BIM：開(kāi)啟智慧建造新時(shí)代

近年來(lái)，工廠化預(yù)制加工和現(xiàn)場(chǎng)拼裝組合的施工方式，獲得了很大進(jìn)步，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，也大大提高了施工效率和安全性。在未來(lái)的5-10年內(nèi)，BIM技術(shù)與數(shù)字化加工集成的技術(shù)將成為建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)之一，推動(dòng)我國(guó)的建筑行業(yè)向精細(xì)化、批量定制化、信息化生產(chǎn)方向發(fā)展。

將BIM模型用于數(shù)字化加工，可以通過(guò)工廠精密機(jī)械自動(dòng)完成建筑物構(gòu)件的預(yù)制加工，制造出來(lái)的構(gòu)件誤差小，預(yù)制構(gòu)件制造的生產(chǎn)率也可大幅度提高。同時(shí)，建筑中的許多構(gòu)件可以異地加工，然后運(yùn)到建筑施工現(xiàn)場(chǎng)，裝配到建筑中，如門窗、整體衛(wèi)浴、預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等構(gòu)件。這樣的應(yīng)用過(guò)程使得整個(gè)建造的工期縮短并且容易掌控。

數(shù)字化是將不同類型的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字，然后將這些數(shù)字保存在適當(dāng)?shù)哪Ｐ椭?，再將模型引入?jì)算機(jī)進(jìn)行處理的過(guò)程。數(shù)字化加工則是在應(yīng)用已經(jīng)建立的數(shù)字模型基礎(chǔ)上，利用生產(chǎn)設(shè)備完成對(duì)產(chǎn)品的加工。制造業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量在近半個(gè)世紀(jì)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，生產(chǎn)成本大大降低，其中重要原因之一就是利用了數(shù)字化加工技術(shù)。

BIM+數(shù)字化加工 保質(zhì)提效

BIM與數(shù)字化加工集成意味著將BIM模型中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化加工所需的數(shù)字模型，使設(shè)備根據(jù)該模型進(jìn)行數(shù)字化加工。為此，一般需要通過(guò)特定的步驟，從BIM模型中提取加工作業(yè)所需要的尺寸、數(shù)量等參數(shù)，并轉(zhuǎn)換成規(guī)定的格式后直接傳輸?shù)郊庸ぴO(shè)備。當(dāng)加工設(shè)備接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后，會(huì)按照設(shè)定的工序和工步組合和排序，自動(dòng)選擇材料、模具、配件和用料數(shù)量，計(jì)算每個(gè)工序的機(jī)動(dòng)時(shí)間和輔助時(shí)間，形成加工計(jì)劃，并按計(jì)劃進(jìn)行加工。

BIM與數(shù)字化加工的集成應(yīng)用不僅貫穿建筑部品部件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程，而且涉及企業(yè)的設(shè)備布置、生產(chǎn)計(jì)劃、成本分析等多個(gè)方面，目前已經(jīng)形成一些特定的集成模式。在傳統(tǒng)的建筑工程中，建筑部品部件在露天環(huán)境下人工操作完成。這種模式暴露出一些問(wèn)題：一方面現(xiàn)場(chǎng)施工條件差、管理難度大、產(chǎn)生大量的建筑垃圾，鋼材、混凝土、木材等建筑材料浪費(fèi)嚴(yán)重，為防止工程質(zhì)量和安全事故等問(wèn)題，需要付出相當(dāng)大的精力進(jìn)行管理；另一方面人工成本逐年增大，熟練和半熟練技術(shù)工人越來(lái)越缺乏，“用工荒”的出現(xiàn)導(dǎo)致工人工資大幅提高，人員流動(dòng)性大，迫使工程成本增大。

采用BIM與數(shù)字化加工的集成方法，則可通過(guò)信息系統(tǒng)，即BIM與自動(dòng)化生產(chǎn)線集成應(yīng)用系統(tǒng)，將BIM模型導(dǎo)入到自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)在工廠中生產(chǎn)建筑部品部件。其原理是BIM模型中包含了尺寸信息，通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件即可從中自動(dòng)提取這些信息，以規(guī)定格式的數(shù)據(jù)文件輸出，再將其導(dǎo)入數(shù)字化加工設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工。

