基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)研究與應(yīng)用

李解

隨著BIM技術(shù)和數(shù)字化建造技術(shù)的迅速發(fā)展，將BIM技術(shù)與數(shù)字化建造技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為行業(yè)趨勢(shì)，“工廠預(yù)制+現(xiàn)場(chǎng)快速裝配”已成為機(jī)電工程行業(yè)的新模式。傳統(tǒng)BIM模型在完成設(shè)計(jì)、詳圖階段后，已不滿足制造、安裝、運(yùn)維等階段的需要。本文對(duì)如何實(shí)現(xiàn)基于BIM的數(shù)字化建造，需要在BIM全生命周期的不同階段，提供該階段所需的BIM數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)全生命周期各階段的BIM數(shù)據(jù)互通和無縫傳遞進(jìn)行了研究。

一、基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)框架

BIM的核心是數(shù)據(jù)，基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)在工程全生命周期（包括設(shè)計(jì)、詳圖、制造、安裝、運(yùn)維各個(gè)階段）進(jìn)行無損傳遞和高效利用。

1.基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)的主要支撐軟件

圖1 基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)的主要支撐軟件

其中Revit軟件用于模型創(chuàng)建，同時(shí)利用其預(yù)制構(gòu)件服務(wù)、設(shè)計(jì)到預(yù)制等功能；Fabrication系列軟件主要有CADmep、CAMduct、ESTmep等，CADmep可以基于AtuoCAD進(jìn)行預(yù)制加工模型設(shè)計(jì)及出圖；CAMduct用于板金展開，余量管理，導(dǎo)出預(yù)制加工數(shù)據(jù)，如CNC、TXT等格式文件，可寫入包括等離子切割機(jī)、激光切割機(jī)、切刀系統(tǒng)、路由器等多種類型的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)；ESTmep用于材料成本、損耗的核算，人工費(fèi)用的核算。）

2.基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)的主要支撐硬件

BIM電腦、風(fēng)管全自動(dòng)生產(chǎn)線、螺旋風(fēng)管機(jī)、橢圓風(fēng)管機(jī)、等離子切割機(jī)、多功能咬口機(jī)、共板法蘭機(jī)、角碼機(jī)、全自動(dòng)角鋼法蘭生產(chǎn)線、合縫機(jī)、便攜式合縫機(jī)、新型射釘槍、相貫線切割機(jī)、相貫線焊機(jī)、全位置管/管自動(dòng)焊機(jī)、橋架自動(dòng)化生產(chǎn)線、3D掃描儀、放樣機(jī)器人、VR等。

3.共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫

基于Revit、Fabrication、BIM集成管理平臺(tái)、數(shù)字化加工基地設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)二次加工及快速裝配設(shè)備，創(chuàng)建共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫。該共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫主要包含：風(fēng)管、水管、橋架、設(shè)備、支吊架等，并根據(jù)水暖電系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分，共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫基于廠商信息和規(guī)范要求，滿足制造精度要求。

圖2 共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫

4.基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)

基于共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用Autodesk Revit、Autodesk Fabrication系列軟件（CADmep、CAMduct、ESTmep等）和二次開發(fā)軟件，在設(shè)計(jì)、詳圖、制造、安裝、運(yùn)維階段實(shí)現(xiàn)基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造。

設(shè)計(jì)階段（LOD100-200）：利用Revit及二次開發(fā)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和模型創(chuàng)建；

圖3 BIM+建造=智造 基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)

詳圖階段（LOD300-400）：利用放樣機(jī)器人、3D掃描儀等測(cè)量設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)、裝修、幕墻等機(jī)電相關(guān)專業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，對(duì)機(jī)電管線模型進(jìn)行二次深化。將機(jī)電Revit模型轉(zhuǎn)換為共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫中的預(yù)制加工模型，根據(jù)數(shù)字化加工設(shè)備加工要求，進(jìn)行自動(dòng)分段，設(shè)置支吊架，對(duì)機(jī)電管線進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)預(yù)制加工構(gòu)件進(jìn)行編碼。根據(jù)預(yù)制加工模型進(jìn)行BIM出圖（綜合管線圖、剖面圖、三維安裝示意圖）。

