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信息化技術在裝配式建築中的應用研究

點擊量:701     時間:2017/9/22 12:53:32

山東省建設監理協會、山東省建設監理咨詢有限公司

  摘要:本文通過在濟南市第一個裝配整體式建築的工程監理工作,研究了在設計深化和構件拆分階段應用BIM技術,在施工階段采用監理工作的 APP 技術,在關鍵工序和重要節點施工采用工匠雲技術,尤其是研究應用物聯網技術貫穿預制構件的生産、運輸、吊裝、安裝等工序,提高了工程的質量和安全水平水平,加快了工程進度,避免了工程造價的提升,并總結了應用的經驗。

  關鍵詞: BIM技術信息化 物聯網 裝配式 工程咨詢

  0 信息化技術概論

  2017年初國家發出了推廣智能和裝配式建築的要求,提出堅持标準化設計、工廠化生産、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應用的建造創新方式,同時提出了信息化技術如BIM技術、 物聯網技術以及工程管理 APP技術等在工程管理中的應用,為項目方案優化和科學決策提供依據,促進建築業提質增效。

  對裝配式建築施工與管理而言,應該是基于同一個BIM平台,集成規劃、設計、部品生産、運輸、 施工、業主、監理甚至是政府主管部門。使設計信息、部品生産信息、運輸情況、現場施工情況、質量、安全、進度情況都可以随時查詢。利用手持平闆電腦及RFID芯片,開發施工管理系統,可指導施工人員吊裝定位,實現構件參數屬性查詢,施工質量指标提示等,将竣工信息上傳到數據庫,做到施工質量記錄可追溯。

  BIM在裝配式建築施工與管理中的應用包括根據安裝順序排定加工計劃、根據設計模型進行鋼筋下料、模具準備、構件生産和存放、根據設計模型進行出廠前檢驗、構件運輸和驗收的 BIM應用、構件堆放地點的選擇、塔吊的選擇和分析、預制構件安裝過程模拟、裝飾裝修部分的 BIM應用、質量驗收的 BIM應用等内容。

  物聯網(Internet of Things,IOT)的概念最早由美國麻省理工學院(MIT)在 1999年提出——指的是将各種信息傳感設備,如射頻識别(RFID) 裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起,系統可以自動的、實時的對物體進行識别、定位、追蹤、監控并觸發相應事件。

  2014 年7月份,濟南市政府辦公廳下發《關于加快推進住宅産業化工作的通知)) (濟政辦字 (2014) 22号) ,要求到2016年底,全市采用住宅産業化技術建設的項目面積占新建項目面積的比例不低于30% ,到2018年底不低于 50%的工作目标。本文以信息化技術在 2014底開工建設的裝配整體式濟南市西客站片區安置三區中小學和西城濟水上苑高層住宅中的應用,探讨監理運作方式的創新以及信息化技術運用帶來的項目決策的科學性以及管理效果的提升。

  1 項目概況和信息化應用

  1.1濟水上苑17号樓,是一棟裝配整體式鋼筋混凝土剪力牆結構高層住宅,該建築地下2層, 層高為 3.1米;地上 21層,高為 2.9米,總建築面積約為1.9萬平米。建築地下室及地上1至2層采用現澆剪力牆結構3層及以上各層采用鋼筋混凝土預制剪力牆結構,樓面為 PK預應力混凝土疊合闆,外牆為預制混凝土夾心保溫牆闆,室内承重牆為預制剪力牆、非承重牆為輕質牆闆。濟南市西客站片區安置三區中小學項目,建築面積 10910平方米,裝配整體式混凝土組合框架結構,四層,建築檐口高度 16.01米,抗震等級四級,結構采用型鋼混凝土柱,外牆采用 PC 外牆挂闆、樓闆為 PK混凝土疊合闆,預制樓梯、預制女兒牆。

  1.2 濟水上苑 17号樓,濟南市西客站片區安置三區中小學項目為濟南市首例高預制裝配率的剪力牆和框架結構建築,始建于2014年底,工程開工時國家和山東省尚無有關裝配整體式混凝土結構的标準圖集以及相關檢測驗收标準,國家有關預制構件生産資質也己取消,僅保留了預拌混凝土資質,在工程的設計、生産、運輸、吊裝、施工中缺少相應的技術保障,為确保工程質量和安全,監理單位山東省建設監理咨詢有限公司從全過程工程咨詢角度入手,自設計階段開始采用 BIM 技術配合設計單位完成構件的拆分設計,在生産階段引入了物聯網技術實現了産品質量的可追溯,在施工階段運用BIM 技術模拟現場布置和塔吊選型,在關鍵節點的驗收采用了BIM技術的預構建交底,在整個監理過程中采用了監理日志APP、安全巡視APP、材料報驗APP 、持牌驗收APP等技術,針對施工單位灌漿作業引入了工匠雲技術。

