摘要：隨著綠色施工概念的深入人心，作為施工能力和手段重要體現(xiàn)的預制加工技術也逐漸受到廣泛的關注和重視，本課題將傳統(tǒng)的預制加工技術與BIM技術結(jié)合，進一步完善了預制加工技術，給管道的預制加工提供了一個新的發(fā)展方向。

關鍵詞：BIM；三維模型；管道預制加工；流程；經(jīng)濟性

1、前言

為了迎合綠色施工的需要，近年來我國機電安裝行業(yè)不斷引進國外的先進技術，并在工藝流程上加以改進，風管、電氣母線、橋架等基本實現(xiàn)工廠化預制、現(xiàn)場安裝，但預制化程度與土建、鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻等行業(yè)相比差距還很大，特別是機電安裝工程中的管道焊接技術近年來也無重大突破，依舊停留在現(xiàn)場焊接制作的操作模式階段。管道工程本身具備管徑多、材質(zhì)復雜、壁厚系列不等、焊接工程量大的特點，在施工過程中則受材料供應、設備交安、氣候條件、現(xiàn)場作業(yè)面等諸多制約因素影響。同時，由于管道連接中焊接量大，成千上萬道焊口的質(zhì)量直接影響石化裝置的安全運行。究其原因，主要是由于管線布置不夠精確，限制了預制加工的深度和發(fā)展。傳統(tǒng)預制方式的管道預制深度只能達到25％～35%，而工廠化預制方式可以達到60％甚至更高。所以，工廠化預制加工是管道施工的發(fā)展方向。

為此，本課題提出了與BIM技術相結(jié)合的管道預制加工方式，擬加深管道預制加工的工廠化程度，進一步提高管道預制加工的精度。

2、管道預制加工

管道預制與管道安裝的分離已然是大勢所趨，如何將管道預制技術有效的運用到管道預制工廠和管道預制現(xiàn)場，提高管道工程建設的質(zhì)量水平，縮短管道工程建設的工期，是目前急需解決的技術問題。為了提高預制加工圖的精度，本課題創(chuàng)造性的將BIM技術運用到預制加工中， 為預制加工的發(fā)展提供了一個新的方向。這也是我們這個課題的一個創(chuàng)新點。

2.1 工作流程

管道預制加工是預先在設計建模的施工就將施工所需的管材、壁厚、類型等一些參數(shù)輸入的模型當中，然后將模型根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整，待模型調(diào)整到與現(xiàn)場一致的時候再將管材、壁厚、類型和長度等信息導成一張完成的預制加工圖，將圖紙送到工廠里面進行管道的預制加工，等實際施工時將預制好的管道送到現(xiàn)場安裝。主要協(xié)作流程如圖2-1、圖2-2所示。

2.2 案例分析

本課題在深化設計工作中將BIM技術最大化的加以運用，利用BIM模型參數(shù)化的特點，對系統(tǒng)進行參數(shù)檢測、管線綜合以及碰撞檢測等工作?，F(xiàn)以東方體育中心項目為例來介紹BIM技術在管道預制加工中的應用。

本工程共分為四個單體：綜合體育館、室內(nèi)游泳館、室外跳水池和新聞服務中心?？偨ㄖ娣e達15萬平方米。東方體育中心作為2011年世界游泳錦標賽的主場館，被要求建成為滿足國際最高級別體育賽事標準要求的、多功能的、綜合性水上體育競技中心。在這座特級體育建筑場館的建設中，我們利用BIM技術完成深化設計，初步實現(xiàn)了BIM技術在預制加工中的應用。

2.2.1 工作步驟

2.2.1.1 三維建模

1）利用Revit MEP軟件進行冷凍機房各專業(yè)的機電管線三維建模。

2）利用Revit平臺分別創(chuàng)建了建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水和電氣等專業(yè)的BIM模型，然后根據(jù)統(tǒng)一標準把各個專業(yè)的模型鏈接在一起，獲得完整的建筑模型。

2.2.1.2 方案優(yōu)化

根據(jù)建立的三維綜合管線模型，對不同的方案進行比較分析，選擇最優(yōu)布置方案。

圖2-4 不同方案的對比圖

通過不同的方案對比，選擇最優(yōu)的管線排布方式。圖2-4中，方案一和方案二中管道彎頭比較多，布置略顯凌亂，相比較而言，方案三中管道布置比較合理，阻力較小，為最優(yōu)的管線布置方式。若最優(yōu)方案與深化設計圖有出入，應與深化設計人員進行溝通，修改深化設計圖。