制造階段（LOD400）：將預(yù)制加工模型導(dǎo)入Fabrication軟件中，生成預(yù)制加工數(shù)據(jù)（CNC、加工圖紙、構(gòu)件清單、成本清單等文件）。將預(yù)制加工數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)字化加工基地，通過U盤等將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字化加工設(shè)備中，進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，并張貼二維碼，錄入加工、驗(yàn)收、運(yùn)輸信息。

安裝階段（LOD400）：將到場(chǎng)的預(yù)制加工構(gòu)件進(jìn)行掃碼驗(yàn)收，根據(jù)三維安裝示意圖及清單，將預(yù)制加工構(gòu)件運(yùn)輸至指定區(qū)域（如需進(jìn)行部分二次加工的構(gòu)件，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二次加工）。根據(jù)三維裝配圖紙、支吊架定位信息，結(jié)合放樣機(jī)器人、快速支吊架安裝設(shè)備、升降設(shè)備，將預(yù)制加工構(gòu)件進(jìn)行快速裝配。并用放樣機(jī)器人對(duì)已安裝機(jī)電管線進(jìn)行復(fù)核，掃碼驗(yàn)收。

運(yùn)維階段（LOD500）：利用BIM集成管理平臺(tái)，完善模型竣工信息，用于運(yùn)維管理。

二、項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐

1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介

鞍山百腦匯科技廣場(chǎng)工程是鞍山市地標(biāo)性建筑，地下五層、地上三十九層的超高層單塔樓建筑，屬大型城市綜合體，其中B5-B1F為停車場(chǎng)，1-10F為裙房商業(yè)，11-12F、14-20F為凱悅酒店，21-29F為公寓，31-38F為辦公，39F為云頂餐廳，13F、30F為設(shè)備層，總建筑面積132445.84m2，地上建筑總高度168.80m，為鞍山市的“第一高度”。

2.項(xiàng)目難點(diǎn)

難點(diǎn)1：該工程為機(jī)電總承包工程，層高較低，裝修標(biāo)高較高，管線綜合排布困難；

圖4 鞍山百腦匯科技廣場(chǎng)工程BIM模型

難點(diǎn)2：項(xiàng)目處于市中心，施工場(chǎng)地狹??；垂直運(yùn)輸困難；安全文明施工方面存在噪聲、施工垃圾、火災(zāi)、機(jī)械傷害等隱患；人工進(jìn)行材料加工效率低、廢品率高、誤差大、觀感不佳；風(fēng)管、橋架等加工過程中板材損耗較高；現(xiàn)場(chǎng)人工焊接存在沙眼、未焊透、未融合等問題；加工設(shè)備現(xiàn)有下料軟件未能有效使用BIM模型數(shù)據(jù)。

難點(diǎn)3：物資管理過程中，由于機(jī)電工程設(shè)備及材料種類、型號(hào)繁多，物資工程量計(jì)算及物資采購困難、存在人為誤差，施工過程中物資管控困難；工廠預(yù)制加工及現(xiàn)場(chǎng)裝配過程中，安全質(zhì)量管控及進(jìn)度把控難度大；運(yùn)營(yíng)維護(hù)過程中，由于設(shè)備資料較多，不便于物業(yè)進(jìn)行快速故障分析及維修；BIM應(yīng)用全生命周期各階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行統(tǒng)一高效管理。

3.項(xiàng)目BIM技術(shù)應(yīng)用

除了在二次深化與建模、碰撞檢查及調(diào)整、施工工藝和方案模擬、無人機(jī)、VR、進(jìn)度管理、工程量統(tǒng)計(jì)、成本管理等方面的常態(tài)化應(yīng)用之外，本項(xiàng)目中基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐主要包括：基于BIM的二次深化及出圖、基于BIM的數(shù)字化加工與安裝、基于BIM的集成管理平臺(tái)三個(gè)方面。接下來結(jié)合鞍山百腦匯項(xiàng)目，介紹該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況。

