装配式钢结构住宅体系数字化建造技术探究

郭本余

(巢湖市建设工程质量监督站,安徽 巢湖 238000)

0 引言

随着城市化的不断发展和人们对居住环境的要求不断提高,传统的建筑模式已经无法满足现代社会的需求。作为新型建筑模式的装配式钢结构住宅体系因其具有轻质、高强、绿色、环保等特点,越来越受到人们的关注和青睐。然而,装配式钢结构住宅体系在生产、设计、施工等方面仍存在一些问题,如生产效率低、精度不高、成本较高等。因此,采用数字化建造技术对其进行改进和优化显得尤为重要。数字化建造技术是现代建筑领域的一项创新技术,其应用可以大大提高生产效率、节约成本、优化设计等方面的性能。数字化建造技术采用计算机辅助设计、数字化加工、智能化控制等技术手段,实现了建筑生产的全流程数字化。

在装配式钢结构住宅体系中,数字化建造技术的应用可以大大提高构件的生产精度和质量,降低成本,优化设计,改善施工环境,从而推动装配式钢结构住宅体系的发展和普及。因此,本文旨在探究装配式钢结构住宅体系数字化建造技术的应用和优势,为其进一步推广和应用提供一定的理论和实践指导[1]。

1 工程概况与特点

巢湖映月湾小区位于巢湖市湖光路与健康西路交口,建设内容包括安置住宅单体及地下车库等,总建筑面积约9.8万m2,项目由8栋高层装配式钢结构住宅楼组成。该项目是巢湖市首个大型装配式钢结构住宅小区EPC项目,是安徽省装配式建筑示范项目,全面践行合肥市装配式建筑“1+5”建造模式。该项目地上所有建筑均采用装配式钢结构住宅体系建造,包括多栋高层住宅楼与多栋公共建筑(见图1)。

住宅部分整体采用装配式钢结构住宅体系建造,主体结构采用钢框架支撑体系,外围护墙采用蒸压加气混凝土墙板+保温装饰一体板,蒸压加气混凝土墙板采用内嵌式安装方式,将蒸压加气混凝土条板通过角钢与钩头螺栓系统性地与楼面及钢梁固定。各组件标准化设计、工业化生产、现场施工装配,有序组织施工的前提必然是数字化的技术在各个环节发挥作用,并且起到协调作用,这其中也包括各模块的信息化留档、信息化的质量管理。

2 数字化建造技术概述

数字化建设技术是指建筑工程由传统的设计手段、加工制造、施工方式,通过计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE)等技术手段,向数字化、智能化、自动化转变的生产方式。

在数字化技术的应用中,很多人容易将数字化和BIM技术混为一谈,数字化技术的本质特征是将传统的物质世界转化为数字化的信息世界。数字化技术通过将物质实体信息转化为二进制码、数据流等数字化的信息形式,使物质实体信息在数字化过程中得到充分应用,如文档、图片、视频等;然而,BIM技术是数字化技术的一种应用方式,是指通过三维建模、协同管理等手段,将建筑设计、施工、运营等全过程所涉及的表达主体进行模型化的应用基础构建,并赋予商业信息,以实现工程的一种数字化技术。数字化建设技术是一个比BIM技术更广泛的概念,不仅包括BIM技术,还包括VR/AR(Virtual Reality/Augmented Reality)、智能制造技术以及云计算等技术。

3 巢湖映月湾装配式钢结构系统特征

巢湖映月湾项目,采用工厂化生产、模块化设计、现场组装的钢结构体系。它将钢结构的制造和安装过程工业化,通过数字技术设计、智能化制造和装配化施工等先进技术,实现了构件的高精度制造、快速装配和高质量建造。以下为钢结构装制造的主要特点:

1)工厂化生产:在工厂生产加工的钢结构构件,能够保证构件的精度和质量。2)模块化设计:采用标准化、模块化设计的钢结构构件,便于生产以及现场装配。3)现场装配:可大幅度缩短施工周期,提高施工效率的钢结构构件现场装配。4)高精度制造:采用数字化设计、智能化制造工艺,能够保证构件的精度和质量。5)高质量建造:装配式钢结构体系具有耐腐蚀、抗震、抗风、防火等特性,能够保证建筑的质量和安全性。6)环境友好:采用装配式钢结构体系可以减少建筑施工时的噪声、粉尘等污染物排放,对环境友好。同时,轻型钢构件用于装配式钢结构体系,可循环使用,减少建筑废弃物产生。

