首页 >
论文范文 >
工程工业论文 >
建筑工程论文 >
基于BIM的数字化智能加工技术研究
摘要：针对幕墙加工的数字化转型需求，提出了一种基于BIM的智能加工解决方案。通过开发的Grasshopper插件，对BIM模型的特征识别并标记，使其通过基于PowerMill研发的自动转换程序生成CNC文件（机床执行文件），同时开发数据传输到各端口的管理系统（MES系统），实现了各个生产环节的数据透明以及无纸化传输；基于BIM的数字化智能加工流程相较于传统加工流程，加工效率得到了大幅提升，既保证了加工质量，又减少了材料损耗，为幕墙行业的数字化智能加工发展奠定了基础。
加入收藏
当前,BIM技术已在设计建筑幕墙的设计阶段得到 充分应用[1-4],但如何将BIM技术与幕墙型材智能加工 制造技术深度融合,实现基于BIM的数字化智能加工, 还没有实际的应用｡数字化智能加工技术旨在利用BIM 模型中的精确信息[5],驱动自动化生产设备进行智能识 别､智能排产和精准加工,从而提高生产效率,减少材 料浪费,保障工程质量,降低工程成本[6]｡
目前,幕墙加工流程还是采用传统流程(图1), 首先需要BIM工程师根据幕墙设计师出具的图纸建立具 有型材加工信息的BIM模型,之后再由幕墙设计师根据 BIM模型绘制具体的型材加工图[8-10]｡
这种形式由于设计师手工绘制,会出现细节多､易 出错､易遗漏的情况｡在型材开始加工前,加工厂需要 安排设计核查图纸是否完善､能否加工,并根据型材使 用需求量,使用不同机床进行手动加工或者数控加工｡在工人根据纸质图纸手动加工过程中,人为干扰多､易 出错,且加工质量参差不齐[11];工人根据纸质图纸编制 CNC数控程序时,则需要理解图纸画法并手动将图纸绘 制到生产数控编程软件中,过程中非常容易出错,且效 率低[12]｡
为了更好地将幕墙BIM模型与数字化智能加工进行 融合,使幕墙型材的加工流程简化(图2),同时提高 型材利用率,提升加工质量以及加工效率,通过本项研 究开发出一款可以直接将BIM模型中所体现的型材加工 特征进行标记并识别,自动转化为数控加工(CNC)文 件的数字化智能加工技术,从而简化加工流程,减少因 人为因素导致的材料浪费｡同时开发数据到设备的管理 系统(MES系统),使加工流程全过程透明,加工进度 线上监测,使管理人员对全过程进行管理｡对夹具进行 自动化分类,减少人为失误和频繁移动夹具,同时避免 撞刀导致机床损坏｡
图1 传统幕墙加工流程示意
图2 优化后的幕墙加工流程示意
1、BIM模型加工特征标记识别并自动转化为数控程序
要想实现对BIM模型进行识别,首先要对建模精度 进行要求,BIM模型需达到LOD400的精度｡对于幕墙 型材来说,需要充分利用BIM的优势,将所有要处理的 孔位都在模型中体现出来,必要时可以采取碰撞检测等 方法来确认模型是否符合要求｡将所有的数据以模型的 方式体现,这样才能为下一步模型转化提供基础,否则 难以保证转化的正确性｡
由加工模型直接进行数控编程,首先要实现加工 特征的自动识别和分类,方便后续的加工策略匹配和参 数设置｡常见的幕墙型材加工特征有圆过孔,槽(长圆 孔､方形孔､豁口等),机丝孔等,其中圆孔是最特殊 的一种特征,可以采用钻孔策略进行加工,其余的特征 需要根据特征的具体属性选择相应的加工策略｡
实现全自动转码首要解决的就是特征识别问题｡为解决加工特征全自动识别的难题,经过研究,确定采用 不同颜色标识加工特征的方式,辅助软件自动识别;方 案1是给去除特征涂颜色的方式(图3),利用图像识别技术来区分和定位这些特征｡然而,在实际应用和测试 阶段发现一些问题:首先,颜色信息可能会影响计算效 率和识别准确度;其次,对于某些微小､复杂的加工特 征,仅凭表面的颜色标记可能无法提供足够的信息量以 满足精准识别的需求｡因此,在方案2中进行了改进, 选择在加工特征的侧壁部分进行颜色标识(图4)｡
图3 去除特征涂色
图4 加工特征侧壁涂色
