基于BIM軟件模型數(shù)據(jù)的風(fēng)管自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)的研究

楊 超

（中鐵十九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，北京 100076）

0 引言

近年來(lái)，建筑機(jī)電施工的生產(chǎn)管理能力有一定的提高，傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)計(jì)和施工生產(chǎn)依據(jù)二維Auto CAD軟件繪制施工圖。施工圖設(shè)計(jì)中經(jīng)常存在管線沖突、管線遺漏、標(biāo)高誤差等問(wèn)題，施工生產(chǎn)中會(huì)造成人、物、財(cái)?shù)睦速M(fèi)。而且二維施工圖不易變更和修改，可能導(dǎo)致施工進(jìn)度延誤，增加與業(yè)主、監(jiān)理、分包商、材料供應(yīng)商協(xié)調(diào)溝通的難度。

1 應(yīng)用BIM軟件進(jìn)行管線優(yōu)化設(shè)計(jì)與變更

當(dāng)下廣泛采用BIM軟件建模，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)整個(gè)生命周期全過(guò)程的協(xié)調(diào)管理[1]。通過(guò)BIM建模可以優(yōu)化安裝方案，提升施工效率，保證機(jī)電安裝的精確性和對(duì)于未知風(fēng)險(xiǎn)的可預(yù)見(jiàn)性，從而提高施工質(zhì)量，壓縮施工周期，降低施工成本。

在大型機(jī)電安裝工程中通常采用綜合管線來(lái)統(tǒng)一安排各個(gè)專業(yè)管線路徑。通常情況下，通風(fēng)空調(diào)管道占用綜合管線空間大，分支管路多，常附帶下引排風(fēng)管及風(fēng)口，施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)因傳統(tǒng)優(yōu)化方法造成與其他系統(tǒng)發(fā)生標(biāo)高沖突。因此通風(fēng)空調(diào)管線優(yōu)化在施工過(guò)程中顯得尤為重要。而B(niǎo)IM軟件建模的特點(diǎn)可以很好地解決碰撞問(wèn)題。

2 BIM軟件數(shù)據(jù)的自動(dòng)化平臺(tái)與傳統(tǒng)生產(chǎn)平臺(tái)相比較

為大力提升工程施工生產(chǎn)效率，把工人從體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，現(xiàn)已提出了一種風(fēng)管自動(dòng)化生產(chǎn)線[2]（分類號(hào)：B21C37/06，專利公開(kāi)號(hào)：CN108515087A），包括卷板、校平機(jī)、壓筋機(jī)和共板法蘭裝置。卷板依次穿過(guò)校平機(jī)、壓筋機(jī)和共板法蘭裝置，壓筋機(jī)和共板法蘭裝置之間設(shè)置有剪板咬口一體機(jī)，壓筋機(jī)的外側(cè)設(shè)置有壓緊輪和切角機(jī)，剪板咬口一體機(jī)下端面的中部設(shè)置有切斷刀，剪板咬口一體機(jī)下端面的一側(cè)設(shè)置有傳動(dòng)齒輪和折彎板I，剪板咬口一體機(jī)下端面的另一側(cè)設(shè)置有折彎板II。本發(fā)明適用于各種場(chǎng)所的送排風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)等邊長(zhǎng)150 mm以上的矩形風(fēng)管。

以上發(fā)明的自動(dòng)化生產(chǎn)線雖然解決了連續(xù)生產(chǎn)的問(wèn)題，但依然投入大量的技術(shù)工人來(lái)做板材下料和角鋼下料工序。此過(guò)程采用人工測(cè)量，還需要核對(duì)圖紙中風(fēng)管尺寸，依據(jù)規(guī)范確定材料型號(hào)和規(guī)格。圖1所示為傳統(tǒng)矩形風(fēng)管生產(chǎn)工序。

圖1 傳統(tǒng)矩形風(fēng)管生產(chǎn)工序

在這種粗放生產(chǎn)模式下生產(chǎn)出的風(fēng)管在數(shù)量和質(zhì)量上都跟現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求有很大的差距。如數(shù)量偏差、尺寸誤差，甚至出現(xiàn)板材和角鋼規(guī)格錯(cuò)誤的問(wèn)題，因而也會(huì)造成大量的材料和人力浪費(fèi)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)：采用傳統(tǒng)平臺(tái)，一個(gè)班組12人每日生產(chǎn)合格風(fēng)管在300 m3左右。這種生產(chǎn)效率難以滿足工期緊張的機(jī)電安裝項(xiàng)目實(shí)際要求。

目前市場(chǎng)上建筑中95%通風(fēng)空調(diào)管道大多采用金屬矩形風(fēng)管，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝不復(fù)雜，通用性好，這為大規(guī)模采用智能化機(jī)械平臺(tái)加工矩形風(fēng)管提供了可能性。

