沉管鋼殼塊體BIM模型建立及生產管理信息化

賈驍，張長亮

（深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

0 引言

BIM（Building Information Model/Management）最早作為一種計算機輔助設計（CAD）技術出現(xiàn)于國外建筑三維設計領域[1-2]，發(fā)展至今，可用于建立包含工程造價、工藝工序、進度管控、質量管理、運維管養(yǎng)等多維度信息模型的技術，并服務于建筑全生命周期[3]。目前市面上主流的計算輔助設計軟件開發(fā)公司均已形成各自成熟的建筑模型信息化解決方案。近些年BIM技術應用在國內掀起一股熱潮，在房建工程領域，BIM技術主要是針對復雜造型建筑實現(xiàn)不同專業(yè)設計協(xié)同[4]。在橋梁隧道工程領域，BIM技術在超大跨徑橋梁、山嶺隧道工程、海中沉管隧道、地鐵區(qū)間隧道和市政隧道中均有初步應用，如可視化[5]、碰撞檢驗[6]、進度模擬與工藝推演[7]、信息化運維管養(yǎng)[8]等，但總體來說設計環(huán)節(jié)應用較成熟，施工、運維環(huán)節(jié)應用較少，遠未達到全生命周期應用。

沉管鋼殼結構形式繁復，內部劃分為上千個相似的小隔倉。利用BIM技術建立鋼殼信息模型，對其進行零件拆解，優(yōu)化裝配順序，可實現(xiàn)生產管理的信息化，提升生產制造效率。本文依托深中通道項目沉管鋼殼制造經驗，研究利用BIM技術實現(xiàn)大型鋼結構流水線生產以及信息化管理。

1 工程背景

沉管鋼殼作為沉管管節(jié)的外殼連同澆筑在其內的混凝土組成了鋼殼-混凝土-鋼殼的“三明治”組合結構，在同等荷載、跨徑情況下，相比鋼筋混凝土沉管，減小了構件截面尺寸[9]。為保障鋼殼與內部混凝土協(xié)調受力，鋼殼結構內部劃分1500多個小隔倉，在隔倉頂?shù)装鍍葌仍O置大量剪力鍵、加勁板。標準管節(jié)鋼殼長165 m，最大用鋼量達12000 t，焊接長度近300 km。利用BIM技術建立鋼殼制造分段信息化模型，搭建信息化生產管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)分段自動化流水線高效生產。

2 模型建立

2.1 總體思路

鋼殼塊體模型建立圍繞BIM中“M”所代表兩大特點開展，即模型（Model）和管理（Management），利用BIM模型正向設計，按工序拆分管節(jié)結構，補充材料、工藝等信息。鋼殼結構類似船體，在建模時選用造船行業(yè)建模軟件AVEVA Marine[10]，在二維設計圖紙的基礎上進行生產（廠化）設計，利用BIM技術可視性、可計算性和可交互性，實現(xiàn)設計各專業(yè)協(xié)同和施工關鍵方案4D模擬。

2.2 建模流程

鋼殼塊體模型建立以二維結構設計圖為基礎進行生產設計，建模流程見圖1。

圖1 鋼殼BIM模型建立流程圖Fig.1 Flow chart of steel shell BIM model establishment

主要流程分為：建立鋼殼整體結構模型，施工聯(lián)合設計，管節(jié)模型空間劃分，節(jié)段模型工序劃分，生產設計出圖。

2.3 模型建立

塊體模型建立是在鋼殼結構三維模型的基礎上加入生產要素相關信息，塊體模型空間劃分需要依據(jù)生產廠家的硬件條件進行，在塊體模型中定義與生產相關的信息為后續(xù)實現(xiàn)自動化、信息化生產組織創(chuàng)造先決條件。

2.3.1塊體模型的空間劃分

綜合考慮車間條件、生產設備、生產效率、工藝流程、焊接技術、質檢驗收等因素，對鋼殼整體模型進行空間劃分，將小節(jié)段作為鋼殼總拼最小單元，整個鋼殼劃分為22個標準節(jié)段，再將標準節(jié)段拆解為底板、頂板、側墻、中墻4類平面塊體。平面塊體有利于生產流水線及焊接機器人的大規(guī)模使用，其中塊體模型中定義的各類信息將成為實現(xiàn)自動化生產的關鍵要素。

