基于SLP 方法與BIM 技術的馬鞍制梁場布局探究

張 磊

(中鐵十八局集團第二工程有限公司,河北唐山 064099)

隨著我國高速鐵路網的逐漸完善,高速鐵路橋梁的數(shù)量也在不斷增加。截至2019 年年底,國內高速鐵路運營里程超過35 000 km,其中一萬多座的高速鐵路橋梁總長約為16 000 km,占運營里程的45.7%[1]。在修建橋梁的過程中,預制梁是關系到橋梁質量、施工進度和工程成本的重要構件,因此需要重點關注預制梁的生產過程。

制梁場是預制梁的生產加工場地,為了滿足場地平面布置需求,須對制梁場進行科學合理的規(guī)劃。目前常用的場地布置方法較為主觀,大多在實踐經驗的基礎上,根據(jù)各種設計手冊自主擬定或參照類似場地,在實際運用中部分場地布置方法缺乏定量分析與科學依據(jù)。

因此,本項目引入SLP 方法對馬鞍制梁場各個功能區(qū)之間的關系進行研究分析,并結合BIM 技術,在設計階段進行方案優(yōu)化,達到降低工程成本、減少安全隱患的目的。同時為制梁場的布置提供科學依據(jù),從而優(yōu)化布局效果。

1 SLP 方法與BIM 技術概述

1.1 SLP 方法

SLP 方法是由美國人理查德·繆瑟(Richard Muther)在實際工作中結合理論基礎與布局設計經驗提出的一個系統(tǒng)、完整的施工場地總平面圖布置流程方法。

SLP 方法條理清晰、邏輯性強,可分析場地中各功能區(qū)之間的物流關系和非物流關系,并經過對比評價后得到合理的場地布置形式。該方法最早被應用于布置工廠場地,現(xiàn)已被廣泛應用于生產制造領域。

1.2 BIM 技術

BIM 即建筑信息模型,是對建筑進行信息化、數(shù)字化的集成應用[2]。通過對BIM 三維技術進行施工技術交底,并模擬重要施工過程,能確保施工安全、順利、有序地進行[3]。對SLP 方法得到的方案進行BIM 建模,檢查場地應用是否合理,并對不同專業(yè)的相關建筑信息進行匯總,這有利于不同部門之間的協(xié)同工作。

1.3 SLP 方法實施步驟

主要通過以下步驟實施SLP 方法。

(1) 收集和準備原始資料。SLP 方法有5 個要素:R(生產路線)、T(時間安排)、Q(產量)、S(輔助部門)、P(產品)。利用原始資料對作業(yè)單位進行功能區(qū)劃分,通過分解和合并各作業(yè)單位,得到合理的功能分區(qū)結果[4]。

(2) 分析各功能區(qū)之間的相互關系。相互關系包括物流關系、非物流關系,以及綜合考慮兩種關系后使用加權法求得的綜合關系。

(3) 繪制功能區(qū)相互關系圖。利用加權得到的綜合關系圖繪制各功能區(qū)之間的位置相關圖[5]。

(4) 計算各功能區(qū)的占地面積,結合場地實際情況,繪制面積相關圖,得到多個可行方案。

(5) 方案評價與決策。使用合理的評價方法對可行方案進行單獨評價和聯(lián)合對比,然后利用BIM 軟件建立模型,消除功能區(qū)之間的碰撞和交叉,確定方案實施計劃。

2 SLP 方法模型構建與工程應用

2.1 工程概況

馬鞍制梁場工程場地位于四川省南充市儀隴縣馬鞍鎮(zhèn)鋼鐵村,漢巴南高速鐵路DK96+920～DK97+220 線路前進方向右側。場地地形呈中間低、四周高態(tài)勢,整體共占地約9.2×104m2。經勘探,場地土層由上至下分別為第四系人工耕植土層、第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質黏土層、下伏侏羅系上統(tǒng)遂寧組砂巖層。

該制梁場承擔包括土寨溝大橋、曾家溝大橋等在內的共35 座橋梁的405 榀箱梁預制任務,其供應線路范圍為DK82+270～DK134+193,該范圍含跨度31.5 m 的雙線箱梁345 榀、跨度23.5 m 的雙線箱梁43 榀、跨度31.5 m 的單線箱梁12 榀、跨度24.5 m的單線箱梁5 榀,生產時間共計350 d。馬鞍制梁場位于馬鞍高速路路口,該線所經區(qū)域公路網發(fā)達,沿線分布多條高速公路干線。

2.2 SLP 方法在制梁場中的應用

2.2.1 作業(yè)需求

根據(jù)施工現(xiàn)場平面布置的總體特點,對鐵路施工中的制梁場情況進行綜合研究和分類,提出鐵路建設施工中制梁場的總體作業(yè)主要有以下3 個方面[6]。

