裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)鏈信息化構(gòu)架研究與工程應(yīng)用

郭建營，孟然，完海鷹，陳安英，沈萬玉，李偉

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司，安徽 合肥 238076）

1 引言

在國家及地方政府大力推進(jìn)建筑工業(yè)化的背景下，建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級正在向數(shù)字化建造與項(xiàng)目管理模式相結(jié)合、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)相聯(lián)動的主題方向邁進(jìn)。鋼結(jié)構(gòu)建筑主體結(jié)構(gòu)的裝配式天然屬性[1]，建筑體系便于工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化裝配等特點(diǎn)，迎合了建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求[2]，也是實(shí)現(xiàn)住宅工業(yè)化如參數(shù)化生產(chǎn)、數(shù)字化建模、智能化運(yùn)維、一體化施工、標(biāo)準(zhǔn)化建造等的合理結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合預(yù)制部品件形成的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑作為一種預(yù)制化、工廠化程度高的結(jié)構(gòu)形式在多高層住宅領(lǐng)域也得到了推廣應(yīng)用[3]。李惠玲等[4]總結(jié)了目前我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展所遇到的問題，提出了相應(yīng)的對策和建議。劉學(xué)春等[5]總結(jié)了各個國家裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，認(rèn)為需要重點(diǎn)研究裝配式鋼結(jié)構(gòu)的體系和節(jié)點(diǎn)連接。朱曉偉等[6]系統(tǒng)地研究了高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建造中設(shè)計(jì)、施工以及外檐圍護(hù)、保溫、飾面的關(guān)鍵技術(shù)，并形成了相應(yīng)的技術(shù)體系。黃亞江等[6]總結(jié)了上海浦東新區(qū)工程數(shù)字化建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，提出利用BIM標(biāo)準(zhǔn)化模型庫深化預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)。陳光等[7]對目前裝配式建筑數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究，認(rèn)為通過在線協(xié)同管理平臺等智能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的數(shù)字化建造。

為加快推進(jìn)新一代信息技術(shù)與住宅工業(yè)化技術(shù)協(xié)同發(fā)展，提高設(shè)計(jì)施工信息化水平，論文針對裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建造特點(diǎn)，開展基于BIM模型結(jié)合MES控制體系的深度融合技術(shù)構(gòu)建裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅全產(chǎn)業(yè)鏈信息化構(gòu)架系統(tǒng)研究。

2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅全產(chǎn)業(yè)鏈信息化構(gòu)架系統(tǒng)研究

2.1 底層邏輯

裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建造全過程可細(xì)化為投資、開發(fā)、設(shè)計(jì)、施工、構(gòu)件生產(chǎn)、物業(yè)管理及運(yùn)維等多個階段。從產(chǎn)業(yè)鏈視角出發(fā)則劃分為頭端企業(yè)，如規(guī)范制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的政府部門與研發(fā)企業(yè)，提供鋼筋、混凝土、墻板等的原料單位；腹端企業(yè)即相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工、物流、監(jiān)管、生產(chǎn)等企業(yè)；尾端企業(yè)則以運(yùn)營維護(hù)等管理單位為主。項(xiàng)目系統(tǒng)研究中，以BIM模型為核心，將虛擬數(shù)模和工程實(shí)體相關(guān)聯(lián)，通過計(jì)算機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合、數(shù)據(jù)的云端收集與識別處理，解決全產(chǎn)業(yè)鏈的信息協(xié)同與交圈融合問題，高效實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期智能化推進(jìn)與可視化管理，尤其通過數(shù)據(jù)的信息化使得施工管理更加精細(xì)。

2.2 全產(chǎn)業(yè)鏈信息化架構(gòu)系統(tǒng)