本文論述采用BIM軟件（AUTOCAD Revit MEP Suit）三維模型中提取風(fēng)管數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到需要生產(chǎn)的風(fēng)管參數(shù)，如尺寸、板材厚度、法蘭規(guī)格、沖壓孔大小，同時(shí)匹配相對(duì)應(yīng)規(guī)格風(fēng)管數(shù)量。計(jì)算機(jī)把命令和數(shù)據(jù)發(fā)布給相應(yīng)數(shù)控機(jī)床PLC，執(zhí)行自動(dòng)化生產(chǎn)任務(wù)。

3 自動(dòng)化平臺(tái)構(gòu)成與技術(shù)原理

3.1 自動(dòng)化生產(chǎn)線改造構(gòu)想

工業(yè)自動(dòng)化的意義就是應(yīng)用相關(guān)的自動(dòng)化技術(shù)來(lái)代替或解放勞動(dòng)力，從而獲得很高的生產(chǎn)效率[3]。該平臺(tái)系統(tǒng)的相關(guān)控制和硬件構(gòu)成圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)圖

本平臺(tái)設(shè)計(jì)了核心控制和協(xié)調(diào)采用一臺(tái)上位機(jī)PC[4]。其中一條生產(chǎn)線中現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床設(shè)備和多個(gè)機(jī)械手臂或者傳送帶完成風(fēng)管的剪版，折彎，咬口，翻邊成型。同時(shí)另一條生產(chǎn)線完成法蘭的切割，開(kāi)孔，焊接等工作。

在工業(yè)PC上位機(jī)的總協(xié)調(diào)和總控制下，RS485通信模塊反饋各個(gè)工序的狀態(tài)，一步一步完成相關(guān)工序，最終把風(fēng)管法蘭和成型板材咬口翻邊鉚接成型完成相關(guān)生產(chǎn)[5]。經(jīng)初步估算本：平臺(tái)機(jī)械一日滿負(fù)荷不間斷生產(chǎn)的情況下可生產(chǎn)1 200㎡以上合格產(chǎn)品。

通過(guò)將BIM軟件（AUTOCAD Revit MEP Suit）的風(fēng)管三維模型數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)并建立工程項(xiàng)目。如圖3所示。采用三維建模的某風(fēng)管空間走向，圖中標(biāo)注的參數(shù)全部為變量。BIM三維模型中的數(shù)據(jù)參數(shù)為定值。

圖3 自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)圖

計(jì)算機(jī)平臺(tái)通過(guò)分析，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)系統(tǒng)直風(fēng)管的邊長(zhǎng)尺寸(a×b)，直線總長(zhǎng)度C，彎頭參數(shù)（翻彎半徑r，風(fēng)管轉(zhuǎn)角α，口徑a×b，厚度d），變徑參數(shù)（大口徑a×b，小口徑a11×b11，變徑長(zhǎng)l，板材d，中心偏移量x×y）。

并自動(dòng)匹配風(fēng)管所用板材厚度d，法蘭沖壓開(kāi)孔間距n，角鋼法蘭規(guī)格p，孔徑m，如表1、表2所示[6]。

表1 風(fēng)管邊長(zhǎng)厚度及法蘭尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 金屬矩形風(fēng)管法蘭及螺栓規(guī)格

工程實(shí)踐中，金屬風(fēng)管數(shù)量的相應(yīng)法蘭厚度都是依據(jù)表1、2確定的。通常一節(jié)風(fēng)管長(zhǎng)度不超過(guò)1 250 mm，在模型中知道某一規(guī)格總風(fēng)管長(zhǎng)度C可以計(jì)算出風(fēng)管的節(jié)數(shù)和長(zhǎng)度，板材厚度，同時(shí)分析BIM模型中數(shù)據(jù)，自動(dòng)得出某規(guī)格的彎頭數(shù)量、弧度、半徑、規(guī)格、變徑數(shù)量、大小頭尺寸、變徑長(zhǎng)、中心偏移量等相關(guān)參數(shù)。

再通過(guò)匹配表中的數(shù)據(jù)可以確定相應(yīng)風(fēng)管法蘭的尺寸規(guī)格，法蘭沖壓孔的大小通常比相應(yīng)螺栓直徑大1 mm[7]。如邊長(zhǎng)為300 mm×200 mm的風(fēng)管，總邊長(zhǎng)1 000 mm，采用30 mm×3 mm角鋼法蘭，安裝時(shí)采用M8螺栓連接風(fēng)管，而相應(yīng)的沖壓螺栓孔直徑d=9 mm，從而保證風(fēng)管正常連接安裝。相應(yīng)的核心算法如圖4所示。

圖4

3.2 數(shù)據(jù)處理和矩陣模型建立

通常在大中型建筑場(chǎng)所，設(shè)計(jì)師會(huì)把幾個(gè)環(huán)境條件和功能相似的房間設(shè)計(jì)在同一套通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)。通常同一通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)管管徑、規(guī)格、法蘭長(zhǎng)度等參數(shù)參差不齊，因此數(shù)據(jù)量很龐大。針對(duì)這種情況，本文用數(shù)學(xué)中的矩陣來(lái)處理和記錄這樣的數(shù)據(jù)。