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工在工程項(xiàng)目竣工后，還有大量的后期維護(hù)、保修工程等工作，同時(shí)，一些北方地區(qū)的施工周期短，施工效率低。這些問(wèn)題都要求建筑業(yè)思考和探索如何改變傳統(tǒng)施工方法，采用工業(yè)化生產(chǎn)流水線方式，保證住宅建設(shè)質(zhì)量，提高施工效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善施工環(huán)境，避免安全事故，減少資源浪費(fèi)和提高經(jīng)濟(jì)效益。

中民筑友有限公司長(zhǎng)沙產(chǎn)業(yè)園就采用先進(jìn)的信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)P C預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流水線設(shè)備并用于生產(chǎn)PC預(yù)制件，此生產(chǎn)線包含了兩條循環(huán)流水線布置在24米的廠房?jī)?nèi)，內(nèi)墻板與外墻板混合生產(chǎn)，生產(chǎn)線上臺(tái)模尺寸為9米× 3.5米，養(yǎng)護(hù)窯含有90個(gè)庫(kù)位，可放置90塊臺(tái)模。單條線的生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間為15分鐘（以后最快達(dá)10分鐘），合線部分生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間為7.5分鐘（以后最快達(dá)5分鐘）。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)BIM系統(tǒng)和MES系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程的傳輸，預(yù)設(shè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)或者現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)匯集到BIM設(shè)計(jì)模型，然后生成相關(guān)的工程量清單（清單包括各種參數(shù)，如產(chǎn)品類型、種類、數(shù)量及原材料數(shù)目、種類和生產(chǎn)節(jié)拍等）通過(guò)MES系統(tǒng)轉(zhuǎn)換格式并輸出到現(xiàn)場(chǎng)控制的各個(gè)單元，生產(chǎn)完成后的實(shí)際參數(shù)會(huì)通過(guò)固定的接口重新返回到BIM模型中并重新設(shè)計(jì)調(diào)整，至此開(kāi)始下一個(gè)周期循環(huán)。

單個(gè)運(yùn)行周期可細(xì)分以下幾個(gè)階段，一是BIM軟件建模和拆模 ，在使用BIM軟件進(jìn)行建模之前，設(shè)計(jì)師會(huì)先做兩部分工作：首先是設(shè)計(jì)框架，即依據(jù)工程CAD圖紙或者三維模型搭建框架，讀取這些通常為DXF/DWG/IFC格式的設(shè)計(jì)文件，并可以智能分析預(yù)制構(gòu)件。其次是設(shè)置參數(shù)，即根據(jù)不同的產(chǎn)品類型和其元素關(guān)系進(jìn)行具體參數(shù)設(shè)置。完成上述工作后，便可以生成相關(guān)模型并為下一步拆模做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。

二是MES系統(tǒng)的過(guò)程處理。首先是產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入和優(yōu)化，以建筑信息模型圖紙為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為核心組織產(chǎn)品的工程數(shù)據(jù)，管理與產(chǎn)品相關(guān)的靜態(tài)信息（包括零部件信息、CAD文件）和工藝路線。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理以物料清單（BOM,Bill of Material）為管理手段，系統(tǒng)提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分級(jí)維護(hù)功能。為了讓?xiě)?yīng)用層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠識(shí)別設(shè)計(jì)軟件預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)，MES系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，輸出相對(duì)應(yīng)的文件格式到現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)。其次是實(shí)時(shí)監(jiān)控，過(guò)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)訂單、生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況從粗到細(xì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要?jiǎng)澐譃楫a(chǎn)品訂單監(jiān)控、綜合計(jì)劃監(jiān)控、生產(chǎn)作業(yè)監(jiān)控三個(gè)邏輯層面，為管理人員提供所需的生產(chǎn)過(guò)程信息，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的透明管理。再次是生產(chǎn)控制，通過(guò)可配置的生產(chǎn)方案和路徑優(yōu)化來(lái)控制循環(huán)過(guò)程，主控計(jì)算機(jī)會(huì)監(jiān)控工廠的實(shí)際狀況并根據(jù)生產(chǎn)方案狀態(tài)來(lái)將托模從一個(gè)工位送至下一個(gè)工位，直至該托模的預(yù)設(shè)工序全部正常完成。

