基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

李 蕾 ,王 昊 ,王 寧

(1.中色國際氧化鋁開發(fā)有限公司,北京 100029;2.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院(有限公司),遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隨著當(dāng)前的建設(shè)工程項(xiàng)目向著大型化、國際化的方向發(fā)展,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與建造理念逐漸不能滿足工程實(shí)際發(fā)展的需要。模塊化設(shè)計(jì)的理念起源于海洋石油平臺(tái)建設(shè)工程,該技術(shù)預(yù)制化程度高、應(yīng)用條件廣、可大量引入平行施工作業(yè),極大縮短建設(shè)周期。隨著BIM 技術(shù)的興起,一種基于BIM 技術(shù)模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)運(yùn)用而生,該技術(shù)極大提高了設(shè)計(jì)、管理與建造效率,提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量,廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、化工、建筑等領(lǐng)域的工程項(xiàng)目。本文對(duì)該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用前景進(jìn)行了論述。

1 基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)概述

BIM(Building Information Modeling)是建立數(shù)字信息化模型的英文單詞縮寫,它是一種新型數(shù)字化仿真技術(shù),具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等優(yōu)點(diǎn)。BIM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)行業(yè)從策劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營整個(gè)生命周期精細(xì)化管理,對(duì)于設(shè)計(jì)而言,各個(gè)專業(yè)可以在事先搭好的BIM 平臺(tái)進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì),其示意圖如圖1 所示。三維協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)一步增加了各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)與溝通,可大大提升設(shè)計(jì)效率,同時(shí)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。近年來,在工程建設(shè)行業(yè),BIM 技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

圖1 基于BIM 技術(shù)的各專業(yè)同平臺(tái)三維協(xié)同設(shè)計(jì)示意圖

基于BIM 技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù),是指在兼顧工藝與系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上,利用BIM 技術(shù)按設(shè)定的拆分規(guī)則先將整個(gè)建設(shè)工廠劃分出多個(gè)系統(tǒng)功能的大型模塊單元,再將大型模塊單元細(xì)劃分為一系列獨(dú)立的基礎(chǔ)模塊單元。其中,基礎(chǔ)的模塊單元包含建筑、結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備、電氣、控制專業(yè)中的全部或部分內(nèi)容。再將每個(gè)基礎(chǔ)模塊單元在異地工廠預(yù)制拼裝,運(yùn)抵現(xiàn)場后按預(yù)設(shè)好的組裝方案對(duì)其進(jìn)行安裝。概括來說,模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)可以用下面公式得以體現(xiàn):模塊化工廠建設(shè)=模塊化設(shè)計(jì)+異地建造+模塊運(yùn)輸+現(xiàn)場組裝。基于BIM 技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)流程如圖2 所示。簡而言之,BIM 模塊化設(shè)計(jì)與建造是一種“搭積木”式工廠建造方式,該技術(shù)是一種全新的信息化管理技術(shù)與手段,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖2 基于BIM 技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)與建造的技術(shù)流程

2 基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)建造方法相比,利用基于BIM 技術(shù)的模塊化技術(shù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì),其優(yōu)點(diǎn)概括起來主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)提高設(shè)計(jì)效率

利用BIM 技術(shù)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),將工程項(xiàng)目劃分為多個(gè)獨(dú)立的模塊,各專業(yè)可同平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)對(duì)模塊進(jìn)行三維建模,利用BIM 技術(shù)的可視化與協(xié)調(diào)性,更直觀地發(fā)現(xiàn)模塊模型中存在的碰撞問題,進(jìn)而便于設(shè)計(jì)人員第一時(shí)間有效消除模塊模型中的沖突問題,提升設(shè)計(jì)效率,避免施工階段的圖紙返工,加快出圖的效率。

