基于BIM技术的地铁综合管网工厂化预配研究

2018-03-08马勇军李鹏尧

交通科技 2018年1期

马勇军单雨李鹏尧

(1.中铁十二局集团电气化工程有限公司天津 300308； 2.西南交通大学成都 610031)

1 引言

在工业化进程中，企业对生产水平的要求越来越高，工厂化预配逐渐被企业采纳应用。国外企业在20世纪60年代已经开始了管道工厂化预配的研发，其中以美、欧、日为主的工业化发达国家在管道预配上取得了成功经验并研发出一批专业化、自动化、智能化的机械设备。我国工厂化预配技术起步晚于发达国家，前期主要运用在化肥企业管道预配工厂，其他专业厂商由于在发展水平层次上的不匹配，工厂化预配没有得到推广，预配需要的专业机械设备也只能在自动化程度较低的设备上进行简单的改良与优化。

目前在管道工厂化预配发展已经形成3种生产模式，即“工厂型”——固定型管道预制模式、“现场型”——“准工厂化”管道预制模式、“移动型”——“现场型准工厂化”管道预制模式[1]。然而在推进管道预制工厂化的进程中仍然存在许多阻碍因素，如：施工作业的流动性和施工持时短要求所有施工设备都应具有较好的流动性，固定的预制加工厂建立和搬迁都非常困难；工厂化预制安装的优势在技术工艺不成熟的施工单位未得到体现，许多施工单位对管道预制工厂化的理念不清晰，忽视其经济效益和社会效益；施工管理模式的转变让许多施工单位将管道工程进行专业分包，使得管道预制工厂化无法组织；资金短缺使许多施工单位在招标报价中未涵盖建立预制工厂的费用。

近年来，随着国民经济发展、建设速度加快、业主要求和新型管道预制专用机械的问世，管道工厂化预制逐渐规范且被越来越多的施工企业重视。企业根据自身的发展诉求和建设项目的实际情况，选择适合自身的工厂化预配模式，实现管道预配工厂化。未来的管道工厂化预制将朝着多种管道预制模式并存的方向发展，管道预制工厂的功能性也随着工艺的成熟朝多元化发展，预制现场将形成流水化作业，管道预制装配也会更加专业化，管道的预制程度将进一步加深，在管道预制安装过程中会有更多的生态智能化元素加入。

本文针对地铁工程中综合管网工厂化预配安装问题，结合成都地铁5号线机电安装工程项目，运用建设项目全生命周期管理的建筑信息模型(building information modeling，BIM)理念，采用Revit软件完成5号线地铁站机电三维建模，并将模型导入专业的机电软件Fabrication for mep(以下简称Fabrication)完成管道的钣金展开、成本分析及支吊架的自动化排布，形成一套从概念设计、详图设计到工厂化预制加工、安装的完整的综合管网预制安装系统。

2 地铁管道预配工厂化研究

2.1 模型构件的导入

在Revit中完成的机电模型设计，设计深度还未达到预制加工(LOD400)级别的机电预制加工图的标准，管综模型通常以族的形式存在。模型停留在三维可视阶段是远远不够的，所建立的BIM模型具有更多的信息来创造更大的价值。将模型中的管道及管件通过线性单元储存，机械设备则通过图形单元保存。保存后以高保真的RIF文件格式输出，可减少模型信息的丢失，保证后期模型的精度。

通过Fabrication在Revit平台中的插件，可实现数据的无缝传输，将Revit中完成的各专业的管道模型导入到Fabrication中进行深化设计，见图1。

图1 模型构件导入

2.2 预制构件的深化设计

2.2.1预制构件设计

通过使用Fabrication产品定制符合项目使用需要的预制构件，一般包括管段、支架及管件。Fabrication的预制构件库是一个基于真实产品制作用于选用、采购产品的构件库。它与传统通用构件库相比，有精确的尺寸、人工和成本定义。在Fabrication EST mep中预装有公制和英制2个参数化构件库，其中的构件参数都是默认值，在导入模型时需根据现场安装的要求对构件尺寸、连接方式、材质进行预设置，见图2。对于一些特殊构件则可通过产品厂商构件库下载或在CAD mep中进行构件预制。

图2 预制构件设计

深化后的构件为后期材料统计、成本统计提供原始数据，并可将构件信息接入数控机床完成产品生产，形成流水线生产工序。

2.2.2管段的智能分段

在Revit中绘制的综合管线长度一般大于现场安装节段长度，为便于在工厂中完成批量生产和预装配，提高生产和安装的工作效率，需通过Fabrication中的管道优化程序来实现，从而解决传统的管段划分由于受到法兰连接厚度或螺纹口深度的限制不能对管道进行精确下料，且后期调整的工作量巨大的缺点。

