BIM技術(shù)在裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件制造中的應(yīng)用★

韓 超，吳金花

(河北水利電力學(xué)院土木工程系，河北 滄州 061000)

BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的縮寫，是一種空間三維信息模型，動態(tài)、直觀、立體地反映建筑全方位的信息形象(亦有把時間、成本等視作維度，稱其為四維或五維的)。BIM技術(shù)指的是用這一信息模型作為數(shù)據(jù)化工具，整合項目的各種信息，并在項目的全周期中共享，搭建各階段協(xié)同工作的公共平臺。

裝配式混凝土建筑是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的重要途徑[1]，其與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土建筑相比最大的不同是大量的構(gòu)件在工廠預(yù)制完成，現(xiàn)場作業(yè)則主要為裝配施工。裝配式建筑對設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)、現(xiàn)場施工和運(yùn)行維護(hù)等各個階段的相互協(xié)調(diào)的要求很高。

將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式混凝土建筑可以優(yōu)化工程各環(huán)節(jié)的銜接，有助于實現(xiàn)建造的數(shù)字化和智能化。2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)展改革委、科技部等13部門聯(lián)合印發(fā)了《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》，其第一項重點任務(wù)——加快建筑工業(yè)化升級中明確指出“大力發(fā)展裝配式建筑，……在建造全過程加大建筑信息模型(BIM)……等新技術(shù)的集成與創(chuàng)新應(yīng)用”[2]。這標(biāo)志著BIM技術(shù)與裝配式建筑這一組合開始由探索期轉(zhuǎn)入推廣期。然而，目前國內(nèi)的BIM技術(shù)在裝配式混凝土中的應(yīng)用研究和實踐多見于項目管理、設(shè)計以及現(xiàn)場施工等方面[3]，對BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的研究工作較少。研究基于BIM的預(yù)制構(gòu)件制造技術(shù)對推動BIM技術(shù)在裝配式混凝土建筑中的應(yīng)用有重要意義[4]。

1 BIM構(gòu)件模型庫

目前，國內(nèi)的裝配式混凝土建筑的設(shè)計準(zhǔn)則是“等同現(xiàn)澆”，設(shè)計單位通常先進(jìn)行整體設(shè)計然后拆分設(shè)計構(gòu)件，這樣拆分出的構(gòu)件往往存在種類多、構(gòu)造復(fù)雜的特點，設(shè)計工作量大又不利于預(yù)制構(gòu)件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。而利用BIM技術(shù)可以實現(xiàn)一種模塊化的設(shè)計方法：預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)其生產(chǎn)能力、生產(chǎn)技術(shù)特點和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通過BIM軟件的相關(guān)功能建立預(yù)制構(gòu)件模型庫，并通過項目的BIM協(xié)同平臺提供給設(shè)計單位。設(shè)計單位在進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件設(shè)計時，可以直接選擇構(gòu)件庫中的模型或在其基礎(chǔ)上修改，這就大大減小了設(shè)計工作量，也更易于實現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。目前，常用的BIM建模軟件主要有Revit，Bentley ArchiCAD，CATIA，天正，廣聯(lián)達(dá)等，預(yù)制構(gòu)件模型庫示例如圖1所示。

2 預(yù)制構(gòu)件編碼

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)得到設(shè)計單位提供的構(gòu)件設(shè)計后，運(yùn)用BIM技術(shù)對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行生產(chǎn)管理，記錄構(gòu)件全過程數(shù)據(jù)信息，這就要求每一構(gòu)件必須有獨立編碼[5]。需要注意，構(gòu)件信息需要在項目的BIM協(xié)同信息平臺上進(jìn)行共享和傳遞，所以構(gòu)件的編碼不僅用于構(gòu)件的生產(chǎn)管理，也用于設(shè)計和裝配施工等各階段。在項目的全過程中，每一構(gòu)件的編碼應(yīng)該是統(tǒng)一的。構(gòu)件分類和編碼，應(yīng)結(jié)合構(gòu)件的構(gòu)造、生產(chǎn)工藝及應(yīng)用特點，在項目構(gòu)件庫建立的同時，由設(shè)計單位會同構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)來進(jìn)行。通用構(gòu)件編碼采用3層結(jié)構(gòu)，三個層次分別代表構(gòu)件類型、構(gòu)件名稱、構(gòu)件尺寸，如圖2所示。具體項目中，可結(jié)合實際要求在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，例如后加注混凝土強(qiáng)度等級等。