这一改动的优势在于:一方面,侧壁的颜色标记相 较于平坦表面更具有立体感和空间指示性,有助于图像 识别系统从多角度捕捉和解析特征;另一方面,侧壁颜 色不易受到环境光源干扰,从而提高了特征识别的稳定 性,进一步提升了计算效率和识别准确率｡通过这种方 法,有效地解决了方案1中存在的问题,为全自动转码 过程中的特征识别提供了更为可靠和高效的解决方案｡
为了实现建模过程中快速标记加工特征颜色,基 于Rhino & Grasshopper开发了相应的插件,包括“Set BrepFaceColor”“SetBrepColorSimple”“ColourRGB_ Quick”等(图5)｡
图5 Rhino & Grasshopper插件
在进行其他加工特征的处理时,通常会采用等高精 加工策略｡通过软件自动识别出待加工的特征,如孔､ 槽或是特定的表面区域等｡一旦这些加工特征被准确识 别后,系统会进一步提取出一系列的关键参数,包括轮 廓线的形状和尺寸､加工所需的深度以及相对于工件基 准面的加工角度等｡这些信息对于确保加工过程的精度 和效率至关重要｡例如,轮廓线定义了加工的边界,加 工深度决定了材料去除量的多少,而加工角度则影响着 切削工具的方向和路径规划｡通过这种方式,可以实现 对复杂构件的高度自动化和精确制造(图6)｡
图6 其他加工特征识别
将模型特征进行准确识别后,为了实现由BIM模 型自动转换为数控程序这一关键步骤,经过对近10款 数控编程软件的考察和试用,最后筛选出2款软件, PowerMill(Autodesk公司开发的数控编程软件)和 MasterCAM,这2个软件是目前机械行业应用比较广的 数控编程软件,都能满足工厂的要求,且支持二次开 发,具备开发全自动转码软件的基础｡但经过多方面对 比,最终选定开发周期相对较短､二次开发较为成熟的 PowerMill实现模型自动转换为数控程序,最终形成成熟 的自动转换软件,软件包含了以下几个功能:
1)导入模型｡软件支持多种格式三维模型导入, 例如STEP､STL､IGES等,并能够自动检测和修复模型 中的几何问题,使模型能够进行后续的编程｡同时具备 进行模型预览､尺寸检查以及模型位置和方向调整等功 能,方便使用者能查看数控加工所需的数据模型｡
2)设置机床｡能够配置机床的基本参数,如机床 类型､工作台尺寸､主轴转速范围､进给速度限制等｡ 还可以设置刀具信息,比如刀具类型､直径､长度等｡ 提供设置坐标系､安全高度和平面选择等功能,以确保 生成的数控程序与实际机床的操作要求相匹配｡
3)特征识别｡能够对之前进行特征标记后的模型 进行识别,对不同特征之间能够分类｡
4)选择策略｡自动分析模型的几何特征,根据特 征类型智能推荐合适的加工方法｡同时考虑材料属性､ 加工精度要求以及刀具特性等因素,以确定最佳的加工 顺序､走刀路径和切削参数｡
5)计算刀路｡根据已设定的加工策略和参数,自 动规划出刀具的运动轨迹｡确定刀具的起点､终点､进 给速度､切削深度以及刀具路径的优化,以确保加工效率和表面质量｡同时考虑刀具的磨损和更换时机,以及 避免碰撞和过切等问题,从而生成一条既安全又高效的 刀具路径｡
6)模拟仿真｡在虚拟环境中精确再现刀具的运动 轨迹,展示刀具如何沿着预定路径移动并对工件进行加 工的过程｡包括实时显示刀具路径､加工过程中的材料 去除情况､工件形态的变化以及可能出现的碰撞风险｡ 同时可以从不同角度观察模拟结果,并对刀路进行调整 以优化加工效果｡
7)生成程序｡通过上述步骤确认刀路无误后,输 出符合标准格式(如G代码)的指令文件,以确保高效 的零件制造和材料利用率｡
通过软件的自动转化,因人为导致的失误大大降 低,每个构件的计算时间在3 min左右,效率比人工编 程提升10倍左右,避免了路径规划错误导致的机床损 坏,同时又能够保证良好的加工质量(图7~图10)｡
图7 自动编程界面
图8 云计算界面
图9 自动后处理生成NC程序
图10 刀路模拟仿真
2、MES系统