自動(dòng)化控制領(lǐng)域中采用微處理器（如嵌入式系統(tǒng)）系統(tǒng)不能直接計(jì)算和訪問(wèn)表格中的數(shù)據(jù)，但微處理器PLC卻可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)查詢矩陣之中的參數(shù)和數(shù)據(jù)，相關(guān)構(gòu)件的矩陣數(shù)據(jù)可以再微處理器的寄存器中保存數(shù)據(jù)，然后再調(diào)用計(jì)算或者來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)[8]。

如某系統(tǒng)直風(fēng)管通過(guò)表1中的算法得出以下數(shù)列。

式中：An、Bn為某規(guī)格的風(fēng)管橫截面尺寸an×bn；Dn為某規(guī)格的分管對(duì)應(yīng)的厚度dn；數(shù)列Zn為全部的直風(fēng)管參數(shù)，整個(gè)數(shù)列表示數(shù)列共有n種規(guī)格的直風(fēng)管。

對(duì)于任一規(guī)格的直風(fēng)管相對(duì)應(yīng)的參數(shù)[ ]AnBnDn相對(duì)應(yīng)具體該規(guī)格的風(fēng)管的數(shù)量為Qn。

通過(guò)以上的數(shù)學(xué)建?？梢缘玫剿行枰a(chǎn)的分管參數(shù)和數(shù)量Zn、Qn。此數(shù)據(jù)作為計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)指揮相應(yīng)的車(chē)床生產(chǎn)風(fēng)管的數(shù)依據(jù)。通常通過(guò)數(shù)據(jù)的處理計(jì)算，可以輕松得出這一個(gè)系統(tǒng)所需要不同厚度風(fēng)管的面積Sn，相應(yīng)不同規(guī)格法蘭總長(zhǎng)度Ln，這些計(jì)算數(shù)據(jù)可以成本核算和施工圖預(yù)算。還可以計(jì)算的數(shù)據(jù)如下。

式中：?jiǎn)喂?jié)風(fēng)管的長(zhǎng)度為1 250 mm、sn為某單一規(guī)格的分管面積。

相應(yīng)不同規(guī)格法蘭的參數(shù)Fn可以用下列矩陣計(jì)算，同理可得風(fēng)管法蘭參數(shù)的矩陣。

式中：p1，p2，…，pn表示與相對(duì)應(yīng)尺寸風(fēng)管對(duì)應(yīng)的法蘭規(guī)格；k1，k2，…，kn為沖壓開(kāi)孔大小。實(shí)際1節(jié)風(fēng)管需要2節(jié)法蘭，與風(fēng)管規(guī)格對(duì)應(yīng)的角鋼法蘭的數(shù)量為矩陣Qf=2Qn。

對(duì)于彎頭和變徑的生產(chǎn)，可以參考以上直風(fēng)管的算法和數(shù)據(jù)處理方法。把相關(guān)參數(shù)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩陣來(lái)存貯和傳輸。這樣整齊直觀，還可以很方便的進(jìn)行矩陣計(jì)算，最終得到需要生產(chǎn)風(fēng)管時(shí)的實(shí)際參數(shù)，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

3.3 出廠檢驗(yàn)及打印標(biāo)識(shí)

采用本平臺(tái)的數(shù)據(jù)模型的方案，提高生產(chǎn)效率外的同時(shí)，在出廠檢驗(yàn)時(shí)可以依據(jù)處理過(guò)的各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)矩陣給對(duì)應(yīng)的風(fēng)管打印標(biāo)識(shí)。標(biāo)識(shí)上注明通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)類型，風(fēng)管安裝序號(hào)、尺寸等。

打印標(biāo)識(shí)可以作為風(fēng)管吊裝時(shí)的依據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)施工安裝時(shí)，工人只需要明白風(fēng)管的標(biāo)高和相對(duì)位置，依據(jù)檢驗(yàn)出廠時(shí)的打印標(biāo)識(shí)，依次拼接風(fēng)管即可完成風(fēng)管吊裝工序。與傳統(tǒng)方式相比較而言，依據(jù)標(biāo)識(shí)中的序號(hào)，準(zhǔn)確找到相對(duì)應(yīng)的風(fēng)管，可以避免安裝時(shí)的錯(cuò)誤和返工。

4 技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益

該平臺(tái)通過(guò)智能化計(jì)算預(yù)計(jì)與傳統(tǒng)金屬風(fēng)管生產(chǎn)設(shè)備相比，雖然初期投資增加，但其生產(chǎn)效率可提高5倍以上、板材利用率可從傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的85%提高到95%左右，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的技術(shù)工人可以從12人減少到3人。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的智能生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排指標(biāo)明顯，符合國(guó)際上提出的工業(yè)4.0智能制造的遠(yuǎn)大構(gòu)想，具有很大的市場(chǎng)潛力和推廣前景。