智能化技術在工業廠房施工應用探索

藍元海

(中建三局第三建設工程有限責任公司廈門分公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著建筑業的發展，工業廠房正向更大跨度、更大空間、預制裝配式方向邁進，相應的復雜空間節點增加，構配件尺寸精準度要求提高、各不同專業協調量大，這就要求施工過程中要全面掌控所有施工信息，確保每一道施工工序都有跡可循，每一次施工環境都處于可控狀態。傳統的人力不定期監控、冗雜的紙質化據記錄、管理人員主觀意識判斷很難滿足現代工業廠房日趨復雜和高效化的施工要求。因此，工業廠房施工引入智能化技術迫在眉睫。本文通過某工業廠房施工過程實施電子信息智能技術應用實例，探索工業廠房施工過程如何更好地融入智能化技術及其具體措施，以供其他類似工程參考。

1 工程項目概況

ABB廈門工業中心項目總建筑面積為196 253.53m2，包含LP(低壓)、PPMV(中壓)及PPHV(高壓)3大鋼結構廠房，建成后將成為 ABB在全球最大的工業中心。此工程復雜空間節點多(如非等截面鋼柱與虹吸雨水管、ALC板墻及CCA硅酸蓋板交叉互穿節點)，精細化程度要求極高(超平地坪施工需達到ASTM E1155美國材料與試驗協會規范F-Number System中Flatness(FF)≥100，Levelness (FL)≥100以及3m靠尺落差≤1.6mm的要求)，傳統方法無法滿足如此高要求的施工狀況。

該工程從設計階段開始，構件BIM數據模型，在基礎施工階段前完成基礎模型修改，并在基礎施工階段完成整體模型修改。同時各智能化系統皆在基礎施工階段前進行布置，并以施工開始的一個月作為智能化系統“調試及適應期”，逐步在施工過程中完善使用，并反饋至實體施工中。通過從預制樁承臺基礎施工、廠房鋼結構施工、行政樓混凝土框架結構施工、屋面系統施工、裝修工程施工等多個階段的不斷應用、調整、反饋，完善了實體質量管控和施工成本節約的最終目的。

2 BIM信息數據化應用

該工程全生命周期采用BIM技術和云儲存及云平臺技術，由于工業廠房施工精確性、針對性強的要求較其他一般性房建工程更強，因此通過BIM模型將工程每個構件，每個變化都化為數據流形成不同的信息，匯集成三維虛擬“實體”，能夠解決工業廠房施工的各項針對性和精確性要求，如圖1所示。該工程依靠這個蘊含龐大信息量的“仿真工程活體”，直觀地調整工程結構體系，及時預警危險信息，全面地把控工程質量等，同時借助各終端設備隨時隨地掌握、調整上述施工過程中需要的關鍵信息。下文詳細介紹其中2個應用實例。

圖1 工程整體BIM效果圖

2.1 內墻(ALC板)深化應用

ABB廈門工業中心廠房內墻，采用預制裝配式ALC板(蒸壓加氣混凝土防火內隔墻板)，利用BIM技術對ALC板材進行參數化建模，導入給排水、電氣、通風、消防等機電管線模型及門窗模型，以生成ALC板上預留洞口，同時深化ACL板導向角鋼與鋼柱的固定節點，最終導出包含各項節點及關鍵參數的每塊ALC編碼的墻體模型。通過檢索該模型，生產廠商依照編碼，精準制造含有預留洞口及洞口加固的ALC板；現場管理人員及組裝工人通過模型，精準安裝ALC墻體，如圖2～圖3所示。

圖2 ALC板局部模型(包含編碼信息)

圖3 管理人員核查墻體節點

同時通過模型共享，生產廠商和現場管理人員能及時將發現的墻體問題明顯反映在模型上，及時通知相關設計人員進行調整。

2.2 復雜節點信息淺析化

基于BIM模型可視化特性，針對涵蓋多個專業的復雜節點進行合理剖析，分析出合理施工順序，避免碰撞和返工。

例：廠房內有大量一體化鋼柱，通過BIM模型對ALC板排布，焊接固定方式，板材與鋼柱空間位置關系，ALC板與鋼柱間防火門位置關系，穿墻管線與鋼柱位置關系進行剖析，分析合理施工順序。將原本設計貼靠鋼柱翼緣板的ALC板偏移30mm，鋼柱與板材通過導向角鋼進行連接，以滿足ALC板安裝要求，并避開碰撞的管線，確保防火門有足夠的安裝空間，提高ALC板工程質量和安裝效率[1]，如圖4所示。