2.3.2塊體模型的生產信息

塊體模型主要由面板、隔板片體單元組成，主要包含鋼材材質及規(guī)格、焊縫接頭形式及參數(shù)、精度控制及補償量、工序安排及零件流向等生產信息。將塊體模型剖切可得到一系列平面圖；將零件從塊體中分離，進行套料出圖，可得到零件表及裝配計劃（裝配樹、組立圖等）；對模型中的焊縫進行分類、統(tǒng)計可得到無損檢測清單。邊墻塊體模型見圖2。

圖2 塊體三維模型圖Fig.2 Three dimensional model of blocks

3 軟硬件集成

利用BIM模型信息驅動生產管理，搭建BIM協(xié)同平臺，集成制造各環(huán)節(jié)和各板塊操作系統(tǒng)，打通車間執(zhí)行系統(tǒng)（MES）[11]與BIM模型間信息傳遞，實現(xiàn)設計信息與生產信息協(xié)同共享。搭建模型應用硬件環(huán)境，改造生產線使其可以讀取、應用模型信息，采集、存儲實時生產狀況，為后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘與工效分析奠定基礎。

3.1 信息化生產管理平臺搭建

參照BIM模型數(shù)據(jù)標準開發(fā)生產管理平臺，生產管理平臺數(shù)據(jù)看板見圖3。

圖3 生產管理平臺數(shù)據(jù)看板Fig.3 Data board of production management platform

打通車間執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與BIM模型間信息傳遞，通過工程計劃編排模塊、胎架布置模塊、塊體運輸管理模塊、質量管理模塊、設備管理模塊、狀態(tài)看板模塊等，實現(xiàn)鋼殼塊體制造信息化管控。

3.2 生產線信息化改造

改造下料切割流水線，通過外接工控機將數(shù)控切割機、型材線切割機與局域網連接，使數(shù)控切割設備可以通過局域網與BIM平臺進行數(shù)據(jù)交互，自動接收設備運行狀態(tài)信息及反饋生產數(shù)據(jù)，監(jiān)控數(shù)控切割設備，顯示設備狀態(tài)、當前加工任務、工作人員等信息。切割流水線改造示意圖如圖4所示。

圖4 切割流水線改造示意圖Fig.4 Schematic diagram of cutting line reconstruction

改造焊接生產線，通過局域網將BIM平臺與片體生產線進行集成，片體生產線由上料及裝配工位、機器人焊接工位、檢查修補工位、卸料工位及機器人焊接門架系統(tǒng)組成。焊接機器人控制系統(tǒng)接受BIM模型信息后，可采用離線編程或者3D激光掃描自適應編程方式，標示焊縫類型，規(guī)劃焊接路徑，進行焊接作業(yè)。改造后的片體生產線把設備運行狀態(tài)、片體制作信息、耗材信息等經網絡反饋至BIM平臺。片體生產線改造內容如表1所示。

表1 生產流水線改造升級功能表Table 1 Function table of production line reconstruction and upgrading

4 生產應用

利用鋼殼塊體BIM模型可驅動自動化零件下料加工、流水線塊體裝配、生產組織及質量管控信息化。

4.1 自動套料與信息化派工

4.1.1 自動套料

建模時考慮通用數(shù)據(jù)格式及軟件接口的二次開發(fā)，零件模型可用于Cadwin軟件實現(xiàn)自動套料功能。程序完成板材和型材套料后，經技術人員結合現(xiàn)場切割設備性能進行微調，保證切割可行性與材料利用率，輸出套料圖、切割指令，生產管理系統(tǒng)對模型物料屬性進行提取形成物料清單，結合生產進度計劃編制物料需求表。