2)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,降低項(xiàng)目成本

利用BIM 技術(shù)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)有效消除了模塊模型中的碰撞問題,大大提高了模型設(shè)計(jì)精度,減少了設(shè)計(jì)變更成本,同時(shí)也降低了模塊加工預(yù)制成本;同時(shí)在后續(xù)的模塊化建造施工過程中,可更好控制每個(gè)模塊單元的施工精度,有效減少施工誤差帶來成本損失,這一點(diǎn)尤其在海外工程項(xiàng)目中優(yōu)勢更加明顯,由于海外發(fā)達(dá)國家勞動(dòng)力資源緊缺,人工成本昂貴。

3)提高管理效率,縮短建設(shè)周期

采用基于BIM 技術(shù)模塊化設(shè)計(jì),可利用BIM 技術(shù)的模擬性模擬模塊的組裝過程、運(yùn)輸過程、建造安裝過程等并進(jìn)行技術(shù)交底,方便了項(xiàng)目管理人員對(duì)于施工過程的管理。同時(shí)模塊可在國內(nèi)加工制造并預(yù)制拼裝,通過海運(yùn)方式運(yùn)送至海外工程建設(shè)現(xiàn)場。與此同時(shí),模塊化施工降低了對(duì)吊裝設(shè)備要求、稱重作業(yè)及各類運(yùn)輸?shù)碾y度,顯著減少大型吊裝作業(yè),提高了安全性。不同區(qū)域模塊可同時(shí)施工,快速完成模塊的建造調(diào)試,縮短建設(shè)工期。

4)應(yīng)用范圍廣

基于BIM 技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)應(yīng)用廣泛,不僅可以應(yīng)用于國內(nèi)工程項(xiàng)目,還可以在海外項(xiàng)目得到大規(guī)模運(yùn)用。對(duì)于海外工程項(xiàng)目,業(yè)主要求必須采用BIM 技術(shù),同時(shí)發(fā)達(dá)國家高額的人工成本使業(yè)主更加青睞于模塊化設(shè)計(jì);在氣候、環(huán)境條件苛刻、政治不穩(wěn)定國家及地區(qū)的海外工程項(xiàng)目,通常資源配套保障不及時(shí)、復(fù)雜地域的施工不便利性、現(xiàn)場施工的危險(xiǎn)極大增加、采用模塊化設(shè)計(jì)可有效降低項(xiàng)目運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),規(guī)避制約因素,縮短項(xiàng)目工期,提高項(xiàng)目質(zhì)量。對(duì)于工藝技術(shù)保密的項(xiàng)目,模塊化設(shè)計(jì)可保證工藝技術(shù)不外泄,極大地保護(hù)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3 基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的工程應(yīng)用現(xiàn)狀

目前,基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)在機(jī)電工程、冶金礦山工程、石油化工工程、建筑工程、核電工程、水運(yùn)工程等領(lǐng)域正在逐步嘗試推廣運(yùn)用,并取得了良好的應(yīng)用效果。

