基于BIM 的模块化设计与建造技术在建设工程中的应用现状

李 蕾 ,王 昊 ,王 宁

(1.中色国际氧化铝开发有限公司,北京 100029;2.东北大学设计研究院(有限公司),辽宁 沈阳 110000)

0 引言

随着当前的建设工程项目向着大型化、国际化的方向发展,传统设计与建造理念逐渐不能满足工程实际发展的需要。模块化设计的理念起源于海洋石油平台建设工程,该技术预制化程度高、应用条件广、可大量引入平行施工作业,极大缩短建设周期。随着BIM 技术的兴起,一种基于BIM 技术模块化设计与建造技术运用而生,该技术极大提高了设计、管理与建造效率,提升了设计质量,广泛应用于冶金、矿山、化工、建筑等领域的工程项目。本文对该技术的优点、应用现状、应用前景进行了论述。

1 基于BIM 的模块化设计与建造技术概述

BIM(Building Information Modeling)是建立数字信息化模型的英文单词缩写,它是一种新型数字化仿真技术,具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等优点。BIM 技术可实现工程建设行业从策划、设计、施工、运营整个生命周期精细化管理,对于设计而言,各个专业可以在事先搭好的BIM 平台进行三维协同设计,其示意图如图1 所示。三维协同设计进一步增加了各专业之间的协调与沟通,可大大提升设计效率,同时提高设计质量。近年来,在工程建设行业,BIM 技术已经得到广泛应用。

图1 基于BIM 技术的各专业同平台三维协同设计示意图

基于BIM 技术的模块化设计与建造技术,是指在兼顾工艺与系统功能分析的基础上,利用BIM 技术按设定的拆分规则先将整个建设工厂划分出多个系统功能的大型模块单元,再将大型模块单元细划分为一系列独立的基础模块单元。其中,基础的模块单元包含建筑、结构、管道、设备、电气、控制专业中的全部或部分内容。再将每个基础模块单元在异地工厂预制拼装,运抵现场后按预设好的组装方案对其进行安装。概括来说,模块化设计与建造技术可以用下面公式得以体现:模块化工厂建设=模块化设计+异地建造+模块运输+现场组装。基于BIM 技术的模块化设计与建造技术流程如图2 所示。简而言之,BIM 模块化设计与建造是一种“搭积木”式工厂建造方式,该技术是一种全新的信息化管理技术与手段,具有一定的实际应用价值。

图2 基于BIM 技术的模块化设计与建造的技术流程

2 基于BIM 的模块化设计与建造技术的优点

与传统设计建造方法相比,利用基于BIM 技术的模块化技术进行工程设计,其优点概括起来主要体现在以下几个方面。

1)提高设计效率

利用BIM 技术进行模块化设计,将工程项目划分为多个独立的模块,各专业可同平台协同设计对模块进行三维建模,利用BIM 技术的可视化与协调性,更直观地发现模块模型中存在的碰撞问题,进而便于设计人员第一时间有效消除模块模型中的冲突问题,提升设计效率,避免施工阶段的图纸返工,加快出图的效率。

2)提高设计质量,降低项目成本

利用BIM 技术进行模块化设计有效消除了模块模型中的碰撞问题,大大提高了模型设计精度,减少了设计变更成本,同时也降低了模块加工预制成本;同时在后续的模块化建造施工过程中,可更好控制每个模块单元的施工精度,有效减少施工误差带来成本损失,这一点尤其在海外工程项目中优势更加明显,由于海外发达国家劳动力资源紧缺,人工成本昂贵。

3)提高管理效率,缩短建设周期

采用基于BIM 技术模块化设计,可利用BIM 技术的模拟性模拟模块的组装过程、运输过程、建造安装过程等并进行技术交底,方便了项目管理人员对于施工过程的管理。同时模块可在国内加工制造并预制拼装,通过海运方式运送至海外工程建设现场。与此同时,模块化施工降低了对吊装设备要求、称重作业及各类运输的难度,显著减少大型吊装作业,提高了安全性。不同区域模块可同时施工,快速完成模块的建造调试,缩短建设工期。

4)应用范围广

基于BIM 技术的模块化设计与建造技术应用广泛,不仅可以应用于国内工程项目,还可以在海外项目得到大规模运用。对于海外工程项目,业主要求必须采用BIM 技术,同时发达国家高额的人工成本使业主更加青睐于模块化设计;在气候、环境条件苛刻、政治不稳定国家及地区的海外工程项目,通常资源配套保障不及时、复杂地域的施工不便利性、现场施工的危险极大增加、采用模块化设计可有效降低项目运行风险,规避制约因素,缩短项目工期,提高项目质量。对于工艺技术保密的项目,模块化设计可保证工艺技术不外泄,极大地保护了知识产权。