2.2.1 技術(shù)協(xié)同信息化

為實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈信息管理，系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，搭建了涵蓋設(shè)計(jì)、加工、安裝及運(yùn)維一體化的信息平臺[7]，平臺架構(gòu)分為數(shù)據(jù)處理端、產(chǎn)品應(yīng)用端及用戶操作端的三個端口，如圖1所示，為裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的建造全過程提供了信息收集云端及數(shù)據(jù)處理平臺。利用本平臺系統(tǒng)，將各個階段所需的信息數(shù)據(jù)化集成，各方參與人員均可查看權(quán)限范圍內(nèi)最新且完整準(zhǔn)確的信息庫。利用虛擬平臺，可實(shí)現(xiàn)模型處理、資料管理、信息協(xié)同等的智慧工地一體化建設(shè)。

圖1 圖裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅全產(chǎn)業(yè)鏈信息化構(gòu)架系統(tǒng)平臺圖

2.2.2 供應(yīng)鏈協(xié)同信息化

供應(yīng)鏈的信息化是實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈一體信息化的重點(diǎn)。虛擬數(shù)據(jù)平臺與信息處理云端是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各參與方多維度實(shí)現(xiàn)智能化管理的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)協(xié)同與信息共享，便于設(shè)計(jì)單位根據(jù)設(shè)計(jì)要求及住宅品質(zhì)實(shí)現(xiàn)云端選材與品控，供應(yīng)單位加快鋪排生產(chǎn)計(jì)劃；各參與方有效交圈與資料更新，有利于建設(shè)單位盡早制定付款計(jì)劃，降低預(yù)算成本；施工動態(tài)及時捕捉與上傳，易于強(qiáng)排施工進(jìn)度，最大可能避免設(shè)計(jì)變更引起的施工延誤與成本增加。

2.2.3 產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同信息化

將傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)從全要素（空間維度）、全過程（時間維度）、全參與方（組織的維度）三個方面進(jìn)行解構(gòu)，再通過數(shù)字化、在線化、智能化進(jìn)行重構(gòu)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，可構(gòu)造適應(yīng)高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建造的新型產(chǎn)業(yè)模式。

3 系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 預(yù)制構(gòu)件在廠的深化設(shè)計(jì)與數(shù)字化加工

在施工圖數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格參照地方數(shù)字化模型信息交換標(biāo)準(zhǔn)[7]建立涵蓋完整基本、構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)信息等的虛擬模型，通過P-BIM軟件導(dǎo)入相關(guān)施工數(shù)據(jù)如運(yùn)輸、進(jìn)場、安裝計(jì)劃等綠色建造信息，導(dǎo)入合同規(guī)定的成本數(shù)據(jù)信息如合同價款、計(jì)價方式、市場價格及上系數(shù)、施工工藝及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等，開展仿真模擬及安全演算。將深化后的模型轉(zhuǎn)移至工廠，導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床專業(yè)軟件可直接進(jìn)行構(gòu)件數(shù)字化加工，提高加工精度和施工效率。

3.2 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理BIM-MES深度融合技術(shù)

在BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行數(shù)字化模擬分析的基礎(chǔ)上，建立數(shù)據(jù)交互機(jī)制，構(gòu)建P-BIM鋼結(jié)構(gòu)加工制作一體化信息管理平臺，平臺支持BIM模型對結(jié)構(gòu)信息、屬性信息、制造信息等進(jìn)行在線工藝與計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)BIM深化設(shè)計(jì)系統(tǒng)與MES控制系統(tǒng)的無縫集成，并銜接ERP、制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建具有計(jì)劃、執(zhí)行、控制等層次的多曲面空間桁架鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜鋼構(gòu)件數(shù)字化制造模式（圖2），解決了設(shè)計(jì)與制造過程的“信息孤島”問題，實(shí)現(xiàn)住宅鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測和物流等全生命周期各環(huán)節(jié)信息共享與高效協(xié)同。