三是中控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程控制及現(xiàn)場(chǎng)管理。中控系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺(tái)，使用戶能夠及時(shí)有效地獲取信息，及時(shí)地做出反應(yīng)，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。系統(tǒng)可以對(duì)生產(chǎn)線上的設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視并且可以用圖表格式顯示到主屏幕，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所采集到的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，用多種方式列表對(duì)這些數(shù)據(jù)提供保存、查詢等并上傳到MES系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

建成后的生產(chǎn)線適用于平面混凝土預(yù)制品，比如實(shí)心墻板、實(shí)心樓板、疊合墻板、疊合樓板、三明治板、外掛板等。目前此生產(chǎn)線已經(jīng)進(jìn)入試生產(chǎn)階段，主要生產(chǎn)內(nèi)墻板和外墻板這兩個(gè)混凝土預(yù)制產(chǎn)品。

采用BIM技術(shù)融入到工業(yè)化生產(chǎn)流水線方式，縮短了生產(chǎn)周期，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。這種新模式打破了傳統(tǒng)建造方式受工程作業(yè)面和氣候的影響，在工廠里可以成批次的重復(fù)制造，使高寒地區(qū)施工告別“半年閑”。

BIM技術(shù)融入到工業(yè)化生產(chǎn)流水線方式解決了生產(chǎn)線信息共享問(wèn)題。從事不同崗位的工程管理員可以從這個(gè)模型中拿出各自需要的信息，既能指導(dǎo)實(shí)際工作又能將相應(yīng)工作的成果更新到模型中，使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息做出正確理解和高效共享，從而起到了提升項(xiàng)目管理水平、縮短管理鏈條、提高效率、降低建造成本的作用。

將BIM技術(shù)融入到工業(yè)化生產(chǎn)流水線方式，是建筑業(yè)提高工業(yè)化水平、建造效率與建造質(zhì)量的重要手段與必然趨勢(shì)。建設(shè)的住宅與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，全面提升了住宅的綜合質(zhì)量和品質(zhì)。每一工程由于采用預(yù)制裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)，所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)裝配化施工，基本消除了墻體常見(jiàn)的滲漏、開(kāi)裂、空鼓等質(zhì)量通病，實(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)精度偏差以毫米計(jì)算，偏差基本小于0.1%，室內(nèi)空間舒適度有了明顯提高。

BIM+數(shù)字化加工 多方協(xié)同

BIM在管線預(yù)制加工中應(yīng)用的核心在于提取和集成BIM數(shù)據(jù)，形成預(yù)制加工全過(guò)程的BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，基于該BIM數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)與建模，并將深化設(shè)計(jì)、預(yù)制加工、材料管理、物流運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工等各工作環(huán)節(jié)有效鏈接；各參與方在終端進(jìn)行信息的錄入和修改，并在云端進(jìn)行信息的集成，實(shí)現(xiàn)多參與方協(xié)同合作。

管線預(yù)制加工中BIM與數(shù)字化加工的集成原理主要包括三個(gè)方面，一是BIM數(shù)據(jù)提取及集成。通過(guò)建立有效的協(xié)同平臺(tái)，規(guī)范數(shù)據(jù)的讀取以及錄入，建立BIM數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)施階段根據(jù)需要從BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中提取有用的信息，設(shè)計(jì)處理完成后將數(shù)據(jù)再集成到BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，保證數(shù)據(jù)的一致性，避免了傳統(tǒng)模式中的重復(fù)性工作以及工序間的信息缺失。

二是BIM的管道半自動(dòng)化設(shè)計(jì)。采用自動(dòng)建模與手動(dòng)建模相結(jié)合的BIM建模方式，通過(guò)創(chuàng)建構(gòu)件部品部件庫(kù)，梳理優(yōu)化管道拼裝原則，實(shí)現(xiàn)模塊化BIM模型的自動(dòng)繪制，在自動(dòng)建模的基礎(chǔ)上同時(shí)也提供用戶手動(dòng)修改的途徑，實(shí)現(xiàn)高效且靈活的建模方式。設(shè)計(jì)完成后，可根據(jù)需要自動(dòng)導(dǎo)出料表及深化設(shè)計(jì)后的成套圖紙。此種方式跟傳統(tǒng)方式相比大大減少了深化設(shè)計(jì)以及出圖的工作量，提高了深化設(shè)計(jì)的效率。

