BIM技術(shù)在裝配式制冷機(jī)房智能化施工全過程中的應(yīng)用*

劉 鎮(zhèn)，劉 皓

(1.大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116035；2.中國建筑第八工程局有限公司東北公司，遼寧 大連 116035)

傳統(tǒng)機(jī)電安裝工程由于受施工現(xiàn)場條件限制，存在加工質(zhì)量控制困難、施工緩慢、管件材料浪費(fèi)嚴(yán)重、聲光污染嚴(yán)重等問題[1]，亟待轉(zhuǎn)型。

BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、與優(yōu)化性好等優(yōu)點[2]，可以很好解決傳統(tǒng)機(jī)電安裝工程中的問題，從而促進(jìn)機(jī)電安裝工程裝配化進(jìn)程。設(shè)備機(jī)房是機(jī)電安裝工程中設(shè)備和管線最密集的地方，預(yù)制裝配化難度高，對復(fù)雜緊湊的設(shè)備機(jī)房進(jìn)行模塊化設(shè)計、工廠化預(yù)制和現(xiàn)場指導(dǎo)裝配化施工，對機(jī)電安裝技術(shù)人員是挑戰(zhàn)。

1 工程概況

某萬達(dá)廣場項目占地面積13.68萬m2，建筑面積42.7萬m2，其中商業(yè)面積13.33萬m2，地上5層，地下2層，效果如圖1所示。

圖1 萬達(dá)廣場效果

商業(yè)制冷機(jī)房位于建筑物地下2層，建筑面積近700m2，制冷主機(jī)與冷卻水、冷凍水循環(huán)泵采用一對一連接方式，水泵互為備用。4臺冷水機(jī)組中的3臺離心機(jī)組單臺制冷量為3 789kW，1臺螺桿式冷水機(jī)組的單臺制冷量為1 400kW。制冷機(jī)房層高5.2m，梁高1 050mm，安裝凈高4.1m。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用

為確保裝配式制冷機(jī)房項目順利進(jìn)行，項目初期技術(shù)人員通過調(diào)查分析，搜集關(guān)于設(shè)備機(jī)房的設(shè)計、施工和驗收規(guī)范、原始設(shè)計圖紙、設(shè)備選型樣本、管路附件樣本等全部資料，制定基于BIM技術(shù)的裝配式制冷機(jī)房實施專項方案，將項目劃分為深化設(shè)計、預(yù)制加工、運(yùn)輸出庫和裝配安裝等4個階段。

2.1 BIM深化設(shè)計

BIM深化設(shè)計需要消化業(yè)主、設(shè)計、生產(chǎn)廠、施工、配件供應(yīng)方等信息，并將這些相關(guān)甚至可能沖突的信息融合到深化設(shè)計中。如果沒有統(tǒng)一的流程和信息優(yōu)先級原則，會在信息不斷輸入過程中造成信息重復(fù)和混亂[3]。

在認(rèn)真研究設(shè)計院出具的施工圖，并考慮業(yè)主需求的基礎(chǔ)上，通過與業(yè)主及設(shè)計院溝通，制定并確認(rèn)優(yōu)化方案。結(jié)合設(shè)備選型樣本、施工現(xiàn)場情況及實測實量數(shù)據(jù)、施工驗收規(guī)范等，利用BIM協(xié)同設(shè)計和云環(huán)境支持功能，與業(yè)主、設(shè)計院、預(yù)制廠等展開多方協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)模型、數(shù)據(jù)實時共享[4]，可實時調(diào)整設(shè)計內(nèi)容。

在此過程中，綜合考慮機(jī)房檢修及常規(guī)操作空間、管線及支吊架綜合排布、機(jī)房設(shè)備、基礎(chǔ)及排水溝布置等因素，同時兼顧機(jī)房整體觀感，最大程度優(yōu)化管線綜合排布。

2.1.1空間優(yōu)化

利用BIM技術(shù)進(jìn)行空間優(yōu)化，可使機(jī)房內(nèi)的管線排布整齊有序，提升整體觀感效果，同時增大機(jī)房內(nèi)主要設(shè)備的檢修空間。機(jī)房通道區(qū)域凈高從原設(shè)計的2.15m優(yōu)化為3.10m，提升近1m。