  2 BIM技術應用

  2. l BIM技術在設計階段的應用

  深化設計是指在施工圖設計的基礎上,将電氣、水暖、設備等各專業的預留預埋精準的定位在預制構件上,形成預制構件的生産圖紙的過程。為了保證預留預埋位置的精度,我們聯合設計單位和施工單位采用了先進的 BIM技術進行深化設計和修正。采用BIM技術進行深化設計的流程如圖 2-1示。

 


 

  圖2-1 深化設計流程圖

  2. 1.1輔助件族庫建立

  現場BIM監理工程師們建立适應裝配式構件生産和機電專業的的族庫文件,保證團體建模鍊接的實用性和效率,既能提高建模的效率,又能夠保證建模的質量。根據本項目采用的所有輔助件建立了族庫,在建模時所有的配件以及預留預埋件等輔助件模型均可以直接選用。

  ( 3 ) 建立構件族庫:

  根據建築物的功能、結構、水電暖等設計及規範要求,對項目的PC構件進優化分割,并用revit 繪制包含水、電、暖及預埋件的各種構件,建立宿舍樓的疊合闆、預制梁、預制外牆闆、預制内牆闆、預制樓梯、預制空調闆、預制雨棚等裝配式構件PC構件族庫,為快速建模做準備 。

  2. 1.2建模

  對項目的建築、結構、機電分專業分别進行建模,分專業模型建模完後畢後由 BIM監理工程師再進行審核,對審核後的建築、結構、機電模型進行鍊接,形成全專業的 BIM模型。

  2.1.3 碰撞檢測并優化

  管線碰撞在傳統二維設計中不易解決的問題,現場BIM監理工程師采用Navisworks 軟件對用revit 軟件建立的建築、結構、機電(電氣、給排水、消防、弱電等)相關專業三維模型鍊接後的全專業模型進行碰撞測試 ,發現其中存在的碰撞點,在不改變原設計的機電工程各系統的設備、材料、規格、 型号又不改變原有使用功能的前提下,BIM工程師用revit 軟件對機電(電氣、給排水、消防、弱電等)的模型進行優化調整,然後對調整後的模型用 Navisworks 進行碰撞測試,通過不斷優化模型和碰撞檢測,可以實現" 零碰撞"。

  (1)檢測發現牆體的預留鋼筋位置沖突,在牆體安裝時,會導緻鋼筋碰撞變形,甚至牆體無法安裝到位,所以需進行優化。采用縮短外漏長度,增加箍筋的方式确保結構安全和施工的可操作性。

  (2)檢測發現疊合闆預留鋼筋與疊合梁預留鋼筋位置圖,在安裝時需要移動其中一個構件位置12mm,無法保證預制構件的位置符合規範要求,需進行優化,通過調整疊合闆預留鋼筋的位置,消除碰撞點,确保預制構件安裝的質量要求。

  (3) 在進行碰撞檢測中發現,電纜橋架與熱水管位置、電視分支器箱與熱水管位置沖突,在安裝時會導緻管線無法安裝,因此必須進行優化。通過修改其中熱水管的空間位置,可消除碰撞。消除檢測到的碰撞後,再進行一次碰撞檢測,可達到"零碰撞"的結果。

  2.1.4設計優化成果

  本項目原設計中,樓梯間的外牆設計如圖 2-2左圖示,在休息平台處預留鋼筋,牆闆安裝以後現澆休息平台闆。存在以下問題:

  (1)在牆和闆間存在施工豎縫,新老混凝土連接位置極易産生收縮裂縫:

  (2) 長時間使用後,接縫處 有可能會開裂、滲水,甚至會破壞外牆體;

  (3) 在外牆生産過程中,預留鋼筋位置不易控制。

  針對上述問題 ,進行設計變更如圖 2 -2右圖示,具體變更如下:

  (1)将外牆拼縫位置進行調整,由原設計在樓層标高,改為半層 (休息平台)标高,牆闆的接縫布置更合理:

  (2) 取消預留鋼筋,采用闆搭接在牆的形式,受力更合理,避免豎縫的産生,提高結構的整體質量和實用;

  (3) 變更後能夠在不增加牆闆種類的前提下,降低外牆闆生産的難度,提高了車間的生産效率,同時也提高了現場的安裝效率。

 

 

圖2-2 設計變更
 

  2. 1.5施工工藝優化成果

  裝配式建築牆、闆、柱、梁等構件預埋螺栓位置、斜撐連接件、強弱電、水暖等都是預埋在 PC構中,特别是支撐位置具有固定性,傳統的二維設計無法完全避免支撐等系統在安裝過程中相互碰撞的情況,一旦出現碰撞情況,就需要現場補救、返工處理,甚至出現構件報廢等情況,造成不必要的損失。