2.2.1.3 碰撞檢測

將整體模型導入Navisworks分析工具中，利用Navisworks軟件對模型進行碰撞檢測，然后再回到Revit軟件里將模型調(diào)整到“零”碰撞。

1）將綜合模型按不同專業(yè)分別導出。

2）在Navisworks軟件里面將各專業(yè)模型疊加成綜合管線模型進行碰撞。

3）根據(jù)碰撞結(jié)果回到Revit軟件里對模型進行調(diào)整。

4）確定最終支架布局方案。

圖2-6 現(xiàn)場與BIM模擬的機房管道布置圖

利用 Autodesk 3ds max 軟件我們將整個施工工期進行的模擬，方便現(xiàn)場管理人員及時的對部分施工節(jié)點進行有效地控制。

圖2-7 現(xiàn)場與Autodesk 3ds max模擬對比圖

表2-1碰撞檢測工作運用BIM技術前后對比

通過調(diào)整模型和現(xiàn)場勘查比對，在準確反映現(xiàn)場真實施工進度的基礎上合理布局，達到空間利用率最大化的要求；在滿足施工規(guī)范的前提下兼顧業(yè)主實際需求，實現(xiàn)其使用功能和布局美觀的完美結(jié)合。

2.2.1.4 制作預制加工圖

管道預制過程的輸入是管道安裝的設計圖紙，輸出是預制成形的管段，交付給安裝現(xiàn)場進行組裝。由于設計院提供的圖紙不能提供管段圖，存在分段不合理、相關標識欠缺等不足，不能滿足現(xiàn)代化管道預制的需要。所以在工程項目開工前或進行過程中，根據(jù)總包單位提供的平立面施工圖(或原始單線圖)或中間文件，用繪圖軟件重新繪制出(或重新加工出)或生成，符合管道工廠預制要求的管段圖，以及管道現(xiàn)場安裝、管理需要的圖紙。這樣可以減少重復勞動、提高工作效率、確保工作一致性和工作同步性。能否采用管段圖來進行管道預制是衡量一個管道預制廠先進程度的重要指標之一。

本課題是將三維模型導入到Inventor軟件里面制作預制加工圖。

1）將Revit模型導入Inventor軟件中。

2）跟現(xiàn)場施工人員溝通，確定分區(qū)和編號順序。

3）根據(jù)組裝順序在模型中對所有管道進行編號并將編號結(jié)果與管道長度編輯成表格形式。                                                           

4）將帶有編號的三維軸測圖與帶有管道長度的表格編輯成圖紙并打印。

（a）                                （b）

圖2-8 導出管道預制加工圖

2.2.1.5 預制加工與自動焊的結(jié)合

預制部分除了部分小管徑接口外，基本都可以采用自動焊接設備完成，通過與BIM技術相結(jié)合，大大提高了自動焊技術的利用率，加快了整個項目的施工進度，為本項目的順利完工提供了有利的幫助。

圖2-9 管+彎頭焊接

在本項目中，通過利用精確的BIM模型作為預制加工設計的基礎模型再將預制加工與自動焊技術相結(jié)合的方式，在提高預制加工精確度的同時，減少了現(xiàn)場測繪工作量。為加快施工進度、提高施工的質(zhì)量提供有力保證。為本項目實現(xiàn)“觀摩工程”提供了有力的保障。

          2.2.2   技術難點及創(chuàng)新點

2.2.2.1 技術難點——族庫管理

1）族的生產(chǎn)

對于Revit的族我們指定專人生產(chǎn)。同時我們搜集樣板的同時也會收集廠商、其他設計公司已經(jīng)完成的族，或取這些族來豐富我們的族庫

2）族的管理

為確保這個族庫的有效性和安全性，我們建立了一套多級分類的族庫存儲檢索管理體系。族庫分類定義為6級：專業(yè)，構(gòu)建大類，構(gòu)建小類，廠商，系列，構(gòu)建。

族庫的物理存放我們采用了單機物理存放的方式，即用一臺計算機脫離網(wǎng)絡；同時該臺計算機設定有較高密碼強度的口令（大小寫加數(shù)字，不低于8位）和42天強制密碼修改的機制，以防族庫被非法傾入。另外，我們還定義族庫數(shù)據(jù)的定期備份，每天一次將新增的數(shù)據(jù)存儲到移動硬盤中，每周一次將整個族庫保存到移動硬盤中，移動硬盤由族庫管理脫機保管。

3）族的提資和使用

族的提資我們也制定了一套嚴格的制度，具體流程如圖2-10所示。

圖2-10族的提資流程圖

2.2.2.2 技術創(chuàng)新點1——自制族模型的運用

由于Revit軟件是有美國Autodesk公司所開發(fā)，軟件本身自帶的構(gòu)件無法精確地反映所有產(chǎn)品的設備外形與參數(shù)。在本課題研究中，為了使模型能切實得符合實際情況，也為了后期預制加工的準確率，在建模的同時自制了部分族模型包括彎頭、三通、水泵、冷水機組等來使得最終的模型能與產(chǎn)品參數(shù)完全一致。這樣就保證了預制加工的精度。

圖2-11自制冷水機組族                           圖2-12自制水泵族

(a)                      (b)                        (c)                      (d)

