基于建筑信息建模搭建的工業腳手架

文/ Klaus Fockenberg 博士

適合工廠建設的建筑信息模型(BIM)構建了現代建筑業的技術支柱——如果沒有當今計算機軟件技術的快速發展，對工藝流程和設備技術要求越來越復雜的工程項目，就可能無法完成規劃，與日俱增的進出物料統計也舉步維艱，BIM 技術的確成為現代工程不可或缺的重要組成部分。另一方面，對于工廠的建設，數字化建筑信息模型（BIM）技術也起到了關鍵支撐的作用，這是巴斯夫、Promaintain 和 PERI 公司研究數字化工業腳手架的根本原因。

在德國路德維希港的巴斯夫建造新的建筑群，現代腳手架系統構成了大型工廠建設的中央通道系統，它們不僅提供通道和存儲區域，而且還創造了適合為各個行業“協同作戰”的工作環境，該工作環境還必須滿足職業、安全和環境的所有要求

首先是數字化建模，然后是真實施工：這個超過10 年的建筑信息三維模型（BIM）方法，在2018 年之前一直是工廠建設領域的空白。

隨著巴斯夫路德維希港新乙炔廠試點項目的開展，建筑信息三維模型（BIM）方法搭建的腳手架系統，已經彰顯出BIM 為工程帶來的巨大增值潛力。

這種在業內以“工程腳手架”被人們所熟悉的方法基于3 個因素：數字孿生技術，將建筑信息模型（BIM）作為規劃、信息和通信平臺，創新腳手架技術的潛力。

數字還是模擬

與建筑施工及土木工程一樣，人們對工廠建設一直糾結一個問題：究竟是使用數字化建模方法還是采用基于傳統經驗的施工方式？數字建模法基于計算機網絡系統，算法精確、規劃精準。傳統經驗施工是在手動和（或）機械化施工中進行的。從施工整體考量，為了能夠精確規劃、完整規范，施工過程的數字化可謂方興未艾，大勢所趨。如何將兩種方法有機結合是 Promaintain 和PERI 公司合作開發用于工業腳手架建筑信息模型（BIM）模塊的出發點。

Promaintain 承擔了項目開發商的任務以及項目管理，而PERI公司負責腳手架技術的設計和模塊化技術研發。

建筑信息三維模型（BIM）依據信息技術的支持，BIM 收集所有與工程規劃和項目施工相關的建筑信息，建立建筑信息三維數字化模型。這些信息存儲在一個同步的數據環境中，參與項目的每個人都可以隨時訪問。

集成模塊化系統的腳手架技術

為了能夠充分利用和實施 BIM 方法的潛力，需要一個強大的腳手架技術。 Promaintain 和 PERI 的合作就是在這個界面上進行的。Peri-up 腳手架施工套件（1998）和Variokit 工程施工套件（2005）體現了新一代的裝配系統，其設計基于模塊化技術。具體來說：幾個具有高度功能集成的核心部件和緊固件構成了兩個 PERI 模塊化系統的基礎，在各種應用和設計中，它們具有很高比例的相同部件。此外，這兩個系統都基于一個（八度）公制組件或連接網格。中間層以 50 cm 的間隔布置，水平結構中的裝飾區域可以以 25 cm 的增量擴展，Variokit 和Peri-up 組件可以在 12.5 cm 的網格中相互連接。

BIM 成為工廠建設的能手

數字化腳手架規劃的初衷是為業主和后期運營商建立各自的3D 工廠模型。在相同的軟件環境中，PERI 和 Promaintain 團隊為腳手架行業開發了一個數字技術模型。為了符合 BIM 標準，該技術模型必須包含所有腳手架結構相關類型和施工設計所需的數字數據。

這些工程施工所需要的信息包括靜態測量、材料物流、裝配過程、施工進度、成本監控以及人員安全與健康保護。包含以上各信息，設計人員可采用BIM 應用程序 ，通過3D 可視化的形式進行工廠建筑設計。

