數(shù)字化技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工全過程中的應(yīng)用
——以國(guó)家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心項(xiàng)目為例

陳 光 劉紀(jì)超 馬云飛

(1.三一筑工科技股份有限公司，北京 102200; 2.西安建筑科技大學(xué)，西安 710055)

引言

隨著建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，裝配式建筑正在向智能建造與建筑工業(yè)化方向發(fā)展。政府鼓勵(lì)研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)性軟件與數(shù)據(jù)平臺(tái)、集成建造平臺(tái)[1]。

本文深入挖掘數(shù)字化技術(shù)在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工全過程的應(yīng)用，為數(shù)字化技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用提供項(xiàng)目實(shí)例，構(gòu)建數(shù)字化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化生產(chǎn)、智能化建造的應(yīng)用思路。探索基于信息化平臺(tái)的全周期、全要素、全角色的在線協(xié)同管理模式，有助于智能建造與建筑工業(yè)化的協(xié)同發(fā)展[2]。

1 項(xiàng)目數(shù)字化應(yīng)用難點(diǎn)

(1)項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期短，對(duì)圖紙精度要求高，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)需指導(dǎo)生產(chǎn)。預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)因其設(shè)計(jì)內(nèi)容的特殊性致使傳統(tǒng)的CAD二維制圖方式難以滿足快速、精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，也無法輸出生產(chǎn)所需數(shù)據(jù)。因此、本項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用國(guó)產(chǎn)BIM設(shè)計(jì)軟件，提升設(shè)計(jì)效率，打通設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)壁壘[3-4]；

(2)采用新技術(shù)、新工藝、新裝備，探索數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)裝備自動(dòng)化生產(chǎn)。本項(xiàng)目采用具備工業(yè)化生產(chǎn)的新型裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)，并配套國(guó)產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理系統(tǒng)和加工裝備，以實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件高效、高質(zhì)量自動(dòng)化生產(chǎn)[5-6]；

(3)基于統(tǒng)一的預(yù)制構(gòu)件協(xié)同管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各階段數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、完善系統(tǒng)接口，解決設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工數(shù)據(jù)脫節(jié)，各參與方協(xié)同難和工作效率低等問題[7-8]。

2 項(xiàng)目概況

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

國(guó)家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心核心研發(fā)基地項(xiàng)目(如圖1所示)位于天津市濱海新區(qū)天津港保稅區(qū)空港經(jīng)濟(jì)區(qū)津?yàn)I保(掛)2018-16號(hào)地塊，總用地面積8.4萬m2，總建筑面積為17.7萬m2。配套服務(wù)區(qū)的新建公寓部分采用裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件，應(yīng)用面積2.6萬m2。

圖1 項(xiàng)目鳥瞰效果圖

2.2 項(xiàng)目特點(diǎn)

本項(xiàng)目是裝配式建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件基于平臺(tái)全流程數(shù)字化應(yīng)用的典型示范性工程案例。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用分為四個(gè)方面：智能化深化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化生產(chǎn)加工、可視化施工管理和信息化在線協(xié)同。針對(duì)預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工及數(shù)據(jù)管理等環(huán)節(jié)提供數(shù)字化產(chǎn)品和平臺(tái)。

圖2 全流程應(yīng)用示意圖

主要應(yīng)用流程包括采用創(chuàng)新的裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)，通過定制化的智能深化設(shè)計(jì)軟件完成預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)，生成圖紙、清單和加工數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳至協(xié)同平臺(tái)，與項(xiàng)目計(jì)劃關(guān)聯(lián)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和傳遞。工廠接收設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度和要貨計(jì)劃進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件合理化生產(chǎn)排產(chǎn)，構(gòu)件的運(yùn)輸與進(jìn)場(chǎng)施工采用移動(dòng)端與WEB端結(jié)合的方式進(jìn)行可視化跟蹤管理，確保構(gòu)件各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)留存在平臺(tái)上，后期可追蹤查證。通過上述全流程數(shù)字化應(yīng)用以便達(dá)到提高預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率，縮短施工周期，降低綜合成本，數(shù)字孿生交付等目標(biāo)[9]。全流程應(yīng)用如圖2所示。

