基于設(shè)計(jì)施工一體化模型的模塊化施工模擬*

周雨薇，陳景輝，李 娜，張建基，戚 蕊

(1.廣州理工學(xué)院，廣東 廣州 510540； 2.廣東省六建集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528000； 3.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑業(yè)的不斷發(fā)展，智能建筑和綠色建筑不斷涌現(xiàn)，建設(shè)項(xiàng)目的復(fù)雜程度和施工精度要求不斷提高，對(duì)多專業(yè)協(xié)同管理和信息化施工提出了更高要求[1-2]。

目前，我國(guó)大型工程項(xiàng)目的實(shí)施，因多專業(yè)協(xié)同不足，深化設(shè)計(jì)和管理精細(xì)度不夠，易出現(xiàn)管線碰撞、預(yù)留洞口位置偏移、安裝空間不足等現(xiàn)象，從而造成工程返工、成本增加、材料浪費(fèi)等。此外，工程中應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行管線綜合設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)模型深化不足，無(wú)法滿足基于實(shí)際施工方案精細(xì)化施工條件下的成本、進(jìn)度和質(zhì)量管理要求[3-5]。

隨著我國(guó)建筑工業(yè)化的發(fā)展，基于裝配式施工體系的標(biāo)準(zhǔn)化施工是提高建筑施工集成化、機(jī)械化程度的重要手段[6]。因此，應(yīng)用BIM技術(shù)和模塊化施工法解決施工精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)建筑工程施工管理的信息化和智能化，對(duì)解決大型復(fù)雜高標(biāo)準(zhǔn)建筑項(xiàng)目施工的重難點(diǎn)問(wèn)題意義重大[7]。

1 工程概況

廣東省先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室(季華實(shí)驗(yàn)室)是廣東省政府啟動(dòng)的首批省實(shí)驗(yàn)室之一(見(jiàn)圖1)，對(duì)標(biāo)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，打造先進(jìn)制造科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際高端的戰(zhàn)略科技創(chuàng)新平臺(tái)，前期確定了機(jī)械工程、光學(xué)工程、材料科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科方向。

圖1 廣東省先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室(季華實(shí)驗(yàn)室)

項(xiàng)目位于廣東省佛山市南海區(qū)環(huán)島路三山新城，為具備千級(jí)以上潔凈要求的先進(jìn)制造潔凈實(shí)驗(yàn)室?？偯娣e約1 000畝(1畝=666.667m2)，重點(diǎn)控制空氣的潔凈度、溫濕度及灰塵數(shù)量。所需潔凈設(shè)備和管線種類繁多，且安裝空間有限，對(duì)設(shè)計(jì)施工的深度精度、質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)及多專業(yè)協(xié)同均提出更高要求。

2 基于設(shè)計(jì)施工一體化模型的模塊化施工模擬

2.1 總體應(yīng)用方案

通過(guò)對(duì)多專業(yè)BIM模型進(jìn)行設(shè)計(jì)深化、協(xié)同分析檢測(cè)及受限分析，對(duì)綜合管線深化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化施工模擬，對(duì)設(shè)計(jì)施工一體化多專業(yè)(BIM)模型進(jìn)行模塊化施工模擬。即通過(guò)建立多專業(yè)設(shè)計(jì)模型，將建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、給排水、暖通等各專業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)整合到同一三維建筑信息模型中，利用模型三維可視化特點(diǎn)，直觀表達(dá)建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)備、設(shè)備與管線間的空間位置關(guān)系。在多專業(yè)模型整合與碰撞檢測(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)深化[8]，即通過(guò)拆分模型提取數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同分析檢測(cè)和相應(yīng)的受限分析(包括單專業(yè)內(nèi)部、管線綜合協(xié)同、支吊架布設(shè)、預(yù)留孔洞的深化)，實(shí)現(xiàn)模塊化施工，形成更合理的優(yōu)化MEP管線布置。同時(shí)，對(duì)優(yōu)化后的BIM綜合模型進(jìn)行模塊化處理，利用集成設(shè)計(jì)法、組合預(yù)制拼裝工藝和工業(yè)化裝配施工技術(shù)將模塊化后的BIM模型載入可參數(shù)化的支吊架中，從而大幅度提高工作效率和工程質(zhì)量。其技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