  BIM監理工程師提前運用revit 軟件對牆、闆、 柱、梁等構件預埋螺栓位置、斜撐、模闆支撐系統 等建立模型,然後用Navisworks對模型進行碰撞檢查 ,對發現的臨時支撐、預埋件碰撞等問題 ,返回到revit 模型中進行優化,消除PC構件安裝過程中可能發生的碰撞和相互幹擾,在施工過程中達到準确、快速安裝的目的。

 


 

圖2-3 施工工藝優化
 

  2. 2 BIM技術在關鍵節點的應用

  在施工過程中,對于工程的關鍵節點、關鍵工序國家因其施工難度大、技術要求高等特點,規定 了進行旁站監督,我們現場的BIM監理工程師們為裝配整體式建築的底層現澆框架節點、梁闆後澆築節點、牆體後澆築節點和剪力牆短肢現澆部分用REVIT做了三維模型,如圖 2-4、圖2-5所示,并利用三維模型監督施工單位對操作工人進行了交底,讓工人能夠直觀看到具體的結構構造以及施工要求,實現了質量的預控,消除了通病。
 

 

  2.3 BIM技術在現場布置和塔吊選型中的應用

  群體裝配整體式混凝土結構工程的施工組織因裝配的特點與傳統的現撓混凝土藝存有較大區别,主要體現在:

  1 大門應考慮周邊路網情況、道路轉彎半徑和坡度限制,大門的高度和寬度應滿足大型運輸構件車輛通行要求。

  2 塔吊布置時,應充分考慮其塔臂覆蓋範圍、塔吊端部吊裝能力、單體預制構件的重量 、預制構件的運輸、堆放和構件裝配施工 。

  3 構件堆場應滿足施工流水段的裝配要求,且應滿足大型運輸構件車輛、汽車起重機的通行、裝卸要求。為保證現場施工安全,構件堆場應設圍擋 ,防止無關人員進入。

  4 裝配式建築施工構件運輸采用大型運輸車輛 。車輛運輸構件多、裝卸時間長,因此應該合理的布置運輸車輛構件裝卸點,以免因車輛長時間停留影響現場内道路的暢通,阻礙現場其他工序的正常作業施工。

  5 裝卸點應在塔吊或者起 重設備的塔臂覆蓋範圍之内,且不宜設置在道路上。

  現場的BIM監理工程師們通過調研、計算、模拟,為施工現場的布置構建出了直觀的現場立體布置圖、塔吊布置和選型圖(圖2-6) 、預制構建存放場地布置圖。 充分利用了現場有限的空間,提高了構件轉運和構件運輸的時間,提高了工地運行的效率。
 

  圖2-6 塔吊布置和選型圖
 

  3 物聯網技術應用

  物物聯網技術可以貫穿裝配式建築施工與管理的全過程,從深化設計階段将每個構件唯一的"身份證" ——ID識别碼編制出來 ,在預制構件生産、運輸存放 、裝配施工包括現澆構件施工等一系列環節保證各類信息跨階段無損傳遞、高效使用, 實現精細化管理,實現質量的可追溯性并為工程實施提供關鍵技術基礎 ,我們在工程的設計階段引入了物聯技術,實現了質量的可追溯,并為構件的存放、運輸和吊裝提供了以BIM模型為基礎的施工指導,也保證了工程進度。

  3.1物聯網的核心技術

  l 無線射頻識别 ( RFID ) 技術:RFID ( RadioFrequency Identification ) ,無線射頻識别,是一種非接觸式的自動識别 技術,它通過射頻信号自 動識别目際對象并獲取相關數據,識别工作無需人工幹預,可工作于各種惡劣環境,RFID技術可同時識别多個際簽,操作快捷方便。在國内, RFID已經在身份證、電子收費系統和物流管理等領域有了廣泛應用 。

  2 二維碼技術: 二維條碼 / 二維碼 ( 3-dimensional bar code) 是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數據符号信息的;在代碼編制上巧妙地利用構成計算機内部邏輯基礎的 "0" 、 "1"比特流的概念,使用若幹個與 二進制相對應的幾何形體來表示 文字數值信息 ,通過圖象輸入設備或光 電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理。 二維條碼具有儲存量大、保密性高、追蹤性高、抗損性強、 備援性大 、成本便宜等特性,這些特性特别适用于表單、安全保密、追蹤、證照、存貨盤點、資料備援等方面。

  3 傳感器技術:傳感技術同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大技術。從仿生學觀點,如果把計算機看成處理和識别信息的"大腦",把通信系統看成傳遞信息的"神經系統"的話,那麼傳感器就是“感覺器官”。微型無線傳感技術以及以此組件的傳感網是物聯網感知層的重要技術手段。