圖4 復雜節點剖析核查模型

3 智慧型節能設備一體化應用

由于工業廠房占地面積大，施工用水覆蓋面積廣，用水量大，傳統的工業廠房施工用水一般直接采用自來水經增壓泵加壓后輸送到用水地點。該方式能耗高、成本高、水資源浪費嚴重，已不能適用“四節一環保、創建節約型工地、綠色建造”的要求。或采用地面下至少三級沉淀方式進行雨水收集回收利用，該方式在棄流和粗略過濾后，進行沉淀才能排入蓄水系統，且地面的雨水雜質多，污染源復雜，用水容易產生異味，存在雜物，造成管道堵塞等負面影響，還需定期清理沉淀池，電能、水資源及人力資源浪費嚴重。

該工程自主設計出一套雨水收集回收利用系統[2]，針對工業廠房“單層面積大，匯集雨水面積廣”的特點，采用一種屋頂建筑頂部匯水，通過棄流和簡單過濾后，直接排入蓄水系統，進行處理后使用于各施工用水區域的方式。它包括PE塑料雨水收集桶、自動增壓泵、單路溝槽式廁所節水控制系統、圍墻噴淋系統、綠化噴淋系統及辦公區清潔用水系統。

雨水收集桶由雨水斗、連接管、懸臂吊管、細濾網、雨水收集桶、出水管、PP棉和活性炭過濾網、球閥調節開關和各管道連接件等組成。連接管和懸臂吊管通過屋檐L形吊桿和板房鋼柱焊接牛腿支撐，并用鋼絲綁扎固定，連接管末端設置防堵反沖閥門，自動增壓泵放置于雨水收集桶旁與雨水收集回收利用系統連接管道連接，自動增壓泵根據連接管道內氣壓大小自動增壓，從而構成雨水收集回收利用系統，如圖5所示。

圖5 雨水收集回收利用系統示意圖

雨水收集回收利用系統包括固定在連接管道上的三根主管。一根連接廁所節水控制系統，主管上安裝電磁閥，電磁閥與單路溝槽式廁所節水控制器和紅外線熱敏探測器相連。由紅外線熱敏探測器感應，并將感應信號傳送給控制器，由控制器控制電磁閥打開放水，做到來人放水，無人停水，節水效率高，安全省電。另兩根連接圍墻噴淋系統和綠化噴淋系統，主管起始端設置球閥調節開關，噴淋時打開，主管上設置支管，支管上設置噴頭。

廁所中設置的單路溝槽式廁所節水控制器，通過探頭感應器識別人體后傳到控制器中，從而自動控制沖水開關。同時，沖洗方式不是傳統的壓力水流沖洗，而是采用溝槽式管道滴水進行沖洗，相較于傳統的沖洗方式，耗水量節約50%。

雨水收集回收利用系統，通過這一系列的感應聯動，形成可以自動搜集并且加以控制的一體化施工用水節能設備。它的“智慧”體現在自動搜集雨水，精細化地合理利用每滴水資源，節約大量不必要的工程開支，與外界聯動成為可循環的環保體系，如圖6～圖7所示。

圖6 雨水收集回收利用系統

圖7 單路溝槽式廁所節水控制器

該工程雨水回收利用系統中雨水收集有效總面積約為108 542.45m2，2016年一年廈門年降雨量為2167.3mm，2017年一年廈門年降雨量為1831.9mm。考慮20%的各類損耗(水頭損壞等)，共計收集雨水347 266.37m3，結合廈門工業用水價格為每噸3.2元，共計節約水費111.13萬元。同時，收集的雨水處理后作為供水使用，也節約了直接排放的污水處理費用共計16.4萬元；加之與多處節水設備聯動使用，節水達40%以上。共計節約費用127.53萬元，應用效益十分可觀。

4 施工環境智能監控

由于工業廠房為功能性建筑，相較于普通房建工程，施工環境變化頻繁，對其各項細致參數的全面監控顯得尤為重要。傳統的晴雨表、溫濕度計等儀器僅僅是簡單的小范圍數據記錄，無法分析環境參數并形成監控曲線，也無法自主“發出”預警信息。項目管理層通過采用一套環境監測預警儀及多個無線式太陽能監控系統構成工程全面智能監控體系，同時把監控數據及時反饋至BIM模型中，聯動反映施工環境情況變化，供施工人員進行安全預警及施工措施調整。

4.1 環境實時監測預警儀

采用全方位環境實時監測儀，如圖8所示，于辦公區入口處、施工現場入口處等多個關鍵性出入口設置LED信息屏，通過布置在整個工程的多個感應設備，及時搜集相關環境參數(噪音、PM2.5、PM10、溫度、濕度、風速、風向等)和影像資料，反饋于信息屏上，形成預警信息，及時通知管理人員進行處理。