因此可進行：腳手架結構替換性的研究；通過3D 建模，確定系統和腳手架幾何形狀之間是否有空間碰撞；模擬施工和裝配過程。施工現場的腳手架裝配工還可以通過平板電腦和互聯網連接，隨時訪問所需數據。在有關工藝工程工廠規劃、實施和操作的文獻中，腳手架技術充其量只是作為施工現場設備的一個附屬部分被提及，而Promaintain 和PERI 在對復雜的構造和裝配過程進行系統分析時得出了完全不同的結論。

數字化腳手架賦能施工

理論分析表明，基于BIM 方法的腳手架系統在其施工、防護和支撐等方面，為大型工廠建設的生產過程發揮了重要作用。僅工廠建設所需的使用量就證實了這一點。在巴斯夫路德維希港新乙炔工廠建設期間，有多達 1 300名員工參與工作，其中包括了建筑施工、管道配管、設備維護、機械工程、電氣測量以及控制技術的安裝工作。所有的工作都依賴腳手架來組織和開展，為了更好地預先評估，提前規劃并有效執行施工，準確及時了解建筑施工中的情況尤其重要。

研究表明，建設階段對成本的驅動因素和生產力障礙有以下兩個原因：上游工作效率低下；執行過程中的錯誤指導、“內卷”和多余的工作活動。

因此，這意味著平均只有20% ～ 25% 的建筑工地的工作得到了價值增值。剩下的 75% ～ 80%的工作都內耗在等待、搜索和工作準備中。BIM 或精益施工等概念作為項目管理方法被提出，在未來將能更好地避免上述不良現象的發生，并確保規劃方案和施工結果一致。

Promaintain 基于 BIM 方法開發了一個獨立的項目管理模塊，可以計算、規劃、優化、監控和記錄所有與腳手架相關的材料、設備和施工物流流程。這還包括后勤輔助流程，例如記錄起重機、電梯、升降平臺或叉車、運輸車輛的使用記錄。

腳手架施工與相應廠區的施工進度同步，因此，3D 工廠模型與 3D 腳手架模型相結合，為所有參與施工的人員提供與施工現場一致的虛擬模型，以便通過建模優化依賴于腳手架的施工工程。

數字建模歸檔存儲

Promaintain 對工程系統進行檢查、定義和管理，這些工程系統都是通過腳手架系統進行采購、生產和施工的。同時，對工程系統和腳手架布局持續進行施工目標與實際施工實時比較，以便在出現任何偏差或缺陷時能隨時采取應對措施。此外，根據建模規劃和實際生產情況，逐步完善虛擬模型，并將虛擬與實際生產結合，從而達到施工生產的正確性。

所有這些流程都匯集在一個數字建筑文件中，并以結構化的方式存儲。在項目完工后，施工檔案作為竣工文件為客戶和工廠運營商提供服務，供后續改造。這種形式的施工物流項目管理要求Promaintain 和Peri 深入了解工廠施工并熟知執行相關流程。目前Promaintain 正在招募工廠工程行業專家，以不斷擴大這種能力。

建筑信息建模（BIM）是一種協作的工作方法， 基于數字 3D 建筑模型，所有與生命周期相關的數據和信息都被一致地記錄、管理和交換，或可供進一步處理

BIM：建筑施工新文化

“協同作戰”是BIM 的關鍵所在，它要求施工方根據所需時間、成本效益和質量要求等因素，為業主和運營商確保能生產保質保量的、功能完善的、結實耐用的且符合期望的產品。這個過程需要參與建設的各方對項目充分理解并相互配合，還需對工業腳手架的設計、布置和施工進行改善，使用腳手架的承包商有責任確保彼此共同開發并在腳手架設計框架內開展工作。但是，如果腳手架發生計劃外的變化和調整，造成這些額外費用的人必須承擔此費用。 巴斯夫采用了BIM 技術，“協同作戰”的特點為腳手架的施工提供了新的視角。腳手架的施工被認為僅次于管道建設的第二昂貴環節，BIM 為這一昂貴環節帶來了成本保障。腳手架經過建模、規劃和實施可以顯著改善工程建設的工作流程。 ●