装配式钢结构体系可以根据建筑的需要进行灵活设计,满足不同的建筑需求,采用先进的数字化设计技术,可以根据建筑的形态和用途进行灵活设计,满足了建筑的美学和功能需求,提高设计的效率和品质。

4 数字化建造技术在装配式钢结构体系中的优势

建造装配式钢结构住宅体系项目需要一种比传统建造方式更高效的建造方式,结合更高效的建造技术,才能发挥装配式钢结构体系化的应用优势[2],在项目中笔者发现,数字化建造技术对于快速高效实施装配式钢结构住宅体系有着极其重要的作用,其具有以下优势:

1)优化设计:数字化建造技术可以对钢结构体系进行精细化设计,实现结构优化和性能优化。通过BIM技术,在提高设计效率和质量的同时,进行全过程的钢结构协同设计。

2)智能制造:数字化制造工艺,可实现钢结构部件制造智能化。采用数控加工和机器人技术,可以提高制造精度和生产效率,降低人工成本和误差率。

3)装配化施工:数字化建造技术可以实现装配化施工,使得钢结构体系的现场施工更加快速和精准。通过数字化技术,可以实现构件的精确配对和拼装,提高施工效率和质量。

4)智能化运维:数字化的设计成果和建造过程,可以全维度地对设计信息和施工建造信息进行保留和回溯,基于数字化的成果,结合IoT技术,对建筑物实现智能化的运维。

通过利用数字化建造的技术的综合性优势,可以在建造过程中提高建造精度,例如结合BIM技术进行设计与智能制造,可以实现对构件的精确设计和制造,保证构件的尺寸精度和几何精度。同时,数字化建造技术还可以实现构件的精确拼装,保证结构的整体精度和稳定性。

5 数字化建造技术在装配式钢结构体系中的应用实例

5.1 数字化施工技术在装配式钢结构体系设计中的运用

在设计初期,利用数字化的设计工具,结合项目特点与应用需求,通过关键词趋化筛选出与项目最佳匹配的户型库中的户型,筛选出标准户型后对户型库进行平面排布,框定楼栋对应的标准层类型,结合各楼栋分布情况构建标准户型库设计模型(见图2),基于构建的三维可视化标准户型库模型,实现建筑方案美观的评估,借助数字化成果模型的参数化特征,对标准户型库的技术指标进行评估,包括标准化的构建归集和最优截面的阶梯分布,实现构件层面、标准层级别的标准化设计,对机电管线的排布实现设计无碰撞、安装无问题、使用最方便的结果,同时数字化技术还能够将可视化与指标模型协调一致,同步调整,实现参数化设计,将设计成果趋于最优[3]。综管优化与二维深化图见图3。

本项目需要采用钢结构深化设计的钢结构主体结构及蒸压加气混凝土条板深化设计的ALC外围护墙,以固化设计模型为基础进行各专项深化设计。在钢结构深化设计过程中,基于BIM设计模型,导出几何线模型与几何轮廓,线模型用于Tekla深化设计定位,几何轮廓用于参照深化建模,补齐结点模型信息,即可高效率的完成基于数字化设计技术的钢结构深化设计(见图4)。本项目全过程应用建筑信息模型(BIM)技术,为蒸压加气混凝土条板深化排版技术提供了较大的便利,众所周知,相较于传统的平面标准层设计方式,以BIM技术为基础手段的深化排版技术的应用,可以实现ALC板材的精细化设计,精准排版可以为后续的精准切割和快速安装提供技术支持,通过明细表与模型联动,实现拆分与损耗的动态分析,实现设计的优化性,节约了板材与人工。

5.2 数字化建造技术在装配式钢结构体系制造中的应用

在Tekla中完成主体钢结构的设计和制造图生成工作,基于数字化的深化设计成果,按照数控机床的加工要求导出对应的数控机床解析文档NC文件,将NC文档发送到数控机床,在数控机床操作台打开NC文档,进行数字化加工作业,实现钢结构的自动化制造,需要注意,NC文件中的参数务必同数控机床的加工参数相一致(见图5)。