(1) 建筑構件生產作業(yè)。其主要包括箱梁制作、箱梁存放以及箱梁裝車作業(yè)。

(2) 輔助建筑構件生產作業(yè)。其主要包括建筑材料的存放以及混凝土拌制、運輸和試驗檢測,同時還包括部分零構件(如鋼構件、鋼絞線等)的存儲以及化石燃料的燃燒等內容。

(3) 施工管理人員生產生活配套作業(yè)。

2.2.2 制梁場工程概況及功能區(qū)劃分

根據(jù)制梁場的作業(yè)需求分析,本項目共劃分為9 個功能區(qū):存梁區(qū)、制梁區(qū)、鋼筋加工存放區(qū)、砂石料區(qū)、混凝土攪拌區(qū)、倉庫、辦公室、實驗室以及生活區(qū)。此外,本應包含在功能區(qū)內的場內運輸?shù)缆钒l(fā)揮著連接各功能區(qū)的作用,與其他功能區(qū)之間不存在物流關系或非物流關系,因此不對場內運輸?shù)缆愤M行后續(xù)物流關系和非物流關系的分析。

2.2.3 制梁場功能區(qū)物流關系分析

在本項目中,制梁場各功能區(qū)之間的物流強度等級主要是通過分析不同功能區(qū)和作業(yè)單位之間的施工工藝聯(lián)系、建筑要求以及施工生產建筑構配件的物流強度來確定[7]。物流強度等級分別用符號A、E、I、O、U 表示,依次代表的強度值為4、3、2、1、0,物流強度等級如表1 所示。

表1 物流強度等級

物流強度等級由專家評定并結合現(xiàn)場工程實際情況最終確定。以制梁區(qū)和鋼筋加工存放區(qū)之間的物流關系為例,分析其物流強度等級。由于鋼筋是預制梁的原材料之一,鋼筋加工存放區(qū)和制梁區(qū)之間的聯(lián)系非常密切。從施工成本及運輸安全的角度考慮,制梁區(qū)和鋼筋加工存放區(qū)之間的距離越近,搬運成本和安全風險就越低,所以這兩個功能區(qū)之間的物流強度超高,用強度等級符號A 表示。根據(jù)物流強度等級對制梁場各功能區(qū)的物流關系進行繪制,各功能區(qū)物流關系如圖1 所示。

圖1 各功能區(qū)物流關系

2.2.4 制梁場功能區(qū)非物流關系分析

在不同功能區(qū)之間除物流關系以外,還存在非物流關系,本項目主要從各功能區(qū)的人員交流、環(huán)境噪聲、質量安全、構件流動等方面分析它們之間的非物流關系等級,功能區(qū)密切程度主要影響因素如表2 所示。非物流強度等級同樣用符號A、E、I、O、U 表示,依次代表的強度值為4、3、2、1、0,非物流關系等級如表3 所示。

表2 功能區(qū)密切程度主要影響因素

表3 非物流關系等級

非物流關系等級同樣由專家評定并結合現(xiàn)場工程實際情況最終確定。以辦公室和制梁區(qū)之間的非物流關系為例,兩個功能區(qū)之間的人員交流和構件流動關系密切程度雖然較低,但為保證工程進度和施工安全,它們之間的非物流關系為密切,用等級符號Ⅰ表示。各功能區(qū)非物流關系如圖2 所示,圖中非物流關系等級符號右側的數(shù)字表示對應的主要影響因素編號。

圖2 各功能區(qū)非物流關系

2.2.5 制梁場功能區(qū)綜合關系分析

通過對功能區(qū)之間的物流關系和非物流關系的調研分析,得出在施工現(xiàn)場布局時,物流關系對工程的實際影響程度稍大于非物流關系對工程的影響程度,因此在進行各功能區(qū)綜合關系分析時,取物流強度和非物流強度的權重比例為1.5 ∶1。功能區(qū)綜合關系計算如表4 所示,各功能區(qū)綜合關系如圖3 所示。

圖3 各功能區(qū)綜合關系

表4 功能區(qū)綜合關系計算

2.2.6 位置相關圖繪制

根據(jù)制梁場各功能區(qū)的相互關系進行分析,在不考慮制梁場各功能區(qū)的面積影響因素及布局方式等限制條件下,兩個功能區(qū)之間的關系等級越高,表示相關單位之間的聯(lián)系越緊密,功能區(qū)位置相關圖如圖4 所示,功能區(qū)序號之間的連接線越多表示關系等級越高。

圖4 功能區(qū)位置相關圖

2.2.7 布局方案設計

結合功能區(qū)位置相關圖,綜合考慮制梁場的地形結構限制及不同作業(yè)單位之間工作性質的影響(如干濕作業(yè)區(qū)須分離),得出兩種制梁場場地布置方案,方案1 平面布置如圖5 所示,方案2 平面布置如圖6 所示。

