復(fù)雜環(huán)境下基于BIM技術(shù)的裝配式機房施工

陳云浩 劉益安 張繼龍 李天鳴 張 林

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

引言

管道裝配化技術(shù)可實現(xiàn)機電各專業(yè)管線的集成施工，提高美觀度，又有加工質(zhì)量高、環(huán)保節(jié)材、有利于現(xiàn)場安全管理和利于搶工期的優(yōu)點。

基于這些優(yōu)點，越來越多的大型機電安裝工程已開始不同程度地采用這一技術(shù)。其中設(shè)備機房作為機電安裝工程的重難點區(qū)域，也是現(xiàn)階段裝配化技術(shù)運用的重點區(qū)域，如圖1所示。

圖1 裝配式機房

在裝配化實施的過程中我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)備機房相對于其他平面空間區(qū)域在設(shè)計、測量、運輸、安裝等方面都更為復(fù)雜，在機房裝配化的實施過程中存在更多的制約條件，而提前預(yù)判這些制約因素，事先準(zhǔn)備好解決方案，消除不利影響，能更好地發(fā)揮裝配化的優(yōu)勢，完成復(fù)雜環(huán)境下的裝配化機房施工[1]。

本文從設(shè)計、測量、運輸、安裝四個方面分析機房裝配化過程中遇到的困難，再從深化設(shè)計準(zhǔn)備—深化設(shè)計—模塊加工—模塊運輸—現(xiàn)場裝配五個階段闡述如何采取不同的措施來進行預(yù)防和糾偏。

1 制約機房裝配化的復(fù)雜環(huán)境分析

1.1 設(shè)計條件

采用裝配式機房的一大優(yōu)勢是能夠縮短工期，將原來需要在現(xiàn)場完成的大量工作前置，放在加工廠內(nèi)完成，一旦現(xiàn)場施工條件成熟，即可將模塊運輸至現(xiàn)場進行模塊化拼裝[2]。

為了達(dá)成這一目的，采用BIM技術(shù)的機房深化設(shè)計應(yīng)前置進行。在實施深化設(shè)計的過程中，我們發(fā)現(xiàn)存在以下常見問題：

(1)深化設(shè)計方案對裝配化施工方法考慮不足，結(jié)合應(yīng)用的深度不夠。深化設(shè)計仍然基于傳統(tǒng)的安裝方法的思維模式，管道布置分散，管段長度隨意，不利于后續(xù)的自動化機械加工和模塊運輸。

(2)模型精度不夠。深化設(shè)計模型通常采用常規(guī)的構(gòu)件尺寸，然而各個項目實際采用的閥部件和管件的尺寸大小與這些默認(rèn)的通用構(gòu)件尺寸存在一定誤差，直接按照深化設(shè)計模型預(yù)制加工的構(gòu)件無法完成安裝施工。

(3)設(shè)備品牌確認(rèn)滯后。因為多方面的原因，施工最終采用的設(shè)備品牌通常確認(rèn)較晚，這直接影響了設(shè)備的大小尺寸，接口定位尺寸甚至是設(shè)備布置位置和基礎(chǔ)布置。

1.2 測量條件

現(xiàn)場施工條件受多方面因素的影響，實際完成后的狀態(tài)不可避免的與深化設(shè)計模型有所偏差。例如施工和安裝精度方面的誤差； 施工后建筑物的自然沉降誤差； 未在模型中反映的施工措施、臨時管道等。這些誤差都影響了裝配化加工的精度。

1.3 運輸條件

工廠化預(yù)制通常需要在項目所在地或異地建起工廠或預(yù)制場地，加工完成的模塊需要通過車輛運輸至施工現(xiàn)場(如圖2所示)。這就涉及到車輛的運力和成本。距離過遠(yuǎn)，運輸效率低下會急劇增加運輸成本。模塊到達(dá)現(xiàn)場后，還涉及現(xiàn)場的水平運輸和垂直吊裝運輸。

圖2 運輸中的機電模塊

1.4 安裝條件

裝配式機房的模塊化施工是高精度的安裝工程，安裝過程中仍有可能在局部區(qū)域因各類累積誤差造成無法裝配，而現(xiàn)場又很難將裝配好的模塊再返廠修改。

2 解決方法

2.1 深化設(shè)計準(zhǔn)備階段

在深化設(shè)計的準(zhǔn)備階段，需要確定預(yù)制內(nèi)容、確定設(shè)計條件、精確測量現(xiàn)場[3]。

(1)基于BIM技術(shù)的機房深化設(shè)計準(zhǔn)備工作應(yīng)前置進行，盡早完成相關(guān)設(shè)備的選型。在進行深化設(shè)計前應(yīng)與備選的設(shè)備供應(yīng)廠家及時溝通，以獲得相對準(zhǔn)確的設(shè)備尺寸大小和接口定位及尺寸，以此為依據(jù)進行BIM管線綜合。這個過程需要項目物資部門和設(shè)備供貨單位的配合，兩個關(guān)鍵難點在于設(shè)備品牌的及早確定和廠家能夠提供與最后送到現(xiàn)場的設(shè)備完全一致的圖紙，如圖3所示。

