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叶浩文:装配式建筑一体化数字化建造的思考与应用

近年来,随着经济社会的快速发展,我国建筑业的产业规模不断扩大、科技水平不断提高以及建造能力不断增强,带动了大量关联产业,已成为国民经济的重要支柱,对经济社会发展、城乡建设和民生改善作出了重要贡献。但我国建筑业目前仍是一个劳动密集型、建造方式相对落后、信息化水平应用相对较低的传统产业。


根据国家提出的五大发展理念,以及建筑业转型升级的发展要求,未来中国建筑业必将迈上绿色化、工业化、信息化的发展之路。装配式建筑作为建筑业的一场变革,集成了“建筑、结构、机电、装修一体化”“设计、生产、装配一体化”的新型工业化建造方式,同时将信息化与工业化深度融合,是推动绿色化、工业化和信息化建造的关键推手。装配式建筑具有显著的系统性特征,须采用一体化的建造方式,即在工程建设全过程中,主体结构系统、外围护系统、机电设备系统、装饰装修系统通过总体技术优化、多专业协同,按照一定的技术接口和协同原则组装成装配式建筑。


一体化建造方式以“建筑”为最终产品。全过程信息化应用是装配式建筑的一大特征,信息技术是推行从构件生产到装饰装修一体化建造方式的重要工具和手段。为实现“设计、生产、装配一体化”,通过现代化的信息技术,建立信息化管理平台,解决设计—生产—装配脱节的问题,实现项目各参与方的信息共享、协同工作。


我国尚未全面推行“EPC五化一体”全产业链协同发展的创新管理模式,设计、生产、施工、运维等多环节多专业难以有效协同。本文将探索以BIM为项目信息源、以EPC工程总承包为主要管理模式、以ERP企业层资源配置设置组织管理体系、以移动终端为信息采集和应用手段系统集合而成的一体化数字化管理,实现“建筑、结构、机电、装修一体化”“设计、生产、装配一体化”的新型工业化建造方式。


设计环节是装配式建筑方案从构思到形成的过程,也是建筑信息产生并不断丰富的过程,而装配式建筑系统性的特征对设计环节提出了极高的要求。在设计环节中的建筑、结构、机电、装修各专业需在建筑物设计信息对称的情况下才能相互配合,协同工作。


建筑、结构、机电、装修协同设计


基于平台化设计软件,统一各专业的建模坐标系、命名规则、设计版本和深度,明确各专业设计协同流程、准则和专业接口,可实现装配式建筑、结构、机电、内装的三维协同设计和信息共享。各专业的数字化设计内容构成如表1 所示。


表 1 各专业的数字化设计内容构成


在基于BIM技术的协同平台上,建筑、结构、机电、绿建和装修等专业间的数据顺畅流转,无缝衔接。建筑模型、结构模型、机电模型组装后,可自动进行碰撞检查,方便建筑、结构、机电模型同步修改。


建立构件、部品等标准化族库


创新建立装配式建筑标准化、系列化的构件族库和部品部件库,如户型标准化族库、构件标准化族库、门窗部品标准化族库、厨卫部品标准化族库、零配件及预埋件标准化族库、机电管线标准化族库、生产模具标准化族库、装配工具标准化族库等。利用以上族库,加强通用化设计,提高设计效率。实现基于全产业链的装配式建筑标准化族库,各标准化族库应便于预制构件工厂生产加工、利于物流运输、易于现场装配,实现基于建筑模型的设计信息、生产信息、装配信息的一体化。


关联并共享模型信息


BIM 模型更改后,与模型相关联的二维图纸信息、数据库信息自动关联更改,保证模型与数据信息的一致性;建筑模型与装配式建造过程各阶段的信息关联,同时实现信息数据自动归并和集成,便于后期工厂及装配现场的数据共享和共用。


数字化生产技术包括数字化自动加工技术和数字化工厂管理技术,通过一体化数字化技术将完整准确的设计信息及时传递给工厂,实现一体化数字化生产。


1.数字化自动加工


利用基于BIM设计信息的装配式结构构件信息化加工(CAM)和MES技术,将BIM信息直接导入工厂中央控制系统,无需人工二次录入,与加工设备对接,实现设备对设计信息的识别和自动化加工,实现设计信息与加工信息无缝对接及共享。生产线各加工设备(画线机、布料机、养护窑的中控)自动识别BIM构件设计信息,智能化地完成画线定位、模具摆放、混凝土浇筑振捣、养护等一系列工序,实现设计—加工一体化。