整套環境實時監測預警儀包含了多個噪聲揚塵自動監測傳感器(量程30-130db/0-2mg/m3)、多個擴展氣象參數探頭(溫濕度、風速、風向等氣象信號的擴展接入)、視頻信號聯網裝置(通過以太網或者無線3G/4G網絡可以完美支持視頻信號傳輸)、高配置嵌入式系統(工業實時處理系統，采用了實時操作系統和看門狗電路，實時操作系統可以允許同時運行多個任務)、故障提示報警器等多個自主運行的設施設備。

圖8 環境實時監測儀

依靠上述設備，項目整套環境實時監測預警機制如下：

(1)多用戶、多賬號的在線數據監測和監控的分級管理方式，便于特定環境的監控參數不被大量環境參數覆蓋而錯過最佳預警時機。

(2)提供實時數據顯示功能，實時數據上傳間隔30s。

(3)豐富的歷史數據分析手段，可選1h、24h、15d、1個月、半年的歷史數據，及時導出、分析歷史數據曲線，通過該系統上傳月報并及時分析處理消項，達到自查、自測的效果。

4.2 無線式太陽能監控系統

太陽能供電無線通信和視頻監控系統(圖9～圖11)在供電方式上采用太陽能供電，傳輸方式上采用國際標準 801.11a OFDM 無線技術。采用太陽能監控系統可以擺脫線纜的束縛，實現快速安裝，施工時間短，投入低，效果好。既可以擺脫山地、森林、河流、開闊地等特殊地理環境的限制，又無須考慮電源線及通信光纜的布線和施工問題，徹底解決布線工程周期長、施工成本高昂甚至根本無法實現的困難。

圖10 太陽能監控系統顯示屏二

當太陽光照較強時，太陽能光伏組件產生的電流匯聚到控制器，控制器進行供電監控。太陽能光伏組件通過控制器給視頻監控部件供電，同時將多余的能量儲存在儲能系統。

當太陽光照較弱時，太陽能儲能單元板的發電滿足不了視頻監控需求的能量時，負載除從太陽能儲能單元板獲取能量以外，儲能系統同時處于放電狀態以滿足視頻監控穩定運行。

當到夜間、陰天等日照條件不好的情況下，轉由儲能系統給視頻監控供電。

圖11 無線式太陽能監控系統示意圖

通過安裝于塔吊、施工電梯等高處的太陽能監控系統，及時監控施工環境變化，為大型施工機械的運行、高處作業等高風險作業提供預警，避免安全事故的發生。

5 便攜式監測設備應用

針對局部環境信息變化較快的施工部位，如密閉空間(地下蓄水池、污水池、人防結構等)等，項目采用便攜式的智能監測設備，采集信息后錄入至BIM模型中，形成虛擬安全預警信息，同時采取針對性安全調整措施，如鏑燈光照過強，超過標準值，采取增加遮光器、遮光屏等措施調整光強。

5.1 光亮數字照度計

通過采用便攜光亮數字照度計(測量范圍：200/2000/20 000/200 000Lux；分辨率0.1Lux；準確度:±4%±10dgts<10 000Lux)，針對現場施工照明亮度進行嚴格控制。以夜間施工照明為例，根據相關規范，夜間施工照度不得超過20～50Lux，通過照度計的使用、記錄，及時調整照度，以確保施工照明不造成光污染，起到了很好的預警調控作用，如圖12所示。

圖12 光亮照度計的使用

5.2 氧氣濃度儀

針對密閉空間施工安全隱患，一直是建筑業長期重視的問題，密閉空間氧氣濃度的監測，更是重中之重。該項目通過應用便攜式的氧氣濃度測試儀，在每次施工前對密閉空間氧氣濃度進行測試，低于19.5%即4.368mol/L則進行通風加氧處理；在施工過程中，由監護人員攜帶氧氣濃度儀，時刻監控匯總氧氣含量信息，如圖13所示。

圖13 氧氣濃度儀的使用

6 結語

該工程通過對BIM技術應用實例，以及智慧型節能設備，施工環境智能監控設備，便攜式監測設備等智能化應用實例的剖析，對施工智能化技術的應用探索提煉出一些心得：

(1)BIM技術需根據工程特點不同，進行調整和側重點應用，如本文中工業廠房，側重應用于ALC內墻板、鋼結構深化等方面。

(2)智能化設備的選擇應該根據不同結構類型及使用用途的工業廠房進行針對性甄選，以本文中工業廠房為例，存在多個密閉式的高科技泵房、化學池等，因此氧氣濃度儀的適用性很高。

(3)智能化系統的選用，建議和工程建成后運營系統應用進行接續，這樣就避免施工用一套，運營又采用另一套，無形中增加了建筑成本，造成浪費。

[1] 元軒中. 蒸壓加氣混凝土板(ALC板)在重型鋼結構廠房的施工應用[J]. 福建建筑,2014(10):95-98.

[2] 藍元海.雨水收集與利用系統：中國，0775316.2[P].2016-07-22.