基于建筑信息建模搭建的工業(yè)腳手架

文/ Klaus Fockenberg 博士

適合工廠建設(shè)的建筑信息模型(BIM)構(gòu)建了現(xiàn)代建筑業(yè)的技術(shù)支柱——如果沒有當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的快速發(fā)展，對工藝流程和設(shè)備技術(shù)要求越來越復(fù)雜的工程項(xiàng)目，就可能無法完成規(guī)劃，與日俱增的進(jìn)出物料統(tǒng)計(jì)也舉步維艱，BIM 技術(shù)的確成為現(xiàn)代工程不可或缺的重要組成部分。另一方面，對于工廠的建設(shè)，數(shù)字化建筑信息模型（BIM）技術(shù)也起到了關(guān)鍵支撐的作用，這是巴斯夫、Promaintain 和 PERI 公司研究數(shù)字化工業(yè)腳手架的根本原因。

在德國路德維希港的巴斯夫建造新的建筑群，現(xiàn)代腳手架系統(tǒng)構(gòu)成了大型工廠建設(shè)的中央通道系統(tǒng)，它們不僅提供通道和存儲(chǔ)區(qū)域，而且還創(chuàng)造了適合為各個(gè)行業(yè)“協(xié)同作戰(zhàn)”的工作環(huán)境，該工作環(huán)境還必須滿足職業(yè)、安全和環(huán)境的所有要求

首先是數(shù)字化建模，然后是真實(shí)施工：這個(gè)超過10 年的建筑信息三維模型（BIM）方法，在2018 年之前一直是工廠建設(shè)領(lǐng)域的空白。

隨著巴斯夫路德維希港新乙炔廠試點(diǎn)項(xiàng)目的開展，建筑信息三維模型（BIM）方法搭建的腳手架系統(tǒng)，已經(jīng)彰顯出BIM 為工程帶來的巨大增值潛力。

這種在業(yè)內(nèi)以“工程腳手架”被人們所熟悉的方法基于3 個(gè)因素：數(shù)字孿生技術(shù)，將建筑信息模型（BIM）作為規(guī)劃、信息和通信平臺(tái)，創(chuàng)新腳手架技術(shù)的潛力。

數(shù)字還是模擬

與建筑施工及土木工程一樣，人們對工廠建設(shè)一直糾結(jié)一個(gè)問題：究竟是使用數(shù)字化建模方法還是采用基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的施工方式？數(shù)字建模法基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，算法精確、規(guī)劃精準(zhǔn)。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)施工是在手動(dòng)和（或）機(jī)械化施工中進(jìn)行的。從施工整體考量，為了能夠精確規(guī)劃、完整規(guī)范，施工過程的數(shù)字化可謂方興未艾，大勢所趨。如何將兩種方法有機(jī)結(jié)合是 Promaintain 和PERI 公司合作開發(fā)用于工業(yè)腳手架建筑信息模型（BIM）模塊的出發(fā)點(diǎn)。

Promaintain 承擔(dān)了項(xiàng)目開發(fā)商的任務(wù)以及項(xiàng)目管理，而PERI公司負(fù)責(zé)腳手架技術(shù)的設(shè)計(jì)和模塊化技術(shù)研發(fā)。

建筑信息三維模型（BIM）依據(jù)信息技術(shù)的支持，BIM 收集所有與工程規(guī)劃和項(xiàng)目施工相關(guān)的建筑信息，建立建筑信息三維數(shù)字化模型。這些信息存儲(chǔ)在一個(gè)同步的數(shù)據(jù)環(huán)境中，參與項(xiàng)目的每個(gè)人都可以隨時(shí)訪問。

集成模塊化系統(tǒng)的腳手架技術(shù)

為了能夠充分利用和實(shí)施 BIM 方法的潛力，需要一個(gè)強(qiáng)大的腳手架技術(shù)。 Promaintain 和 PERI 的合作就是在這個(gè)界面上進(jìn)行的。Peri-up 腳手架施工套件（1998）和Variokit 工程施工套件（2005）體現(xiàn)了新一代的裝配系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)基于模塊化技術(shù)。具體來說：幾個(gè)具有高度功能集成的核心部件和緊固件構(gòu)成了兩個(gè) PERI 模塊化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在各種應(yīng)用和設(shè)計(jì)中，它們具有很高比例的相同部件。此外，這兩個(gè)系統(tǒng)都基于一個(gè)（八度）公制組件或連接網(wǎng)格。中間層以 50 cm 的間隔布置，水平結(jié)構(gòu)中的裝飾區(qū)域可以以 25 cm 的增量擴(kuò)展，Variokit 和Peri-up 組件可以在 12.5 cm 的網(wǎng)格中相互連接。

BIM 成為工廠建設(shè)的能手

數(shù)字化腳手架規(guī)劃的初衷是為業(yè)主和后期運(yùn)營商建立各自的3D 工廠模型。在相同的軟件環(huán)境中，PERI 和 Promaintain 團(tuán)隊(duì)為腳手架行業(yè)開發(fā)了一個(gè)數(shù)字技術(shù)模型。為了符合 BIM 標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)模型必須包含所有腳手架結(jié)構(gòu)相關(guān)類型和施工設(shè)計(jì)所需的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

這些工程施工所需要的信息包括靜態(tài)測量、材料物流、裝配過程、施工進(jìn)度、成本監(jiān)控以及人員安全與健康保護(hù)。包含以上各信息，設(shè)計(jì)人員可采用BIM 應(yīng)用程序 ，通過3D 可視化的形式進(jìn)行工廠建筑設(shè)計(jì)。

