机电装配化设计的研究

2022-07-06王晨蔚

建筑施工 2022年2期

关键词：管井制冷机分段

邢磊王晨蔚

上海上安机电设计事务所有限公司上海 200439

1 装配化现状分析

2016年2月《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》提出了要加大政策支持力度，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的30%，积极稳妥推广钢结构建筑。

同年9月《关于大力发展装配式建筑的指导意见》提出了以京津冀、长三角、珠三角三大城市群为重点推进地区，常住人口超过300万的其他城市为积极推进地区，其余城市为鼓励推进地区，因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑[1]。

同年11月，住建部在上海召开全国装配式建筑现场会，提出“大力发展装配式建筑，促进建筑业转型升级”，并明确了发展装配式建筑必须抓好的7项工作。

随着国家政策的不断推广与扶持，越来越多的企业开始尝试并开展装配化建筑的相关试点应用。

近几年来，以央企和地方国企为代表的试点工程不断涌现，越来越多的装配化成功案例展现在了世人面前。如中建三局深圳平安中心机电安装工程项目，在风管及AHU机房空调水管这2方面应用了预制加工装配施工技术；上海安装工程集团有限公司在上海中心大厦项目，风管、部分水管、支架、桥架等采取了基于BIM的预制装配化施工[2]；中建八局在中国银行山东省分行综合营业楼项目中，制冷机房应用了“BIM＋工厂预制化装配式施工”技术[3]。

通过以上案例可以发现，大部分企业都已经在项目中采用了装配化的相关技术和应用，但使用范围也仅仅是停留在一些局部区域或是一些主要机房，说明装配化技术在国内的发展虽然已经迈出了实质性的一步，但距离大面积的推广和应用还存在一定的差距[4]。

2 装配化设计软件的选择

BIM（building information modeling）技术作为建筑行业最炙手可热的技术之一，随着近几年在国内的不断发展壮大，越来越多的工程项目开始使用这项技术。北京、上海、广州、深圳等众多城市也相应推出了各类BIM技术标准来推动国内BIM技术发展，从政府部门到房地产开发商，再到设计施工单位，各种阶层、各类单位均将BIM技术归纳为企业未来发展的重要技术支撑之一，对BIM技术的重视程度与日俱增。

作为实现BIM技术核心工具的BIM软件，也在近几年得到了突飞猛进的发展，无论是从BIM软件的数量上还是从软件的种类上均有较大的发展。

目前市面上的BIM软件有很多，但绝大多数的软件都是用于解决前期设计问题，并不适用于后方的加工生产，且预制加工软件还需与前期的BIM模型相结合，能做到这点的软件就更少了。

在经过了多方比较和不断尝试之后，选用莱辅络公司旗下的一款专业加工软件Rebro作为实施数字化加工图纸设计的基础软件。选用这款软件的主要原因是它跟目前市面上最为普及的Revit系列软件有非常好的兼容性，两者可以做到无缝衔接；其次是这款软件可直接与工厂内的数字加工机床对接，减少了不必要的二道工序。

3 机电装配化设计流程

此次机电装配化设计的重点在于将BIM技术与传统装配化技术相结合，BIM作为引领建筑行业走向信息化的重要技术手段，经过多年的发展，已经融入了建筑设计、施工和运维的各个环节中。通过将BIM技术与装配化设计相结合，利用BIM精确和直观的表达方式来提高传统装配化设计的出图质量和效率。如图1所示，在项目实践的基础上，不断地探索、发掘，总结出了一套将BIM技术与装配化设计相结合的工作流程，将BIM技术的价值发挥到了极致。

图1 BIM装配化设计工作流程示意

3.1资料收集

预制加工设计需要考虑的内容要比传统深化设计精细很多，因此在进行预制加工设计之前需要将相关施工材料信息进行收集整理，如管道的连接方式、管配件的规格型号、设备出口端的位置及大小等，通过与设备管材供应商、现场施工人员的反复沟通确认所有数据的准确性，并将最终确认后的数据资料分类整理，为后续加工图纸的设计工作提供基础。

3.2BIM建模

资料收集工作完成后，需要根据原设计的平面图纸以及相关资料信息进行BIM建模。建模过程中，将各专业机电管线按不同颜色进行区分，便于后续管线综合工作的开展。同时将管材设备的实际参数录入其中，如弯头三通的实际尺寸、阀门的尺寸、设备出口端长度等。通过实际参数的录入确保模型的真实性（图2）。

