基于BIM技術的大體量冷卻塔模塊化施工技術的研究

李文錦，謝曉峰，林 谷，唐開永，李春余

（1、廣州市第三建筑工程有限公司 廣州 510050；2、廣州建筑股份有限公司 廣州 510030）

廣州市某超高層綜合樓位處由珠江新城-金融城-琶洲總部區(qū)組成的“金三角”經濟發(fā)展帶，其機電安裝工程體量大，工期緊，施工管件等構配件種類繁多，型號各異，施工空間不規(guī)則，難以進行標準件復制，施工難度高，工期緊及質量把控難度大。該項目采用BIM 技術指導現(xiàn)場施工的管理模式，冷卻塔作為機電安裝重點質量把控部位，也是BIM 指導施工應用的關鍵部位。冷卻塔是冷卻水系統(tǒng)中一個重要的設備，其運行性能將對冷凝器的換熱有直接影響，從而對整個空調系統(tǒng)的運行效率產生影響［1］?，F(xiàn)場安裝18 臺冷卻塔，該項目冷卻塔安裝體量龐大，研究BIM技術指導冷卻塔集成模塊化施工方法將對其它類似項目有非常大的借鑒作用。利用BIM 技術研究在三維模式下進行模擬建造，對冷卻塔及其大管徑管線進行模擬安裝，對狹小空間內的大管徑管線進行精密模擬及相似部位管段進行模塊化設計預制安裝。利用BIM 技術虛擬建造模擬冷卻塔施工，實現(xiàn)冷卻塔及其大管徑管線模塊化設計施工。

BIM 技術指導施工現(xiàn)場機電安裝實現(xiàn)機電模塊化的施工方法作為目前較為先進的方法之一，為BIM技術+裝配式施工打好技術應用基礎及技術推進，實現(xiàn)BIM 技術指導現(xiàn)場模塊化施工具有以下優(yōu)點：制定先進的施工方案，施工方案可行性高；降低施工錯誤率，提高施工成品質量，降低施工工人技術要求；能進行批量施工作業(yè)，方便施工管理。具有傳統(tǒng)方法無法比擬的巨大優(yōu)勢，是目前建筑行業(yè)理論與實踐的研究熱點，也是未來建筑業(yè)的發(fā)展趨勢［2］。實際應用中存在造價，設備與技術知識儲備，管理人員水平等因素的制約，但整體實踐施工效果理想，安裝質量及成品效果優(yōu)異。近年來BIM 技術都受到各級政府的大力支持，機電安裝應用作為BIM 技術突出應用點在各大型政府項目施工管理中扮演重要角色［3］，但冷卻塔模塊化施工依然很少有實際應用案例，也沒有相應的理論分析，通過查閱文獻，目前還未見BIM 技術指導冷卻塔管線模塊化施工相關方面的系統(tǒng)介紹。因此結合當前工程實踐現(xiàn)狀，分析該方法的應用及項目管理情況非常必要。

1 工程概況

廣州市某超高層綜合樓位于廣州市天河區(qū)，規(guī)劃建設用地面積8 897.96 m2，建筑面積111 009.42 m2，建筑物高度為139.6 m。建筑設4 層地下室，地上32 層。建筑結構形式為框剪結構。該項目為施工總承包項目，能充分發(fā)揮施工單位在工程建設過程中的主導作用。基于超高層工程工期緊，功能復雜，施工難度大，施工技術要求高，使用BIM 技術做指導施工。項目管理采用以BIM 技術為主導，以BIM 建模出圖-三維技術交底-現(xiàn)場施工檢查的管理模式［4］。本項目冷卻塔系統(tǒng)設備機房設在屋面層，設備管線密集且管線管徑大，總共設置18臺冷卻塔，其中12臺開式冷卻塔，6臺閉式冷卻塔。

2 BIM+模塊化技術模擬建造

2.1 優(yōu)化整體管線排布及走位設計

根據冷卻塔機組構件參數(shù)及設計圖紙，利用BIM技術對冷卻塔進行三維定位及管線安裝三維模擬。結合廠家參數(shù)及BIM 三維模型對冷卻塔構件進行三維組裝模擬。冷卻塔由工廠構件預制，現(xiàn)場構件組裝施工工藝，對應每個構件制定具體的安裝位置和拼接順序，施工前的三維構件預拼接可以充分考慮冷卻塔與土建安裝空間關系［5］。經BIM 技術結合土建模型發(fā)現(xiàn)土建框架梁安裝空間不足，無法滿足安裝條件，對冷卻塔進行構件尺寸優(yōu)化，平面定位優(yōu)化及三維漫游，最終中間原有6 臺尺寸6 500×4 700×4 400 開式冷卻塔改為9 臺尺寸為5 530×3 210×4 808 開式冷卻塔，容量由600 m3/h 改為400 m3/h，整個屋面放置18 臺冷卻塔，其中12臺開式冷卻塔如圖1?所示，6臺閉式冷卻塔如圖1?所示，現(xiàn)場安裝如圖2所示。