为达到幕墙设计模型与智能工厂的数字化链接,开 发MES系统,通过不同端口实现加工料单､文件､数据 的传输,实现数据驱动智能设备的无纸化自动化高效生产,实现各个生产环节中数据透明｡通过对加工特征的 实时识别和跟踪,可以快速响应设计变更､材料性能变 化等情况,动态调整加工方案,保证产品质量和工期控 制｡使管理人员对各项生产经营活动进行事先计划､事 中控制和事后反馈｡
数据到设备的管理系统(MES系统),主要通过 八二制造系统服务器,连接各个部门,由各部门将相关 的型材加工数据上传到服务器,再由服务器通过交换 机,随后服务器利用网络交换机将这些数据精准地分发 到加工车间内的各个机床操作终端及上机位(图11)｡
图11 MES系统网络部署
MES系统不同应用端包含了用户管理､设计文件管 理､装配和加工管理以及生产端操作等功能见表1｡
表1 MES系统功能清单
1)用户管理:支持用户认证､权限分配､角色管 理等功能,以确保只有经授权的用户才能访问相应的系 统模块,且所有的操作都被记录下来用于审核和追踪｡
2)设计文件管理:提供了对设计文件的创建､修 改､查看､导出以及安全访问控制等功能,以确保所有相关的设计文件能够被有效地组织､管理和更新,同时 保证只有授权人员可以访问或修改这些文件｡
3)装配和加工管理:包含了装配明细管理和加工 单管理,用于跟踪和管理生产过程中的装配和加工任 务,旨在确保装配和加工过程高效､准确地进行,并能 实时监控生产状态以及时响应变化｡
4)生产端操作:提供了登录､下料､打孔等实际 生产操作的功能,并支持相关参数的设置和调整｡
这些功能共同构成完整的生产管理系统,旨在提高 生产效率,优化生产流程,确保生产任务的顺利执行｡
3、结语
1)提出了一种BIM模型标记识别方法,通过侧壁 的颜色标记,使图像识别系统从多角度捕捉和解析特 征,进一步提升了计算效率和识别准确率｡
2)开发了BIM模型可以直接转化为数控加工文件 的程序,减少了人工出具加工图以及编程带来的材料浪 费和加工设备损坏的风险｡
3)开发了数据到设备的管理系统(MES系统), 该系统支持用户管理､设计文件管理､装配和加工管理 以及生产端操作等功能,实现了数据到设备的无缝连 接,提高了生产效率并确保了生产任务的顺利执行｡
参考文献:
[1]胡志勇,王新槐,龚伶妃,等.BIM技术加速建筑业数字化转型的 思考与实践[J].建筑节能(中英文),2024,52(5):79-83.
[2]周丽娜,周庆旭.BIM技术在中国应用现状与发展趋势研究[J]. 工程建设与设计,2024(1):141-144.
[3]李元,覃庄,乔稳超,等.BIM技术在渐变异形玻璃幕墙施工中的 应用[J].建设机械技术与管理,2022,35(增刊1):134-136.
[4]齐海艳.BIM技术在建筑外立面幕墙设计中的应用研究[J].城 市建设理论研究(电子版),2024(14):46-48.
[5]王瑞琪,林文康,王子佳,等.基于BIM参数化的幕墙曲线百叶系 统的优化设计[J].中国建筑金属结构,2023,22(12):102-105.
[6]黄永杭.BIM技术在单元式幕墙工程中的应用[J].广州建筑, 2024,52(1):73-76.
[7]刘柱.建筑幕墙结构设计及优化措施分析[J].居舍,2023(30): 98-101.
[8]汪大绥,孟根宝力高.我国幕墙系统发展现状与未来展望[J].建 筑实践,2023(4):6-25.
[9]贺雄英,谭卡,简超.建筑幕墙工程施工技术的研究进展[J].中国 建筑装饰装修,2023(14):159-161.
[10]米志友,吕晓洋,白晶剑.幕墙工程施工技术应用[J].建筑技术开 发,2021,48(22):30-31.
[11]邹琰.机械加工工艺对加工精度的影响[J].南方农机,2020, 51(8):169.
[12]郑聪.CNC刀位数据特征识别及可视化[D].佛山:佛山科学技术 学院,2022
基金资助:山东省重点研究计划(重大科技创新工程)(2021CXGC011205);
文章来源:王化成,房海波,张洪岩,等.基于BIM的数字化智能加工技术研究[J].建筑施工,2024,46(12):2033-2036.