圖5 方案1 平面布置

圖6 方案2 平面布置

2.2.8 制梁場功能區(qū)布局方案確定

1) 加權要素分析法

在使用加權要素分析法判定最優(yōu)方案時,首先要對制梁場的若干重要指標進行判斷識別,影響施工進度方面的主要指標有建筑材料及構配件的搬運、施工工藝流程;影響項目成本方面的主要指標有管理便利程度;影響項目安全方面的主要指標有安全管理與污染處理。

綜合確定評價指標后,采用專家打分法對制梁場布局評價指標進行打分,賦予每一個評價指標相應權重,越重要的指標分數(shù)越高。

2) 布局方案評比

方案評比計算如表5 所示。

表5 方案評比計算

對布局方案進行評比,方案1 得分更高。方案1 的材料搬運路徑避開了生活區(qū),有效減少安全隱患,材料運輸路徑更短,并且可避免二次搬運,運輸更加方便,運輸成本可降低9%,因此方案1 的布置更好。

3 BIM 技術在制梁場中的應用

BIM 技術與SLP 方法的結合應用,既可以有效解決SLP 方法只能得到二維布局且不能驗證空間布置是否存在三維空間下碰撞沖突的問題,又可以在得到最優(yōu)場地布局方案之后將原有的二維圖紙轉換為三維模型,通過BIM 三維模型提高施工現(xiàn)場的三維可視化管理能力[8],還可使項目各方都清晰了解制梁場布局,加強各方溝通與聯(lián)動。同時,可提高施工現(xiàn)場平面布置設計的效率,合理布局,避免施工現(xiàn)場出現(xiàn)二次搬運及運輸碰撞問題,有效降低工程成本并減少安全隱患。

3.1 參數(shù)化模型族庫的建立

根據(jù)分析得到合理的制梁場布局方案,利用BIM 技術對場內各功能區(qū)的構件進行參數(shù)化建模,使模型可以根據(jù)項目需求進行參數(shù)修改,減少因設計變更等引起的重復建模問題。在模型尺寸發(fā)生變化時,只需要對族庫中對應模型文件的參數(shù)修改,并重新載入制梁場的場布模型中,即可更新模型信息。

3.2 制梁場場地布置模型的建立

根據(jù)施工組織要求確定各功能區(qū)的面積大小,結合場地布置原則及標準將族庫中的模型布置到制梁場場地內。以制梁區(qū)為例闡述模型布置面積的確定:以最大需求值作為本項目應具有的最大產量,從而得到所需制梁臺的數(shù)量,之后計算制梁臺所占場地面積,并考慮在生產施工過程中工作人員所需要的工作面積和制梁區(qū)與相鄰功能區(qū)的位置關系,最終進行制梁區(qū)的面積計算和模型布置。存梁區(qū)、鋼筋加工存放區(qū)等功能區(qū)布置方法也可由此得出。場地布置方案如圖7 所示。

圖7 場地布置方案

3.3 碰撞檢查

制梁場的碰撞檢查區(qū)別于普通工程項目檢查,在制梁場中不僅會出現(xiàn)場內機電管線碰撞沖突,還可能因提梁機起吊等不同工作內容之間構件的碰撞引發(fā)安全問題。

通過BIM 技術可實現(xiàn)機電管線的碰撞檢查,在發(fā)現(xiàn)管線沖突后可實現(xiàn)快速定位,對沖突的管線進行優(yōu)化調整,使用Navisworks 軟件對場內車輛運輸、構件起吊等工作進行模擬并觀察是否發(fā)生碰撞,并可由該軟件直接返回到Revit 模型中,對構件位置進行調整。通過BIM 技術能有效地在設計階段減少安全隱患并降低返工次數(shù),為項目施工提供便利。

4 結語

結合SLP 方法與BIM 技術對馬鞍制梁場的場地布局進行合理規(guī)劃,通過量化不同功能區(qū)之間的緊密程度及加權要素的方法確定布局方案,再結合BIM 技術明確功能區(qū)的面積以及臨時設施、施工機械的位置等,并實現(xiàn)三維可視化管理。SLP 方法與BIM 技術在制梁場的場地布置綜合應用中的優(yōu)勢如下。

(1) SLP 方法可以彌補BIM 技術無法確定布局方案、只能在設計階段進行翻模的缺陷,通過SLP方法確定各功能區(qū)的相對位置后,可以直接使用BIM 技術進行模型布置,使BIM 技術在設計階段得到充分應用。

(2) BIM 技術可以彌補SLP 方法二維布置上的不足,通過BIM 技術可以明確制梁場中各施工機械在三維空間上是否存在交叉碰撞的現(xiàn)象。

實例證明,SLP 方法和BIM 技術的應用為制梁場的場地布置提供了科學、合理的參考依據(jù),保證了預制梁的生產安全,提高了生產效率,可為類似制梁場場地布置提供借鑒。