利用Revit對原設(shè)計圖紙進(jìn)行翻模，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計圖中存在諸多管線排布不合理的問題，如管線過長導(dǎo)致流水距離過大，造成不必要的損耗。另外，管線排布相對分散，沒有留出足夠設(shè)備通道，致使主要設(shè)備運(yùn)輸和檢修空間不足，影響施工和維護(hù)。

針對原設(shè)計圖中的問題，在Revit軟件中調(diào)整管線位置，縮短水流距離，如圖2所示。并且使管線位置相對集中，中央?yún)^(qū)域預(yù)留主設(shè)備通道，降低能耗且解決運(yùn)輸和檢修空間不足的問題(見圖3)。

圖2 優(yōu)化前后管線排布

圖3 設(shè)備通道

圖3中的箭頭指示區(qū)域為主通道，基本覆蓋機(jī)房85%以上的設(shè)備，在考慮主要設(shè)備維修、運(yùn)輸需求的同時，兼顧每個設(shè)備的操作空間，以確保機(jī)房無死角。

2.1.2消聲減振

制冷設(shè)備機(jī)房的噪聲主要源于水泵工作過程中的振動，因此做好水泵減振消聲能很大程度減少設(shè)備機(jī)房中的噪聲污染。在水泵減振設(shè)計中，項目組在水泵下方設(shè)置減振浮臺，控制水泵和減振浮臺的質(zhì)量配合比在1∶1.25～1∶1.5，將水泵與浮臺底座一同壓在框架兩側(cè)，共4個減振器進(jìn)行減振，同時四面通過4個限位器對浮臺進(jìn)行固定限位，達(dá)到消聲減振的效果。在BIM優(yōu)化設(shè)計階段，通過Revit軟件建立水泵及減振浮臺模型，以指導(dǎo)廠商生產(chǎn)制造，如圖4所示。

圖4 水泵及減振浮臺模型

2.1.3支吊架設(shè)計

結(jié)合管線綜合深化設(shè)計改進(jìn)配套支吊架的支架形式，增加橡膠墊片并采取設(shè)備減振、管道降噪等技術(shù)。

將Revit模型中的支吊架及相關(guān)管道參數(shù)導(dǎo)入MagiCAD支吊架計算軟件中，形成計算模型，運(yùn)用有限元分析方法進(jìn)行受力分析，模擬論證支吊架受力工況，保障整體穩(wěn)定性、安全性和美觀性[5-6]。

以模塊化方式進(jìn)行BIM深化設(shè)計，最大程度集成各類機(jī)房設(shè)備及管道，使其在空間布置上更合理，管件用量更精準(zhǔn)，為材料采購、設(shè)備運(yùn)輸、拼裝和維護(hù)檢修提供方便。

2.2 管件預(yù)制加工

2.2.1出具預(yù)制加工圖

管道分段以方便預(yù)制加工管組運(yùn)輸、安裝和就位為前提，綜合考慮管道材質(zhì)、連接方式、受力特點，根據(jù)優(yōu)化后管道的綜合排布情況，進(jìn)行合理分段。經(jīng)過細(xì)致研究，確定管道分段方案后，在BIM模型中對管道進(jìn)行精準(zhǔn)分段，出具管道分段及泵組模塊預(yù)制加工圖，使每個管道尺寸零誤差，保證安裝及定位。

制冷機(jī)房預(yù)制管組及預(yù)制支吊架的安裝，必須依托于機(jī)房內(nèi)其他各專業(yè)的詳細(xì)深化設(shè)計及合理布局，其中基礎(chǔ)及排水溝圖、設(shè)備定位圖、機(jī)電各專業(yè)平面圖是制冷機(jī)房預(yù)制施工必不可少的部分，利用Revit出圖功能，直接出具深化設(shè)計后的各專業(yè)圖紙。在出具各專業(yè)施工圖及預(yù)制加工圖的基礎(chǔ)上，機(jī)房內(nèi)的其他專業(yè)管線，如橋架、風(fēng)管等，也應(yīng)同時進(jìn)行加工生產(chǎn)。在裝配階段，根據(jù)現(xiàn)場情況及裝配順序，可進(jìn)行合理的裝配安裝。