圖1 冷卻塔Fig.1 Cooling Tower

圖2 現(xiàn)場施工Fig.2 Site Construction

2.2 確定模塊化施工部位

BIM 對冷卻塔機組及附屬管線進行整體三維施工模擬，冷卻塔機組體積龐大，冷卻塔配套管線安裝屬于大管徑管線（管徑最大DN450）施工，安裝空間有限，施工工期緊張，施工難度大，綜合樓項目專業(yè)管線多，管線設計難度高，如何確定最合理管線三維排布方案是一大難點，采用BIM+模塊化設計能快速提高管線安裝效率，優(yōu)化冷卻塔內走管式方案，管線與冷卻塔的接駁口由原來的管徑DN250 改為管徑DN150，對多專業(yè)間管線密集處進行管線模塊化設計，18臺冷卻塔設計18處模塊化管線安裝部位，出具三維深化設計圖，如圖3 所示，確定最優(yōu)平面布置方案如圖4 所示，使得管線安裝施工精度及施工效率得到顯著提高，極大的減少管線安裝作業(yè)對焊接空間的依賴，現(xiàn)場焊接作業(yè)明顯減少。

圖3 冷卻塔管線綜合Fig.3 Cooling Tower Pipeline Synthesis

圖4 管線走位模擬及模塊化設計Fig.4 Pipeline Alignment Simulation and Modular Design

2.3 深化BIM模型構件

冷卻塔預制管段的加工、預制和焊接有嚴格的要求，這也就對BIM 模型的精度規(guī)定非常高，所以在深化BIM 模型構件之前，要對預制加工的管件規(guī)格尺寸進行一定程度上的了解。通常BIM 建模手段是使用企業(yè)自有積累的族庫模型，但是模塊化構件每一個都需單獨進行深化設計，如圖5所示。

圖5 預制構件規(guī)格Fig.5 Specification of Prefabricated Components

2.4 預制式管道模塊化拆分成組

為方便預構件工廠進行預制，提高各環(huán)節(jié)的轉運效率及便于現(xiàn)場安裝，需要對已通過BIM 深化的管道根據一定的邏輯進行模塊化整合或拆分，并對各模塊模組逐一編碼排序，使其能按照預設好的工序進行后續(xù)的裝配式（法蘭盤安裝）安裝施工。

BIM 技術可以快速模擬冷卻塔的施工過程，根據冷卻塔的施工特點及時制定相應的措施，提前規(guī)避風險，提前做好施工準備的人力及物力，實現(xiàn)工作間的無縫銜接。傳統(tǒng)的施工管理中依據二維圖紙及施工方案，需要實時跟進現(xiàn)場施工進度，難以準確把控現(xiàn)場步驟，現(xiàn)場跟進難度較大，對于施工現(xiàn)場及項目管理層間的及時溝通協(xié)調難度較大，不利于實時施工管理的把控。BIM 實時模擬施工現(xiàn)場進度情況，保證現(xiàn)場進度與三維模型一致，如圖6所示。

圖6 施工現(xiàn)場進度模擬Fig.6 Construction Site Schedule Simulation

2.5 導出模塊化加工設計圖

第一步：分割整合模塊化模組；第二步；利用WBS（Work breakdown structure 工作分解結構）工具對模組的安裝步驟邏輯進行解構，完成邏輯順序對接論證；第三步：經過數(shù)次的現(xiàn)場測量及現(xiàn)場數(shù)據確認，細化調整模塊化構件參數(shù)，最終確定加工設計圖紙并導出圖紙到工廠下單生產；第四步：確?，F(xiàn)場空間位置與模塊化構件尺寸能逐一對應吻合，同時做好調節(jié)余量的預留，方便現(xiàn)場調整。

2.6 現(xiàn)場管道裝配安裝流程

受限于作業(yè)面空間狹小，施工工藝難度高，工程量大，成本造價高，現(xiàn)場18 臺冷卻塔及其附屬管線安裝采用模塊化預制管線現(xiàn)場組裝形式，現(xiàn)場18臺冷卻塔其附屬管線管徑分2 種，由BIM 技術模擬同種型號的冷卻塔附屬管線預制模塊化施工部位，BIM 出三維模型分析每段管預制尺寸及預制具體位置（BIM 出圖），冷卻塔管線模塊安裝施工工藝流程如下：第一步：預制模塊化構件1并與冷卻塔現(xiàn)場法蘭連接；第二步：現(xiàn)場大管徑主管焊接并預留法蘭盤；第三步：預制模塊化構件與預留法蘭盤組裝連接，如圖7 所示。在工廠預制好相應的附屬管段及模塊化部件，然后在施工現(xiàn)場與冷卻塔進行組裝，18 臺冷卻塔預制18 個模塊化管道組件，最后在現(xiàn)場與設備組裝在一起，如圖8 所示。采用模塊化管線安裝的施工工藝減少了現(xiàn)場施工作業(yè)面窄，不利于工人焊接作業(yè)的問題，又提高了工作效率及保障了成品質量。

