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葉浩文:裝配式建筑一體化數字化建造的思考與應用

近年來,隨著經濟社會的快速發展,我國建筑業的產業規模不斷擴大、科技水平不斷提高以及建造能力不斷增強,帶動了大量關聯產業,已成為國民經濟的重要支柱,對經濟社會發展、城鄉建設和民生改善作出了重要貢獻。但我國建筑業目前仍是一個勞動密集型、建造方式相對落后、信息化水平應用相對較低的傳統產業。


根據國家提出的五大發展理念,以及建筑業轉型升級的發展要求,未來中國建筑業必將邁上綠色化、工業化、信息化的發展之路。裝配式建筑作為建筑業的一場變革,集成了“建筑、結構、機電、裝修一體化”“設計、生產、裝配一體化”的新型工業化建造方式,同時將信息化與工業化深度融合,是推動綠色化、工業化和信息化建造的關鍵推手。裝配式建筑具有顯著的系統性特征,須采用一體化的建造方式,即在工程建設全過程中,主體結構系統、外圍護系統、機電設備系統、裝飾裝修系統通過總體技術優化、多專業協同,按照一定的技術接口和協同原則組裝成裝配式建筑。


一體化建造方式以“建筑”為最終產品。全過程信息化應用是裝配式建筑的一大特征,信息技術是推行從構件生產到裝飾裝修一體化建造方式的重要工具和手段。為實現“設計、生產、裝配一體化”,通過現代化的信息技術,建立信息化管理平臺,解決設計—生產—裝配脫節的問題,實現項目各參與方的信息共享、協同工作。


我國尚未全面推行“EPC五化一體”全產業鏈協同發展的創新管理模式,設計、生產、施工、運維等多環節多專業難以有效協同。本文將探索以BIM為項目信息源、以EPC工程總承包為主要管理模式、以ERP企業層資源配置設置組織管理體系、以移動終端為信息采集和應用手段系統集合而成的一體化數字化管理,實現“建筑、結構、機電、裝修一體化”“設計、生產、裝配一體化”的新型工業化建造方式。


設計環節是裝配式建筑方案從構思到形成的過程,也是建筑信息產生并不斷豐富的過程,而裝配式建筑系統性的特征對設計環節提出了極高的要求。在設計環節中的建筑、結構、機電、裝修各專業需在建筑物設計信息對稱的情況下才能相互配合,協同工作。


建筑、結構、機電、裝修協同設計


基于平臺化設計軟件,統一各專業的建模坐標系、命名規則、設計版本和深度,明確各專業設計協同流程、準則和專業接口,可實現裝配式建筑、結構、機電、內裝的三維協同設計和信息共享。各專業的數字化設計內容構成如表1 所示。


表 1 各專業的數字化設計內容構成


在基于BIM技術的協同平臺上,建筑、結構、機電、綠建和裝修等專業間的數據順暢流轉,無縫銜接。建筑模型、結構模型、機電模型組裝后,可自動進行碰撞檢查,方便建筑、結構、機電模型同步修改。


建立構件、部品等標準化族庫


創新建立裝配式建筑標準化、系列化的構件族庫和部品部件庫,如戶型標準化族庫、構件標準化族庫、門窗部品標準化族庫、廚衛部品標準化族庫、零配件及預埋件標準化族庫、機電管線標準化族庫、生產模具標準化族庫、裝配工具標準化族庫等。利用以上族庫,加強通用化設計,提高設計效率。實現基于全產業鏈的裝配式建筑標準化族庫,各標準化族庫應便于預制構件工廠生產加工、利于物流運輸、易于現場裝配,實現基于建筑模型的設計信息、生產信息、裝配信息的一體化。


關聯并共享模型信息


BIM 模型更改后,與模型相關聯的二維圖紙信息、數據庫信息自動關聯更改,保證模型與數據信息的一致性;建筑模型與裝配式建造過程各階段的信息關聯,同時實現信息數據自動歸并和集成,便于后期工廠及裝配現場的數據共享和共用。


數字化生產技術包括數字化自動加工技術和數字化工廠管理技術,通過一體化數字化技術將完整準確的設計信息及時傳遞給工廠,實現一體化數字化生產。


1.數字化自動加工


利用基于BIM設計信息的裝配式結構構件信息化加工(CAM)和MES技術,將BIM信息直接導入工廠中央控制系統,無需人工二次錄入,與加工設備對接,實現設備對設計信息的識別和自動化加工,實現設計信息與加工信息無縫對接及共享。生產線各加工設備(畫線機、布料機、養護窯的中控)自動識別BIM構件設計信息,智能化地完成畫線定位、模具擺放、混凝土澆筑振搗、養護等一系列工序,實現設計—加工一體化。