2.2.2工廠化生產(chǎn)

完成制冷機(jī)房BIM模型深化設(shè)計后，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計院和預(yù)制廠確認(rèn)，導(dǎo)出各管道及支吊架精細(xì)加工圖，交由預(yù)制廠加工，再根據(jù)加工圖及BIM模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一在全自動生產(chǎn)線上加工制作。各管道加工完成后，預(yù)制廠將主要構(gòu)配件組裝成不同模塊。

相比傳統(tǒng)加工方式，通過BIM技術(shù)引導(dǎo)，采用標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制加工法可做到精準(zhǔn)下料，克服由于無法精準(zhǔn)下料導(dǎo)致的邊角料浪費(fèi)以及由于手工焊接、切割作業(yè)導(dǎo)致的構(gòu)件質(zhì)量不穩(wěn)定問題。同時，對彎曲或異形管道、構(gòu)件采取預(yù)制廠定制方式，大大提升產(chǎn)品質(zhì)量和外觀。

2.3 運(yùn)輸出庫

各類管道在預(yù)制廠加工完成，經(jīng)統(tǒng)一驗收合格后，在各預(yù)制成品上張貼二維碼，以便運(yùn)輸、裝配環(huán)節(jié)掃描二維碼信息進(jìn)行施工管理。管道及支吊架在工廠加工、組裝完畢后，采用BIM技術(shù)對預(yù)制管段進(jìn)行運(yùn)輸車擺放模擬，如圖5所示，在保障安全運(yùn)輸?shù)那疤嵯拢畲笙薅壤眠\(yùn)輸車空間。

圖5 BIM模擬預(yù)制管段運(yùn)輸

2.4 裝配安裝

2.4.1測量定位

為保證工程精度，引入BIM放樣機(jī)器人，利用其快速、精準(zhǔn)、智能、操作簡便、勞動力需求少的優(yōu)勢，將BIM模型中的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場的精準(zhǔn)點位。

2.4.2BIM放樣機(jī)器人放樣流程

BIM放樣機(jī)器人放樣流程如下：機(jī)電管線BIM優(yōu)化，出具綜合管線圖紙→綜合管線圖中標(biāo)記基準(zhǔn)點、放樣點，生成機(jī)器人可識別點→建筑現(xiàn)場布設(shè)基準(zhǔn)點→機(jī)器人調(diào)校，確定自身位置→對管線樓板支吊架點進(jìn)行逐一定位、復(fù)測→各專業(yè)遵守施工順序，按照各自點位快速就位安裝。其中綜合管線BIM優(yōu)化為整個流程順利實施的前提，機(jī)器人通過簡單、快捷的步驟迅速確定點位，為各專業(yè)同時提供工作面。BIM放樣機(jī)器人在工作中標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、界面清晰，可杜絕傳統(tǒng)施工過程中各專業(yè)混亂的局面。

IM放樣機(jī)器人放樣時，先將機(jī)電綜合管線模型按排布原則、凈空要求、深化標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)各專業(yè)工程師共同審核后確定綜合管線圖。然后結(jié)合主體結(jié)構(gòu)，選取易于標(biāo)記測量的結(jié)構(gòu)軸線上某點為基準(zhǔn)點，預(yù)先排布管線支吊架點位，細(xì)化關(guān)鍵復(fù)雜區(qū)域點位，最后生成數(shù)據(jù)點。在此基礎(chǔ)上，主體結(jié)構(gòu)測量師在指定軸線處標(biāo)定建筑1m線，在指定位置布設(shè)基準(zhǔn)點后，根據(jù)現(xiàn)場基準(zhǔn)點和放樣點位，選定機(jī)器人架設(shè)位置，使其測設(shè)較多點位，通過聚焦基準(zhǔn)點計算儀器的空間位置及與放樣點的距離。再依據(jù)獲得的位置和距離，對紅外線涉及區(qū)域進(jìn)行逐一描點定位。放樣完成后選取2個復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行復(fù)測校核，最后，各專業(yè)施工隊遵守施工順序，按各自點位在同一工作面同時施工，避免其他專業(yè)干擾，管線可大量預(yù)制，保證一次達(dá)標(biāo)。