3 設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

3.1 裝配式建筑創(chuàng)新結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用

本項(xiàng)目采用裝配整體式鋼筋焊接網(wǎng)疊合混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)(簡(jiǎn)稱：SPCS)，相比傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)更適合建筑工業(yè)化，其創(chuàng)新點(diǎn)一是豎向結(jié)構(gòu)采用空腔構(gòu)件重量輕易運(yùn)輸； 二是構(gòu)件四周不出筋，利于生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工； 三是構(gòu)件內(nèi)部及現(xiàn)澆段采用機(jī)械焊接鋼筋籠生產(chǎn)效率高； 四是空腔構(gòu)件內(nèi)部、空腔構(gòu)件間采用整體現(xiàn)澆混凝土，安全性能好，防水性強(qiáng)。

SPCS技術(shù)示意如圖3所示。

圖3 SPCS結(jié)構(gòu)技術(shù)示意圖

3.2 智能深化設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用

設(shè)計(jì)是數(shù)字化全流程應(yīng)用的數(shù)據(jù)源頭，應(yīng)采用基于BIM技術(shù)的進(jìn)深化設(shè)計(jì)工具以保障數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目采用基于PKPM-BIM平臺(tái)研發(fā)的針對(duì)SPCS結(jié)構(gòu)技術(shù)的智能深化設(shè)計(jì)軟件(簡(jiǎn)稱：SPCS+PKPM)。本軟件特點(diǎn)：一是國(guó)產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件，從底層圖形引擎到BIM平臺(tái)均采用國(guó)產(chǎn)技術(shù)，解決被國(guó)外軟件市場(chǎng)壟斷和圖形技術(shù)“卡脖子”等問題，可避免數(shù)據(jù)外漏，有益于國(guó)家信息安全； 二是智能化程度高，軟件內(nèi)置SPCS技術(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)則，使預(yù)制構(gòu)件的建模、拆分設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、圖紙繪制等均可快速完成，有效提高設(shè)計(jì)效率； 三是數(shù)據(jù)上下游對(duì)接，軟件上游可對(duì)接傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件的模型數(shù)據(jù)，下游可導(dǎo)出對(duì)接工廠生產(chǎn)裝備的加工數(shù)據(jù)以及用于生產(chǎn)、施工可視化管理的模型數(shù)據(jù)[10]。

軟件數(shù)據(jù)應(yīng)用流程示意如圖4所示。

圖4 軟件數(shù)據(jù)應(yīng)用流程示意圖

SPCS+PKPM軟件主要設(shè)計(jì)流程包括：模型創(chuàng)建、拆分設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、配筋設(shè)計(jì)、預(yù)留預(yù)埋設(shè)計(jì)、成果輸出等六個(gè)步驟，具體應(yīng)用如圖5所示。

(1)模型創(chuàng)建

軟件支持CAD二維建模，以及PKPM和盈建科軟件的計(jì)算模型導(dǎo)入。將計(jì)算模型導(dǎo)入SPCS+PKPM軟件中在模型微調(diào)整后即可進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)。

(2)拆分設(shè)計(jì)

軟件內(nèi)置了SPCS結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則和構(gòu)件生產(chǎn)、施工常用的構(gòu)件規(guī)格尺寸，快速生成經(jīng)濟(jì)、合理的拆分方案，輸出裝配率、預(yù)制率等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

軟件內(nèi)置SATWE結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊，可實(shí)時(shí)對(duì)模型進(jìn)行整體分析，驗(yàn)證拆分方案的合規(guī)性，并將計(jì)算的配筋數(shù)據(jù)和施工圖導(dǎo)入到軟件中，作為配筋設(shè)計(jì)的依據(jù)。