編碼之后，構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)就可以在項目BIM協(xié)同平臺中共享項目的預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)，并將BIM構(gòu)件數(shù)據(jù)及RFID(Radio Frequency Identification)信息同步。后續(xù)生產(chǎn)時，在相應(yīng)構(gòu)件的首道工序中嵌置RFID芯片，以便于后續(xù)生產(chǎn)和施工時在構(gòu)件實體上調(diào)取信息。

3 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝設(shè)計

目前預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)工藝主要有固定模工藝和流水線工藝，雖然兩種工藝在模具方案和自動化程度方面有一些區(qū)別，但其工藝設(shè)計的內(nèi)容和過程是類似的。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝設(shè)計是構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)制作構(gòu)件的依據(jù)，其內(nèi)容主要包括：1)建筑、結(jié)構(gòu)、水電暖、設(shè)備等各專業(yè)設(shè)計匯集；2)構(gòu)件的生產(chǎn)工序設(shè)計；3)構(gòu)件脫模設(shè)計；4)吊點設(shè)計；5)構(gòu)件的倉儲和堆放設(shè)計等。

在各專業(yè)設(shè)計匯集時，構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)可以通過項目的BIM協(xié)同平臺調(diào)取各環(huán)節(jié)對各預(yù)制構(gòu)件的要求，要確保無遺漏的反映在生產(chǎn)工藝設(shè)計中。工序設(shè)計指的是鋼筋加工和綁扎、模板和預(yù)埋件安裝、混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)等的設(shè)計。工序設(shè)計時，利用構(gòu)件的BIM模型復(fù)核預(yù)埋件及鋼筋的位置，用BIM軟件的碰撞檢測功能檢測預(yù)埋件與鋼筋是否存在位置沖突，是否距離過近影響混凝土的澆筑和振搗施工，如有則需對原構(gòu)件設(shè)計進(jìn)行調(diào)整。構(gòu)件脫模設(shè)計時，按所編制脫模順序，用BIM模擬脫模過程，檢測是否有無法脫?；虿灰酌撃５奈恢?，如有則需調(diào)整模具設(shè)計方案。吊點設(shè)計和堆放設(shè)計時，主要考慮的是索具、支撐及構(gòu)件本身的承載能力和變形驗算，然后用BIM技術(shù)進(jìn)行吊運(yùn)和堆放空間的模擬與檢測。

4 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理

基于BIM和RFID技術(shù)設(shè)計的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理和控制流程主要包括利用協(xié)同平臺進(jìn)行生產(chǎn)計劃制定和優(yōu)化、技術(shù)交底和生產(chǎn)任務(wù)的布置、構(gòu)件生產(chǎn)即時追蹤和構(gòu)件質(zhì)量檢測等。

4.1 生產(chǎn)計劃

根據(jù)所在工程項目的總進(jìn)度要求、構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能和預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)工藝等編制生產(chǎn)計劃，包括構(gòu)件生產(chǎn)的進(jìn)度計劃、生產(chǎn)班組織計劃、機(jī)械設(shè)備計劃和模具的周轉(zhuǎn)方案、構(gòu)件物料配置計劃、倉儲和出廠計劃等。另外，編制生產(chǎn)計劃調(diào)整預(yù)案，以針對可能的突發(fā)問題利用預(yù)留產(chǎn)能和優(yōu)化算法調(diào)整生產(chǎn)計劃。生產(chǎn)計劃導(dǎo)入BIM協(xié)同平臺里，以供后續(xù)的生產(chǎn)任務(wù)布置和生產(chǎn)即時追蹤時加以利用。

