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装配式混凝土预制构件制造中BIM技术的应用

2022-03-30 36 上传者：管理员

摘要：为推动装配式混凝土建筑的发展，分析了BIM技术在装配式混凝土预制构件制造中应用的意义，介绍了基于BIM技术的预制构件库的创建、预制构件编码方式和构件生产工艺设计，并对基于BIM和RFID技术的预制构件生产管理进行了阐述，包括生产计划制定和优化、技术交底和生产任务的布置、构件生产即时追踪和构件质量检测等。

关键词：
BIM技术
生产管理
装配式混凝土
装配施工
预制构件
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BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的缩写，是一种空间三维信息模型，动态、直观、立体地反映建筑全方位的信息形象(亦有把时间、成本等视作维度，称其为四维或五维的)。BIM技术指的是用这一信息模型作为数据化工具，整合项目的各种信息，并在项目的全周期中共享，搭建各阶段协同工作的公共平台。

装配式混凝土建筑是实现建筑工业化的重要途径[1],其与传统的现浇混凝土建筑相比最大的不同是大量的构件在工厂预制完成，现场作业则主要为装配施工。装配式建筑对设计、构件生产、现场施工和运行维护等各个阶段的相互协调的要求很高。

将BIM技术应用于装配式混凝土建筑可以优化工程各环节的衔接，有助于实现建造的数字化和智能化。2020年7月，住房和城乡建设部、国家发展改革委、科技部等13部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》,其第一项重点任务——加快建筑工业化升级中明确指出“大力发展装配式建筑，……在建造全过程加大建筑信息模型(BIM)……等新技术的集成与创新应用”[2]。这标志着BIM技术与装配式建筑这一组合开始由探索期转入推广期。然而，目前国内的BIM技术在装配式混凝土中的应用研究和实践多见于项目管理、设计以及现场施工等方面[3],对BIM技术应用于预制构件生产的研究工作较少。研究基于BIM的预制构件制造技术对推动BIM技术在装配式混凝土建筑中的应用有重要意义[4]。

1、BIM构件模型库

目前，国内的装配式混凝土建筑的设计准则是“等同现浇”,设计单位通常先进行整体设计然后拆分设计构件，这样拆分出的构件往往存在种类多、构造复杂的特点，设计工作量大又不利于预制构件实现标准化。而利用BIM技术可以实现一种模块化的设计方法：预制构件生产企业根据其生产能力、生产技术特点和现行标准规范，通过BIM软件的相关功能建立预制构件模型库，并通过项目的BIM协同平台提供给设计单位。设计单位在进行预制构件设计时，可以直接选择构件库中的模型或在其基础上修改，这就大大减小了设计工作量，也更易于实现设计标准化。目前，常用的BIM建模软件主要有Revit,BentleyArchiCAD,CATIA,天正，广联达等，预制构件模型库示例如图1所示。

2、预制构件编码

预制构件生产企业得到设计单位提供的构件设计后，运用BIM技术对预制构件进行生产管理，记录构件全过程数据信息，这就要求每一构件必须有独立编码[5]。需要注意，构件信息需要在项目的BIM协同信息平台上进行共享和传递，所以构件的编码不仅用于构件的生产管理，也用于设计和装配施工等各阶段。在项目的全过程中，每一构件的编码应该是统一的。构件分类和编码，应结合构件的构造、生产工艺及应用特点，在项目构件库建立的同时，由设计单位会同构件生产企业来进行。通用构件编码采用3层结构，三个层次分别代表构件类型、构件名称、构件尺寸，如图2所示。具体项目中，可结合实际要求在此基础上进行扩展，例如后加注混凝土强度等级等。

编码之后，构件生产企业就可以在项目BIM协同平台中共享项目的预制构件数据，并将BIM构件数据及RFID(RadioFrequencyIdentification)信息同步。后续生产时，在相应构件的首道工序中嵌置RFID芯片，以便于后续生产和施工时在构件实体上调取信息。

3、预制构件生产工艺设计

目前预制构件的生产工艺主要有固定模工艺和流水线工艺，虽然两种工艺在模具方案和自动化程度方面有一些区别，但其工艺设计的内容和过程是类似的。预制构件生产工艺设计是构件生产企业制作构件的依据，其内容主要包括：1)建筑、结构、水电暖、设备等各专业设计汇集；2)构件的生产工序设计；3)构件脱模设计；4)吊点设计；5)构件的仓储和堆放设计等。

在各专业设计汇集时，构件生产企业可以通过项目的BIM协同平台调取各环节对各预制构件的要求，要确保无遗漏的反映在生产工艺设计中。工序设计指的是钢筋加工和绑扎、模板和预埋件安装、混凝土浇筑和养护等的设计。工序设计时，利用构件的BIM模型复核预埋件及钢筋的位置，用BIM软件的碰撞检测功能检测预埋件与钢筋是否存在位置冲突，是否距离过近影响混凝土的浇筑和振捣施工，如有则需对原构件设计进行调整。构件脱模设计时，按所编制脱模顺序，用BIM模拟脱模过程，检测是否有无法脱模或不易脱模的位置，如有则需调整模具设计方案。吊点设计和堆放设计时，主要考虑的是索具、支撑及构件本身的承载能力和变形验算，然后用BIM技术进行吊运和堆放空间的模拟与检测。