數字化生產技術


2.數字化工廠管理


利用基于BIM設計信息的工廠生產信息化管理技術,無需人工二次錄入,即可實現BIM信息直接導入工廠信息管理系統,實現工廠生產自動排產,物料需求的信息化自動精準算量,關聯物料采購的自動提醒及采購料量的自動推送,構件生產的優化排布、過程質量的信息錄入,構件自動查詢查找、構件庫存和運輸的信息化管理等。


在現場裝配階段,基于BIM設計信息,融合無線射頻(RFID)、移動終端等信息技術,共享設計、生產和運輸等信息,實現現場裝配的數字化應用,根據工藝、工料、工效定額信息庫,合理制定建造進度計劃和裝配方案,實現工程建造人、機、料、法、環的信息化管理,提高現場裝配效率和管理精度。


1.施工平面管理


利用BIM技術對現場平面的道路、塔吊、堆場等進行建模,有針對性地布置臨時用水、用電位置,形成施工平面管理模型。結合施工平面管理模型和施工進度,對施工場地布置方案中的碰撞沖突進行量化分析,實現工程各個階段總平面各功能區(構件及材料堆場、場內道路、臨建等)的動態優化配置及可視化管理。


2.工藝工序模擬及優化


以BIM三維模型為基礎,關聯施工方案和工藝的相關數據,確定最佳的施工方案和工藝,對構件吊裝、支撐、構件連接、安裝、機電以及內裝等專業的現場裝配方案進行工序及工藝模擬及優化,通過制定詳細的施工方案和工藝,借助可視化的BIM三維模型直觀地展現施工過程,通過對施工全過程或關鍵過程進行模擬,驗證方案和工藝的可行性,以便指導施工,從而加強可控性管理,提高工程質量,保證施工安全。


3.全過程信息共享和可追溯


基于BIM設計信息,融合無線射頻(RFID)等物聯網技術,通過移動終端,共享設計、生產、運輸過程等信息,實現現場裝配全過程的構件質量及屬性的信息共享和可追溯。


裝配式建筑全過程數字化管理是以BIM為項目的信息源、以EPC 工程總承包為主要管理模式、以ERP企業層資源配置設置組織管理體系、以移動終端為信息采集和應用手段系統集合而成的一體化數字化管理。在基于BIM的設計、生產、裝配全過程信息共享協同的基礎上,以裝配式建筑的系統性、完整性為原則,可以打造出圖BIM—ERP系統,全過程、全集團、系統性地配置并優化資源,通過工程物料采購、成本、進度、合同、物料、質量、安全的信息化管控,有效發揮信息化技術在裝配式建造全過程中的深度應用,提高整體建造效率和效益。


1.建立統一的信息化管理平臺



信息化管理BIM與ERP結合的平臺,是通過建立一個集團總部數據中心,作為EPC工程總承包模式下工程項目BIM設計、生產、裝配信息的運算服務支持,并設置若干小前端進行工廠和項目現場的數據采集。實現大后臺、小前端和云平臺模式。通過該平臺可以形成企業資源數據庫(系列化構件、工料、工效、定額等),并通過設置集中機房,實現協同辦公。


2.制定信息交互標準


全過程數據化管理涉及設計、生產、裝配各個階段和建筑、結構、機電、裝修等各個專業。各階段和各專業都有不同的專業軟件,為了保證信息的有效無損傳遞,必須制定統一的信息交互標準。同一信息平臺下,按照統一信息交互標準,實現信息化平臺接口不同專業軟件,有效傳遞和共享信息,避免不同軟件由于交互標準不同而導致的信息傳遞失真。


3.制定EPC工程總承包全過程標準化、信息化流程


建立EPC工程總承包項目流程體系,可以有效地對項目進行管控。以EPC工程總承包的項目流程為核心,運用信息化技術,將EPC工程總承包項目流程標準化和信息化,更準確地體現設計、生產、裝配及采購之間的相互關系,同時體現項目集成化管理的理念。通過管理過程信息化、標準化和系統化,更有利于項目目標的實現。


4.建立工程建造業務的數據化表達


以BIM的建筑信息模型數據為基礎,將與工程建造相關的業務進行數據化管理,如成本數據化管理、進度數據化管理、合同數據化管理、質量數據化管理等,可以生成與裝配式建筑建造相關的業務數據。建筑模型數據與業務數據相融合可以形成裝配式建筑建造的大數據,通過對大數據的篩選和分析,能夠為業務部門的管理以及項目的整體決策提供有力的數據支持。