分享：
相比传统建筑方式,装配式建筑具有施工周期短､质量可控､环境污染小等诸多优势[1]｡然而,在装配式建筑中,电气安装工程具有复杂性和多样性,施工过程不仅要求设计和施工标准化､模块化,还需要与装配式建筑其他施工环节高度协调[2-3],否则会导致施工冲突､效率低下等问题,进而影响整个工程的施工进度和质量｡
2025-09-07
太原武宿国际机场三期改扩建工程T3航站楼项目为山西省交通强省建设标杆工程｡该工程采用“大港湾+三通道”的三指廊构型,划分为中心区(包括主楼和中指廊)､东指廊､西指廊3个部分｡主楼高屋盖为桁网混合结构,北侧为桁架,南侧为网架结构,高屋盖屋脊及南侧网架中轴位置设置天窗,南北侧均呈凹曲面造型｡
2025-09-07
在室内环境监测中,需要通过实时监测数据来反映环境质量,对提高我国总体的室内空气质量具有重大意义[1]｡随着人们生活水平的提高和工作方式的改变,越来越多的生产和生活在室内完成,大多数人每天80%的时间在室内度过,因此室内空气质量的好坏对人体健康有非常大的影响,也提升了人们对室内空气质量的关注[2]｡
2025-09-07
传统的太阳能路灯采用单灯控制模式,控制方式比较简单,通过固定时间进行开关控制,并且开关时间无法通过远程进行修改,导致能源浪费严重,存在无效照明时间[1]｡在深夜时分,路上已经没有行人和车辆时,路灯却仍处于正常亮度,这无疑是对资源的一种浪费｡
2025-09-07
现代建筑工程以推广装配式建筑､智能建造与建筑工业化､绿色建材为目标[1],工程项目的复杂性､规模性和不确定性,使得传统管理方式难以实现对项目全过程的精准控制｡BIM技术作为一种新型科学数字化技术,通过构建三维数据模型,实现对建筑工程项目的全面信息化管理[2]｡
2025-09-07
沙坡头区兴仁镇区域地层主要以砂壤土及壤土层为主,沙坡头区2022年兴仁镇西里村现代高效节水农业项目分别在西里村及惠家沟村建设两座过滤器厂房,所选场地属于Ⅳ自重湿陷性场地｡过滤器厂房地基处理采用素土挤密桩进行处理｡本文针对该项目西里及惠家沟两处泵房地基处理措施,浅谈素土挤密桩在工程中的运用｡
2025-09-07
装配式结构安装如果能做到加大集成量,减少装配数,无疑是一种更快的现场安装施工方式,因此在钢结构拱肋安装施工时,往往优选加大拱肋安装节段长度,减少拱肋安装节段数量｡由于钢结构拱肋在安装施工过程中容易变形､稳定性差,因此常规利用支架支撑进行钢结构拱肋安装时,基本采用多支架支撑的施工工艺,拱肋的所有重量都由支架承担｡
2025-09-07
随着工业革命对科学的推动,独立院系的产生,传统学科边界逐渐显露局限性,而学科交叉便是打破学科边界局限性的方式｡我国高等教育发展也在国家政策导向下,重视交叉学科建设,并在2021年正式将“交叉学科”列为第十四个学科门类｡
2025-09-07
由于钢结构具有自重轻､强度大､寿命长等特点,在高层及超高层建筑中得到了广泛应用｡在钢结构施工中,影响安装质量的因素多种多样,除了钢构件自身的质量与性能外,吊装方式是否科学､安装误差是否符合规范以及组装连接是否可靠等,都会直接影响钢结构的稳定性与安全性｡
2025-09-07
高寒地区铁路站房给排水系统是交通基础设施的重要组成部分,其设计与运行的稳定性在恶劣气候条件下逐渐成为关键关注点[1]｡当前,传统的防冻保温技术在一定程度上改善给排水系统的运行环境,但随着寒冷地区气候变化的加剧,现有技术在面对极端低温时的应用效果仍然存在一定局限性｡
2025-09-07
人气：11211
人气：11115
人气：10639
人气：7463
人气：5235
我要评论
期刊名称：广州建筑
期刊人气：871
主管单位：州市建筑集团有限公司
主办单位：广州市建筑科学研究院有限公司
出版地方：广东
专业分类：建筑
国际刊号：1671-2439
国内刊号：44-1229/TU
创刊时间：1973年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：1-3个月
影响因子：1.745
影响因子：1.093
影响因子：1.922
影响因子：0.585
影响因子：0.000
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2024-12-27
48
上传者：管理员