4.基于BIM的二次深化及出圖

針對(duì)難點(diǎn)1，基于Revit平臺(tái)快速創(chuàng)建建筑結(jié)構(gòu)模型、機(jī)電模型和幕墻、裝修等相關(guān)專業(yè)模型并深化，可根據(jù)需要在施工前協(xié)調(diào)相關(guān)單位對(duì)建筑結(jié)構(gòu)等進(jìn)行修改，以利排布，保證乃至提高裝修標(biāo)高；根據(jù)數(shù)字化加工設(shè)備創(chuàng)建與之匹配的共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫，利用Revit軟件將風(fēng)管、橋架、水管等機(jī)電模型轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫中的預(yù)制加工模型（亦可直接創(chuàng)建預(yù)制加工模型），進(jìn)行BIM出圖和預(yù)制加工；深化圖紙審批通過后對(duì)預(yù)制加工模型進(jìn)行自動(dòng)分段，根據(jù)實(shí)際預(yù)制加工情況對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置支吊架。

5.基于BIM的數(shù)字化加工與安裝

針對(duì)難點(diǎn)2，創(chuàng)建數(shù)字化加工基地，將現(xiàn)場(chǎng)加工轉(zhuǎn)移至加工廠；精細(xì)化建模，利用物資軟件進(jìn)行精確算量，將數(shù)字化加工基地生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行編碼，快速準(zhǔn)確運(yùn)輸至相應(yīng)的安裝區(qū)域；將大部分人工加工轉(zhuǎn)移至數(shù)字化加工基地進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，將預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝；現(xiàn)場(chǎng)加工部分通過采用便攜式全位置自動(dòng)焊機(jī)、便攜式合縫機(jī)等設(shè)備進(jìn)行加工；利用Revit、Fabrication系列軟件和BIM集成管理平臺(tái)進(jìn)行控制和優(yōu)化。對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行修改，將設(shè)備所用軟件改為Fabrication系列軟件與Revit進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；建立物資編碼體系，研發(fā)BIM集成管理平臺(tái)行管理；將密集區(qū)域焊接管道轉(zhuǎn)移至加工廠進(jìn)行預(yù)制加工，其余焊接管道通過便攜式全位置自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，同時(shí)可以對(duì)工廠預(yù)制加工管道成品對(duì)接處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)焊接。

接下來以機(jī)電工程中體量最大的風(fēng)管、水管、橋架為例進(jìn)行介紹

（1）風(fēng)管數(shù)字化加工與安裝工作流程

可對(duì)按材質(zhì)（鍍鋅板、不銹鋼板、碳鋼板、復(fù)合板等）、不同連接方式（共板法蘭、角鋼法蘭）或不同截面形式（矩形、圓形、橢圓形）的各種風(fēng)管進(jìn)行加工，以鍍鋅板矩形共板法蘭風(fēng)管為例。

①二次深化與建模，利用Revit預(yù)制零件功能將LOD300模型轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)OD400深度的預(yù)制加工模型并自動(dòng)分段；

②統(tǒng)一編碼，以方便實(shí)際應(yīng)用為原則，確定風(fēng)管編碼，通過中鐵BIM物資插件生成二維碼。利用中鐵BIM物資插件導(dǎo)出二維碼及物資清單；

③預(yù)制加工

利用插件，將預(yù)制加工模型以MAJ格式導(dǎo)出至CAMduct軟件，并對(duì)公司信息、板材、保溫、咬口、法蘭、生產(chǎn)設(shè)備等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置；

繼續(xù)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)段及異形件按最優(yōu)排布方式進(jìn)行一鍵排布，將展開的板片排布在預(yù)設(shè)定的板材上；

選擇Write NC命令，將鍍鋅鋼板上的排布信息導(dǎo)出成數(shù)控機(jī)床數(shù)字化程序代碼（CNC文件）。根據(jù)不同廠家設(shè)備需要，亦可生成TXT等其他格式文件。通過View NC命令，對(duì)板材切割情況進(jìn)行模擬，模擬無誤，生成排料單；