通過引入BIM放樣機(jī)器人，可有效避免傳統(tǒng)方式各專業(yè)邊測量邊安裝互相干擾的局面。同時由于放線機(jī)器人自動跟蹤棱鏡，無須人工照準(zhǔn)對焦，大大提高放線效率，降低操作誤差[7-8]，降低返工率，提升工程質(zhì)量。在此過程中，通過將BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入放線機(jī)器人中，使模型與現(xiàn)場施工無縫對接，實現(xiàn)全程可視化放樣。

2.4.3現(xiàn)場安裝

管道模塊運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后，根據(jù)施工工序，對預(yù)制管段進(jìn)行材料堆放模擬。同時現(xiàn)場安裝人員對照裝配圖紙，結(jié)合二維碼標(biāo)識系統(tǒng)，將各模塊用管段和螺栓相連，實現(xiàn)全過程無焊接作業(yè)。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過運(yùn)用BIM技術(shù)和轉(zhuǎn)變安裝方式，本制冷機(jī)房提前47d交付使用，圓滿完成工期目標(biāo)。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，節(jié)約工期7d，由通過轉(zhuǎn)變安裝方式，節(jié)約工期40d。經(jīng)綜合費(fèi)用分析，施工各階段所需費(fèi)用主要表現(xiàn)為以下方面。

1)圖紙深化設(shè)計階段 由于采用BIM精細(xì)化設(shè)計，增加BIM設(shè)計費(fèi)用6.8萬元，但經(jīng)過深化設(shè)計，機(jī)房內(nèi)管道排布更加集中合理，進(jìn)而節(jié)省管材、管件費(fèi)用50.8萬元。同時，通過升管道標(biāo)高提，使支吊架材料費(fèi)用節(jié)約3.45萬元。綜合以上因素，該階段由BIM技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益共47.45萬元。

2)預(yù)制加工階段 通過管道精細(xì)化加工，降低拆改及廢品率，節(jié)約費(fèi)用4.12萬元。預(yù)制加工過程委托第三方，費(fèi)用為12.5萬元，比傳統(tǒng)加工增加2.9萬元。故該階段共節(jié)約費(fèi)用1.22萬元。

3)運(yùn)輸出庫階段 由于裝配式構(gòu)件運(yùn)輸費(fèi)用比傳統(tǒng)材料運(yùn)輸費(fèi)用高，因此費(fèi)用雖幾乎無差別，但大大減少場內(nèi)運(yùn)輸次數(shù)。

4)裝配安裝階段 由于工期大大提前，現(xiàn)場管理費(fèi)及管理人員工資等節(jié)約約9萬元。同時，裝配式施工可節(jié)約現(xiàn)場加工場地和儲存場地。

綜合經(jīng)濟(jì)效益分析得出，通過運(yùn)用BIM技術(shù)，共產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益57.67萬元，裝配施工的綜合效益率達(dá)34.0%，其中引入BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計帶來的經(jīng)濟(jì)效益多達(dá)47.45萬元，占總效益的82.3%，由此可見，基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計在降低制冷機(jī)房施工費(fèi)用方面作用非常明顯。

除此之外，在不考慮BIM設(shè)計費(fèi)用及因委托第三方加工導(dǎo)致費(fèi)用增加的情況下，通過引入BIM技術(shù)，僅管材、管件費(fèi)用就節(jié)省50.8萬元，其次由于現(xiàn)場管理更加有序，雖然BIM精細(xì)化設(shè)計和預(yù)制加工費(fèi)、安裝費(fèi)增加，但綜合吊裝材料、管道精細(xì)化加工、管理費(fèi)及管理人員工資后，共節(jié)約費(fèi)用9萬元。

4 結(jié)語

該萬達(dá)廣場裝配式制冷機(jī)房項目通過在深化設(shè)計、預(yù)制加工、運(yùn)輸出庫及裝配施工各階段引入BIM技術(shù)，提升工程質(zhì)量、縮短工期、節(jié)省人力、改善施工環(huán)境，累計工期提前47d，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益57.67萬元，相比傳統(tǒng)制冷機(jī)房施工，以BIM技術(shù)做支撐的裝配式制冷機(jī)房智能化施工具有明顯優(yōu)勢。