三是狀態(tài)可視化標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)。在工程中預(yù)制管段、支架以及管組的設(shè)計(jì)狀態(tài)是非常重要的指標(biāo)，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)完的管段、支架和管組著不同顏色來(lái)區(qū)分。具體做法是：建立了構(gòu)件實(shí)體在不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下的顏色狀態(tài)標(biāo)識(shí)表，不同階段的設(shè)計(jì)操作人員結(jié)合顏色狀態(tài)標(biāo)識(shí)表錄入信息，及時(shí)將管線所處的設(shè)計(jì)狀態(tài)顯示在管理平臺(tái)中，此種做法比傳統(tǒng)的管控更加直觀快捷，方便全過(guò)程的及時(shí)管控。

由于宜家的業(yè)主對(duì)綠色施工、文明施工要求高，要求盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，以及該項(xiàng)目支吊架和管道都采用二次鍍鋅工藝，按傳統(tǒng)工藝加工裝配后再鍍鋅，成本壓力大。此外，項(xiàng)目工期緊、機(jī)電安裝工程體量大，工期履約要求高，提高預(yù)制加工效率需求強(qiáng)。

同時(shí)，工廠化的預(yù)制加工也存在一定的問(wèn)題，如預(yù)制加工前后各個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)性弱、信息易傳遞錯(cuò)誤，直接影響工程設(shè)計(jì)、加工、物流、倉(cāng)儲(chǔ)、安裝的有序可控。結(jié)合目前BIM技術(shù)的發(fā)展，只有采用BIM技術(shù)解決這些問(wèn)題，才能使工廠化預(yù)制、項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)施成為可能。

為實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的預(yù)制加工綜合管理，本工程通過(guò)開(kāi)發(fā)基于BIM技術(shù)的工廠化預(yù)制加工系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱BIM-FC系統(tǒng)），改變傳統(tǒng)的手動(dòng)建模方式，實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的支架與管道模型的快速設(shè)計(jì)與建模，并以該系統(tǒng)為核心，將深化設(shè)計(jì)、預(yù)制加工、材料管理、物流運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工等各工作環(huán)節(jié)有效鏈接，實(shí)現(xiàn)多參與方協(xié)同合作。同時(shí)，將該系統(tǒng)與BIM信息管理集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備工程預(yù)制加工和裝配組合的綜合信息化管理。

首先需要依據(jù)機(jī)電設(shè)備、管道設(shè)計(jì)藍(lán)圖進(jìn)行精確地建模。建模可結(jié)合自動(dòng)建模以及手動(dòng)建模進(jìn)行。為便于將已建好的模型在BIM-FC系統(tǒng)中再進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、預(yù)制加工應(yīng)用，模型需要建立精確。特別是針對(duì)管廊、機(jī)房等部位，僅需把固定支架設(shè)置的具體部位進(jìn)行標(biāo)記，在BIM-FC系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別定位，作為管組支架等設(shè)計(jì)的分割點(diǎn)。

在BIM-FC系統(tǒng)中打開(kāi)BIM模型后，進(jìn)入到深化設(shè)計(jì)子模塊，對(duì)需要預(yù)制的管道進(jìn)行劃分。在BIM-FC系統(tǒng)中，用不同的顏色標(biāo)識(shí)來(lái)區(qū)別構(gòu)件是否已設(shè)計(jì)劃分完畢。在應(yīng)用前期，需要分析各類支架的特點(diǎn)、常用形式，并整理支架用型鋼力學(xué)數(shù)據(jù)，把此類數(shù)據(jù)歸納整理成算法融入BIM-FC系統(tǒng)中。在BIM-FC系統(tǒng)中打開(kāi)基礎(chǔ)模型后，進(jìn)入到支架設(shè)計(jì)、管組設(shè)計(jì)應(yīng)用。在應(yīng)用BIM-FC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程中，以平面設(shè)計(jì)操作為主。另開(kāi)設(shè)一個(gè)三維窗口查看，確保所見(jiàn)即所得地進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)。