数字化生产技术


2.数字化工厂管理


利用基于BIM设计信息的工厂生产信息化管理技术,无需人工二次录入,即可实现BIM信息直接导入工厂信息管理系统,实现工厂生产自动排产,物料需求的信息化自动精准算量,关联物料采购的自动提醒及采购料量的自动推送,构件生产的优化排布、过程质量的信息录入,构件自动查询查找、构件库存和运输的信息化管理等。


在现场装配阶段,基于BIM设计信息,融合无线射频(RFID)、移动终端等信息技术,共享设计、生产和运输等信息,实现现场装配的数字化应用,根据工艺、工料、工效定额信息库,合理制定建造进度计划和装配方案,实现工程建造人、机、料、法、环的信息化管理,提高现场装配效率和管理精度。


1.施工平面管理


利用BIM技术对现场平面的道路、塔吊、堆场等进行建模,有针对性地布置临时用水、用电位置,形成施工平面管理模型。结合施工平面管理模型和施工进度,对施工场地布置方案中的碰撞冲突进行量化分析,实现工程各个阶段总平面各功能区(构件及材料堆场、场内道路、临建等)的动态优化配置及可视化管理。


2.工艺工序模拟及优化


以BIM三维模型为基础,关联施工方案和工艺的相关数据,确定最佳的施工方案和工艺,对构件吊装、支撑、构件连接、安装、机电以及内装等专业的现场装配方案进行工序及工艺模拟及优化,通过制定详细的施工方案和工艺,借助可视化的BIM三维模型直观地展现施工过程,通过对施工全过程或关键过程进行模拟,验证方案和工艺的可行性,以便指导施工,从而加强可控性管理,提高工程质量,保证施工安全。


3.全过程信息共享和可追溯


基于BIM设计信息,融合无线射频(RFID)等物联网技术,通过移动终端,共享设计、生产、运输过程等信息,实现现场装配全过程的构件质量及属性的信息共享和可追溯。


装配式建筑全过程数字化管理是以BIM为项目的信息源、以EPC 工程总承包为主要管理模式、以ERP企业层资源配置设置组织管理体系、以移动终端为信息采集和应用手段系统集合而成的一体化数字化管理。在基于BIM的设计、生产、装配全过程信息共享协同的基础上,以装配式建筑的系统性、完整性为原则,可以打造出图BIM—ERP系统,全过程、全集团、系统性地配置并优化资源,通过工程物料采购、成本、进度、合同、物料、质量、安全的信息化管控,有效发挥信息化技术在装配式建造全过程中的深度应用,提高整体建造效率和效益。


1.建立统一的信息化管理平台



信息化管理BIM与ERP结合的平台,是通过建立一个集团总部数据中心,作为EPC工程总承包模式下工程项目BIM设计、生产、装配信息的运算服务支持,并设置若干小前端进行工厂和项目现场的数据采集。实现大后台、小前端和云平台模式。通过该平台可以形成企业资源数据库(系列化构件、工料、工效、定额等),并通过设置集中机房,实现协同办公。


2.制定信息交互标准


全过程数据化管理涉及设计、生产、装配各个阶段和建筑、结构、机电、装修等各个专业。各阶段和各专业都有不同的专业软件,为了保证信息的有效无损传递,必须制定统一的信息交互标准。同一信息平台下,按照统一信息交互标准,实现信息化平台接口不同专业软件,有效传递和共享信息,避免不同软件由于交互标准不同而导致的信息传递失真。


3.制定EPC工程总承包全过程标准化、信息化流程


建立EPC工程总承包项目流程体系,可以有效地对项目进行管控。以EPC工程总承包的项目流程为核心,运用信息化技术,将EPC工程总承包项目流程标准化和信息化,更准确地体现设计、生产、装配及采购之间的相互关系,同时体现项目集成化管理的理念。通过管理过程信息化、标准化和系统化,更有利于项目目标的实现。


4.建立工程建造业务的数据化表达


以BIM的建筑信息模型数据为基础,将与工程建造相关的业务进行数据化管理,如成本数据化管理、进度数据化管理、合同数据化管理、质量数据化管理等,可以生成与装配式建筑建造相关的业务数据。建筑模型数据与业务数据相融合可以形成装配式建筑建造的大数据,通过对大数据的筛选和分析,能够为业务部门的管理以及项目的整体决策提供有力的数据支持。