2.2 多專業(yè)協(xié)同BIM模型深化設(shè)計(jì)

2.2.1基礎(chǔ)BIM模型建立

在先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中，結(jié)合BIM技術(shù)，利用AutoCAD，Revit系列軟件，以A1棟3層某一實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，建立各專業(yè)設(shè)計(jì)施工一體化1∶1標(biāo)準(zhǔn)模型，結(jié)合模型碰撞檢查原則及缺陷處理原則，整合各專業(yè)BIM設(shè)計(jì)模型，使得在施工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題提前在設(shè)計(jì)階段得以解決，從而提高工程信息傳遞的效率與質(zhì)量，減少工程變更造成的資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)信息化、集成化和精細(xì)化的施工項(xiàng)目管理。

2.2.2模型深化設(shè)計(jì)

1)單專業(yè)內(nèi)部深化 根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，在滿足凈空規(guī)范的前提下，拆分各專業(yè)模型，對(duì)管線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，充分考慮實(shí)驗(yàn)室3層管線標(biāo)高、垂直和水平距離、檢修空間，風(fēng)口、燈具、墻面、天花板等排布位置，使單專業(yè)模型在空間上合理布置。

2)MEP管線綜合協(xié)同深化 對(duì)水、電、暖各專業(yè)模型進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整后，在滿足設(shè)計(jì)要求及規(guī)范的條件下，合理利用空間布置管線，對(duì)各管線賦予相應(yīng)參數(shù)值，使其標(biāo)高、尺寸、材質(zhì)等能更精準(zhǔn)地表達(dá)模型屬性。通過(guò)Navisworks實(shí)現(xiàn)管線模型綜合，并利用Clash Detective功能進(jìn)行碰撞檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)沖突43處。分析原因，依據(jù)管線協(xié)同、避讓優(yōu)化原則，重新布設(shè)碰撞部位管線，并提出合理的管線綜合排布方案，保證模型數(shù)據(jù)能滿足加工出廠及后期維護(hù)的空間需求，管線綜合優(yōu)化前后模塊化模型如圖3所示。

圖3 管線綜合優(yōu)化前后模塊化模型

2.3 多專業(yè)集成模塊組合綜合支架建模設(shè)計(jì)方法

2.3.1基本設(shè)計(jì)原則

多專業(yè)集成模塊組合綜合支架的設(shè)計(jì)是多專業(yè)設(shè)備模塊化拆分、預(yù)制、運(yùn)輸和拼裝的重要載體，其設(shè)計(jì)在桿件模數(shù)的拆分上應(yīng)具備一定合理性，在預(yù)制拼裝施工中應(yīng)符合一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，同時(shí)支架體積、質(zhì)量也應(yīng)滿足施工條件和吊裝機(jī)械需求。

2.3.2基本構(gòu)造設(shè)計(jì)與參數(shù)化建模

項(xiàng)目通過(guò)多專業(yè)設(shè)備模塊化集成設(shè)計(jì)方法、組合預(yù)拼工藝和工業(yè)化裝配施工技術(shù)，提供一種能靈活組合裝配的綜合支架。支架設(shè)計(jì)模型如圖4所示，MEP管線綜合模型如圖5所示。

圖4 模塊化支架模型

圖5 管線綜合拆分模塊化拼裝模型

通過(guò)支架橫向?qū)挾燃翱v向長(zhǎng)度的參數(shù)化，使管道寬度模數(shù)與支吊架的縱向橫向長(zhǎng)度自動(dòng)對(duì)應(yīng)，有效解決高潔凈度實(shí)驗(yàn)室模塊化設(shè)計(jì)、新型施工預(yù)拼系統(tǒng)、模塊化施工協(xié)同和集成問(wèn)題，使MEP管線可安裝在經(jīng)參數(shù)化處理的支架上。垂直方向豎桿間安裝多根橫桿，橫桿與U形槽鋼將管線安裝區(qū)域分隔成若干獨(dú)立區(qū)域，用于安裝不同尺寸、種類的管道。遇不同模數(shù)管件時(shí)，通過(guò)已設(shè)定的參數(shù)公式，即可生成不同尺寸的支架，實(shí)現(xiàn)一排多管、多排分管的效果，如圖6所示。可避免狹窄空間對(duì)多專業(yè)施工進(jìn)度、成本、質(zhì)量等方面的不利影響，提高工作質(zhì)量和效率。