  3.2裝配式建築物聯網系統

  該系統是以單個部品(構件)為基本管理單元,以無線射頻芯片 (RFID及二維碼)為跟蹤手段,以工廠部品生産、現場裝配為核心;以工廠的原材料檢驗、生産過程檢驗、出入庫、部品運輸、 部品安裝、工序監理驗收為信息輸入點;以單項工程為信息彙總單元的物聯網系統,如圖 3-1所示。


  

圖3-1 芯片綁定

  物聯網的功能特點:

  1. 部品鋼筋網綁定擁有唯一編号的無線射頻芯片 (RFID及二維碼) ,做到單品管理;

  2. 集行業門戶、企業認證、工廠生産、運輸安裝、竣工驗收、大數據分析、工程監理等為一體的物聯網系統 。

  3. 3物聯網在裝配式建築施工與管理中的應用

  在構件生産階段為每一個預制構件加入RFID電子标簽,将構件碼放入庫,根據施工順序,将某一階段所需的構件提出、裝車,這時需要用讀寫器一一掃描,記錄下出庫的構件及其裝車信息。運輸車輛上裝有GPS,可以實時定位監控車輛所到達的位置。到達施工現場以後,掃碼記錄,根據施工順序卸車碼放入庫。

  3.4預制構件裝配施工的管理

  裝配式建築的施工管理過程中,應當重點考慮兩方面的問題:一是構件入場的管理 ,二是構件吊裝施工中的管理 。在此階段,以RFID技術為主追蹤監控構件存儲吊裝的實際進程,并以無線網絡即時傳遞信息,同時配合BIM,可以有效地對構件進行追蹤控制。RFID與BIM相結合的優點在于信息準确豐富 ,傳遞速度快,減少人工錄入信息可能造成的錯誤, 使用RFID标簽最大的優點就在于其無接觸式的信息讀取方式,在構件進場檢查時,甚至無需人工介入,直接設置固定的RFID閱讀器,隻要運輸車輛速度滿足條件,即可采集數據 。

  4 監理工作信息化技術應用

  為提高監理運行質量,提高現場管控能力,解決項目監理機構日常撰寫工作和記錄的困難,針對裝配整體式項目的特點聯合軟件開發人員開發有關監理工作的APP ,下載在電腦端注冊後,再在手機端下載後即可登陸實施:具體由日志、巡查記錄、驗收記錄和見證取樣記錄等,在監理人員完成工作或者記錄後,軟件排版打印,相關人員簽字 。這樣既可實現現場監理工作及時完整上傳;可結合拍照記錄;能夠全面及時實現不同崗位、不同專業監理人員及時反應現場問題;更好實現了現場工作的閉合和可追溯。

  裝配整體式建築的結構設計理論基礎是等同 現澆結構的設計理論,實現等同現澆結構強度的關鍵技術時灌漿套筒連接技術,即在鋼筋灌漿套筒内機械灌注高強度無收縮速凝結灌漿料,這種施工工藝對操作工人高,必須求通過專業培訓,持證上崗後方可進入工作崗位,針對此種要求,現場監理單位聯合施工單位引入了聯房科技公開發的工匠雲技術,對于現場旁站監理人員、操作工人、施工管理人員和材料準備等統籌管理,留存照片和影響記錄,實現質量可追溯的信息全面完整,保證了工程質量。

  5 結論和展望

  通過在濟南市西客站片區安置三區中小學和西城濟水上苑高層住宅的監理工作,我們不但深入掌握了信息化技術,也體會到其帶來的作用:

  1) 通過BIM技術的應用,大大減少了後期的重複工作量,不但加快了進度還節約造價,經統計加快進度近50天,避免了造價的浪費 120餘萬元。

  2) 通過各類監理工作APP的采用,平均每天每人節約工作時間約 2小時,不但節約了監理單位的成本,更是提高了監理單位的咨詢水平和服務質量。

  3) 通過工匠雲技術的使用,對于關鍵節點、重要工序,施工質量、安全生産的水平有了很大提高,對後期運行質量和結構使用 壽命的提升起到 了重要作用。

  未來,物聯網技術在目前信息化的高速發展下對建築業的管理模式帶來巨大變革,裝配整體式建築在建築業的發展中将打破傳統,給國家帶來綠色、節能的新方向,其二者在信息化技術和物聯網技術的結合上勢成必然,并将極大的助推建築業在裝配式建築上以及相關上下遊産業的發展,形成由信息化技術聯通的超大規模的産業集群。工程監理、項目管理和工程咨詢業在未來發展中,随着建築業管理模式的變革、設計工具的更新以及管理思維的變化,信息化技術将是必須面對的重要挑戰 ,信息化技術把握的深入和細緻程度決定了企業的市場競争力。

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