5.建立EPC模式下的信息化管理系统


EPC模式下的信息化管理系统涉及到工程项目相关专业、相关环节、相关业务的信息化应用,包括装配式建筑设计、生产、装配全过程的采购、成本、进度、合同、物料、质量和安全的信息化管理,最终实现全过程、集团资源的有效配置。它需要建立完备的BIM模型信息系统、物料集中采购信息系统、商务成本信息系统、工程建造与进度管理系统、项目合同信息系统、全过程质量管理和安全管理系统等。


(1)BIM模型信息。信息化管理系统的基本数据基础来自BIM模型信息,因此应建立完备的BIM模型信息。完备的BIM模型信息是建筑信息模型中几何信息、料量信息、工序逻辑信息的集成,主要包括:建筑模型的物料信息表及对应的信息编码;结构构件、机电管线及部品部件的类型的标准化归并,类型及数量统计;与生产、装配方案相关联的构件的参数信息;工程模型的量、价商务信息。


(2)物料集中采购信息模块。在物料集中采购信息系统中,应首先确定集中采购范围及内容,然后将采购计划、时间与工程建造进度相关联,进行提前预设。在集中采购过程中,应进行采购主体部门与相关部门的协同工作,最后进行分析对比,实现集中采购的成本控制。此外该系统中还应实现:供方分类与准入管理;招标、采购与考核管理;采购内容与合同管理;采购后评价体系管理;供方资质等资料录入备案管理。


(3)商务成本信息模块。商务成本信息系统是进行全过程的商务成本管理,包括设计过程的人工成本和管理成本;生产过程的构件生产成本与采购成本;运输过程的运输费用;装配过程的机械租赁成本、人工成本、管理成本等。商务成本管理系统中,宜建立统一的成本核算项目,将合同对应条款、工程建造进度、项目资金台账与系统建立关联,实现工程建造关键时间段、任意时间点的收入、预算成本及实际成本的三算对比。


(4)工程建造与进度管理模块。工程建造与进度管理是为了实现全过程进度计划的管理和控制,主要包括设计过程中各深度版本图纸的出图时间节点控制;生产过程中构件及部品件出厂时间控制、内部生产时间节点控制;运输过程中构件及部品件运输时间及过程运输时间实时反馈;装配过程中各层、各作业面、工序实施时间计划与控制等。在全过程进度计划的管理和控制中,工程建造与进度管理的重点是实现各环节时间的衔接和弹性时间的控制,实现由总进度计划排至关键时间节点控制,实现由关键时间节点控制排至月度和周计划控制,实现由时间节点控制各业务功能的工作安排。


(5)项目合同信息模块。应统一合同编码、确立总包分包分类台账、统一关键信息格式、明确合同关键内容与相关业务、合同时间段,同时明确合同条款与相关业务协同内容。


(6)全过程质量管理和安全管理系统。全过程质量管理和安全管理应结合各阶段的实际情况和工作计划,对相应的质量健全控制点进行动态管理,并通过手持移动端及RFID等物联网技术将现场质量及安全管理信息实时传递给全过程质量管理和安全管理系统,实现质量及安全信息的实时采集、移动可视化管控及过程追溯。此外全过程质量管理和安全管理系统可与政府相关部门的监管平台对接。


为了更好地服务于EPC工程总承包模式下的装配式项目建造,在同一信息平台下,按照统一的信息交互标准,通过以上模块在设计工程项目中的应用,不断形成企业资源数据库,如系列化构件、工料及定额等。新建项目可以在企业资源数据库中寻找相匹配的已建项目信息进行项目的前期策划等方案的制定。


装配式建筑是一项系统工程,需要行业各方协同集成一体化发展。通过BIM与ERP的结合,建立一体化数据化的装配式建筑信息交互平台,接口多方信息化应用系统,促进全过程全产业链的信息共享、协同工作,可进一步实现装配式建筑一体化数字化的建造理念:一是实现设计、生产、装配全过程的信息集成和共享;二是实现工程建造全过程的成本、进度、合同、物料采购等方面的数字化管理。在EPC工程总承包模式下,数字化技术能够有效发挥信息共享和集成优势,促进装配式建筑各专业、各环节、各参与方的协同工作,实现装配式建筑一体化数字化建造,通过“数字建造”有力提升我国装配式建筑发展的品质和效益。

中国装配式建筑产业联盟——专家智囊团

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