图2 机电各专业建模效果图

3.3管线综合

当所有专业建模工作完成后，利用BIM技术的三维表达形式和碰撞检测功能，在三维环境下对机电各专业的管线进行深化工作。深化工作主要分为2个部分：一是解决机电管线间的碰撞问题，二是改善原有机电管线走向，使之更加合理。借由软件自带的碰撞检测功能，将各专业的碰撞问题一一解决，通过BIM技术对各专业机电管线走向进行合理优化，使之布局美观且便于检修，符合现场施工需求（图3）。

图3 BIM管线排布优化模型

3.4结构复测

现场土建结构施工完成以后，为避免结构施工误差对机电安装造成影响，在项目装配化设计过程中采用全自动三维扫描设备对现场结构进行激光扫描测绘，并通过自动扫描获取三维点云数据。然后将三维点云数据与原有结构模型进行比对，掌握现场施工与设计图纸间的误差范围，并调整结构模型使之与现场实际情况完全一致。最后根据修正后的结构模型调整机电管线，避免现场施工误差对机电管线安装造成影响。

3.5数据调整及分段

现场施工人员确认管线优化的最终模型后，将BIM模型导入专业预制加工软件（Rebro）内来完成BIM模型预制加工化的处理工作。结合前期收集的相关数据，修正模型中的管道连接方式、管配件的尺寸、法兰的规格型号、垫片的尺寸等所有材料信息。

当所有信息输入完成且模型中的各类构件均已按照实际产品调整完成后，就可以开始对BIM模型的装配化分段工作，这也是装配化设计过程中最核心的内容。装配化设计方案是否合理就在于管道组件的分段能否满足现场实际施工的要求。在进行管道分段工作时，装配化设计人员与现场施工人员进行了反复沟通，并最终就管线的具体分段位置及分段的长度达成共识。为了便于现场的材料运输，设计人员将每个分段组件的尺寸控制在现场施工场地和条件所能允许的最大规格范围内（图4）。

图4 装配化分段尺寸

对于分段组件与组件间的连接问题，设计人员将组件与组件间的连接位置设置在阀门或其他连接配件处。针对有些特殊组件，设计人员则在连接处增设2片活接法兰，通过法兰进行组件间的连接。另外，除组件分段外，装配化设计还需考虑现场安装误差的问题。为了避免现场安装偏差给整体管道预制带来的影响，设计人员在设备接口处设置了部分现场调整段，通过调整段消除现场施工所带来的误差。

3.6加工出图

上述预制加工模型调整完成后，将加工模型导出成为二维加工图纸，指导后场加工及现场安装。预制加工图纸由机电系统图、组件安装图、分段加工图、材料信息表这4个主要内容组成，加工图中包含了所有管段的规格、长度、连接方式等基本信息，用于指导后场管道的管材加工。而安装图则是将所有管段组装成为一个个部件，后场在加工完成所有管段后，再将各管段以部件形式进行组装并运至现场。现场施工人员则根据安装图将各部件吊装就位，以此提高现场安装的整体效率。装配化加工图纸中的组件安装图及材料信息表如图5所示。

图5 组件安装图及材料信息表

4 机电装配化试点应用

此次课题分别在多个不同项目的不同区域展开了装配化安装的试点应用，考虑到机电系统的特点和项目实施情况，课题选取了制冷机房、机电综合管井及标准层这3个区域作为此次课题研究的试点区域，并通过上述区域的成功实施，突破了设计过程中的诸多技术壁垒，将BIM技术融入到了传统装配化设计工作中，成功打造了一套全新的数字化装配设计新模式，大大提高了装配化设计的效率与质量。

4.1制冷机房装配化设计

制冷机房是空调系统的核心组成部分，无论是从设计还是施工的角度都是重点关注的区域。跟一般的办公、走道相比，制冷机房内的设备和管道密度高、数量多、尺寸大，施工难度远高于其他区域。因此该区域成为了装配化试点的首选区域。

1）管线综合。考虑到后期装配化需求，深化设计人员在前期深化的同时，除本身的错漏碰撞外，着重考虑了施工和加工便利性的问题。例如，阀门和阀门之间的短管统一设定为20 cm，所有阀门和管配件的位置和高度尽可能统一，支架的位置与管道连接点的距离不小于10 cm。模型中的弯头直接替换成1.5d长弯头，支管阀门距总管管壁不小于20 cm，所有影响装配化分段的问题尽可能地在管线综合阶段解决处理，以免影响分段的效果。

2）支架计算。为确保深化设计方案的可行性，在管线优化完成后，需要对机电管道的每个受力点进行详细的支架受力计算。通过计算，确定每个受力支架的大小、形式和具体位置，避免因受力支架影响机电管线的排布。

