機電安裝BIM+ 裝配式的模塊化施工方法研究

張思銳

（中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，陜西 西安）

引言

機電安裝過程處于工程建設與精裝修之間的環節，不僅受到工程建設過程的影響，還受到工程裝飾裝修施工的影響。因此，在整個項目中，機電安裝的時間就是竣工時間，所以對此環節施工時間的控制就成了這個項目的關鍵。如何在此過程中，確保機電安裝工程項目在施工中，所有調試、安裝作業等環節按時完成，并確保完成后的項目質量、安全、生產等各項質量目標達標，成為現階段工程方、監理方、技術人員等多個參與方面臨的一個嚴重問題[1]。由于機電安裝施工中，管件等構配件的種類很多、型號也各不相同，因此在施工過程中，很難對其進行標準件的復制，這也是制約此類工程項目工期和質量的一個關鍵和難點。

“BIM+裝配式”施工技術是目前建筑工程市場內較為先進的一種施工方式，因為此項技術可以實現大規模的工廠化操作，因此，該方法擁有著傳統施工方法所不能相比的顯著優點，它是當今建筑業理論與實踐中的一個熱門話題，也是建筑業未來發展的方向[2]。但是，在實際運用過程中，此項技術受到成本、裝備、人力、環境等多方面的約束，導致工程相關工作的實施一直未能達到預期[3]。近年來，隨著各地政府的支持，我國土木工程已開始對裝配式設計- 建造- 整體化應用進行探索，推動了我國建筑工業化的理論與實踐。為進一步落實此項工作，本研究將在此次研究中，以某機電安裝工程項目為例，開展如下文所示的研究。

1 工程概況

本次研究的工程項目位于A 市，該工程項目北側緊鄰315 省道，建筑基本情況見表1。

表1 工程項目基本情況

根據工程項目實際，繪制單體分布結構示意圖，見圖1。

圖1 項目單體分布結構示意

該項目機電安裝施工由中建企業承包，包括電氣、給排水、采暖、智能建筑等各個單元中的機電安裝施工。

2 機電安裝模塊化施工中BIM 插件設計

為了向機電安裝裝配式模塊化施工奠定良好的基礎，在開展上述項目時，結合BIM技術，引入支吊布置插件、ISO 等軸測圖插件、焊接插件等，支吊架布置插件主要用于解決基于BIM 技術的布置計算困難問題，在實際運用中將支吊架的計算、選型、布置等集成，通過插件完成復雜的運算，快速得到計算結果。在利用BIM技術對幾點專業的預制加工圖進行繪制時，可選用三視圖方式，即在一個模塊當中生成2～3 張獨立的圖紙，針對結構較為復雜的模塊，可以配合著不同角度的斷面圖進行更準確的測繪。圖2 為智能化定尺切割插件的運算流程。

圖2 智能化定尺切割插件的運算流程

按照上述流程，在插件進行對該模塊模擬的過程中，將被切割后剩余管線的數據進行集成，統一存儲在數據庫當中。對數據庫中的剩余管道按照加入時間順序排列，在每條管道切割時，都會優先調用最后加入的管道，從而保證了可以優先調用最近的管道，降低了物料的二次逆向運輸[4]。在管道切割完畢后，對管道進行編號，并按照每條管道的切割長度，制作出一張材料定尺下料單。加工車間按訂單安排下料制作[5]。與手工管線切割的方式相比，這個插件可以實現模塊的自動切割，并且極大地減少了材料的消耗。與此同時，它還可以對模塊進行實時編碼，讓模塊的預制、運輸和存儲以及吊裝和定位變得更加方便。

3 機電安裝模塊化施工實施與過程控制

在完成對施工中BIM插件的設計后，嚴格按照施工步驟完成機電安裝的模塊化施工。在此基礎上，結合以上的工程概況，按以下幾個步驟來進行施工。BIM模型在整個施工過程中共有三次的繪制和更新，一次是BIM技術人員根據設計藍圖、招標確定廠家提供的設備、零部件尺寸等，完成各機電專業模型的繪制[6]。第二次是以第一次為基礎，對模型進行進一步的優化，從整體的空間布置、行人通道、支撐結構、維修空間等方面，對每一個區域都進行了詳細地分析和分解，同時也要做好與土建、精裝修等相關的銜接工作。將設備底板圖紙轉交給土建工程部，并進行地基混凝土的澆筑[7]。第三次是技術員根據設備在安裝完畢后的真實位置和大小，對BIM 模型進行修正，以保證整體模型的準確性，并保證其與已交付應用的工程信息的一致性[8]。其次，對支吊架進行合理選型和布置。利用支吊架布置插件，對支吊架載荷進行了自動計算，并根據支吊架的穩定性及強度，給出了相應的支吊架模型。根據組件吊裝的順序，對支吊架部件進行代碼處理，并生成支撐件平面圖和支撐件細節圖。在這一過程中，支吊架荷載的計算公式選用下述公式（1）所示：

