裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系數(shù)字化建造技術(shù)探究

郭本余

(巢湖市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站,安徽 巢湖 238000)

0 引言

隨著城市化的不斷發(fā)展和人們對居住環(huán)境的要求不斷提高,傳統(tǒng)的建筑模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會的需求。作為新型建筑模式的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系因其具有輕質(zhì)、高強、綠色、環(huán)保等特點,越來越受到人們的關(guān)注和青睞。然而,裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在生產(chǎn)、設(shè)計、施工等方面仍存在一些問題,如生產(chǎn)效率低、精度不高、成本較高等。因此,采用數(shù)字化建造技術(shù)對其進行改進和優(yōu)化顯得尤為重要。數(shù)字化建造技術(shù)是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域的一項創(chuàng)新技術(shù),其應(yīng)用可以大大提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本、優(yōu)化設(shè)計等方面的性能。數(shù)字化建造技術(shù)采用計算機輔助設(shè)計、數(shù)字化加工、智能化控制等技術(shù)手段,實現(xiàn)了建筑生產(chǎn)的全流程數(shù)字化。

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中,數(shù)字化建造技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高構(gòu)件的生產(chǎn)精度和質(zhì)量,降低成本,優(yōu)化設(shè)計,改善施工環(huán)境,從而推動裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的發(fā)展和普及。因此,本文旨在探究裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系數(shù)字化建造技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)勢,為其進一步推廣和應(yīng)用提供一定的理論和實踐指導(dǎo)[1]。

1 工程概況與特點

巢湖映月灣小區(qū)位于巢湖市湖光路與健康西路交口,建設(shè)內(nèi)容包括安置住宅單體及地下車庫等,總建筑面積約9.8萬m2,項目由8棟高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅樓組成。該項目是巢湖市首個大型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)EPC項目,是安徽省裝配式建筑示范項目,全面踐行合肥市裝配式建筑“1+5”建造模式。該項目地上所有建筑均采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系建造,包括多棟高層住宅樓與多棟公共建筑(見圖1)。

住宅部分整體采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系建造,主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架支撐體系,外圍護墻采用蒸壓加氣混凝土墻板+保溫裝飾一體板,蒸壓加氣混凝土墻板采用內(nèi)嵌式安裝方式,將蒸壓加氣混凝土條板通過角鋼與鉤頭螺栓系統(tǒng)性地與樓面及鋼梁固定。各組件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工業(yè)化生產(chǎn)、現(xiàn)場施工裝配,有序組織施工的前提必然是數(shù)字化的技術(shù)在各個環(huán)節(jié)發(fā)揮作用,并且起到協(xié)調(diào)作用,這其中也包括各模塊的信息化留檔、信息化的質(zhì)量管理。

2 數(shù)字化建造技術(shù)概述

數(shù)字化建設(shè)技術(shù)是指建筑工程由傳統(tǒng)的設(shè)計手段、加工制造、施工方式,通過計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工程(CAE)等技術(shù)手段,向數(shù)字化、智能化、自動化轉(zhuǎn)變的生產(chǎn)方式。

在數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用中,很多人容易將數(shù)字化和BIM技術(shù)混為一談,數(shù)字化技術(shù)的本質(zhì)特征是將傳統(tǒng)的物質(zhì)世界轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信息世界。數(shù)字化技術(shù)通過將物質(zhì)實體信息轉(zhuǎn)化為二進制碼、數(shù)據(jù)流等數(shù)字化的信息形式,使物質(zhì)實體信息在數(shù)字化過程中得到充分應(yīng)用,如文檔、圖片、視頻等;然而,BIM技術(shù)是數(shù)字化技術(shù)的一種應(yīng)用方式,是指通過三維建模、協(xié)同管理等手段,將建筑設(shè)計、施工、運營等全過程所涉及的表達主體進行模型化的應(yīng)用基礎(chǔ)構(gòu)建,并賦予商業(yè)信息,以實現(xiàn)工程的一種數(shù)字化技術(shù)。數(shù)字化建設(shè)技術(shù)是一個比BIM技術(shù)更廣泛的概念,不僅包括BIM技術(shù),還包括VR/AR(Virtual Reality/Augmented Reality)、智能制造技術(shù)以及云計算等技術(shù)。