因此可進(jìn)行：腳手架結(jié)構(gòu)替換性的研究；通過3D 建模，確定系統(tǒng)和腳手架幾何形狀之間是否有空間碰撞；模擬施工和裝配過程。施工現(xiàn)場的腳手架裝配工還可以通過平板電腦和互聯(lián)網(wǎng)連接，隨時(shí)訪問所需數(shù)據(jù)。在有關(guān)工藝工程工廠規(guī)劃、實(shí)施和操作的文獻(xiàn)中，腳手架技術(shù)充其量只是作為施工現(xiàn)場設(shè)備的一個(gè)附屬部分被提及，而Promaintain 和PERI 在對復(fù)雜的構(gòu)造和裝配過程進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)得出了完全不同的結(jié)論。

數(shù)字化腳手架賦能施工

理論分析表明，基于BIM 方法的腳手架系統(tǒng)在其施工、防護(hù)和支撐等方面，為大型工廠建設(shè)的生產(chǎn)過程發(fā)揮了重要作用。僅工廠建設(shè)所需的使用量就證實(shí)了這一點(diǎn)。在巴斯夫路德維希港新乙炔工廠建設(shè)期間，有多達(dá) 1 300名員工參與工作，其中包括了建筑施工、管道配管、設(shè)備維護(hù)、機(jī)械工程、電氣測量以及控制技術(shù)的安裝工作。所有的工作都依賴腳手架來組織和開展，為了更好地預(yù)先評估，提前規(guī)劃并有效執(zhí)行施工，準(zhǔn)確及時(shí)了解建筑施工中的情況尤其重要。

研究表明，建設(shè)階段對成本的驅(qū)動(dòng)因素和生產(chǎn)力障礙有以下兩個(gè)原因：上游工作效率低下；執(zhí)行過程中的錯(cuò)誤指導(dǎo)、“內(nèi)卷”和多余的工作活動(dòng)。

因此，這意味著平均只有20% ～ 25% 的建筑工地的工作得到了價(jià)值增值。剩下的 75% ～ 80%的工作都內(nèi)耗在等待、搜索和工作準(zhǔn)備中。BIM 或精益施工等概念作為項(xiàng)目管理方法被提出，在未來將能更好地避免上述不良現(xiàn)象的發(fā)生，并確保規(guī)劃方案和施工結(jié)果一致。

Promaintain 基于 BIM 方法開發(fā)了一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目管理模塊，可以計(jì)算、規(guī)劃、優(yōu)化、監(jiān)控和記錄所有與腳手架相關(guān)的材料、設(shè)備和施工物流流程。這還包括后勤輔助流程，例如記錄起重機(jī)、電梯、升降平臺(tái)或叉車、運(yùn)輸車輛的使用記錄。

腳手架施工與相應(yīng)廠區(qū)的施工進(jìn)度同步，因此，3D 工廠模型與 3D 腳手架模型相結(jié)合，為所有參與施工的人員提供與施工現(xiàn)場一致的虛擬模型，以便通過建模優(yōu)化依賴于腳手架的施工工程。

數(shù)字建模歸檔存儲(chǔ)

Promaintain 對工程系統(tǒng)進(jìn)行檢查、定義和管理，這些工程系統(tǒng)都是通過腳手架系統(tǒng)進(jìn)行采購、生產(chǎn)和施工的。同時(shí)，對工程系統(tǒng)和腳手架布局持續(xù)進(jìn)行施工目標(biāo)與實(shí)際施工實(shí)時(shí)比較，以便在出現(xiàn)任何偏差或缺陷時(shí)能隨時(shí)采取應(yīng)對措施。此外，根據(jù)建模規(guī)劃和實(shí)際生產(chǎn)情況，逐步完善虛擬模型，并將虛擬與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合，從而達(dá)到施工生產(chǎn)的正確性。

所有這些流程都匯集在一個(gè)數(shù)字建筑文件中，并以結(jié)構(gòu)化的方式存儲(chǔ)。在項(xiàng)目完工后，施工檔案作為竣工文件為客戶和工廠運(yùn)營商提供服務(wù)，供后續(xù)改造。這種形式的施工物流項(xiàng)目管理要求Promaintain 和Peri 深入了解工廠施工并熟知執(zhí)行相關(guān)流程。目前Promaintain 正在招募工廠工程行業(yè)專家，以不斷擴(kuò)大這種能力。

建筑信息建模（BIM）是一種協(xié)作的工作方法， 基于數(shù)字 3D 建筑模型，所有與生命周期相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息都被一致地記錄、管理和交換，或可供進(jìn)一步處理

BIM：建筑施工新文化

“協(xié)同作戰(zhàn)”是BIM 的關(guān)鍵所在，它要求施工方根據(jù)所需時(shí)間、成本效益和質(zhì)量要求等因素，為業(yè)主和運(yùn)營商確保能生產(chǎn)保質(zhì)保量的、功能完善的、結(jié)實(shí)耐用的且符合期望的產(chǎn)品。這個(gè)過程需要參與建設(shè)的各方對項(xiàng)目充分理解并相互配合，還需對工業(yè)腳手架的設(shè)計(jì)、布置和施工進(jìn)行改善，使用腳手架的承包商有責(zé)任確保彼此共同開發(fā)并在腳手架設(shè)計(jì)框架內(nèi)開展工作。但是，如果腳手架發(fā)生計(jì)劃外的變化和調(diào)整，造成這些額外費(fèi)用的人必須承擔(dān)此費(fèi)用。 巴斯夫采用了BIM 技術(shù)，“協(xié)同作戰(zhàn)”的特點(diǎn)為腳手架的施工提供了新的視角。腳手架的施工被認(rèn)為僅次于管道建設(shè)的第二昂貴環(huán)節(jié)，BIM 為這一昂貴環(huán)節(jié)帶來了成本保障。腳手架經(jīng)過建模、規(guī)劃和實(shí)施可以顯著改善工程建設(shè)的工作流程。 ●