随着焊接机器人技术的日臻完善,作为自动化设备的焊接机器人可以通过编程对焊接过程进行控制,提高生产效率,减少人工误差,同时通过数字化模型保证焊接质量的一致性,从而与传统的手工焊接相比,能够准确地确定焊接的位置和尺寸,BIM+焊接机器人可以实现焊接过程的一致性。能够实现焊接效率更高、精准度更高的全过程数字化,从设计到加工制造,再到提高焊接成品的质量和产量。

5.3 数字化建造技术在装配式钢结构体系施工中的应用

5.3.1 施工场地三维布置与模拟

基于BIM技术构建的数字化施工三维场布与模拟,即借助于BIM技术手段将映月湾项目施工现场进行三维可视化构建(见图6),在工程项目开工前的准备阶段,施工布置作为施工组织设计的一个重要部分,对项目建设有着重要作用[4]。将周边环境、场地环境、施工设施等临时设施通过数字化的手段进行模拟布置和优化,以实现施工平面的科学布置,并将施工场布过程中的堆场信息整合应用,形成可视化的施工场布模型,以便于施工过程中的现场空间管理与协调。

数字化的技术手段使得施工场布布置更贴近于真实的施工空间,同时对施工现场的空间资源以及施工情况进行真实化的映射,模型的可视化特性可以对现场的布置和构件的安装更加直观和易于理解。

5.3.2 数字化技术施工进度模拟

将施工部署落实到BIM技术构建的三维模型中,包括进度计划和资源计划,利用BIM技术可以检测施工过程中的空间,避免施工过程中的工序冲突问题,提高施工效率。对施工模拟过程中的资源进行跟踪,特别是对投入成本较高的重型机械,利用BIM技术可视化模拟施工进度(见图7),可以更好地节约施工资源的投入[5]。围绕数字化手段构建的施工进度模拟,可以实现项目管理层对施工进度的更新排布和优化,提高施工效率和准确率,节约施工建造的成本,减少施工风险,进而保证施工的整体质量和安全性、可靠性。

5.3.3 施工重难点工艺模拟

传统的施工工艺也是相对完善的,但是在装配式项目中,由于其体系化、系统化的问题,导致很多节点做法复杂,特别是新技术的应用比例较多,同时,传统的施工工艺也由于其传播媒介的问题导致其工艺的传递性较差,而且不具备模拟性,基于BIM技术的数字化工艺模拟技术,可以对重难点复杂的施工工艺进行模型搭建(见图8),赋予模型工序信息,形成工艺模型多媒体资料,不论是在工艺验证和优化方面,还是工艺的可视化交底上,数字化的手段优势都是相当明显的,因此在装配式钢结构项目中,数字化的施工重难点工艺模拟技术可以说是体系必不可少的一部分。

6 展望

装配式钢结构体系工程,是一种以工业化生产方式为基础的建造模式,其特点是标准化设计,构件预制生产,现场高效组装的模式,施工速度快、质量高,绿色环保不仅是其优点,更是对装配式工程建设的要求,因此,BIM技术所构建的数字化技术体系是装配式建筑必不可少的“合作伙伴”,BIM技术所构建的数字化技术体系在装配式建筑工程的数字化管理和协调中,越来越多地发挥重要的作用。

巢湖映月湾装配式住宅小区采用钢结构支撑为主体结构,围护结构采用蒸压加气混凝土条板作为应用方案,是近年来装配式钢结构技术发展的范例,具有很好的启发作用,该组合技术也在逐步发展,在项目建设过程中应用了数字化的技术手段,涵盖了设计、加工、施工等各个阶段。实现了设计的技术验证和完善,对项目管理进行协调,虽然在应用过程中出现了一些问题,但通过实践和技术更新仍在逐步完善,本文通过数字化技术手段,对ALC相关的排版深化、精度控制、现场技术管理等方面提出了自己的实践方法,相信随着实践项目的增多,设计、加工制造、现场作业阶段中数字化技术的应用将更加系统和完善,可以发挥其更好的施工优势。