圖3 精細(xì)化建模

(2)準(zhǔn)備高精度的模型構(gòu)件。在條件允許的情況下，使用由廠家提供的、高精度的管道、管件、閥門、設(shè)備等模型，其影響模塊預(yù)制精度的關(guān)鍵幾何屬性，如長度、外徑等應(yīng)與實物完全一致。若條件不足，則需在建模和加工圖制作時標(biāo)注實物尺寸。

(3)精確測量現(xiàn)場。裝配式機房對預(yù)制構(gòu)件的精度要求高。不能直接使用深化設(shè)計模型進行模塊切割，應(yīng)繼續(xù)深化模型到加工級別的精度，即加工模型。在制作加工模型和加工圖之前，應(yīng)對機房土建情況和重要數(shù)據(jù)進行復(fù)測，根據(jù)現(xiàn)場真實情況對機電深化模型進行精確調(diào)整，以減小誤差。

傳統(tǒng)的測量方法可以將少量易識別的現(xiàn)場障礙和較明顯的施工誤差記錄下來，但有著不全面、隨機性強的缺點。目前已經(jīng)逐步展開應(yīng)用的三維激光掃描儀(如圖4所示)則可以更準(zhǔn)確全面的復(fù)原現(xiàn)場，機電的深化設(shè)計在基于真實現(xiàn)場的點云模型環(huán)境下進行調(diào)整，可以在設(shè)計端盡量減小誤差[4]。

圖4 三維激光掃描儀

2.2 深化設(shè)計階段與模塊切分

在深化設(shè)計和模塊切分階段，需要進行綜合管線排布、設(shè)計模塊切分方案、進行土建條件提資。

(1)在基于BIM進行綜合管線排布時，就應(yīng)當(dāng)將模塊切分思路納入到管線排布方案中。依據(jù)機房的形狀和設(shè)備位置、大小以及排布特點，結(jié)合模塊化在工廠內(nèi)便于安裝操作的優(yōu)點，使部分管道更集中的布置，以便集成在模塊中[5]。

(2)在完成深化設(shè)計BIM模型后，需要進行模塊分割設(shè)計，模塊分割和安裝涉及的預(yù)制，主要是依據(jù)管道用途、技術(shù)要求的不同以及連接方式和安裝工藝，確定預(yù)制的對象和可預(yù)制的程度。

模塊切分時應(yīng)結(jié)合自動生產(chǎn)線機械加工設(shè)備、運輸工具和運輸通道尺寸，設(shè)計最經(jīng)濟、尺寸最適合的模塊，以免造成運力的浪費。同時應(yīng)結(jié)合運輸通道的限制來考慮模塊切分的最大尺寸。對一些切割后生成的模塊，需要額外增加支撐體系的，應(yīng)對包含支撐體系的整個模塊計算所占用的空間尺寸。模型完成后應(yīng)對所有模塊大小尺寸進行精確標(biāo)注。

(3)在完成BIM管線綜合后，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實際尺寸繪制新的設(shè)備基礎(chǔ)和排水溝圖紙，向土建單位提資,確?，F(xiàn)場土建施工依據(jù)深化后的設(shè)備大小尺寸和位置進行基礎(chǔ)施工。應(yīng)繪制大型設(shè)備運輸路線圖，對運輸路線上有土建墻體阻礙的，應(yīng)在圖紙上圈出，并說明需要延后施工的墻體段范圍以及需求延后的時間期限。

2.3 模塊加工

模塊加工階段，需要完成加工圖設(shè)計、確定預(yù)制工藝、選用預(yù)制需要的加工設(shè)備、進行預(yù)制場地的規(guī)劃。

(1)完成模塊切分后，應(yīng)進行加工圖設(shè)計，完成加工圖、管段分類編號、裝配圖，滿足不同階段(預(yù)制、倉儲、運輸配送、現(xiàn)場裝配)的需求，供預(yù)制工廠依圖加工，如圖5所示。

圖5 加工圖示例

(2)預(yù)制加工時應(yīng)根據(jù)管道不同的連接方式，確定預(yù)制工藝。從管道下料(機械切割、火焰切割等)、管道加工(套絲、滾槽、坡口等)、連接(螺紋、焊接、黏結(jié)等)、檢驗(尺寸復(fù)測、試壓等)、涂裝、標(biāo)識編號、倉儲等工序工況考慮。

(3)根據(jù)確定的預(yù)制工藝，按照實用、高效的原則，選用預(yù)制需要的加工設(shè)備，如圖6所示。

圖6 在工廠預(yù)制完成的管道模塊

(4)根據(jù)工程規(guī)模、預(yù)制工藝流程、選定的設(shè)備情況，進行預(yù)制場地的選址、需用面積的確定，并合理布置加工設(shè)備。

(5)目前常見的模塊預(yù)制可以粗略地分為大模塊和小模塊[6]。其中包含了設(shè)備的整體式大模塊，有集成度高、安裝步驟更少的優(yōu)點(如圖7所示)。