圖6 模塊支架參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.3.3施工工藝與模型應(yīng)用方法

本工程中的MEP管線綜合支架由T形橫梁、豎桿、橫桿、U形槽鋼組合連接裝配而成。T形橫梁通過(guò)上端焊接的連接套桿與天花預(yù)埋件螺栓連接，可實(shí)現(xiàn)不同管徑及標(biāo)高定位的管件在模塊化綜合支架上任意組裝。本案例假定在距橋架面1 000mm處的墻板上預(yù)留相應(yīng)的孔洞對(duì)支架進(jìn)行錨固。利用軟件Navisworks，結(jié)合墻板受力情況及預(yù)留孔洞與墻體內(nèi)鋼筋等預(yù)留預(yù)埋的沖突，準(zhǔn)確定位孔洞的位置、尺寸及數(shù)量；同時(shí)，利用BIM works軟件，對(duì)之前確定的孔洞進(jìn)行檢查分析，確定最終結(jié)果。模數(shù)化單元支架上各專業(yè)孔洞預(yù)留如圖7所示。設(shè)定好孔洞后運(yùn)用漫游行走功能，感受管線支架的美觀性、功能易用性和空間合理性，如圖8所示。

圖7 孔洞預(yù)留

圖8 Navisworks漫游視角

2.4 模塊化施工模擬

根據(jù)項(xiàng)目施工安排，應(yīng)用Revit，Navisworks系列模擬軟件對(duì)支架進(jìn)行模塊化施工模擬，利用前期深化后的一體化模型及參數(shù)化的支架、模塊化的管件等進(jìn)行備料制作、預(yù)拼裝、檢查驗(yàn)收及出廠配送。其模擬過(guò)程具有可模塊化、可預(yù)制性特點(diǎn)。

1)可模塊化 通過(guò)設(shè)計(jì)施工一體化對(duì)綜合管線進(jìn)行深化排布，利用Fabrication軟件對(duì)本項(xiàng)目中的風(fēng)、水、電進(jìn)行分段優(yōu)化。標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)1 200mm，對(duì)于有變徑、彎頭、三通等的構(gòu)件，均按1 200mm計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)段確立后進(jìn)行模塊化加工處理，同時(shí)可由一個(gè)支架確定單元模數(shù)，如圖9所示。

圖9 管段參數(shù)化分塊

2)可預(yù)制性 相較傳統(tǒng)的MEP管線施工，模塊化施工模擬可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)“零”動(dòng)火，提高安全性。利用BIM技術(shù)優(yōu)化空間布置，可提高安裝效率，降低構(gòu)件成本，縮短工期。

3 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目應(yīng)用一體化模型進(jìn)行專業(yè)內(nèi)部、管線綜合、支架布設(shè)及預(yù)留孔洞深化，實(shí)現(xiàn)支架橫向?qū)挾燃翱v向長(zhǎng)度的參數(shù)化，使管線寬度模數(shù)靈活對(duì)應(yīng)支架的縱橫向長(zhǎng)度，提高施工效率。從模型整合方法、施工空間受限、多專業(yè)協(xié)同受限、施工協(xié)同機(jī)制設(shè)計(jì)等方面對(duì)一體化模型進(jìn)行協(xié)同檢測(cè)與受限分析，形成設(shè)計(jì)施工一體化模型協(xié)同管理機(jī)制。通過(guò)組合式支架的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)綜合支架現(xiàn)場(chǎng)預(yù)組裝及安裝，提升施工效率，滿足管理需求，保障施工質(zhì)量，解決各專業(yè)協(xié)同問(wèn)題。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，運(yùn)用先進(jìn)制造潔凈實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)施工一體化模型及模塊化施工應(yīng)用技術(shù)，縮短工期約50%，降低材料損耗率約15%，降低人工費(fèi)約30%。