圖7 BIM模塊化施工模擬Fig.7 BIM Modular Construction Simulation

圖8 現(xiàn)場施工結果Fig.8 Site Construction Results

2.7 冷卻塔模塊化施工算量把控

傳統(tǒng)的施工管理模式屬于二維的管理模式，BIM技術施工管理屬于多維度的施工管理模式，從圖紙設計，施工進度到工程算量信息多維度施工管理。冷卻塔構件及其附屬管線可利用BIM 技術快速統(tǒng)計不同類別不同尺寸的工程量，針對模塊化施工的管線構件能非?？焖俚慕y(tǒng)計不同類型構件的數(shù)量，有利于成本預控。本項目模塊化構件1 工程量預制72個，模塊化構件2 工程量預制18 個，模塊化構件3 工程量預制18。管徑DN150 的法蘭盤統(tǒng)計需要216 個，管徑DN250 的法蘭盤統(tǒng)計需要144 個（僅統(tǒng)計冷卻塔及其附屬管線部位）。

3 結果與分析

3.1 模塊優(yōu)化施工對提高施工質量的影響

從圖9 體現(xiàn)出來的管道連接一致性及整齊性可知，結合BIM 技術采用同軸心設計法對同類管線及閥件進行排布并做管道模塊化設計，然后通過BIM 技術出的模塊化加工圖進行生產預制，經過加工運輸，最后預制管段的焊接組裝，閥門模塊及管道模塊的安裝應對上加工圖的標記號［6］。現(xiàn)場管道安裝配對時，不能出現(xiàn)強行對接、偏斜、錯口或偏心等情況。這樣不僅保證了模塊化管道裝配過程中對精度的把控，而且一定程度上保證了管道的整齊美觀。

圖9 模塊化管道連接拼裝Fig.9 Assembly of Modular Pipe Connections

3.2 模組優(yōu)化施工對加快施工進度的影響

采用BIM+模塊化施工方式，與傳統(tǒng)冷卻塔設備管線施工相比，現(xiàn)模式可將傳統(tǒng)施工模式下先后施工工序轉變?yōu)槠叫惺┕つＪ剑礄C電管件配件在工廠預制生產難以影響現(xiàn)場其它機電安裝準備的工作，不僅有利于保證工期的實現(xiàn)，而且避免了多專業(yè)機電管線交叉施工的影響，通過錯開而形成的多平行的作業(yè)面方式施工，加快了施工進度，提高了項目的管理質量和效率。

3.3 模組優(yōu)化施工對提升現(xiàn)場工程管理水平及先進創(chuàng)新性的影響

在模塊化施工起始階段前，采用BIM 出三維模塊化設計施工圖的方式清晰呈現(xiàn)各材料工件的具體型號，使班組人員在現(xiàn)場作業(yè)開始前對材料規(guī)格有更直觀的認識，降低了安裝出錯造成質量誤差的風險，同時對管道系統(tǒng)進行順序編號，理順施工步驟，優(yōu)化工序，提高了效率。也利于提高安裝過程中各管道之間的裝配精度，大大提升冷卻塔及其附屬管線設備整體安裝效益和質量。施工前充分落實對新技術虛擬建造成果技術交底，管道安裝工作一步步分解，利于讓管理人員及施工人員充分認識新技術的優(yōu)勢及先進的管理模式，讓現(xiàn)場工程管理能力的先進創(chuàng)新性顯著提升。

4 結果與討論

⑴相較于前人的研究，采用BIM 技術出裝配加工圖的方式配合預制管道的加工和安裝，模組優(yōu)化有利于管道模塊的精準下料和精度控制［7］；對于難連接及不確定的部位和管道，采用安裝自由段和通過活套法蘭的方法，相比起傳統(tǒng)工藝更有利于消除制造及安裝過程中產生的累計誤差［8］。

⑵相較于傳統(tǒng)大管徑管線焊接，工藝要求高，施工難度大，僅依靠工人的手藝無法保證每條焊縫的質量效果。對于經驗豐富，技術功底扎實的焊工在狹小的空間內也很難做到每條焊縫質量符合要求，且拖慢進度，采用BIM+模塊化設計施工，在工廠提前預制加工，效率更高，成品質量更好，施工成品效果更加美觀?，F(xiàn)場管線安裝前管段預先進行工廠預制，現(xiàn)場模塊化部位管段直接進行法蘭組裝，利用工廠預制現(xiàn)場組裝，從而減少橫焊、立焊或仰焊等不利環(huán)境的施工情況，降低施工技術難度，降低對工人的技術要求，提高施工效率，提高成品質量。

⑶BIM+模塊化施工技術適用于大型綜合樓項目、綜合型醫(yī)療項目、現(xiàn)代裝配式項目、工廠批量預制化項目［9］。特別適用于復雜大型綜合樓項目和綜合型的醫(yī)療項目。不僅實現(xiàn)了冷卻塔管道施工部品部件的設計模塊化、而且使現(xiàn)場施工更加便捷、高效，成品質量更高，節(jié)省成本7 萬元，縮短施工工期15 d，經濟效益和社會效益顯著。