這類模塊通常體積大，重量較重，一般會為了便于模塊運輸和吊裝，增加額外的鋼結(jié)構(gòu)支撐。所以隨之而來的問題就是這類大模塊運輸更容易受限制，而為了模塊運輸需要添加的結(jié)構(gòu)框架則增加了不少自重，也增加了不少額外的成本。帶鋼結(jié)構(gòu)框架的大模塊應(yīng)提前考慮好相應(yīng)的基礎(chǔ)做法和尺寸，并為需要排水的設(shè)備預(yù)留排水管道的安裝位置。

圖7 包含設(shè)備和支撐框架大模塊

不包含設(shè)備的小模塊，可以由數(shù)個管件或部件在工廠或現(xiàn)場的加工場地預(yù)制拼裝而成(如圖8所示)。小模塊更易于運輸，裝配更靈活。缺點是多個這樣的模塊組對后，容易積累誤差，通常會在現(xiàn)場留下一個調(diào)節(jié)段，以此來消除誤差。所有模塊應(yīng)對模塊進行標(biāo)識和編號，也可采用電子二位編碼來記錄構(gòu)件的生產(chǎn)、存儲、運輸、安裝、驗收等信息[7]。

圖8 多個構(gòu)件拼裝成的小模塊

2.4 模塊運輸

模塊運輸包括了模塊從加工工廠(場)到施工現(xiàn)場的運輸和施工現(xiàn)場到安裝就位的水平運輸、垂直運輸。對于裝配式機房來說，機房所處的樓層位置很大程度決定了裝配化的BIM設(shè)計思路和施工方案的選擇。

而目前的大型建筑中，制冷機房的位置通常都設(shè)置在地下二層且以下沉式機房居多，這給模塊運輸造成了很大的困難。在制定裝配式機房施工時，必須從各個方面考慮到設(shè)備運輸?shù)姆奖憧煽啃?。?yīng)參考大型設(shè)備運輸路線方案，編制大型模塊運輸路線方案[8]。對于比較復(fù)雜的運輸路線，可利用BIM技術(shù)對設(shè)備和模塊吊裝運輸過程進行虛擬動畫演示，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備運輸時所遇到的障礙。如涉及垂直運輸?shù)?，需要核對吊裝口的尺寸，確保原設(shè)計的吊裝口大小滿足深化設(shè)計后的模塊能安全通過。水平運輸時，應(yīng)預(yù)留足夠的通道，繪制設(shè)備運輸通道圖并向土建單位提資。模塊水平運輸如圖9所示。

圖9 組合模塊水平運輸中

超高層中有不少機房位于標(biāo)準(zhǔn)層，很適合做標(biāo)準(zhǔn)的模塊化安裝，但超高層的垂直運輸同樣十分不便。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況，做好垂直運輸計劃，合理分配材料和大型設(shè)備模塊的運輸，充分利用施工電梯和塔吊進行模塊的垂直運輸。

工期越緊，現(xiàn)場越容易出現(xiàn)各類調(diào)整措施，現(xiàn)場的條件可以說時時刻刻都在變化。為保證模塊的順利安裝，需要密切關(guān)注那些限制模塊運輸和安裝的關(guān)鍵位置的變化信息。例如某些場地會被設(shè)置為臨時倉庫和堆場，預(yù)留的吊裝口也會根據(jù)施工需要而逐步封閉。

2.5 現(xiàn)場裝配

現(xiàn)場裝配階段，需要完成現(xiàn)場復(fù)測，模塊組對和裝配，裝配誤差消除[9]。

模塊進行裝配前，需要對現(xiàn)場再次進行復(fù)測，隨后各個模塊依據(jù)編號和標(biāo)識，按照裝配圖進行組對和安裝，模塊之間通常采用預(yù)留的法蘭接口進行連接，如圖10所示。

圖10 模塊現(xiàn)場組對安裝

即使是從設(shè)計到施工已經(jīng)使用高精度的過程控制，最后在模塊之間仍然不可避免地會出現(xiàn)一些管口錯位、接口重疊或留有縫隙這樣的累積誤差，導(dǎo)致最后無法順利安裝。一個典型的例子如：大型設(shè)備尤其是塔器、儲罐等靜置設(shè)備放置在基礎(chǔ)上容易引起沉降，初期測量和計算得到的高度到了施工裝配階段就不再精確。所以整個機房不能完全模塊化，應(yīng)預(yù)先在合適的位置留下調(diào)節(jié)段，以消除各類原因造成的累積誤差。

3 結(jié)語

管道工廠化預(yù)制技術(shù)適用于民用、工業(yè)建設(shè)項目，特別適合中、大型建筑機電管道的安裝工程，尤其是超大、超高層民用建筑。隨著管道工廠化預(yù)制技術(shù)日漸成熟運用，越來越多的工程項目將應(yīng)用此項技術(shù)[10]。機房作為機電裝配化的熱點區(qū)域，其復(fù)雜的環(huán)境帶來了許多設(shè)計和工程施工的難點，筆者針對復(fù)雜環(huán)境下基于BIM的裝配式機房施工過程中可能遇到的各類問題，結(jié)合項目經(jīng)驗列舉可采取的應(yīng)對措施。希望能拋磚引玉，以期和廣大同行共勉共進。