3 巢湖映月灣裝配式鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征

巢湖映月灣項目,采用工廠化生產(chǎn)、模塊化設(shè)計、現(xiàn)場組裝的鋼結(jié)構(gòu)體系。它將鋼結(jié)構(gòu)的制造和安裝過程工業(yè)化,通過數(shù)字技術(shù)設(shè)計、智能化制造和裝配化施工等先進技術(shù),實現(xiàn)了構(gòu)件的高精度制造、快速裝配和高質(zhì)量建造。以下為鋼結(jié)構(gòu)裝制造的主要特點:

1)工廠化生產(chǎn):在工廠生產(chǎn)加工的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,能夠保證構(gòu)件的精度和質(zhì)量。2)模塊化設(shè)計:采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,便于生產(chǎn)以及現(xiàn)場裝配。3)現(xiàn)場裝配:可大幅度縮短施工周期,提高施工效率的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件現(xiàn)場裝配。4)高精度制造:采用數(shù)字化設(shè)計、智能化制造工藝,能夠保證構(gòu)件的精度和質(zhì)量。5)高質(zhì)量建造:裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系具有耐腐蝕、抗震、抗風(fēng)、防火等特性,能夠保證建筑的質(zhì)量和安全性。6)環(huán)境友好:采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系可以減少建筑施工時的噪聲、粉塵等污染物排放,對環(huán)境友好。同時,輕型鋼構(gòu)件用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系,可循環(huán)使用,減少建筑廢棄物產(chǎn)生。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系可以根據(jù)建筑的需要進行靈活設(shè)計,滿足不同的建筑需求,采用先進的數(shù)字化設(shè)計技術(shù),可以根據(jù)建筑的形態(tài)和用途進行靈活設(shè)計,滿足了建筑的美學(xué)和功能需求,提高設(shè)計的效率和品質(zhì)。

4 數(shù)字化建造技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系中的優(yōu)勢

建造裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系項目需要一種比傳統(tǒng)建造方式更高效的建造方式,結(jié)合更高效的建造技術(shù),才能發(fā)揮裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系化的應(yīng)用優(yōu)勢[2],在項目中筆者發(fā)現(xiàn),數(shù)字化建造技術(shù)對于快速高效實施裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系有著極其重要的作用,其具有以下優(yōu)勢:

1)優(yōu)化設(shè)計:數(shù)字化建造技術(shù)可以對鋼結(jié)構(gòu)體系進行精細(xì)化設(shè)計,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能優(yōu)化。通過BIM技術(shù),在提高設(shè)計效率和質(zhì)量的同時,進行全過程的鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計。

2)智能制造:數(shù)字化制造工藝,可實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)部件制造智能化。采用數(shù)控加工和機器人技術(shù),可以提高制造精度和生產(chǎn)效率,降低人工成本和誤差率。

3)裝配化施工:數(shù)字化建造技術(shù)可以實現(xiàn)裝配化施工,使得鋼結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)場施工更加快速和精準(zhǔn)。通過數(shù)字化技術(shù),可以實現(xiàn)構(gòu)件的精確配對和拼裝,提高施工效率和質(zhì)量。

4)智能化運維:數(shù)字化的設(shè)計成果和建造過程,可以全維度地對設(shè)計信息和施工建造信息進行保留和回溯,基于數(shù)字化的成果,結(jié)合IoT技術(shù),對建筑物實現(xiàn)智能化的運維。

通過利用數(shù)字化建造的技術(shù)的綜合性優(yōu)勢,可以在建造過程中提高建造精度,例如結(jié)合BIM技術(shù)進行設(shè)計與智能制造,可以實現(xiàn)對構(gòu)件的精確設(shè)計和制造,保證構(gòu)件的尺寸精度和幾何精度。同時,數(shù)字化建造技術(shù)還可以實現(xiàn)構(gòu)件的精確拼裝,保證結(jié)構(gòu)的整體精度和穩(wěn)定性。