圖2 BIM-MES鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造模式流程

3.3 施工階段應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 施工平面模擬

建立基于BIM的場地進(jìn)行平面布置模擬模型，可直觀展示施工活動的實(shí)施過程，確定各項(xiàng)臨時設(shè)施、施工機(jī)械與建筑物等的位置。將所得BIM模型信息與實(shí)施應(yīng)用各環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行對應(yīng)結(jié)合，可動態(tài)展示以時間為維度的不同資源需求，即可為此后的各要素管理提供數(shù)字化基礎(chǔ)，尤其是時間、質(zhì)量及成本管理。主要包括前期準(zhǔn)備、場地建模、平面布置計(jì)劃、現(xiàn)場供水設(shè)計(jì)、比對與選定方案、出圖并統(tǒng)計(jì)等流程。

圖3 基于BIM模型進(jìn)行三維施工平面布置管理

3.3.2 施工進(jìn)度模擬與優(yōu)化

通過不同施工方案信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入后的BIM模擬，可直觀地進(jìn)行比選及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)決策與高效控制。主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、工作任務(wù)分解結(jié)構(gòu)（WBS）、制定進(jìn)度計(jì)劃、生成進(jìn)度模擬模型、比選優(yōu)化。

圖4 優(yōu)選施工進(jìn)度方案

3.4 基于BIM+的智慧工地系統(tǒng)可視化管理

構(gòu)建基于BIM+的智慧工地系統(tǒng)可視化管理平臺，系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于BIM+智慧工地系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目信息化可視化管理平臺

3.4.1 設(shè)計(jì)階段各專業(yè)的協(xié)同

嚴(yán)格參照各專業(yè)CAD圖紙進(jìn)行子專業(yè)建模，嚴(yán)格審查正確性后，進(jìn)行模型整合，如碰撞檢查與孔蓋控制等，確保總體模型的完整性及準(zhǔn)確性，通過產(chǎn)品應(yīng)用端使各參與方尤其是施工方及時查看。

此階段各方應(yīng)及時關(guān)注BIM信息小組的產(chǎn)品應(yīng)用端動態(tài)，尤其是施工過程中的設(shè)計(jì)變更，各方應(yīng)及時通過產(chǎn)品應(yīng)用端交圈，保證設(shè)計(jì)方各專業(yè)隨時聯(lián)動協(xié)調(diào)，保證施工現(xiàn)場進(jìn)度及質(zhì)量等各方面要求。若出現(xiàn)變更較大或所涉及專業(yè)較多的緊急狀況，及時進(jìn)行模型設(shè)計(jì)變更交底，各專業(yè)人員應(yīng)保證專業(yè)模型的準(zhǔn)確無誤，上傳至產(chǎn)品應(yīng)用端后BIM信息小組應(yīng)及時進(jìn)行專業(yè)間的協(xié)調(diào)檢查。

3.4.2 施工階段的模擬應(yīng)用

從微觀層面——構(gòu)件視角，在前期設(shè)計(jì)階段已根據(jù)專業(yè)協(xié)調(diào)一體化要求進(jìn)行相關(guān)碰撞檢查、仿真模擬與建筑美觀效果檢查，如電梯井布置等凈空要求，機(jī)電設(shè)備端口預(yù)留、部分配套設(shè)備安裝拆卸等二次利用計(jì)劃、景觀配套設(shè)計(jì)及住宅外立面色彩協(xié)調(diào)要求等。在施工準(zhǔn)備階段參照仿真優(yōu)化后設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工計(jì)劃、工藝工序及質(zhì)量信息的模擬。在施工實(shí)施階段，通過BIM模擬各個部品構(gòu)件的進(jìn)場路線、交通組織及安裝順序，大型及臨時設(shè)備的定點(diǎn)定位，材料堆積區(qū)域范圍，現(xiàn)場防火及綠色施工要求，制定更加符合所屬項(xiàng)目特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化動作流程，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場精細(xì)化管理。在施工完成階段，施工單位通過BIM模擬與現(xiàn)場測量掃描結(jié)合，輔助質(zhì)量進(jìn)度驗(yàn)收，匯總信息資源并向平臺上傳，便于工程的竣工驗(yàn)收。