3）分段设计。机房管道由于受到场地、规格尺寸和运输条件等多方因素的限制，经多方考察和协商后，最终采用了组段的设计思路来对机房内的管道进行分段设计，即将两到三段相连的分段设计成为一个组段，管道加工厂负责加工组段，现场工人负责按照图纸进行组段的拼装，如图6所示。这样不仅降低了现场的拼装难度，还提高了现场拼装的效率。分段设计的另一个问题就是组段的最大尺寸，为满足现场的运输要求，在经过多个项目的实际调研和施工人员的确认后，装配化组段的最大长度被设定为4 m。

图6 管道组段示意

4）加工出图。考虑到安装、加工环节的不同需求，装配化设计图纸总共包含了平面图、加工图、拼装图和材料清单这4个组成部分，加工图和材料清单主要是交由加工厂用于组段的加工，平面图和拼装图则是交由现场用于现场拼装。

4.2标准层及走道装配化设计

标准层及走道的形式与制冷机房差别较大。首先，在一个项目中制冷机房的数量一般只有1～2个，而标准层及走道的数量远高于机房。其次，标准层及走道的管道规格和尺寸并没有制冷机房中那么大，同时标准层及走道的相似度极高，因此就装配化的使用价值而言，标准层及走道的价值要高于制冷机房。因此，此次课题研究的第2个重点区域就是标准层及走道区域。

1）管线综合。标准层及走道管线优化关注的重点是机电净高、检修空间、末端点位这3个主要方面。机电净高是指满足业主或精装修对于机电完成净高的要求；检修空间是指在不影响机电系统使用的前提下，预留出足够的空间用于后期检修维护；末端点位是指在不影响机电使用效果和装饰效果的前提下，为末端点位寻找最佳的安装位置。除此之外，还需借鉴制冷机房深化中的成功经验，若同一根管道上有多个阀门时，阀门和阀门之间的间距统一设置为20 cm，支架的位置避开管道的连接点等。

2）分段设计。标准层及走道的分段设计思路与制冷机房不同，取消了组段设计而保留了最基础的分段方式。因为标准层的管道尺寸远小于机房，施工难度低，且标准层运输主要依靠施工电梯，空间有限，若采用组段方式，不但所需空间难以保证，而且运输效率更是远低于“散件”运输。因此标准层及走道的分段原则是以基本“散件”为主。

3）加工出图。与机房加工出图一样，标准层及走道的加工出图同样分为平面图、加工图、装配图和材料清单这4个部分。

4.3机电管井装配化设计

机电管井与标准层类似，在一个项目中数量多且相似性较强，如果能够实现机电管井的装配化，那会给整个项目的施工进度和质量带来极大的帮助。因此，此次课题研究的第3个重点区域就是机电管井。

1）管线综合。对于机电管井的深化，主要考虑的是上下管井的梳理、共用支架的设置、出口位置和高度这3个主要方面。上下管井的梳理是为了确保管井上下管的连通，避免出现错接、漏接的情况；采用公用支架主要是考虑到管井空间有限，无法满足各专业单独支架的需求，因此支架的设置对于管井深化至关重要；出口位置则是为了保证管井出口端与横向管道间的连接，确保机电系统的完整性。

2）分段设计。由于管井是一个纵向结构，因此不会存在像平面管道这种走向变化或交叉翻绕的问题。在管井分段设计时，重点考虑分段的长度，结合楼层层高和管井工艺，保证单根管道的最大长度不超过4 m，且管道与管道间的连接点应避开支架的位置。

3）加工出图。加工出图依旧延续了之前的工作经验，将图纸分为平面图、加工图、装配图和材料清单这4个部分，分别交于加工厂和现场施工人员进行施工。

5 机电装配化发展前景

机电装配化技术对于传统施工而言是一种全新的尝试与创新，与传统现场施工工艺相比，数字化加工工艺能够提高整体施工效率30%～40%，节约现场机械及措施费用10%～20%，节省现场不必要的材料浪费8%～10%。在施工工期方面，通过数字化加工这种创新性的施工工艺，可大大提高现场施工的效率，缩短安装作业的时间，前期预制不受现场作业场地的影响。在质量方面，数字化加工技术能有效保证现场安装的质量，确保整体管道施工满足设计及施工规范的要求；较之传统做法，其质量显著提升，工厂焊接可确保一次性验收合格。而BIM装配化设计技术的成功应用则更好地满足了装配化实施的需求，从设计角度提高后续施工的准确性，发挥了设计的最大价值。