(4)配筋設(shè)計(jì)

軟件支持根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的配筋數(shù)據(jù)和施工圖進(jìn)行構(gòu)件自動(dòng)配筋，并提供便捷的配筋調(diào)整功能。

(5)預(yù)留預(yù)埋設(shè)計(jì)

軟件提供預(yù)留預(yù)埋交互布置，支持P-BIM機(jī)電模型導(dǎo)入自動(dòng)布置預(yù)埋件、自動(dòng)開洞等操作。

(6)成果輸出

一鍵生成全套深化設(shè)計(jì)圖紙、包括：布置圖、構(gòu)件圖、預(yù)埋件詳圖和鋼筋大樣圖等； 一鍵生成構(gòu)件的BOM清單和生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)。

圖5 項(xiàng)目設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用流程示意圖

3.3 協(xié)同管理平應(yīng)用

本項(xiàng)目EPC的裝配式專項(xiàng)部分采用SPCP/D計(jì)劃與文檔管理系統(tǒng)(如圖6所示)，對(duì)項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)行編制和反饋，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全周期、全要素和全角色的在線協(xié)同管理。本系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面：

(1)計(jì)劃高效編制及項(xiàng)目建筑實(shí)時(shí)共享

用戶信息需求是參考咨詢工作的第一步，用戶在何種情況下提出信息需求，以何種方式提出信息需求，提出何種信息需求，都將直接影響到參考咨詢工作的全過程?，F(xiàn)代化圖書館工作重心已由原來的“以文獻(xiàn)為中心”、“以館員為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙苑?wù)為中心”，“以用戶為中心”，用戶的信息需求影響與制約著圖書館發(fā)展，同時(shí)也影響著用戶服務(wù)策略的制定。[4]根據(jù)用戶的需求去組織信息資源，提供個(gè)性化服務(wù)是圖書館轉(zhuǎn)變的重心。在圖書館個(gè)性化用戶服務(wù)建設(shè)中，應(yīng)以圖書館用戶需求為導(dǎo)向，為用戶提供最接近其個(gè)性特征的各種信息服務(wù)，以滿足用戶多樣化的需求。

圖6 SPCP/D計(jì)劃與文檔管理系統(tǒng)

可實(shí)現(xiàn)協(xié)同編制進(jìn)度計(jì)劃，設(shè)定參數(shù)，上傳相關(guān)文檔等功能。支持多方協(xié)同編制進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)時(shí)跟蹤、同步反饋，多專業(yè)(賬號(hào))和多地域查看項(xiàng)目最新進(jìn)展。

(2)文檔在線傳遞、儲(chǔ)存、全過程管理

對(duì)文檔、數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)共享、分發(fā)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目文檔可追溯。

(3)全方面提示及預(yù)警功能

在項(xiàng)目計(jì)劃中對(duì)WBS、里程碑和任務(wù)進(jìn)行預(yù)警，個(gè)人中心對(duì)用戶責(zé)任范圍內(nèi)的WBS和任務(wù)進(jìn)行提示與預(yù)警等。

圖7 數(shù)據(jù)解析流程示意圖

4 生產(chǎn)階段應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)解析

SPCI數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)自動(dòng)提取SPCS+PKPM、PlanBar等輸出的構(gòu)件設(shè)計(jì)模型，獲取構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸、強(qiáng)度、物料清單等，按體系標(biāo)準(zhǔn)重組生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備作業(yè)，無需二次翻模和人工處理圖紙。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)

本項(xiàng)目采用三一筑工的SPCS結(jié)構(gòu)技術(shù)專用生產(chǎn)線。對(duì)接設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，完成自動(dòng)化的生產(chǎn)，如圖7～8所示，主要生產(chǎn)流程包括以下四個(gè)方面：

