裝配式鋼結構住宅體系數字化建造技術探究

郭本余

(巢湖市建設工程質量監督站,安徽 巢湖 238000)

0 引言

隨著城市化的不斷發展和人們對居住環境的要求不斷提高,傳統的建筑模式已經無法滿足現代社會的需求。作為新型建筑模式的裝配式鋼結構住宅體系因其具有輕質、高強、綠色、環保等特點,越來越受到人們的關注和青睞。然而,裝配式鋼結構住宅體系在生產、設計、施工等方面仍存在一些問題,如生產效率低、精度不高、成本較高等。因此,采用數字化建造技術對其進行改進和優化顯得尤為重要。數字化建造技術是現代建筑領域的一項創新技術,其應用可以大大提高生產效率、節約成本、優化設計等方面的性能。數字化建造技術采用計算機輔助設計、數字化加工、智能化控制等技術手段,實現了建筑生產的全流程數字化。

在裝配式鋼結構住宅體系中,數字化建造技術的應用可以大大提高構件的生產精度和質量,降低成本,優化設計,改善施工環境,從而推動裝配式鋼結構住宅體系的發展和普及。因此,本文旨在探究裝配式鋼結構住宅體系數字化建造技術的應用和優勢,為其進一步推廣和應用提供一定的理論和實踐指導[1]。

1 工程概況與特點

巢湖映月灣小區位于巢湖市湖光路與健康西路交口,建設內容包括安置住宅單體及地下車庫等,總建筑面積約9.8萬m2,項目由8棟高層裝配式鋼結構住宅樓組成。該項目是巢湖市首個大型裝配式鋼結構住宅小區EPC項目,是安徽省裝配式建筑示范項目,全面踐行合肥市裝配式建筑“1+5”建造模式。該項目地上所有建筑均采用裝配式鋼結構住宅體系建造,包括多棟高層住宅樓與多棟公共建筑(見圖1)。

住宅部分整體采用裝配式鋼結構住宅體系建造,主體結構采用鋼框架支撐體系,外圍護墻采用蒸壓加氣混凝土墻板+保溫裝飾一體板,蒸壓加氣混凝土墻板采用內嵌式安裝方式,將蒸壓加氣混凝土條板通過角鋼與鉤頭螺栓系統性地與樓面及鋼梁固定。各組件標準化設計、工業化生產、現場施工裝配,有序組織施工的前提必然是數字化的技術在各個環節發揮作用,并且起到協調作用,這其中也包括各模塊的信息化留檔、信息化的質量管理。

2 數字化建造技術概述

數字化建設技術是指建筑工程由傳統的設計手段、加工制造、施工方式,通過計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工程(CAE)等技術手段,向數字化、智能化、自動化轉變的生產方式。

在數字化技術的應用中,很多人容易將數字化和BIM技術混為一談,數字化技術的本質特征是將傳統的物質世界轉化為數字化的信息世界。數字化技術通過將物質實體信息轉化為二進制碼、數據流等數字化的信息形式,使物質實體信息在數字化過程中得到充分應用,如文檔、圖片、視頻等;然而,BIM技術是數字化技術的一種應用方式,是指通過三維建模、協同管理等手段,將建筑設計、施工、運營等全過程所涉及的表達主體進行模型化的應用基礎構建,并賦予商業信息,以實現工程的一種數字化技術。數字化建設技術是一個比BIM技術更廣泛的概念,不僅包括BIM技術,還包括VR/AR(Virtual Reality/Augmented Reality)、智能制造技術以及云計算等技術。

3 巢湖映月灣裝配式鋼結構系統特征

巢湖映月灣項目,采用工廠化生產、模塊化設計、現場組裝的鋼結構體系。它將鋼結構的制造和安裝過程工業化,通過數字技術設計、智能化制造和裝配化施工等先進技術,實現了構件的高精度制造、快速裝配和高質量建造。以下為鋼結構裝制造的主要特點:

1)工廠化生產:在工廠生產加工的鋼結構構件,能夠保證構件的精度和質量。2)模塊化設計:采用標準化、模塊化設計的鋼結構構件,便于生產以及現場裝配。3)現場裝配:可大幅度縮短施工周期,提高施工效率的鋼結構構件現場裝配。4)高精度制造:采用數字化設計、智能化制造工藝,能夠保證構件的精度和質量。5)高質量建造:裝配式鋼結構體系具有耐腐蝕、抗震、抗風、防火等特性,能夠保證建筑的質量和安全性。6)環境友好:采用裝配式鋼結構體系可以減少建筑施工時的噪聲、粉塵等污染物排放,對環境友好。同時,輕型鋼構件用于裝配式鋼結構體系,可循環使用,減少建筑廢棄物產生。