4.1.2 信息化派工

零件自動套料后將產生下料加工對象及工藝信息，生產信息經生產管理系統(tǒng)計劃編排及量化派工后生成具體切割指令，經內網傳輸給下料切割生產線，生產過程中智能設備采集上傳生產信息，統(tǒng)計優(yōu)化工效，動態(tài)調整派工計劃。這些信息包括數(shù)控切割機的實時狀態(tài)信息，設備工作時長，單位時間內切割的零件個數(shù)或者切割米數(shù)的記錄等。

4.2 流水線裝配

要實現(xiàn)鋼殼塊體的流水線生產，加工車間需要確定塊體各部件的組裝方式及組裝場地信息，裝配計劃（裝配樹及組立圖）可提供工序信息和場地信息指揮現(xiàn)場完成塊體組裝。

4.2.1 工序編碼

用模型信息驅動現(xiàn)場生產，需要建立一套統(tǒng)一、適用的編碼規(guī)則，通過編碼信息定義所屬部件的工位和流向信息，指導生產線進行模塊化裝配，形成板單元制作，片體小組立，框架中組立，塊體大組立的生產流水，使得塊體制造模塊化、條理化，提高生產效率。裝配編碼示例見表2。

表2 裝配編碼示例Table 2 Example of assembly code

4.2.2 裝配組織

各類零件的裝配信息通過編碼定義后逐級形成裝配樹，塊體裝配樹示例見圖5。

圖5 底板塊體裝配樹示例Fig.5 Example of bottom plate assembly tree

裝配樹是一個樹狀的存儲空間，每個裝配樹對應一類鋼殼塊體物理實體。裝配樹中收集了組成該類塊體的所有零件信息，從完整的塊體開始，逆向于組裝過程，逐級拆分，直到收集完最基礎一級的零件，形成樹狀圖和對應的零件表，生產線按照裝配樹收集零件、組織裝配順序。

4.3 信息化生產管理

在庫存管理方面，通過對以往生產情況的統(tǒng)計研究，根據(jù)鋼殼制造塊體生產工藝流程規(guī)劃，制定標準周期，倒推生成工程計劃。通過生產管理BIM平臺實時統(tǒng)計切割庫存、片體庫存，比對工程計劃對產量進行預估，針對超負荷以及產能過剩的情況，采取提升或降低庫存的相應措施。在提升胎位利用率方面，根據(jù)各胎架使用信息繪制總體工位利用圖，在交互界面內調整胎位布置，胎架計劃時間節(jié)點智能聯(lián)動，根據(jù)計劃時間和空間信息，系統(tǒng)可仿真模擬生產場地上過去、實時和未來的胎位資源利用情況；在質量管控方面，對構件轉序報驗離胎信息進行監(jiān)控采集，可統(tǒng)計各工序轉序報驗合格率，分析評價近期質量管控水平。

5 結語

本文依托深中通道沉管鋼殼制造項目經驗，開展鋼殼塊體制造BIM技術應用及信息化制造關鍵技術研究，建立了鋼殼塊體信息化模型，搭建模型信息與生產信息交互管理平臺，改造生產流水線并全面應用塊體模型指導生產。工程實際應用表明：

1）利用BIM模型的多專業(yè)協(xié)同設計優(yōu)勢和強大的干涉檢測功能，在生產設計階段，實現(xiàn)鋼殼管節(jié)舾裝、臨時輔助安全設施、施工工序工藝優(yōu)化聯(lián)合設計。通過塊體BIM模型，完成自動套料、零件物料信息提取、輸出裝配圖、套料圖、生成套料指令等，實現(xiàn)設計施工信息協(xié)同。

2）通過搭建BIM協(xié)同平臺和生產線改造，可利用BIM模型驅動鋼殼塊體自動化、流水線化生產。改造后的板/型材下料切割線可完成信息化派工，改造后的焊接生產線可實現(xiàn)片體/塊體自動化流水線生產，BIM協(xié)同平臺可收集生產信息并進行數(shù)據(jù)挖掘。

3）BIM技術在施工環(huán)節(jié)的順暢應用離不開軟硬件的有效集成，在后續(xù)的工程實踐中應持續(xù)采集生產過程信息，優(yōu)化迭代軟件系統(tǒng)，提升BIM技術的易用性。