智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展實踐應(yīng)用*

惲燕春，阮玲波，丁 泓

(1.寶業(yè)集團股份有限公司，浙江 紹興 312000；2.上海紫寶住宅工業(yè)有限公司，上海 200041)

0 引言

2020年7月3日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出：目前建筑業(yè)生產(chǎn)方式較粗放，存在資源浪費、環(huán)境污染、質(zhì)量通病、安全隱患、效率低下等問題，與較高質(zhì)量發(fā)展要求有很大差距。我國將逐年建立健全智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的政策體系和產(chǎn)業(yè)體系，提升建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化水平，全面提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)裝備、科技創(chuàng)新能力及建筑安全質(zhì)量水平，實現(xiàn)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

1 建筑工業(yè)化項目

1.1 工程概況

青浦區(qū)盈浦街道觀云路南側(cè)23-01地塊項目以工業(yè)化建筑為實施主體，以全過程BIM應(yīng)用為基礎(chǔ)，全方位實踐智能建造，與工業(yè)化有機融合，實現(xiàn)項目各方面的效益提升。

該項目位于上海市青浦區(qū)，用地面積3.8萬m2，總建筑面積9.47萬m2，其中地上建筑面積6.08萬m2，主要由10棟裝配式建筑組成，其中1～7號樓為住宅，9～11號樓為公共建筑，各建筑單體預(yù)制率為45%。

1.2 工業(yè)化結(jié)構(gòu)體系

項目主體結(jié)構(gòu)采用工業(yè)化形式，住宅部分采用疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，主要構(gòu)件類型有雙面疊合夾芯保溫剪力墻、疊合樓板、疊合梁、疊合陽臺、預(yù)制樓梯。

疊合夾芯保溫墻板由2層60mm厚混凝土層、40mm厚保溫層及中間140mm厚現(xiàn)澆層組成，由單片不銹鋼桁架鋼筋連接；疊合樓板由60mm厚混凝土板和桁架鋼筋組成。疊合墻板和疊合樓板吊裝完成后，澆筑墻板空腔及樓板上層結(jié)構(gòu)，形成整體。

疊合樓板采用大跨度密拼樓板體系，樓板間無300mm現(xiàn)澆段，拼縫處通過構(gòu)造鋼筋連接，大大減少了構(gòu)件數(shù)量，同時也可減少現(xiàn)場吊裝和節(jié)點處理等工作量；其不出筋設(shè)計可降低工廠生產(chǎn)難度，提升預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)、施工環(huán)節(jié)的效率和質(zhì)量。

2 智能建造協(xié)同發(fā)展

智能建造實施方案主要從數(shù)字化設(shè)計、自動化生產(chǎn)、智慧化施工3個方向深入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳遞、應(yīng)用和集成，智能建造流程如圖1所示。

圖1 智能建造流程

首先，各專業(yè)創(chuàng)建模型，在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)缺陷并及時調(diào)整，通過協(xié)同平臺進行優(yōu)化，進一步提升設(shè)計質(zhì)量。實施虛擬建造，結(jié)合施工方案，模擬整個施工過程，提前發(fā)現(xiàn)施工階段可能存在的問題，以便及時調(diào)整設(shè)計和施工方案，獲得最優(yōu)設(shè)計成果。

設(shè)計工作完成后，從模型中導(dǎo)出工廠自動化生產(chǎn)所需數(shù)據(jù)，傳輸至數(shù)字化管理平臺和中央控制系統(tǒng)，驅(qū)動生產(chǎn)設(shè)備運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件自動化生產(chǎn)。

構(gòu)件生產(chǎn)完成并通過質(zhì)量驗收后，系統(tǒng)將生產(chǎn)信息同步至施工管理平臺，實現(xiàn)基于信息化模型的工程管控。通過平臺及時記錄施工進度、質(zhì)量、安全等信息，及時發(fā)現(xiàn)進度滯后等相關(guān)問題，并深入分析原因，調(diào)整原始計劃，實現(xiàn)進度的有效把控。