(1)鋼筋自動(dòng)化加工。板構(gòu)件的網(wǎng)片鋼筋和墻構(gòu)件的梯子型鋼筋均可通過鋼筋焊接加工裝備一次成型，由鋼筋投放裝備運(yùn)輸?shù)街付üの贿M(jìn)行鋼筋布置；

(2)機(jī)器人布模與劃線。裝備讀取預(yù)制構(gòu)件的輪廓信息，由機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)布?；蛘咴谀Ｅ_(tái)上劃線，避免人工放線、布模，大大節(jié)省操作時(shí)間；

(3)埋件激光定位。通過激光定位儀將埋件的位置投影到模臺(tái)上，工人根據(jù)投影點(diǎn)放置相應(yīng)埋件和檢驗(yàn)埋件位置的準(zhǔn)確性；

(4)自動(dòng)布料與振搗。將BOM清單與加工數(shù)據(jù)一并導(dǎo)入到裝備系統(tǒng)中，根據(jù)混凝土體量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)布料，避免浪費(fèi)。

圖8 SPCS構(gòu)件生產(chǎn)流程圖

4.3 PCM生產(chǎn)管理系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用PCM生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PC構(gòu)件在排產(chǎn)、生產(chǎn)、質(zhì)檢、堆場(chǎng)、運(yùn)輸?shù)娜^程管理，如圖9所示。本系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

(1)計(jì)劃驅(qū)動(dòng)，生產(chǎn)過程可控。PCM用計(jì)劃驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)，用質(zhì)檢校驗(yàn)工藝，將生產(chǎn)情況及時(shí)反饋給管理人員；

(2)一件一碼，全程數(shù)字孿生。PCM采用一件一碼的管理方式，用標(biāo)簽綁定數(shù)字構(gòu)件與實(shí)體構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)同步；

(3)自動(dòng)報(bào)表，掌握工廠動(dòng)態(tài)。依靠生產(chǎn)管理、堆場(chǎng)管理和運(yùn)輸管理模塊中積累的基本運(yùn)行數(shù)據(jù)，PCM自動(dòng)匯總數(shù)據(jù)。

圖9 PCM生產(chǎn)管理系統(tǒng)

5 PCC施工管理系統(tǒng)

筑享云易吊裝(簡(jiǎn)稱：PCC)以吊裝施工為核心，提供基于構(gòu)件數(shù)據(jù)的施工模擬，要貨協(xié)同，進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，吊裝施工，一件一碼吊裝記錄，施工驗(yàn)收與整改等施工全過程管理，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件全生命周期追蹤溯源與BIM孿生交付。本產(chǎn)品提供WEB端與移動(dòng)端服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)同步上傳至平臺(tái)，有效提高裝配式建筑施工管理效率，產(chǎn)品界面如圖10所示。

圖10 PCC產(chǎn)品界面圖

6 結(jié)語

未來，建筑業(yè)應(yīng)當(dāng)加快推進(jìn)以創(chuàng)新為基礎(chǔ)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，推動(dòng)建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級(jí)，促進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。我認(rèn)為建筑業(yè)向智能建造和建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)還應(yīng)做好以下三個(gè)方面的工作：

(1)政府部門主導(dǎo)聯(lián)合各企事業(yè)制定行業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)范圍應(yīng)縱向貫穿覆蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、運(yùn)維全流程，統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳遞、儲(chǔ)存、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；

(2)軟件、平臺(tái)、裝備推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化發(fā)展。隨著國(guó)際形勢(shì)日趨緊張化，建筑的信息安全也面臨挑戰(zhàn)。現(xiàn)如今，建筑行業(yè)同其他行業(yè)一樣，一直存在軟硬件幾乎被國(guó)外壟斷的情況，核心技術(shù)被“卡脖子”，阻礙了國(guó)產(chǎn)化軟件、平臺(tái)、裝備的發(fā)展；

(3)跨界融合促進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用。加速推進(jìn)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，聯(lián)合互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、制造領(lǐng)域等跨行業(yè)的企業(yè)，借鑒其發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，助力建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。