從宏觀層面——建筑住宅視角，關(guān)于智慧施工，將BIM模型通過Revit系列軟件進(jìn)行完善的同時，結(jié)合Navisworks軟件進(jìn)行模型信息分析與審閱，增加時間維度制作4D動畫進(jìn)行效果仿真演示，通過實(shí)施漫游實(shí)現(xiàn)各方協(xié)調(diào)與施工預(yù)測。關(guān)于可視化管理，將BIM模型與施工相結(jié)合，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如RFID頻射識別技術(shù)等構(gòu)件基本數(shù)據(jù)及生產(chǎn)運(yùn)輸安裝的實(shí)際時間進(jìn)行動態(tài)收集，結(jié)合航拍及延時攝影等手段追蹤實(shí)際施工進(jìn)度，對比計(jì)劃時間與實(shí)際時間，收集信息數(shù)據(jù)上傳至云端平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等各方的協(xié)調(diào)管控。

3.4.3 竣工階段的模型驗(yàn)收與交付

在工程實(shí)施完成時，運(yùn)用Revit、Tekla和Navisworks等軟件處理后的最優(yōu)BIM模型已落地，此階段應(yīng)進(jìn)一步實(shí)施集成驗(yàn)證。將模型中不同構(gòu)件部位信息采用全數(shù)字化的方式進(jìn)行編碼表達(dá)，將信息進(jìn)行錄入與集成，并與最終項(xiàng)目落地情況匹配關(guān)聯(lián)后進(jìn)行修正處理，保證虛擬模型與工程實(shí)體一致，得到包含虛實(shí)統(tǒng)一的工程竣工模型，并對竣工信息資料進(jìn)行分類梳理，建立可視化信息資源庫并上傳至云端供各方獲取。

4 工程應(yīng)用

示范項(xiàng)目位于安徽省阜陽市城南新區(qū)，基地西側(cè)為匯新路，基地北側(cè)為三清路，基地東側(cè)為潁州南路，基地南側(cè)為府前路。本安置區(qū)住宅部分的主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架支撐體系、外圍護(hù)墻采用蒸壓加氣混凝土墻板+保溫裝飾一體板、采用預(yù)制樓梯、預(yù)制空調(diào)板；商業(yè)、配套及附屬工程主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架體系、外圍護(hù)墻采用蒸壓加氣混凝土墻板+保溫裝飾一體板。如圖6所示。

圖6 阜陽九里安置區(qū)重點(diǎn)示范項(xiàng)目

該項(xiàng)目示范內(nèi)容包括：①采用本課題研發(fā)的平臺進(jìn)行多方協(xié)同設(shè)計(jì)與三維施工平面管理等；②基于本系統(tǒng)搭建智慧工地進(jìn)行可視化施工交底與信息化可視化管理；③設(shè)計(jì)、采購、安裝一體化建造。

圖7 基于BIM+智慧工地系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目信息化可視化管理示意圖

圖8 基于BIM+智慧工地系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目信息化可視化管理

在本系統(tǒng)支持下，各參與方通過已有ID登錄平臺用戶操作端，通過產(chǎn)品應(yīng)用端實(shí)現(xiàn)以模型為核心、以信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、以云平臺為支撐的各方協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端處理與信息傳遞，降低交流成本，提高溝通效率，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升。經(jīng)云端協(xié)調(diào)與仿真模擬后的鋼構(gòu)件模型更加合理，專業(yè)間更加協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了加工精細(xì)化以及裝配高效化。

5 總結(jié)與展望

對裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行了建造全周期、項(xiàng)目全產(chǎn)業(yè)鏈、信息技術(shù)多維度的信息數(shù)字化探討，在依托BIM搭建項(xiàng)目各單體相關(guān)專業(yè)的建筑信息模型、進(jìn)行三維施工平面布置管理、進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于BIM+智慧工地系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目資源可視化管理、施工可視化交底等，搭建了裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅全產(chǎn)業(yè)鏈信息化構(gòu)架系統(tǒng)，并通過工程示范應(yīng)用驗(yàn)證了其科學(xué)合理性。