圖2-13自制閥門族

2.2.2.3 技術創(chuàng)新點2——Revit軟件與Inventor軟件的結(jié)合

眾所周知，機械制造業(yè)起步早，整個工藝生產(chǎn)流程比較先進，預制化程度高，很早就實現(xiàn)了“工廠化”，流水線作業(yè)；相比之下，建筑業(yè)的工藝流程就顯得比較落后了。為了提高建筑業(yè)管道的預制化程度高，我們找到了Autodesk Inventor這種用于機械制造業(yè)的軟件。在試驗階段，我們碰到了各種各樣的困難。主要難題是將Revit模型直接導入Inventor軟件后，除本身模型外，所有的數(shù)據(jù)都丟失，且整個模型都變成一個個零散的部件。

經(jīng)過不斷的探索和實踐，終于找到了解決辦法。出現(xiàn)這些問題之前的我們是將Revit模型直接導入Inventor軟件，其中配件定位、分段切割等都在Inventor軟件里進行。后來我們在將Revit模型直接導入Inventor軟件前，先在Revit里對管道進行配件定位、分段切割等，同時，導出含有模型數(shù)據(jù)信息的表格。這樣就可以發(fā)揮Inventor軟件的優(yōu)越性，制作出更加精確的預制加工圖。

通過BIM技術的運用，不僅可以更為便捷快速的解決碰撞問題，同時三維可視的效果還可以幫助創(chuàng)建更加合理美觀的管線排列。此外，通過高效的現(xiàn)場資料管理工作，把即時修改快速反映到模型中，可以獲得一個與現(xiàn)場情況高度一致的最佳管線布局方案，有效提高一次安裝的成功率，減少了返工的可能性。

3、經(jīng)濟性分析

據(jù)國外專業(yè)部門統(tǒng)計，預制加工可以減少60%的現(xiàn)場操作工人，減少90%的危險作業(yè)點，完成工廠化加工70%，通過預制加工既可以減少勞動力成本，又能夠提高現(xiàn)場安裝的工作效率。下表以東方體育中心機房管道的制作安裝為例，比較我司采用與BIM技術結(jié)合的預制加工技術后的費用與傳統(tǒng)預制加工費用。

表5-1經(jīng)濟性比較

通過定額費用比較，該冷凍機房采用與BIM技術結(jié)合的工廠預制加工節(jié)省了人工費59%，機電各專業(yè)管材費10%，二次拆改費15%，設備及閥門的安裝費10%。整個機房的總造價較傳統(tǒng)施工工藝減少了10%。

這主要是因為，在管道施工過程中，加深了管道部件的預制深度，將管道加工重心由安裝現(xiàn)場轉(zhuǎn)移到加工車間，由施工的手工操作為主，變?yōu)橐詸C械操作為主，使生產(chǎn)過程實現(xiàn)機械化，有利于提高生產(chǎn)效率；預制過程中的機械化程度的提高，可節(jié)省相當量的勞動力；工人工作內(nèi)容還可以進一步的專業(yè)化，使工人的操作水平易于提高，同時可以啟用技術低的工人來完成難度較大，技術性較強的預制加工任務；有許多在現(xiàn)場高空作業(yè)的管道安裝任務，采用預制方法后可以在車間平地作業(yè)，有利于安全施工和工程造價的降低；管道安裝加大預制深度，在管道施工中，減少了同土建或其它專業(yè)的交叉施工時間，縮短了施工工期，加快了施工進度；預制加工在室內(nèi)進行，可以不受或少受天氣氣候的影響，有利于縮短工期；在車間對管道進行預制還可以減少管材、型鋼、能源等原材料消耗，并可以充分利用邊角余料，也有利于廢料回收；管道預制在車間和平地進行，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高。所以加大管道預制深度可以縮短管道安裝時間，充分發(fā)揮機械效率、減輕工人的勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率，保證工程質(zhì)量，并能較好地做到安全生產(chǎn)和文明施工。

綜上所述，本課題的社會經(jīng)濟效應明顯，值得大力推廣。
   4、小結(jié)

BIM技術實現(xiàn)了在施工單位進場前完成綜合調(diào)整、方案預演等前期準備。本課題中管道預制加工的實現(xiàn)，在精確計劃、精確施工、提升效益方面發(fā)揮了巨大作用，這為綠色設計和環(huán)保施工提供了強大的數(shù)據(jù)支持，確保設計和安裝的準確性、提高安裝一次成功率、減少返工、降低損耗，節(jié)約了工程造價，既提高了項目的建造品質(zhì)，又為項目節(jié)約了大量的資源。

本課題的完成標志著我司的機電安裝實力已經(jīng)進入了一個新的領域。BIM技術在預制加工中的應用意味著預制加工和安裝的既徹底分開，又完美結(jié)合使用的新型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的形成，也意味著更合理的工作界面劃分、人員機具配置，更高效的生產(chǎn)模式、更高質(zhì)量的預制件產(chǎn)品和更大的經(jīng)濟效益。但是，在使用過程中還是或多或少的會出現(xiàn)一些問題，這有待于我們進一步的研究和探討。

下一步，課題組將把預制加工與管井的整體吊裝緊密結(jié)合起來，力求更大的發(fā)揮預制加工的作用，為整個安裝行業(yè)做出更大的貢獻。

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