2.1 數(shù)字化設(shè)計

2.1.1戶型設(shè)計

將數(shù)字化設(shè)計理念貫穿整個設(shè)計過程，創(chuàng)建各戶型模型及不同生活階段的可變戶型(見圖2)，利用BIM軟件的可視化功能，從模型中導(dǎo)出透視圖、軸視圖、渲染圖及漫游動畫等，使設(shè)計師及建設(shè)方能更加直觀地了解戶型。在軟件中模擬不同戶型的相互組合，最終得到合理的戶型分布。

圖2 各戶型模型

2.1.2性能分析

通過專業(yè)的性能分析軟件，模擬其在不同時節(jié)的日照和風(fēng)環(huán)境，快速得到不同區(qū)域的日照時間和風(fēng)速情況，在確保符合規(guī)范要求的同時，盡可能提升住戶體驗。

2.1.3外立面比選

通過建模，直觀展示其外立面效果，并對外立面材質(zhì)進行模擬和比選，了解分析方案優(yōu)缺點，盡可能提升其合理性、舒適性、美觀性。

2.1.4協(xié)同設(shè)計

在施工圖階段，通過BIM正向設(shè)計，進行建筑、結(jié)構(gòu)、機電、精裝等多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，在地下室空間進行管線綜合分析、多專業(yè)碰撞檢查、場地凈高控制等BIM工作，減少“錯漏碰缺”，優(yōu)化設(shè)計成果，提升設(shè)計質(zhì)量。創(chuàng)建模型后，直接導(dǎo)出各專業(yè)工程量信息，為后續(xù)施工結(jié)算提供有效依據(jù)。

2.1.5土建裝修一體化

項目在設(shè)計之初引入精裝單位，在施工圖階段完成內(nèi)裝深化設(shè)計，由裝配式深化單位整合土建和精裝的預(yù)留預(yù)埋(見圖3)，同時反映在PC構(gòu)件上，在工廠一起生產(chǎn)加工，避免后期二次開槽，破壞主體結(jié)構(gòu)，同時減少現(xiàn)場濕作業(yè)，減少材料浪費和環(huán)境污染。

圖3 土建與精裝一體化

2.1.6深化設(shè)計

該項目采用工業(yè)化形式主結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝、機電，本文以主結(jié)構(gòu)PC為例闡述實施路徑，其他系統(tǒng)類似。

1)智能深化 項目中的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計均在三維設(shè)計軟件中進行，通過參數(shù)化快速創(chuàng)建構(gòu)件模型，包括混凝土、鋼筋、預(yù)留預(yù)埋。應(yīng)用專業(yè)深化軟件，設(shè)定與規(guī)范相匹配的各項標準，實現(xiàn)構(gòu)件的自動拆分；通過自定義的企業(yè)級節(jié)點庫，快速設(shè)計細部節(jié)點。實時顯示各構(gòu)件間的相互空間關(guān)系，從根本上避免構(gòu)件碰撞，同時也可及時發(fā)現(xiàn)各種鋼筋干涉問題，并及時調(diào)整，降低現(xiàn)場施工難度。

2)一鍵出圖 基于正向設(shè)計思路，一鍵生成圖紙，可節(jié)省大量設(shè)計出圖時間，且除了構(gòu)件各視圖，還包括相關(guān)鋼筋清單、預(yù)留預(yù)埋、節(jié)點大樣、設(shè)計說明等信息，可避免人為因素導(dǎo)致的圖紙質(zhì)量問題。

3)生產(chǎn)數(shù)據(jù) 完成構(gòu)件深化設(shè)計后，可直接導(dǎo)出構(gòu)件深化圖紙，將三維模型傳輸至工廠，加強工人對構(gòu)件的理解，提高構(gòu)件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。深化設(shè)計過程中可將可視化模型直接轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)設(shè)備可識別的生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)(ProgressXML及Unitechnik)，PC預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)分級如圖4所示。數(shù)據(jù)清晰描述了整個構(gòu)件，涵蓋構(gòu)件尺寸、質(zhì)量、鋼筋型號、預(yù)埋件規(guī)格和數(shù)量等三維信息，也包含項目名稱和樓棟等相關(guān)項目信息，為后續(xù)自動化生產(chǎn)和數(shù)字化管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 PC預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)分級