5 數(shù)字化建造技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用實例

5.1 數(shù)字化施工技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中的運用

在設(shè)計初期,利用數(shù)字化的設(shè)計工具,結(jié)合項目特點與應(yīng)用需求,通過關(guān)鍵詞趨化篩選出與項目最佳匹配的戶型庫中的戶型,篩選出標(biāo)準(zhǔn)戶型后對戶型庫進行平面排布,框定樓棟對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)層類型,結(jié)合各樓棟分布情況構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)戶型庫設(shè)計模型(見圖2),基于構(gòu)建的三維可視化標(biāo)準(zhǔn)戶型庫模型,實現(xiàn)建筑方案美觀的評估,借助數(shù)字化成果模型的參數(shù)化特征,對標(biāo)準(zhǔn)戶型庫的技術(shù)指標(biāo)進行評估,包括標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)建歸集和最優(yōu)截面的階梯分布,實現(xiàn)構(gòu)件層面、標(biāo)準(zhǔn)層級別的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,對機電管線的排布實現(xiàn)設(shè)計無碰撞、安裝無問題、使用最方便的結(jié)果,同時數(shù)字化技術(shù)還能夠?qū)⒖梢暬c指標(biāo)模型協(xié)調(diào)一致,同步調(diào)整,實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計,將設(shè)計成果趨于最優(yōu)[3]。綜管優(yōu)化與二維深化圖見圖3。

本項目需要采用鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)及蒸壓加氣混凝土條板深化設(shè)計的ALC外圍護墻,以固化設(shè)計模型為基礎(chǔ)進行各專項深化設(shè)計。在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計過程中,基于BIM設(shè)計模型,導(dǎo)出幾何線模型與幾何輪廓,線模型用于Tekla深化設(shè)計定位,幾何輪廓用于參照深化建模,補齊結(jié)點模型信息,即可高效率的完成基于數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(見圖4)。本項目全過程應(yīng)用建筑信息模型(BIM)技術(shù),為蒸壓加氣混凝土條板深化排版技術(shù)提供了較大的便利,眾所周知,相較于傳統(tǒng)的平面標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計方式,以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)手段的深化排版技術(shù)的應(yīng)用,可以實現(xiàn)ALC板材的精細(xì)化設(shè)計,精準(zhǔn)排版可以為后續(xù)的精準(zhǔn)切割和快速安裝提供技術(shù)支持,通過明細(xì)表與模型聯(lián)動,實現(xiàn)拆分與損耗的動態(tài)分析,實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化性,節(jié)約了板材與人工。

5.2 數(shù)字化建造技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系制造中的應(yīng)用

在Tekla中完成主體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造圖生成工作,基于數(shù)字化的深化設(shè)計成果,按照數(shù)控機床的加工要求導(dǎo)出對應(yīng)的數(shù)控機床解析文檔NC文件,將NC文檔發(fā)送到數(shù)控機床,在數(shù)控機床操作臺打開NC文檔,進行數(shù)字化加工作業(yè),實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的自動化制造,需要注意,NC文件中的參數(shù)務(wù)必同數(shù)控機床的加工參數(shù)相一致(見圖5)。

隨著焊接機器人技術(shù)的日臻完善,作為自動化設(shè)備的焊接機器人可以通過編程對焊接過程進行控制,提高生產(chǎn)效率,減少人工誤差,同時通過數(shù)字化模型保證焊接質(zhì)量的一致性,從而與傳統(tǒng)的手工焊接相比,能夠準(zhǔn)確地確定焊接的位置和尺寸,BIM+焊接機器人可以實現(xiàn)焊接過程的一致性。能夠?qū)崿F(xiàn)焊接效率更高、精準(zhǔn)度更高的全過程數(shù)字化,從設(shè)計到加工制造,再到提高焊接成品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

5.3 數(shù)字化建造技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系施工中的應(yīng)用

5.3.1 施工場地三維布置與模擬

基于BIM技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化施工三維場布與模擬,即借助于BIM技術(shù)手段將映月灣項目施工現(xiàn)場進行三維可視化構(gòu)建(見圖6),在工程項目開工前的準(zhǔn)備階段,施工布置作為施工組織設(shè)計的一個重要部分,對項目建設(shè)有著重要作用[4]。將周邊環(huán)境、場地環(huán)境、施工設(shè)施等臨時設(shè)施通過數(shù)字化的手段進行模擬布置和優(yōu)化,以實現(xiàn)施工平面的科學(xué)布置,并將施工場布過程中的堆場信息整合應(yīng)用,形成可視化的施工場布模型,以便于施工過程中的現(xiàn)場空間管理與協(xié)調(diào)。