圍繞BIM-FC系統(tǒng)的工廠化施工流程主要包括設(shè)計(jì)、加工、物流、倉(cāng)儲(chǔ)、裝配的動(dòng)態(tài)工程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)完的工作著不同顏色來(lái)區(qū)分，加工后的數(shù)據(jù)反饋回BIM-FC系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)記。通過(guò)后臺(tái)授權(quán)系統(tǒng)，給予每個(gè)用戶不同權(quán)限，通過(guò)掃描構(gòu)件二維碼，出現(xiàn)對(duì)應(yīng)界面來(lái)處理相應(yīng)業(yè)務(wù)。用戶處理完流程后，構(gòu)件自動(dòng)改變顏色和屬性。例如，庫(kù)管員掃描構(gòu)件后，出現(xiàn)入庫(kù)選項(xiàng)，流程辦理完成，BIM模型中構(gòu)件顏色發(fā)生變化，屬性由物流狀態(tài)變?yōu)槿霂?kù)狀態(tài)。

相比傳統(tǒng)預(yù)制加工模式，BIM-FC系統(tǒng)整體自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的快速支架設(shè)計(jì)、管組設(shè)計(jì)，生成加工料表，但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜處的支架設(shè)計(jì)還需要人工調(diào)整。

BIM+數(shù)字化加工 改變傳統(tǒng)建造方式

與傳統(tǒng)的建筑部品部件加工方法相比，BIM與數(shù)字化加工集成應(yīng)用帶來(lái)顯著的核心價(jià)值。BIM與數(shù)字化加工的集成應(yīng)用為建筑業(yè)工業(yè)化實(shí)現(xiàn)了信息的高效創(chuàng)建、精細(xì)管理和準(zhǔn)確傳遞，同時(shí)，基于BIM模型的三維設(shè)計(jì)、裝配模擬、采購(gòu)、制造、運(yùn)輸、存放、安裝的全程跟蹤為建筑工業(yè)化過(guò)程管理提供了很好的手段。利用BIM模型數(shù)據(jù)和自動(dòng)化生產(chǎn)線的自動(dòng)集替代傳統(tǒng)的“二維圖紙-深化圖紙-加工制造”流程，提高了數(shù)字化加工的效率。

采用工業(yè)化生產(chǎn)方式，節(jié)能降耗效果顯著。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，通過(guò)采用工業(yè)化生產(chǎn)方式，若預(yù)制率達(dá)到了90%以上，則施工現(xiàn)場(chǎng)模板用量減少85%以上，現(xiàn)場(chǎng)腳手架用量減少了50%以上，鋼材節(jié)約2%，混凝土節(jié)約7%，抹灰工程量節(jié)約50%，節(jié)水40%以上，節(jié)電10%以上，耗材節(jié)約40%，管理費(fèi)用節(jié)約50%，項(xiàng)目綜合造價(jià)大約節(jié)省15%以上，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

新的模式打破了傳統(tǒng)建造方式受工程作業(yè)面和氣候的影響，在工廠里可以成批次的重復(fù)制造。以建設(shè)一棟30多層的普通高樓為例，傳統(tǒng)方式要建兩年，采用BIM與自動(dòng)化生產(chǎn)線集成應(yīng)用技術(shù)則當(dāng)年可建成，大大縮短建設(shè)周期。另外，在建造成本方面，新的造價(jià)比傳統(tǒng)方式節(jié)約15%以上，而人工則降低至原來(lái)的60%左右。

相比傳統(tǒng)預(yù)制加工模式，BIM與管線預(yù)制加工集成應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的快速支架設(shè)計(jì)、管組設(shè)計(jì)，生成加工料表。在生產(chǎn)要素方面，可實(shí)現(xiàn)加工集中，材料零部件匹配性強(qiáng)，損耗少，廢料循環(huán)利用，單位平方米出碴量大大降低；機(jī)械工廠化，加工精度高。在質(zhì)量方面，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化加工，流水作業(yè)，質(zhì)量控制好。在成本方面，可以做到管組材料成本提高15%左右，人工成本降低50%以上。在環(huán)保方面，可以利用管道自動(dòng)焊，工廠化加工，設(shè)計(jì)合理，能耗少，集中噴砂除銹、噴漆處理，環(huán)境影響小。