裝配式鋼結構體系可以根據建筑的需要進行靈活設計,滿足不同的建筑需求,采用先進的數字化設計技術,可以根據建筑的形態和用途進行靈活設計,滿足了建筑的美學和功能需求,提高設計的效率和品質。

4 數字化建造技術在裝配式鋼結構體系中的優勢

建造裝配式鋼結構住宅體系項目需要一種比傳統建造方式更高效的建造方式,結合更高效的建造技術,才能發揮裝配式鋼結構體系化的應用優勢[2],在項目中筆者發現,數字化建造技術對于快速高效實施裝配式鋼結構住宅體系有著極其重要的作用,其具有以下優勢:

1)優化設計:數字化建造技術可以對鋼結構體系進行精細化設計,實現結構優化和性能優化。通過BIM技術,在提高設計效率和質量的同時,進行全過程的鋼結構協同設計。

2)智能制造:數字化制造工藝,可實現鋼結構部件制造智能化。采用數控加工和機器人技術,可以提高制造精度和生產效率,降低人工成本和誤差率。

3)裝配化施工:數字化建造技術可以實現裝配化施工,使得鋼結構體系的現場施工更加快速和精準。通過數字化技術,可以實現構件的精確配對和拼裝,提高施工效率和質量。

4)智能化運維:數字化的設計成果和建造過程,可以全維度地對設計信息和施工建造信息進行保留和回溯,基于數字化的成果,結合IoT技術,對建筑物實現智能化的運維。

通過利用數字化建造的技術的綜合性優勢,可以在建造過程中提高建造精度,例如結合BIM技術進行設計與智能制造,可以實現對構件的精確設計和制造,保證構件的尺寸精度和幾何精度。同時,數字化建造技術還可以實現構件的精確拼裝,保證結構的整體精度和穩定性。

5 數字化建造技術在裝配式鋼結構體系中的應用實例

5.1 數字化施工技術在裝配式鋼結構體系設計中的運用

在設計初期,利用數字化的設計工具,結合項目特點與應用需求,通過關鍵詞趨化篩選出與項目最佳匹配的戶型庫中的戶型,篩選出標準戶型后對戶型庫進行平面排布,框定樓棟對應的標準層類型,結合各樓棟分布情況構建標準戶型庫設計模型(見圖2),基于構建的三維可視化標準戶型庫模型,實現建筑方案美觀的評估,借助數字化成果模型的參數化特征,對標準戶型庫的技術指標進行評估,包括標準化的構建歸集和最優截面的階梯分布,實現構件層面、標準層級別的標準化設計,對機電管線的排布實現設計無碰撞、安裝無問題、使用最方便的結果,同時數字化技術還能夠將可視化與指標模型協調一致,同步調整,實現參數化設計,將設計成果趨于最優[3]。綜管優化與二維深化圖見圖3。

本項目需要采用鋼結構深化設計的鋼結構主體結構及蒸壓加氣混凝土條板深化設計的ALC外圍護墻,以固化設計模型為基礎進行各專項深化設計。在鋼結構深化設計過程中,基于BIM設計模型,導出幾何線模型與幾何輪廓,線模型用于Tekla深化設計定位,幾何輪廓用于參照深化建模,補齊結點模型信息,即可高效率的完成基于數字化設計技術的鋼結構深化設計(見圖4)。本項目全過程應用建筑信息模型(BIM)技術,為蒸壓加氣混凝土條板深化排版技術提供了較大的便利,眾所周知,相較于傳統的平面標準層設計方式,以BIM技術為基礎手段的深化排版技術的應用,可以實現ALC板材的精細化設計,精準排版可以為后續的精準切割和快速安裝提供技術支持,通過明細表與模型聯動,實現拆分與損耗的動態分析,實現設計的優化性,節約了板材與人工。

5.2 數字化建造技術在裝配式鋼結構體系制造中的應用

在Tekla中完成主體鋼結構的設計和制造圖生成工作,基于數字化的深化設計成果,按照數控機床的加工要求導出對應的數控機床解析文檔NC文件,將NC文檔發送到數控機床,在數控機床操作臺打開NC文檔,進行數字化加工作業,實現鋼結構的自動化制造,需要注意,NC文件中的參數務必同數控機床的加工參數相一致(見圖5)。