4.2 技術(shù)交底和生產(chǎn)任務(wù)布置

在每種新的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)前，利用BIM的三維可視化模型進(jìn)行技術(shù)交底；在各工序銜接段，根據(jù)生產(chǎn)計劃和構(gòu)件生產(chǎn)即時追蹤結(jié)果，協(xié)同平臺自動向技術(shù)人員和工人布置當(dāng)前的生產(chǎn)任務(wù)以及相應(yīng)的技術(shù)資料。例如，平臺通過RFID追蹤到鋼筋籠和預(yù)埋件安裝工作完成，則自動布置混凝土攪拌和澆筑的任務(wù)，并同時發(fā)送配套的BIM模型和物料清單表。技術(shù)交底和生產(chǎn)任務(wù)布置時，應(yīng)基于“一模型通”原則。所謂“一模型通”，就是對于每種構(gòu)件提供該構(gòu)件的完整模型，在該模型上可以調(diào)取生產(chǎn)所需的各種信息，不要讓技術(shù)人員和工人在不同的模型或圖樣去查詢同一構(gòu)件信息。利用BIM技術(shù)模擬構(gòu)件制作過程，并導(dǎo)出視頻供技術(shù)交底使用。

4.3 生產(chǎn)即時追蹤

生產(chǎn)過程中，利用BIM和RFID 技術(shù)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)即時追蹤。其中，RFID 技術(shù)用于預(yù)制構(gòu)件即時追蹤的識別，而BIM用于將追蹤到的生產(chǎn)信息以模型和圖標(biāo)展示出來并加以顯示和應(yīng)用。選用RFID技術(shù)進(jìn)行識別，可以避免因為預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過程中的污損、蒸汽養(yǎng)護(hù)工序高溫高濕等無法貼近讀寫的問題[6]。追蹤過程主要涉及生產(chǎn)工序、信息識別記錄、信息集成和管理三個環(huán)節(jié)。識別預(yù)制構(gòu)件信息的時間節(jié)點包括：生產(chǎn)開始、鋼筋綁扎結(jié)束、模具安裝完畢、混凝土澆筑完畢、蒸汽養(yǎng)護(hù)開始、構(gòu)件脫模、構(gòu)件入庫、構(gòu)件出廠時。

4.4 預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測

預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測項目主要有各類構(gòu)件的外觀質(zhì)量、尺寸偏差、裝飾層、保溫層、防水和粗糙面的質(zhì)量等。其中，尺寸偏差是影響結(jié)構(gòu)性能和安裝、使用功能的主要因素。構(gòu)件尺寸偏差傳統(tǒng)的檢測方法是人工量測，檢測數(shù)據(jù)主要通過鋼尺、靠尺、塞尺等測量工具進(jìn)行實體測量得到。人工量測耗時多，易產(chǎn)生誤差。

可利用BIM技術(shù)聯(lián)合3D激光掃描技術(shù)對構(gòu)件的尺寸偏差進(jìn)行快速、精確的檢測。在BIM-3D激光掃描檢測系統(tǒng)中，BIM模型參數(shù)結(jié)合具體項目要求的檢測指標(biāo)和合格標(biāo)準(zhǔn)，確定各構(gòu)件的檢測規(guī)范，標(biāo)定其檢測屬性，整合設(shè)計參數(shù)和合格標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，建立合格條件數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)自動判定構(gòu)件的尺寸偏差合格與否提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。激光掃描檢測后，系統(tǒng)自動比較構(gòu)件設(shè)計值與實際值，判斷誤差是否滿足合格條件，完成構(gòu)件尺寸偏差檢測。檢測的結(jié)果通過編碼方式存在BIM模型中。同時，也可以用該技術(shù)檢測構(gòu)件的外觀質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)表面缺陷。該檢測技術(shù)具有效率高、精度高、信息化、智能化的特點，更適于裝配式混凝土建筑發(fā)展的需要。上述基于BIM的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理過程如圖3所示。

5 結(jié)語

BIM參數(shù)模型可以整合建筑項目的各種信息，為項目策劃、設(shè)計、制作、施工、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，不僅在生產(chǎn)效率、成本和工期方面發(fā)揮重要作用，而且為實現(xiàn)智能化建造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件制造，是其中不可或缺的中間環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)中能夠最大程度的體現(xiàn)裝配式建筑的優(yōu)勢，并且也直接影響B(tài)IM在設(shè)計、施工等其他階段的應(yīng)用。隨著裝配式建筑的發(fā)展，其將成為各預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)的必由之路。