建筑機電工程模塊化預(yù)制裝配施工典型應(yīng)用及其專項技術(shù)

張寧波 潘 健 王建勃

上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080

機電設(shè)備與管線的預(yù)制率與裝配化程度比較低[1-3]，是我國現(xiàn)階段建筑機電安裝行業(yè)普遍存在的問題。建筑機電工程的裝配式施工，主要是通過標準化設(shè)計、工廠化預(yù)制、模塊化安裝、機械化作業(yè)、信息化管理等措施和手段，來提升建筑機電工程的施工效率，實現(xiàn)建筑機電工程的規(guī)范化管理，促進傳統(tǒng)建筑工人向新型產(chǎn)業(yè)工人轉(zhuǎn)型，提升機電安裝工程品質(zhì)，促進安全生產(chǎn)和綠色發(fā)展，從而形成新的經(jīng)濟增長極，帶動全產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級和社會經(jīng)濟發(fā)展。

同類項目實施的分析與總結(jié)[4-6]表明，建筑機電工程模塊化預(yù)制裝配施工技術(shù)的適用部位主要包括制冷機房、空調(diào)機房、管廊、樣板間、管弄井等。為此，本文將結(jié)合不同建筑機電安裝場景的設(shè)備布局和管線綜合排布，圍繞機電設(shè)備與管線的模塊化分割設(shè)計、裝配施工技術(shù)、工裝設(shè)備等問題，闡述其典型應(yīng)用及專項技術(shù)。

1 機電模塊化裝配施工典型應(yīng)用

基于高精度三維機電綜合BIM模型，完成機電設(shè)備與管線模塊的分割設(shè)計、預(yù)制加工、運輸配送后，可利用BIM 4D虛擬仿真技術(shù)[7]，在模型中進行不同場景建筑機電工程設(shè)備及管線模塊的虛擬建造?；诂F(xiàn)場的虛擬建造的方案比選，可為建筑機電設(shè)備及管線模塊的差異化裝配安裝提供指導(dǎo)，從而實現(xiàn)不同場景機電設(shè)備與管線模塊的快速、精準安裝，現(xiàn)場施工工效提高30%以上。

1.1 制冷機房模塊化裝配式安裝

制冷機房設(shè)備與管線模塊的裝配化施工，遵循高效制冷機房管路降阻節(jié)能的思路[8]：搭建模型→優(yōu)化管路布置→生成高精度三維綜合模型→生成高精度裝配加工圖→生成高精度裝配安裝圖→裝配完成。

圖1為某制冷機房裝配施工總體示意。利用BIM技術(shù)合理布置機房設(shè)備并優(yōu)化管路阻力，管路降阻措施包括：減少彎頭，將直角彎頭、直角三通改為順水彎頭或順水三通；采用大型彎管機將直管直接彎制成彎頭；管道閥件選用低阻力閥件等。

圖1 某制冷機房裝配施工總體示意

完成高精度三維綜合模型搭建后，將模型進行設(shè)備與管線模塊的分割，做到設(shè)備及管線模塊的高精度模型與實際尺寸一致。在此基礎(chǔ)上，標識設(shè)備及管線模塊的編碼。每個模塊設(shè)置獨立編碼，通過編碼可以讀取模塊所在的系統(tǒng)、位置及規(guī)格尺寸、安裝注意事項等數(shù)據(jù)。制冷機房設(shè)備與管線的模塊化裝配式安裝方式，與傳統(tǒng)施工方式相比，管線模塊全部在專用加工場地根據(jù)裝配加工圖進行生產(chǎn)，加工更加高效，現(xiàn)場根據(jù)模塊分割圖紙進行裝配式拼裝施工，大大縮短了現(xiàn)場施工工期。

1.2 管弄井管組模塊裝配化施工

為了提高建筑機電管弄井內(nèi)立管施工的工效和質(zhì)量，管弄井內(nèi)管組（空調(diào)水管、給排水管、消防水管等）可采用預(yù)制裝配式施工技術(shù)[9]。根據(jù)不同工程項目的實際情況，標準層部分空調(diào)水管豎井內(nèi)的空調(diào)水及給排水、消防水立管采用預(yù)制管組模塊。根據(jù)具體的施工工藝及設(shè)備層和建筑底層大廳的高度，預(yù)制管組模塊將管弄井內(nèi)立管分組分節(jié)，提前在專用預(yù)制加工場地內(nèi)制作成管組模塊，在結(jié)構(gòu)驗收合格后，進行管組模塊的安裝。