式中：F 代表支吊架的荷載；m 代表彎矩；I 代表懸臂長度；lx 代表單根支吊架長度。再次，提取工程量和材料計劃。在BIM深化模型中，利用比目云的價格插件，讀出BIM 中的數量信息，按照清單規格，實時產生特定領域特定專業的數量、價格、模型以及成本信息，并將其匯總報送給材料員，進行下料加工。將模組加工圖紙和模組代碼，按照所需的工程進度，發送到制造廠家，完成模組預加工。為確保模件預制的準確性，在保證原料品質的同時，還必須對模件制造工藝中的各大環節進行嚴格的控制，如管件、管道連接法蘭的實際焊接承插深度和焊縫寬度的控制。檢查完焊縫后，應將偏差控制在±3 mm 以內。管件的銹蝕處理由噴砂爐進行，管件的切割處理由等離子體切割處理，管件的焊接處理由全自動焊機完成。在此基礎上，將焊接過程中的數據實時錄入到BIM建模中，并通過插件生成焊接過程中的二維碼，并將其粘貼到管線的焊口上，為后續的焊縫和管線的跟蹤和維保提供便利。最后，進行對各個模塊的組裝。在施工操作開始前，對全體技術人員及施工人員進行一次施工計劃方案的施工技術交底。負責對模組的安裝工作，并對模組的安裝布置，技術要點，安裝隱患，文明施工等做好技術指導。施工人員根據模塊管線標簽，識別二維碼，確認模塊信息，根據BIM裝配圖，進行管段拼接，根據施工編號，對模塊區域進行吊裝施工。采用點對點的方法對支架進行定位，從而確定支架的安裝位置以及管道走向。以預制管線彎頭、異形件等線路關鍵部件的放樣為手段，有效地指導并控制管道等構件模塊的有序吊裝。

4 機電構配件模塊劃分

針對上述建設項目，采用BIM+裝配式的模塊化方式施工。針對車庫、走廊、展廳等區域重點實施管道支架模塊安裝和管路的模塊化拼接施工。針對主會議廳等高大空間重點實施風管模塊化集成式施工。表2中記錄了該項目具體劃分模塊及數量。

表2 機電構配件模塊劃分

5 模塊化施工方法應用效果分析

5.1 項目模塊化閉環施工

由于該項目的建設規模大、工期緊，所以在對建設計劃進行論證的時候，需要考慮到工程項目所在區域的不同專業如何能夠實現一體化模塊化施工技術的應用。綜合工程方的商議與決策，利用BIM技術進行工程節點的深化設計，結合工程具體需求，對機電安裝施工中的每一道施工程序進行仿真，對每一道節點和模塊進行優化與銜接，持續探索模塊化施工在本次工程中的應用，保證各部門之間的密切合作，以便于及時對模塊化施工的難度、模塊化施工的設計是否合理、是否方便快速施工、是否節能降耗等問題進行分析，以此給出合理、具體的意見，將意見反饋給項目的技術部門，技術部門可以將其作為依據，對每個節點的模塊化施工方案與計劃進行重新審核、優化、改進，最后形成一個閉環模式，見圖3。

圖3 項目模塊化閉環施工模式

在此種模式下，可以有效地實現機電安裝工程項目的反饋與聯動，使項目裝配式施工過程持續進行動態更新，為施工全過程提供高效的服務。

5.2 模塊化施工方法應用效果綜合比對

在上述內容的基礎上，進行模塊化施工方法應用效果綜合比對中相關參數的計算，計算公式如下：

式中：A 代表機電安裝工程項目萬元產值設計天數；J代表機電造價，單位：萬元；S 代表深化設計時間，單位：天。

式中：C 代表機電安裝工程項目施工過程中材料損耗率，單位：%；c 代表機電安裝工程項目施工過程中材料損耗成本，單位：萬元。

式中：M 代表機電安裝工程項目每日萬元產值，單位：萬元；T 代表機電安裝工程項目施工天數，單位：天。

式中：Z 代表機電安裝工程項目造價節約率，單位：%；Y 代表施工圖具體預算。

完成上述計算后，對該項目BIM+裝配式施工技術應用前、后的效果進行比對，見表3。

表3 模塊化施工方法應用效果綜合比對

在上述內容的基礎上，為更加直觀的分析施工技術應用效果，以柱狀圖的方式，進行模塊化施工方法應用效果綜合比對，見圖4。

圖4 模塊化施工方法應用效果綜合比對柱狀圖

結束語

根據上述研究，得到如下幾個方面的結論：

（1） 從表3 中看出，相比模塊化施工方法應用前，該方法應用后，萬元產值設計天數增加、材料損耗率降低、每日萬元產值增加、造價節約率提升，說明此項施工技術在實際應用中，可以起到節約材料、縮短工期、提高設計深度、深化設計時間等作用，通過此種方式，實現對工程項目建設過程的全面優化。

（2） 綜合圖4 中內容可以看出，相比應用前，此項技術應用后綜合效果良好，由此可以證明，上文設計的施工技術在實際應用中可以發揮預期的效果與作用，全面提升工程的質量與建設水平。