3.1 機(jī)電工程領(lǐng)域

目前,在各類機(jī)電工程領(lǐng)域中,基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的理念受到了廣泛的認(rèn)可,已有眾多關(guān)于該技術(shù)在機(jī)電工程中的應(yīng)用的報(bào)道。嚴(yán)飛華[1]等介紹了基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù),在某商貿(mào)中心綜合服務(wù)大樓機(jī)電工程中的應(yīng)用。首先分析了常規(guī)模塊化設(shè)計(jì)與建造方案的不足之處,其次對(duì)該項(xiàng)目中的機(jī)電工程的模塊化設(shè)計(jì)與建造流程進(jìn)行了詳盡敘述。應(yīng)用實(shí)踐證明,該模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)可節(jié)約人工與材料成本分別為20%和10.3%,同時(shí)提升機(jī)電管線的施工質(zhì)量、安全水平,并指出BIM 技術(shù)模塊化建造技術(shù),可實(shí)現(xiàn)機(jī)電工程的自動(dòng)化生產(chǎn)、綠色建造。李娜[2]研究了實(shí)際機(jī)電工程案例中BIM 模塊化施工技術(shù),論述了從機(jī)電管線一體化模型設(shè)計(jì)、拆解、優(yōu)化,到預(yù)制加工、現(xiàn)場組裝等信息化施工過程,指出BIM 模塊化施工技術(shù)的運(yùn)用展現(xiàn)出以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:對(duì)項(xiàng)目的應(yīng)用技術(shù)增加了靈活性;可減少因管線沖突而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更;提高了機(jī)電工程的施工效率,該技術(shù)在機(jī)電工程領(lǐng)域的有著不錯(cuò)的應(yīng)用前景。宮治國[3]介紹了基于BIM 裝配式模塊化施工技術(shù)在敦煌國會(huì)項(xiàng)目機(jī)電工程中的應(yīng)用?；谠摷夹g(shù)提出了敦煌國會(huì)項(xiàng)目機(jī)電工程施工實(shí)施流程、組織與技術(shù)管理措施,并對(duì)該工程中的BIM 裝配式模塊化施工實(shí)施過程、注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)。指出BIM 裝配式模塊化施工技術(shù)在項(xiàng)目質(zhì)量、成本及工期管理取得了良好的應(yīng)用效果。朱剛[4]等報(bào)道了BIM 模塊化設(shè)計(jì)在無錫地鐵某站機(jī)電設(shè)備安裝工程中的應(yīng)用,運(yùn)用BIM 技術(shù)將環(huán)控機(jī)房劃分8 個(gè)模塊,隨后對(duì)這8 個(gè)模塊統(tǒng)一進(jìn)行工廠化預(yù)制。并指出該技術(shù)的運(yùn)用提高了從設(shè)計(jì)、預(yù)制、運(yùn)輸、安裝的標(biāo)準(zhǔn)化水平,有效縮短了工期,對(duì)于提高工程質(zhì)量有著顯著的作用。王君[5]等報(bào)道了基于BIM 技術(shù)設(shè)備房的機(jī)電模塊預(yù)制化在某鐵路綜合樞紐工程中的應(yīng)用?；贐IM技術(shù)的機(jī)電模塊預(yù)制化可將分散手工作業(yè)轉(zhuǎn)化為機(jī)械化集中生產(chǎn)模式,有利于提高機(jī)電工程施工效率,并且利于品控管理,對(duì)提升工程質(zhì)量有利;同時(shí),可減少用工人數(shù),降低了人工作業(yè)成本,提升了施工的安全性。張寧波[6]等探討了基于BIM 模塊化設(shè)計(jì)的裝配式技術(shù)在建筑機(jī)電工程中的應(yīng)用,并對(duì)建筑機(jī)電工程中機(jī)電設(shè)備與管線的模塊化設(shè)計(jì)、預(yù)制建造、運(yùn)輸、安裝等流程及注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。該技術(shù)的運(yùn)用有助于提高機(jī)電工程的裝配化程度,促進(jìn)了建筑機(jī)電行業(yè)的技術(shù)發(fā)展,并對(duì)該技術(shù)在建筑機(jī)電工程中的應(yīng)用前景保持積極樂觀態(tài)度。

3.2 冶金、礦山工程領(lǐng)域

佘玥霞[7]等報(bào)道了KONIAMBO 鎳礦項(xiàng)目冶煉裝置采用模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的工程應(yīng)用案例,并詳細(xì)介紹了15 個(gè)鋼結(jié)構(gòu)單元模塊的建造、運(yùn)輸、組裝等技術(shù)注意事項(xiàng)。模塊化設(shè)計(jì)的運(yùn)用可對(duì)模塊進(jìn)行批量化生產(chǎn),降低了成本同時(shí)提高了模塊建造質(zhì)量。石永剛[8]介紹了將BIM 模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于澳大利亞某鐵礦選礦項(xiàng)目中,指出BIM 技術(shù)的運(yùn)用,為模塊化建造方案的制定提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。王朝陽[9]報(bào)道了模塊化設(shè)計(jì)在澳大利亞某冶金項(xiàng)目中的應(yīng)用,著重介紹了模塊化分、模塊拼裝等環(huán)節(jié),該項(xiàng)目模塊化設(shè)計(jì)方案受到了主業(yè)的肯定。這對(duì)同類的大型冶金項(xiàng)目的模塊化設(shè)計(jì)提供了思路,并積累了應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