2.2 自動化生產(chǎn)

2.2.1工廠數(shù)字化管理平臺

為保障工廠的高效生產(chǎn)管控，開發(fā)基于預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理平臺(見圖5)，主要包含研發(fā)設(shè)計、質(zhì)量監(jiān)管、企業(yè)協(xié)同、物資采購、生產(chǎn)計劃、市場業(yè)務(wù)、成品倉庫、成品物流八大模塊，實現(xiàn)精細化、數(shù)字化管理，為向施工端傳遞數(shù)據(jù)提供保障。

圖5 工廠數(shù)字管理平臺

2.2.2自動化生產(chǎn)流水線

數(shù)字化的生產(chǎn)加工是建筑工業(yè)化的重要組成部分，也是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個突破口。設(shè)計階段創(chuàng)建的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可傳輸至工廠管理平臺(即ERP系統(tǒng))，再傳輸至整個自動化流水線的管理核心——中央控制系統(tǒng)(即MES系統(tǒng))，最后傳輸至不同工位，如模具工位、鋼筋工位、混凝土澆筑工位、養(yǎng)護窯等，實現(xiàn)模具自動放置、鋼筋自動綁扎、混凝土自動澆筑等工作，從而實現(xiàn)構(gòu)件自動化生產(chǎn)，工廠自動化生產(chǎn)路線如圖6所示。自動化生產(chǎn)可提高構(gòu)件生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低人力成本。

圖6 工廠自動化生產(chǎn)路線

2.3 智慧化施工

2.3.1施工準備

施工前，預(yù)先進行虛擬建造，充分模擬整個建造過程，包括施工方案、場地動態(tài)、節(jié)點碰撞、進度、成本，如圖7所示，協(xié)助現(xiàn)場完成準備工作，做到進度、質(zhì)量、成本可控。

圖7 智慧化施工

2.3.2智慧工地

項目正式實施后，通過應(yīng)用施工管理平臺、智慧工地平臺、二維碼信息追蹤技術(shù)等，實現(xiàn)項目精細化管理，智慧工地功能系統(tǒng)如圖8所示。其中，施工管理平臺主要涉及進度、質(zhì)量、安全、材料、人員及設(shè)備管理，詳細記錄并保存整個施工過程，保證項目順利開展。通過智能硬件感知設(shè)備，監(jiān)控施工現(xiàn)場揚塵、噪聲等環(huán)境數(shù)據(jù)，做好文明施工；在有安全隱患的地方加裝監(jiān)測系統(tǒng)，如基坑圍護監(jiān)測、主結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、塔式起重機防碰撞監(jiān)測等，保障施工安全。

圖8 智慧工地功能系統(tǒng)

2.4 數(shù)字化交付

智能建造涵蓋從設(shè)計到建成的每個階段，是一個動態(tài)過程，結(jié)合全過程項目管理，數(shù)據(jù)和信息不斷更新迭代，形成一套數(shù)字化交付成果，主要包括設(shè)計、采購、施工及項目管理相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，為后續(xù)運維提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

本項目從設(shè)計、生產(chǎn)、施工3個維度推進智能建造和建筑工業(yè)化的實施，以BIM模型為基礎(chǔ)，過程中集成各階段信息數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)字化交付。項目最終實現(xiàn)加快15%工期進度，減少70%簽證變更，減少人員成本，避免返工90%以上，全面提升項目安全性，減少危險因素。

未來，智能建造技術(shù)在不斷完善、提升其建造階段應(yīng)用水平的同時，還應(yīng)努力向運維階段延伸，結(jié)合智慧運維平臺，有效監(jiān)測、管理建筑在使用和維護過程中的能源消耗和二氧化碳排放，提升運維管理水平，最終實現(xiàn)智慧建筑、智慧園區(qū)，乃至智慧城市。