實施過程中，管線模塊連同管道支架預(yù)先在專用預(yù)制加工場地內(nèi)整體制作成管組模塊。運至施工現(xiàn)場后，隨著結(jié)構(gòu)施工的進行，通過塔吊及卸料平臺將管組模塊運至相應(yīng)樓層并水平轉(zhuǎn)運至管弄井位置，然后完成管組模塊在管弄井內(nèi)的垂直吊裝拼裝，如圖2所示。

圖2 管弄井內(nèi)管組模塊安裝示意

管弄井內(nèi)管組模塊的裝配化施工，在現(xiàn)場不具備作業(yè)條件的情況下，可提前進行管組模塊的預(yù)制加工，大幅提高了生產(chǎn)效率，縮短了工期。同時，管組模塊得以集中化運輸，到場后采用塔吊或汽車吊統(tǒng)一吊運，節(jié)約了塔吊運力。專用場地內(nèi)的工廠化預(yù)制加工也便于管組模塊的質(zhì)量管理和控制。但是管弄井內(nèi)管組模塊的裝配化施工，仍存在缺少有效施工及驗收標準可供參考的問題。同時，管組模塊距管弄井墻面近，造成墻面抹灰難，濕作業(yè)與交叉污染問題依然存在。

1.3 典型管線模塊裝配化施工

空調(diào)機房內(nèi)空調(diào)水管線模塊的裝配化施工，流程與制冷機房內(nèi)管線模塊的裝配化施工類似，此處不再贅述。只是其管線模塊的尺寸和規(guī)格相對較小，部分管段的連接可能采用螺紋連接，在模塊拼裝時應(yīng)注意螺紋緊固的一致性以便控制裝配施工的誤差。

有別于制冷機房內(nèi)空調(diào)水管管線模塊的裝配化施工，對于管廊和樣板間等場景管線模塊的裝配化施工，可以將空調(diào)水管、風管、消防水管、強電橋架、弱電橋架等整體組合成綜合性管線模塊（圖3），分層次進行管線模塊的整體提升組對和拼裝。在管線模塊整體提升組對和拼裝時，應(yīng)注意此種綜合性管線模塊往往質(zhì)量分布不均勻，導(dǎo)致頂升過程不平穩(wěn)，頂升速度不同步，頂升過程易變形，難以實現(xiàn)管線模塊的一次精確就位安裝，同時，后續(xù)裝配段的機電管線對接麻煩。此外，綜合性管線模塊頂升設(shè)備占用場地較大，不適合小空間作業(yè)，焊接、熱熔、承插、螺紋連接的管段分段組裝時無法實現(xiàn)裝配安裝，也在一定程度上限制了綜合性管線模塊的裝配化施工應(yīng)用。

圖3 機電綜合性管線模塊示例

1.4 組合橋架模塊化應(yīng)用

受制于電線電纜敷設(shè)的施工特性，無法像水管和風管一樣進行模塊化分割設(shè)計，但可在電氣橋架在綜合排布的基礎(chǔ)上，進行模塊化單元分割設(shè)計及裝配化安裝。電氣橋架的模塊化應(yīng)用區(qū)域，宜側(cè)重選擇走廊、筆直通道等便于模塊單元標準化預(yù)制加工的場合，此種區(qū)域，橋架模塊單元的運輸和裝配化安裝條件也更優(yōu)。

電氣組合橋架的模塊化支架由型鋼構(gòu)成，組合橋架模塊整體長度不宜超過6.0 m，寬度宜小于1.5 m，以便運輸和吊裝。組合橋架單元提前在工廠內(nèi)進行加工、組裝，不僅可減少現(xiàn)場加工場地的設(shè)置，也可提高組合橋架的加工精度和質(zhì)量。模塊單元整體運輸至施工現(xiàn)場，在地面裝配完成后利用升降平臺將組合橋架模塊整體提升安裝，有效減少和避免與其他專業(yè)工作面產(chǎn)生的沖突，有利于提高施工效率，縮短電氣專業(yè)的工期。