满足加工和现场施工要求的管段划的优化见图3和图4。

图3 管段优化前

图4 管段优化后

2.2.3支吊架预排

支吊架用来固定综合管线的位置，并为管线提供支撑。支吊架分为普通支吊架和综合支吊架，传统支吊架一般在现场完成尺寸测量、材料切割、材料组装及支吊架打孔安装。由于缺少对材料使用的整体规划，容易造成浪费，且现场切割和拼装空间均受到限制，影响支吊架的整体施工质量。而现有软件Fabrication通过按所固定管道的类型、材质及是否安装隔热层选取支吊架类型，然后对所支承的综合管线进行受力分析，可找出合适的支吊架布设点，并自动计算尺寸需求以进行切割安装。其支吊架的预排设见图5。

图5 支吊架预排

2.3 钣金展开

在完成构件的深化设计后，相应的模型设计深度已经达到了预制加工(LOD400)的精度。钣金加工是机械生产制造的基础，广泛应用于制造业的各领域[2]。在工厂预制加工中管道通常由标准化的金属板加工而成。在传统的钣金生产加工中多采用经验法排料放样[3]，由于事先无法准确统计出整个加工产品对钣金的消耗量容易导致钣金利用不充分或浪费现象，且在材料的采购中无法准确把控。智能化钣金展开是将整个项目中所有加工产品在计算机上完成预分割后全部展开在钣金上，通过智能化系统的强大分析功能可对板材优化排料，以达到最佳利用率，见图6。

图6 钣金展开

在地铁机电管道加工中，管道种类繁多，安装要求复杂多变，钣金展开后可使每一块板材的使用管理都有据可依，便于在产品加工过程中进行管理。钣金展开排布放样可以减少工艺准备时间，降低产品加工人员的工作强度，实现钣金在加工制造全生命周期内的数字化。

2.4 预制加工出图

预制加工图是指导钣金到产品加工完成的实施性操作文件，规范的预制加工图便于产品生产人员高效率生产高质量产品。完成钣金排布放样后，每块钣金分割后的板材都对应有ID自动编号,如图7所示。

图7 预制加工图

根据ID编号可定位构件的拼装位置，使产品加工人员直观了解每一块板材的安装位置，避免由于板材数量繁多导致板材使用混淆,减少技术交底难度，板材定位如图8所示。在加工图信息的流通过程中，不同层级的人员均可在移动终端和WEB端看到相关信息和流程[4]。

图8 板材定位图

2.5 成本分析

2.5.1材料统计

工厂化预配中材料统一采购可节约大量的经费和时间，提高管道加工生产的效率，因此钣金材料统计在提高项目整体效益上就显得尤为重要。通过Fabrication对所有的构件完成钣金展开后，软件即可统计整个项目所需要的钣金材料信息，包括各构件使用钣金的数量和重量，钣金的利用率等。传统的材料统计通常会按一定比例扩大数量以保证材料数量足够，在保证材料充分的同时引起材料的浪费。随着绿色建筑要求在施工中的广泛推广，环保性被越来越多的施工企业重视[5]。精确高效的材料统计在Fabrication中得到很好的应用，运用智能化的材料管理系统，如图9所示，可以为采购提供准确的数量信息。

图9 材料用量

2.5.2成本计算

在预制加工中，人工、材料、机械的使用量关系到产品成本的高低。通过将相关定额导入系统中，如图10所示，可以快速地完成各个专业包括各个管件类型综合单价和总价的计算，为施工企业在招投标中的投标报价文件提供依据，减少因工程量计算不准确带来的经济损失，同时可为招标企业提供评标标准。

图10 总成本分析

3 Fabrication软件与数控机床的数据对接

数控机床是现代制造业发展过程中不断优化的产物，其运用程度制约着整个制造业的发展水平[6]。与传统机床相比，数控机床通过计算机自动化系统控制产品的加工生产，整个产品加工过程的数字化使得产品尺寸更精确、质量更高且极大地减少了人为因素的干扰，提高了生产效率。在Fabrication完成的深化设计构件数据是可以直接运用于生产加工的，通过Fabrication的外接端口可以将设备的参数信息导入到Fabrication中，Fabrication根据设备要求可以将构件信息转化为数控机床能够识别的参数，并可在网络终端完成整个产品加工的模拟。