3.3 建筑工程領(lǐng)域

江旻華[10]報(bào)道了基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)方法在裝配式建筑中的應(yīng)用,探討了戶內(nèi)、戶外、標(biāo)準(zhǔn)層的模塊化的應(yīng)用。安家成[11]等闡述了基于BIM 平臺(tái)下,裝配式建筑模塊化設(shè)計(jì)方法、過程。并探究了在裝配式建筑中,模塊化設(shè)計(jì)在該領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。指出在BIM 技術(shù)背景下,模塊化建筑將成為未來建筑領(lǐng)域一種重要形式。康思誠[12]首先探討了BIM 模塊化技術(shù)的優(yōu)勢,并指出將其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域可整體提升設(shè)計(jì)效率,進(jìn)而提升施工效率與質(zhì)量,有效節(jié)約建筑成本的投入,有利于促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展。

3.4 石油、化工工程領(lǐng)域

沈志洵[13]對(duì)模塊化設(shè)計(jì)在石化工程建設(shè)領(lǐng)域適用條件、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面進(jìn)行了介紹,模塊的劃分可以提高整體設(shè)計(jì)效率,縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,該技術(shù)已在石油化工建設(shè)項(xiàng)目中得到廣泛的推廣。陸棋[14]介紹了將基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)藥制劑工廠的案例。在BIM 模塊化技術(shù)的運(yùn)用下,農(nóng)藥制劑工廠被設(shè)計(jì)為多個(gè)模塊,將其進(jìn)行模塊化建造。同時(shí)也對(duì)該技術(shù)在農(nóng)藥制劑行業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望,指出基于BIM 平臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù),將會(huì)促進(jìn)農(nóng)藥制劑行業(yè)的快速發(fā)展。鐘肖[15]系統(tǒng)介紹了在某LNG 工廠中模塊化設(shè)計(jì)方法,從模塊化分區(qū)、模塊化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究,為海洋平臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)、建造了提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

3.5 其他工程領(lǐng)域

魯勤武[16]等介紹了CPR1000 型核電工程模塊化設(shè)計(jì)過程中,各階段主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及要點(diǎn),研究總結(jié)了一套較完整的、指導(dǎo)模塊化設(shè)計(jì)的模塊設(shè)計(jì)流程,為核電工程模塊化技術(shù)研發(fā)工作提供了借鑒方案。王素敏[17]等將模塊化設(shè)計(jì)引入水泥廠電改袋工程的技術(shù)升級(jí)工程中,該技術(shù)的運(yùn)用簡化了收塵設(shè)備的設(shè)計(jì)流程,提高了制造、安裝的精度,解決了復(fù)雜狀況對(duì)工期、安裝質(zhì)量影響的難題。顏紅亮[18]報(bào)道了基于BIM 技術(shù)模塊化設(shè)計(jì)在船閘工程金屬結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。通過BIM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)船閘工程金屬結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)技術(shù)的革新與完善技術(shù)體系,該技術(shù)可貫穿船閘工程金屬結(jié)構(gòu)的全生命周期,提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量,提升了工作效率與管理水平。

4 結(jié)語

綜上所述,基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)建造理念,該技術(shù)可在人工成本相對(duì)較低的國家完成模塊制造并完成預(yù)組裝,運(yùn)抵施工現(xiàn)場只需拼裝完成相應(yīng)拼裝工作,是未來工程建設(shè)的趨勢所在。BIM 技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)有著應(yīng)用廣泛、節(jié)省投資、提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量、縮短建設(shè)周期和現(xiàn)場安裝施工簡便等特點(diǎn),該技術(shù)特別是在未來的海外工程中國外業(yè)主和工程公司的必然選擇與發(fā)展趨勢,該技術(shù)的應(yīng)用可能成為常態(tài)。目前,基于BIM 的模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)在冶金礦山、化工行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,但將其應(yīng)用于氧化鋁行業(yè)中相關(guān)的應(yīng)用報(bào)道較少,還處于摸索階段。