5.建立EPC模式下的信息化管理系統


EPC模式下的信息化管理系統涉及到工程項目相關專業、相關環節、相關業務的信息化應用,包括裝配式建筑設計、生產、裝配全過程的采購、成本、進度、合同、物料、質量和安全的信息化管理,最終實現全過程、集團資源的有效配置。它需要建立完備的BIM模型信息系統、物料集中采購信息系統、商務成本信息系統、工程建造與進度管理系統、項目合同信息系統、全過程質量管理和安全管理系統等。


(1)BIM模型信息。信息化管理系統的基本數據基礎來自BIM模型信息,因此應建立完備的BIM模型信息。完備的BIM模型信息是建筑信息模型中幾何信息、料量信息、工序邏輯信息的集成,主要包括:建筑模型的物料信息表及對應的信息編碼;結構構件、機電管線及部品部件的類型的標準化歸并,類型及數量統計;與生產、裝配方案相關聯的構件的參數信息;工程模型的量、價商務信息。


(2)物料集中采購信息模塊。在物料集中采購信息系統中,應首先確定集中采購范圍及內容,然后將采購計劃、時間與工程建造進度相關聯,進行提前預設。在集中采購過程中,應進行采購主體部門與相關部門的協同工作,最后進行分析對比,實現集中采購的成本控制。此外該系統中還應實現:供方分類與準入管理;招標、采購與考核管理;采購內容與合同管理;采購后評價體系管理;供方資質等資料錄入備案管理。


(3)商務成本信息模塊。商務成本信息系統是進行全過程的商務成本管理,包括設計過程的人工成本和管理成本;生產過程的構件生產成本與采購成本;運輸過程的運輸費用;裝配過程的機械租賃成本、人工成本、管理成本等。商務成本管理系統中,宜建立統一的成本核算項目,將合同對應條款、工程建造進度、項目資金臺賬與系統建立關聯,實現工程建造關鍵時間段、任意時間點的收入、預算成本及實際成本的三算對比。


(4)工程建造與進度管理模塊。工程建造與進度管理是為了實現全過程進度計劃的管理和控制,主要包括設計過程中各深度版本圖紙的出圖時間節點控制;生產過程中構件及部品件出廠時間控制、內部生產時間節點控制;運輸過程中構件及部品件運輸時間及過程運輸時間實時反饋;裝配過程中各層、各作業面、工序實施時間計劃與控制等。在全過程進度計劃的管理和控制中,工程建造與進度管理的重點是實現各環節時間的銜接和彈性時間的控制,實現由總進度計劃排至關鍵時間節點控制,實現由關鍵時間節點控制排至月度和周計劃控制,實現由時間節點控制各業務功能的工作安排。


(5)項目合同信息模塊。應統一合同編碼、確立總包分包分類臺賬、統一關鍵信息格式、明確合同關鍵內容與相關業務、合同時間段,同時明確合同條款與相關業務協同內容。


(6)全過程質量管理和安全管理系統。全過程質量管理和安全管理應結合各階段的實際情況和工作計劃,對相應的質量健全控制點進行動態管理,并通過手持移動端及RFID等物聯網技術將現場質量及安全管理信息實時傳遞給全過程質量管理和安全管理系統,實現質量及安全信息的實時采集、移動可視化管控及過程追溯。此外全過程質量管理和安全管理系統可與政府相關部門的監管平臺對接。


為了更好地服務于EPC工程總承包模式下的裝配式項目建造,在同一信息平臺下,按照統一的信息交互標準,通過以上模塊在設計工程項目中的應用,不斷形成企業資源數據庫,如系列化構件、工料及定額等。新建項目可以在企業資源數據庫中尋找相匹配的已建項目信息進行項目的前期策劃等方案的制定。


裝配式建筑是一項系統工程,需要行業各方協同集成一體化發展。通過BIM與ERP的結合,建立一體化數據化的裝配式建筑信息交互平臺,接口多方信息化應用系統,促進全過程全產業鏈的信息共享、協同工作,可進一步實現裝配式建筑一體化數字化的建造理念:一是實現設計、生產、裝配全過程的信息集成和共享;二是實現工程建造全過程的成本、進度、合同、物料采購等方面的數字化管理。在EPC工程總承包模式下,數字化技術能夠有效發揮信息共享和集成優勢,促進裝配式建筑各專業、各環節、各參與方的協同工作,實現裝配式建筑一體化數字化建造,通過“數字建造”有力提升我國裝配式建筑發展的品質和效益。

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