2 機電模塊化裝配施工專項技術(shù)應(yīng)用

2.1 三維激光掃描復(fù)測

在建筑機電設(shè)備與管線高精度三維綜合模型創(chuàng)建過程中，須借助三維激光掃描技術(shù)[10]，復(fù)測得到機電施工現(xiàn)場的數(shù)字化三維模型，從而進一步調(diào)整設(shè)備與管線高精度三維綜合模型，使之與施工現(xiàn)場情況一致。

開始現(xiàn)場三維激光掃描之前，首先應(yīng)實地勘查，查看現(xiàn)場及周邊是否有遮擋物影響掃描工作。如有，則及時清除相應(yīng)遮擋物，為現(xiàn)場三維激光掃描提供最有利的實施條件。然后根據(jù)勘查結(jié)果規(guī)劃三維激光掃描儀架設(shè)的網(wǎng)格布置。由于一個點位往往無法完整覆蓋所有待掃描區(qū)域，故需在多個不同位置架設(shè)。三維激光掃描儀器的架設(shè)位置應(yīng)視野開闊、光線良好。三維激光掃描復(fù)測的效率取決于掃描精度設(shè)置、現(xiàn)場遮擋物數(shù)量及復(fù)雜情況，一般情況下可達500 m2/d，每一站的掃描精度可達±2 mm。某項目通過三維激光掃描對現(xiàn)場建筑結(jié)構(gòu)及機電設(shè)備與管線復(fù)測的示例如圖4所示。

圖4 三維激光掃描復(fù)測示例

三維激光掃描結(jié)束后，須借助點云處理軟件將現(xiàn)場掃描獲取的所有點云數(shù)據(jù)整合為一個完整的點云文件，整合工作主要分為3個階段。第1階段是對點云數(shù)據(jù)進行降噪處理，將一些無關(guān)的點云數(shù)據(jù)，如地上的垃圾、路過的工人等全部刪除。第2階段是將處理后的點云數(shù)據(jù)整合為一個完整的點云文件，便于后期使用。第3階段則是對點云文件進行配色處理，通過三維激光掃描儀自帶的影像采集系統(tǒng)，全自動為點云賦予色彩信息，從而獲得清晰逼真的可測量的彩色點云全景圖。需注意的是，每一站點的掃描文件可能存在不同程度的精度誤差，這些精度誤差隨著掃描站點的增多會擴大累積精度誤差。縮小累積精度誤差的方法是，在可被多個站點掃描區(qū)域覆蓋的x軸、y軸、z軸上貼上標靶紙。這樣，點云處理軟件可在不同掃描文件中識別標靶紙，從而利于合成全景圖并減少累積誤差。

需指出的是，現(xiàn)場掃描獲得的全景圖沒有像三維機電模型一樣具有類似軸線的定位線，導(dǎo)致其與三維機電模型沒有相同空間位置的基點，更無法以共同基點為基礎(chǔ)去對比全景圖與三維機電模型的區(qū)別。解決方法則是選擇以掃描獲得的全景圖與三維機電模型共同的空間位置為基點（如相同位置柱子邊角的1 m線位置）去對比其他區(qū)域模型與現(xiàn)場的差別。

2.2 裝配施工誤差綜合補償

不同于機電設(shè)備與管線的傳統(tǒng)安裝方式，機電設(shè)備與管線模塊的現(xiàn)場裝配安裝，對施工誤差的控制要求更為嚴格，須合理運用裝配施工誤差綜合補償技術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)場的誤差控制。所謂裝配施工誤差綜合補償，具體包括控差、減差和消差幾個方面。

1）機電設(shè)備及管線預(yù)制裝配精度控制技術(shù)，通過對設(shè)備及管線模塊化裝配式施工過程中誤差的分析，重點控制分割設(shè)計精度、加工精度、裝配精度。采用高精度建模、模型直接生成高精度裝配加工圖紙、工廠自動化數(shù)控加工設(shè)備、360°放樣機器人、3D激光掃描等手段實現(xiàn)裝配誤差的綜合控制。