隨著焊接機器人技術的日臻完善,作為自動化設備的焊接機器人可以通過編程對焊接過程進行控制,提高生產效率,減少人工誤差,同時通過數字化模型保證焊接質量的一致性,從而與傳統的手工焊接相比,能夠準確地確定焊接的位置和尺寸,BIM+焊接機器人可以實現焊接過程的一致性。能夠實現焊接效率更高、精準度更高的全過程數字化,從設計到加工制造,再到提高焊接成品的質量和產量。

5.3 數字化建造技術在裝配式鋼結構體系施工中的應用

5.3.1 施工場地三維布置與模擬

基于BIM技術構建的數字化施工三維場布與模擬,即借助于BIM技術手段將映月灣項目施工現場進行三維可視化構建(見圖6),在工程項目開工前的準備階段,施工布置作為施工組織設計的一個重要部分,對項目建設有著重要作用[4]。將周邊環境、場地環境、施工設施等臨時設施通過數字化的手段進行模擬布置和優化,以實現施工平面的科學布置,并將施工場布過程中的堆場信息整合應用,形成可視化的施工場布模型,以便于施工過程中的現場空間管理與協調。

數字化的技術手段使得施工場布布置更貼近于真實的施工空間,同時對施工現場的空間資源以及施工情況進行真實化的映射,模型的可視化特性可以對現場的布置和構件的安裝更加直觀和易于理解。

5.3.2 數字化技術施工進度模擬

將施工部署落實到BIM技術構建的三維模型中,包括進度計劃和資源計劃,利用BIM技術可以檢測施工過程中的空間,避免施工過程中的工序沖突問題,提高施工效率。對施工模擬過程中的資源進行跟蹤,特別是對投入成本較高的重型機械,利用BIM技術可視化模擬施工進度(見圖7),可以更好地節約施工資源的投入[5]。圍繞數字化手段構建的施工進度模擬,可以實現項目管理層對施工進度的更新排布和優化,提高施工效率和準確率,節約施工建造的成本,減少施工風險,進而保證施工的整體質量和安全性、可靠性。

5.3.3 施工重難點工藝模擬

傳統的施工工藝也是相對完善的,但是在裝配式項目中,由于其體系化、系統化的問題,導致很多節點做法復雜,特別是新技術的應用比例較多,同時,傳統的施工工藝也由于其傳播媒介的問題導致其工藝的傳遞性較差,而且不具備模擬性,基于BIM技術的數字化工藝模擬技術,可以對重難點復雜的施工工藝進行模型搭建(見圖8),賦予模型工序信息,形成工藝模型多媒體資料,不論是在工藝驗證和優化方面,還是工藝的可視化交底上,數字化的手段優勢都是相當明顯的,因此在裝配式鋼結構項目中,數字化的施工重難點工藝模擬技術可以說是體系必不可少的一部分。

6 展望

裝配式鋼結構體系工程,是一種以工業化生產方式為基礎的建造模式,其特點是標準化設計,構件預制生產,現場高效組裝的模式,施工速度快、質量高,綠色環保不僅是其優點,更是對裝配式工程建設的要求,因此,BIM技術所構建的數字化技術體系是裝配式建筑必不可少的“合作伙伴”,BIM技術所構建的數字化技術體系在裝配式建筑工程的數字化管理和協調中,越來越多地發揮重要的作用。

巢湖映月灣裝配式住宅小區采用鋼結構支撐為主體結構,圍護結構采用蒸壓加氣混凝土條板作為應用方案,是近年來裝配式鋼結構技術發展的范例,具有很好的啟發作用,該組合技術也在逐步發展,在項目建設過程中應用了數字化的技術手段,涵蓋了設計、加工、施工等各個階段。實現了設計的技術驗證和完善,對項目管理進行協調,雖然在應用過程中出現了一些問題,但通過實踐和技術更新仍在逐步完善,本文通過數字化技術手段,對ALC相關的排版深化、精度控制、現場技術管理等方面提出了自己的實踐方法,相信隨著實踐項目的增多,設計、加工制造、現場作業階段中數字化技術的應用將更加系統和完善,可以發揮其更好的施工優勢。