將物資清單、二維碼、CNC文件、排料單發(fā)送至數(shù)字化加工基地。為提高生產(chǎn)效率，將物資清單中的標(biāo)準(zhǔn)直線段清單導(dǎo)入全自動(dòng)風(fēng)管生產(chǎn)五線進(jìn)行生產(chǎn)，利用合縫機(jī)、角碼機(jī)進(jìn)行加工；非標(biāo)準(zhǔn)直線段和異形件通過等離子切割機(jī)等設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，根據(jù)排料單中板材信息，進(jìn)行板材下料，將CNC文件通過U盤導(dǎo)入等離子切割設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)切割、編碼，利用咬口機(jī)、共板法蘭機(jī)、合縫機(jī)、角碼機(jī)進(jìn)行加工。加工完成后進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，張貼二維碼。

④裝車運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)快速拼裝

根據(jù)編碼將風(fēng)管預(yù)制成品運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)指定樓層、區(qū)域，結(jié)合三維安裝示意圖和安裝清單進(jìn)行拼裝。

（2）管道數(shù)字化加工與安裝工作流程

通過采用BIM技術(shù)，可對(duì)焊接、法蘭、卡箍、絲接、承插、卡壓、熱熔、膠粘等各種連接方式的管道進(jìn)行預(yù)制建模并加工生產(chǎn)。以安裝量最大、技術(shù)要求最高的“焊接連接”為例：

①二次深化與建模

②Revit模型轉(zhuǎn)換為預(yù)制加工模型

選擇“設(shè)計(jì)到預(yù)制”命令將Revit模型轉(zhuǎn)換為預(yù)制加工模型。選擇優(yōu)化長(zhǎng)度命令完成管道的自動(dòng)分段?？筛鶕?jù)實(shí)際需要，對(duì)管道參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，并設(shè)置支吊架。

③自動(dòng)分段

根據(jù)預(yù)制需要，將管道進(jìn)行自動(dòng)分段，可將密集區(qū)管線及管件設(shè)置為預(yù)制段。

④統(tǒng)一編碼

以方便實(shí)際應(yīng)用為原則，確定管道編碼，通過中鐵BIM物資插件生成二維碼及物資清單（預(yù)算清單及實(shí)際下料清單）。

⑤）工廠預(yù)制與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制

工廠預(yù)制加工：管線密集區(qū)域焊接管道可以轉(zhuǎn)移至加工廠進(jìn)行預(yù)制加工，加工成品運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)通過法蘭或者焊接拼裝?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)制加工：其余管道預(yù)制及焊接（如標(biāo)準(zhǔn)層、管道豎井等區(qū)域）可通過便攜式自動(dòng)焊機(jī)去指定區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制加工，將預(yù)制加工構(gòu)件與管道進(jìn)行自動(dòng)焊接。本工程便攜式自動(dòng)焊機(jī)選用全位置管/管自動(dòng)焊接系統(tǒng)，主要應(yīng)用于管道與管道、管道與管件、管道與法蘭之間的焊接。

（3）橋架數(shù)字化加工與安裝工作流程

將BIM技術(shù)與橋架自動(dòng)化生產(chǎn)線等數(shù)字化加工設(shè)備相結(jié)合，統(tǒng)一編碼規(guī)則，通過采用Revit和Fabrication系列軟件，導(dǎo)出預(yù)制加工數(shù)據(jù)，發(fā)送至數(shù)字化加工基地進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行組裝作業(yè)（對(duì)橋架標(biāo)準(zhǔn)直線段、非標(biāo)準(zhǔn)直線段及異形件進(jìn)行組裝），避免現(xiàn)場(chǎng)二次加工造成橋架保護(hù)層的破壞，同時(shí)降低材料成本、提高生產(chǎn)效率。

（4）機(jī)電工程其他材料數(shù)字化加工

除風(fēng)管、管道、橋架之外，同樣可實(shí)現(xiàn)排風(fēng)罩、風(fēng)帽、消聲器、靜壓箱、風(fēng)管調(diào)節(jié)閥門、風(fēng)管防火閥門、方圓型散流器、鋁合金百葉風(fēng)口系列、配電箱、配電柜、成品支吊架、定制支吊架的數(shù)字化加工與安裝。

三、BIM集成管理平臺(tái)