2）機電設(shè)備及管線裝配模塊誤差縮減技術(shù)，通過集成模塊減差，在模塊分割設(shè)計及加工時，將不可控誤差轉(zhuǎn)為可控誤差。在單純管段預(yù)制模式下，安裝誤差主要在不同連接件之間的法蘭接口處產(chǎn)生，假如每臺水泵進、出水口管路附件包含12個法蘭接口，則為12個誤差點。通過將循環(huán)泵組進行設(shè)備及管線模塊整合，法蘭裝配接口由每臺水泵的12個，縮減為模塊的4個主管道法蘭裝配接口，誤差縮減率達2/3以上。

3）機電設(shè)備及管線裝配模塊遞推式施工消差技術(shù)，通過將泵組或其他小型設(shè)備裝配模塊作為控制段，與其對接的管線裝配模塊按規(guī)劃好的線路進行遞推式裝配施工，并在區(qū)域外部或不同裝配線路之間設(shè)置補償段，結(jié)合現(xiàn)場測量確認后預(yù)制的補償段進行誤差消除。

2.3 裝配施工信息管理

通過建筑工程機電裝配施工信息化管理平臺[11-12]，將不同階段的模型源文件上傳至平臺并對模型進行輕量化處理，可在web端隨時瀏覽查看。在將各專業(yè)模型上傳并生成高精度三維綜合機電模型后，可通過不同機電專業(yè)構(gòu)件信息的提取、分析，快速便捷地進行工程量統(tǒng)計。此外，還可借助費率調(diào)差等措施生成工程造價信息。

同時，基于建筑工程機電裝配施工信息化管理平臺，將各專業(yè)圖紙、模型信息提取后，通過制作各模塊單元的專屬二維碼，還可實現(xiàn)對設(shè)備與管線等預(yù)制模塊單元在生產(chǎn)、運輸、裝配等環(huán)節(jié)的物料信息追溯，達到手持端和電腦端的雙向追溯管理。實現(xiàn)設(shè)備與管線模塊單元構(gòu)件信息的批量和遠程掃描管理，解決了傳統(tǒng)二維碼等信息管理手段需近距離單個掃描的缺陷，提高了建筑機電工程裝配化施工信息管理的可追溯性和效率。

2.4 逆向掃描設(shè)備建模

采用專用手持式三維掃描儀可有效解決設(shè)備高精度建模問題。通過靶向網(wǎng)格掃描措施，將掃描精度控制在0.025 mm，達到零件加工精度要求。同時，通過對設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行合理界定，可大幅縮短掃描及逆向建模時間。

在具體應(yīng)用時，將須逆向掃描設(shè)備不透明材質(zhì)的區(qū)域噴灑顯像劑并粘貼標志點，根據(jù)建模需要選擇合適角度進行拼接掃描，處理生成模型外圍雜點后進一步處理模型表皮并填補缺陷，而后便可封裝掃描數(shù)據(jù)，形成設(shè)備數(shù)字化模型。以立式雙吸泵為例（圖5），整個逆向建模過程約為20 min，大大縮短了設(shè)計人員建立設(shè)備族庫的時間，同時極大地提高了建模精度。

圖5 逆向掃描設(shè)備建模示例

3 結(jié)語

目前，我國建筑機電安裝行業(yè)普遍存在預(yù)制率與裝配化程度比較低的問題。對建筑機電工程模塊化預(yù)制裝配施工的典型應(yīng)用及專項技術(shù)進行的研究和分析表明，合理運用三維激光掃描復(fù)測技術(shù)、裝配施工誤差綜合補償技術(shù)及裝配施工信息化管理平臺，可明顯提高施工工效，減少人工消耗，縮短現(xiàn)場施工工期。

然而，建筑機電設(shè)備與管線的模塊化裝配施工，尚缺乏統(tǒng)一的模塊分割設(shè)計和物料編碼規(guī)則。針對不同場景和形式模塊單元的運輸及安裝的工裝器具也有待進一步開發(fā)和完善。