數(shù)字化的技術(shù)手段使得施工場布布置更貼近于真實的施工空間,同時對施工現(xiàn)場的空間資源以及施工情況進行真實化的映射,模型的可視化特性可以對現(xiàn)場的布置和構(gòu)件的安裝更加直觀和易于理解。

5.3.2 數(shù)字化技術(shù)施工進度模擬

將施工部署落實到BIM技術(shù)構(gòu)建的三維模型中,包括進度計劃和資源計劃,利用BIM技術(shù)可以檢測施工過程中的空間,避免施工過程中的工序沖突問題,提高施工效率。對施工模擬過程中的資源進行跟蹤,特別是對投入成本較高的重型機械,利用BIM技術(shù)可視化模擬施工進度(見圖7),可以更好地節(jié)約施工資源的投入[5]。圍繞數(shù)字化手段構(gòu)建的施工進度模擬,可以實現(xiàn)項目管理層對施工進度的更新排布和優(yōu)化,提高施工效率和準(zhǔn)確率,節(jié)約施工建造的成本,減少施工風(fēng)險,進而保證施工的整體質(zhì)量和安全性、可靠性。

5.3.3 施工重難點工藝模擬

傳統(tǒng)的施工工藝也是相對完善的,但是在裝配式項目中,由于其體系化、系統(tǒng)化的問題,導(dǎo)致很多節(jié)點做法復(fù)雜,特別是新技術(shù)的應(yīng)用比例較多,同時,傳統(tǒng)的施工工藝也由于其傳播媒介的問題導(dǎo)致其工藝的傳遞性較差,而且不具備模擬性,基于BIM技術(shù)的數(shù)字化工藝模擬技術(shù),可以對重難點復(fù)雜的施工工藝進行模型搭建(見圖8),賦予模型工序信息,形成工藝模型多媒體資料,不論是在工藝驗證和優(yōu)化方面,還是工藝的可視化交底上,數(shù)字化的手段優(yōu)勢都是相當(dāng)明顯的,因此在裝配式鋼結(jié)構(gòu)項目中,數(shù)字化的施工重難點工藝模擬技術(shù)可以說是體系必不可少的一部分。

6 展望

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系工程,是一種以工業(yè)化生產(chǎn)方式為基礎(chǔ)的建造模式,其特點是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn),現(xiàn)場高效組裝的模式,施工速度快、質(zhì)量高,綠色環(huán)保不僅是其優(yōu)點,更是對裝配式工程建設(shè)的要求,因此,BIM技術(shù)所構(gòu)建的數(shù)字化技術(shù)體系是裝配式建筑必不可少的“合作伙伴”,BIM技術(shù)所構(gòu)建的數(shù)字化技術(shù)體系在裝配式建筑工程的數(shù)字化管理和協(xié)調(diào)中,越來越多地發(fā)揮重要的作用。

巢湖映月灣裝配式住宅小區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)支撐為主體結(jié)構(gòu),圍護結(jié)構(gòu)采用蒸壓加氣混凝土條板作為應(yīng)用方案,是近年來裝配式鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的范例,具有很好的啟發(fā)作用,該組合技術(shù)也在逐步發(fā)展,在項目建設(shè)過程中應(yīng)用了數(shù)字化的技術(shù)手段,涵蓋了設(shè)計、加工、施工等各個階段。實現(xiàn)了設(shè)計的技術(shù)驗證和完善,對項目管理進行協(xié)調(diào),雖然在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了一些問題,但通過實踐和技術(shù)更新仍在逐步完善,本文通過數(shù)字化技術(shù)手段,對ALC相關(guān)的排版深化、精度控制、現(xiàn)場技術(shù)管理等方面提出了自己的實踐方法,相信隨著實踐項目的增多,設(shè)計、加工制造、現(xiàn)場作業(yè)階段中數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用將更加系統(tǒng)和完善,可以發(fā)揮其更好的施工優(yōu)勢。