4、预制构件生产管理

基于BIM和RFID技术设计的预制构件生产管理和控制流程主要包括利用协同平台进行生产计划制定和优化、技术交底和生产任务的布置、构件生产即时追踪和构件质量检测等。

4.1 生产计划

根据所在工程项目的总进度要求、构件生产企业的产能和预制构件的生产工艺等编制生产计划，包括构件生产的进度计划、生产班组织计划、机械设备计划和模具的周转方案、构件物料配置计划、仓储和出厂计划等。另外，编制生产计划调整预案，以针对可能的突发问题利用预留产能和优化算法调整生产计划。生产计划导入BIM协同平台里，以供后续的生产任务布置和生产即时追踪时加以利用。

4.2 技术交底和生产任务布置

在每种新的预制构件生产前，利用BIM的三维可视化模型进行技术交底；在各工序衔接段，根据生产计划和构件生产即时追踪结果，协同平台自动向技术人员和工人布置当前的生产任务以及相应的技术资料。例如，平台通过RFID追踪到钢筋笼和预埋件安装工作完成，则自动布置混凝土搅拌和浇筑的任务，并同时发送配套的BIM模型和物料清单表。技术交底和生产任务布置时，应基于“一模型通”原则。所谓“一模型通”,就是对于每种构件提供该构件的完整模型，在该模型上可以调取生产所需的各种信息，不要让技术人员和工人在不同的模型或图样去查询同一构件信息。利用BIM技术模拟构件制作过程，并导出视频供技术交底使用。

4.3 生产即时追踪

生产过程中，利用BIM和RFID技术进行预制构件生产即时追踪。其中，RFID技术用于预制构件即时追踪的识别，而BIM用于将追踪到的生产信息以模型和图标展示出来并加以显示和应用。选用RFID技术进行识别，可以避免因为预制构件的生产过程中的污损、蒸汽养护工序高温高湿等无法贴近读写的问题[6]。追踪过程主要涉及生产工序、信息识别记录、信息集成和管理三个环节。识别预制构件信息的时间节点包括：生产开始、钢筋绑扎结束、模具安装完毕、混凝土浇筑完毕、蒸汽养护开始、构件脱模、构件入库、构件出厂时。

4.4 预制构件质量检测

预制构件质量检测项目主要有各类构件的外观质量、尺寸偏差、装饰层、保温层、防水和粗糙面的质量等。其中，尺寸偏差是影响结构性能和安装、使用功能的主要因素。构件尺寸偏差传统的检测方法是人工量测，检测数据主要通过钢尺、靠尺、塞尺等测量工具进行实体测量得到。人工量测耗时多，易产生误差。

可利用BIM技术联合3D激光扫描技术对构件的尺寸偏差进行快速、精确的检测。在BIM-3D激光扫描检测系统中，BIM模型参数结合具体项目要求的检测指标和合格标准，确定各构件的检测规范，标定其检测属性，整合设计参数和合格标准参数，建立合格条件数据库，为系统自动判定构件的尺寸偏差合格与否提供数据基础。激光扫描检测后，系统自动比较构件设计值与实际值，判断误差是否满足合格条件，完成构件尺寸偏差检测。检测的结果通过编码方式存在BIM模型中。同时，也可以用该技术检测构件的外观质量，发现表面缺陷。该检测技术具有效率高、精度高、信息化、智能化的特点，更适于装配式混凝土建筑发展的需要。上述基于BIM的预制构件生产管理过程如图3所示。

5、结语

BIM参数模型可以整合建筑项目的各种信息，为项目策划、设计、制作、施工、运行和维护的全生命周期提供协同工作的基础，不仅在生产效率、成本和工期方面发挥重要作用，而且为实现智能化建造提供了技术基础。BIM技术应用于预制构件制造，是其中不可或缺的中间环节，这一环节中能够最大程度的体现装配式建筑的优势，并且也直接影响BIM在设计、施工等其他阶段的应用。随着装配式建筑的发展，其将成为各预制构件生产企业的必由之路。

参考文献:

[1]罗志强.基于BIM的装配式混凝土建筑构件参数化实施研究[D].聊城:聊城大学,2018.

[2]住房和城乡建设部,国家发展改革委.关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见:建市[2020]60号[A].(2020-07-03)[2020-07-03].

[3]米丽梅.BIM技术在建筑工程施工设计及管理中的应用[J].山西建筑,2021,47(12):188-190.

[4]孙冰冰.BIM技术在装配式建筑中的价值分析[D].郑州:华北水利水电大学,2020.

[5]丁少华.基于BIM的装配式建筑预制构件分类与编码体系研究[J].土木建筑工程信息技术,2021,13(2):111-116.

[6]杨之恬.钢筋混凝土预制构件多流水线生产过程优化管理系统研究[D].北京:清华大学,2017.

文章来源：韩超,吴金花.BIM技术在装配式混凝土预制构件制造中的应用[J].山西建筑,2022,48(07):89-91.