3 基于BIM 的模块化设计与建造技术的工程应用现状

目前,基于BIM 的模块化设计与建造技术在机电工程、冶金矿山工程、石油化工工程、建筑工程、核电工程、水运工程等领域正在逐步尝试推广运用,并取得了良好的应用效果。

3.1 机电工程领域

目前,在各类机电工程领域中,基于BIM 的模块化设计与建造技术的理念受到了广泛的认可,已有众多关于该技术在机电工程中的应用的报道。严飞华[1]等介绍了基于BIM 的模块化设计与建造技术,在某商贸中心综合服务大楼机电工程中的应用。首先分析了常规模块化设计与建造方案的不足之处,其次对该项目中的机电工程的模块化设计与建造流程进行了详尽叙述。应用实践证明,该模块化设计与建造技术可节约人工与材料成本分别为20%和10.3%,同时提升机电管线的施工质量、安全水平,并指出BIM 技术模块化建造技术,可实现机电工程的自动化生产、绿色建造。李娜[2]研究了实际机电工程案例中BIM 模块化施工技术,论述了从机电管线一体化模型设计、拆解、优化,到预制加工、现场组装等信息化施工过程,指出BIM 模块化施工技术的运用展现出以下几点优势:对项目的应用技术增加了灵活性;可减少因管线冲突而导致的设计变更;提高了机电工程的施工效率,该技术在机电工程领域的有着不错的应用前景。宫治国[3]介绍了基于BIM 装配式模块化施工技术在敦煌国会项目机电工程中的应用。基于该技术提出了敦煌国会项目机电工程施工实施流程、组织与技术管理措施,并对该工程中的BIM 装配式模块化施工实施过程、注意事项进行了总结。指出BIM 装配式模块化施工技术在项目质量、成本及工期管理取得了良好的应用效果。朱刚[4]等报道了BIM 模块化设计在无锡地铁某站机电设备安装工程中的应用,运用BIM 技术将环控机房划分8 个模块,随后对这8 个模块统一进行工厂化预制。并指出该技术的运用提高了从设计、预制、运输、安装的标准化水平,有效缩短了工期,对于提高工程质量有着显著的作用。王君[5]等报道了基于BIM 技术设备房的机电模块预制化在某铁路综合枢纽工程中的应用。基于BIM技术的机电模块预制化可将分散手工作业转化为机械化集中生产模式,有利于提高机电工程施工效率,并且利于品控管理,对提升工程质量有利;同时,可减少用工人数,降低了人工作业成本,提升了施工的安全性。张宁波[6]等探讨了基于BIM 模块化设计的装配式技术在建筑机电工程中的应用,并对建筑机电工程中机电设备与管线的模块化设计、预制建造、运输、安装等流程及注意事项进行了详细的介绍。该技术的运用有助于提高机电工程的装配化程度,促进了建筑机电行业的技术发展,并对该技术在建筑机电工程中的应用前景保持积极乐观态度。

3.2 冶金、矿山工程领域

佘玥霞[7]等报道了KONIAMBO 镍矿项目冶炼装置采用模块化设计与建造技术的工程应用案例,并详细介绍了15 个钢结构单元模块的建造、运输、组装等技术注意事项。模块化设计的运用可对模块进行批量化生产,降低了成本同时提高了模块建造质量。石永刚[8]介绍了将BIM 模块化设计技术应用于澳大利亚某铁矿选矿项目中,指出BIM 技术的运用,为模块化建造方案的制定提供了强有力的技术支持。王朝阳[9]报道了模块化设计在澳大利亚某冶金项目中的应用,着重介绍了模块化分、模块拼装等环节,该项目模块化设计方案受到了主业的肯定。这对同类的大型冶金项目的模块化设计提供了思路,并积累了应用经验。

3.3 建筑工程领域

江旻华[10]报道了基于BIM 的模块化设计方法在装配式建筑中的应用,探讨了户内、户外、标准层的模块化的应用。安家成[11]等阐述了基于BIM 平台下,装配式建筑模块化设计方法、过程。并探究了在装配式建筑中,模块化设计在该领域的实际应用价值。指出在BIM 技术背景下,模块化建筑将成为未来建筑领域一种重要形式。康思诚[12]首先探讨了BIM 模块化技术的优势,并指出将其应用于建筑领域可整体提升设计效率,进而提升施工效率与质量,有效节约建筑成本的投入,有利于促进装配式建筑的发展。

3.4 石油、化工工程领域

沈志洵[13]对模块化设计在石化工程建设领域适用条件、设计要点等方面进行了介绍,模块的划分可以提高整体设计效率,缩短设计时间,该技术已在石油化工建设项目中得到广泛的推广。陆棋[14]介绍了将基于BIM 的模块化设计与建造技术应用于农药制剂工厂的案例。在BIM 模块化技术的运用下,农药制剂工厂被设计为多个模块,将其进行模块化建造。同时也对该技术在农药制剂行业的应用前景进行了展望,指出基于BIM 平台的模块化设计与建造技术,将会促进农药制剂行业的快速发展。钟肖[15]系统介绍了在某LNG 工厂中模块化设计方法,从模块化分区、模块化设计等方面进行了研究,为海洋平台的模块化设计、建造了提供借鉴经验。

3.5 其他工程领域

鲁勤武[16]等介绍了CPR1000 型核电工程模块化设计过程中,各阶段主要设计内容及要点,研究总结了一套较完整的、指导模块化设计的模块设计流程,为核电工程模块化技术研发工作提供了借鉴方案。王素敏[17]等将模块化设计引入水泥厂电改袋工程的技术升级工程中,该技术的运用简化了收尘设备的设计流程,提高了制造、安装的精度,解决了复杂状况对工期、安装质量影响的难题。颜红亮[18]报道了基于BIM 技术模块化设计在船闸工程金属结构研发设计中的应用。通过BIM 技术可实现船闸工程金属结构模块设计技术的革新与完善技术体系,该技术可贯穿船闸工程金属结构的全生命周期,提高了设计质量,提升了工作效率与管理水平。

4 结语

综上所述,基于BIM 的模块化设计与建造技术打破了传统的设计建造理念,该技术可在人工成本相对较低的国家完成模块制造并完成预组装,运抵施工现场只需拼装完成相应拼装工作,是未来工程建设的趋势所在。BIM 技术的模块化设计与建造技术有着应用广泛、节省投资、提高设计效率与质量、缩短建设周期和现场安装施工简便等特点,该技术特别是在未来的海外工程中国外业主和工程公司的必然选择与发展趋势,该技术的应用可能成为常态。目前,基于BIM 的模块化设计与建造技术在冶金矿山、化工行业中有着广泛的应用,但将其应用于氧化铝行业中相关的应用报道较少,还处于摸索阶段。