針對(duì)難點(diǎn)3，建立統(tǒng)一編碼體系，研發(fā)中國(guó)中鐵BIM集成管理平臺(tái)，包括族庫、安全、質(zhì)量、進(jìn)度、物資等模塊，通過Revit插件端、移動(dòng)APP端、Web管理端在BIM應(yīng)用各個(gè)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)。

四、效益分析

1.利用Revit，并結(jié)合二次開發(fā)軟件

快速創(chuàng)建可視化的建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修、幕墻等相關(guān)模型進(jìn)行綜合管線排布，提高繪圖效率；利用三維模型與甲方、設(shè)計(jì)、土建、精裝、幕墻等單位進(jìn)行溝通，更加直觀、高效；結(jié)合數(shù)字化加工設(shè)備創(chuàng)建共享數(shù)字化建造數(shù)據(jù)庫，將傳統(tǒng)Revit模型轉(zhuǎn)化為預(yù)制加工模型，進(jìn)行BIM出圖和預(yù)制加工，提高施工圖和預(yù)制材料的吻合度，規(guī)避碰撞問題，減少現(xiàn)場(chǎng)返工；深化圖紙審批通過后對(duì)預(yù)制加工模型進(jìn)行自動(dòng)分段，根據(jù)實(shí)際預(yù)制加工情況對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，合理設(shè)置支吊架，規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)碰撞問題；將圖紙深化及審批時(shí)間，由12個(gè)月縮短至7個(gè)月，保證現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。

2.創(chuàng)建數(shù)字化加工基地

將現(xiàn)場(chǎng)加工轉(zhuǎn)移至數(shù)字化加工基地進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，將預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝，減少噪聲污染、施工垃圾和機(jī)械傷害，同時(shí)避免進(jìn)場(chǎng)材料因施工安排調(diào)整帶來的長(zhǎng)期堆放、多次倒運(yùn)和加工空間緊張等問題；通過精細(xì)化建模，利用物資軟件進(jìn)行精確算量，將數(shù)字化加工基地生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行編碼，快速準(zhǔn)確地運(yùn)輸至相應(yīng)的安裝區(qū)域，同時(shí)根據(jù)材料實(shí)際情況，優(yōu)化運(yùn)輸方案，如風(fēng)管標(biāo)準(zhǔn)直線段采用L型運(yùn)輸，提高運(yùn)輸效率；基于BIM進(jìn)行風(fēng)管數(shù)字化加工與安裝，提高材料加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低材料損耗和廢品率，減少人工投入；基于BIM進(jìn)行管道數(shù)字化加工與安裝，提高管道施工質(zhì)量，規(guī)避火災(zāi)等安全隱患，降低對(duì)技術(shù)人員的依賴性；基于BIM進(jìn)行橋架數(shù)字化加工與安裝，提高材料加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低材料損耗，規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)二次加工和材料保護(hù)層損壞問題，降低人工成本，提高施工質(zhì)量；

3.通過搭建基于BIM的集成管理平臺(tái)

將BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，更好的實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)在軟件和數(shù)字化加工設(shè)備之間的傳遞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)制加工構(gòu)件流轉(zhuǎn)信息記錄和工程量統(tǒng)計(jì)等，為BIM數(shù)據(jù)在BIM應(yīng)用全生命周期各個(gè)階段的應(yīng)用提供平臺(tái)保障。

五、結(jié)語

將BIM與數(shù)字化建造相結(jié)合，對(duì)于提高機(jī)電管線施工質(zhì)量、施工生產(chǎn)效率、材料利用率、施工安全管理水平，降低對(duì)施工技術(shù)人員的依賴性、部分施工環(huán)節(jié)對(duì)人體的損害、人工投入，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、綠色建造和節(jié)能減排具有重要意義。

公司利用BIM技術(shù)，在鞍山百腦匯項(xiàng)目從基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造等方面進(jìn)行深入研究，在各區(qū)域經(jīng)營(yíng)中心創(chuàng)建數(shù)字化加工基地，實(shí)現(xiàn)基于BIM的機(jī)電工程數(shù)字化建造，探索出機(jī)電工程施工管理的新模式。