也部分實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，裝配式建筑的發(fā)展也更是突飛猛進(jìn)，而鋼筋生產(chǎn)集約化方面進(jìn)展比較緩慢，在一定程度上成為了制約施工現(xiàn)代化發(fā)展的重要因素。隨著勞動(dòng)力的短缺和人工成本的不斷提高，鋼筋集中數(shù)控加工將逐步取代傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)加工，這也是行業(yè)發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。綜上所述，基于BIM技術(shù)的鋼筋數(shù)控集中加工模式是一種行業(yè)領(lǐng)先、模式創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)提高、的先進(jìn)模式，將鋼筋集中數(shù)控加工的工廠化、集約化優(yōu)勢(shì)與BIM技術(shù)的專業(yè)化優(yōu)勢(shì)完美結(jié)合，用在具有規(guī)?；?、集中化條件的PPP大型房建項(xiàng)目，將充分發(fā)揮其節(jié)材節(jié)力、省時(shí)高效、質(zhì)量保障、利于監(jiān)管的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景，也將是建筑鋼筋加工工程發(fā)展的必然方向。