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信息化技术在装配式建筑中的应用研究

点击量:280     时间:2017/9/22 12:53:32

山东省建设监理协会、山东省建设监理咨询有限公司

  摘要:本文通过在济南市第一个装配整体式建筑的工程监理工作,研究了在设计深化和构件拆分阶段应用BIM技术,在施工阶段采用监理工作的 APP 技术,在关键工序和重要节点施工采用工匠云技术,尤其是研究应用物联网技术贯穿预制构件的生产、运输、吊装、安装等工序,提高了工程的质量和安全水平水平,加快了工程进度,避免了工程造价的提升,并总结了应用的经验。

  关键词: BIM技术信息化 物联网 装配式 工程咨询

  0 信息化技术概论

  2017年初国家发出了推广智能和装配式建筑的要求,提出坚持标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用的建造创新方式,同时提出了信息化技术如BIM技术、 物联网技术以及工程管理 APP技术等在工程管理中的应用,为项目方案优化和科学决策提供依据,促进建筑业提质增效。

  对装配式建筑施工与管理而言,应该是基于同一个BIM平台,集成规划、设计、部品生产、运输、 施工、业主、监理甚至是政府主管部门。使设计信息、部品生产信息、运输情况、现场施工情况、质量、安全、进度情况都可以随时查询。利用手持平板电脑及RFID芯片,开发施工管理系统,可指导施工人员吊装定位,实现构件参数属性查询,施工质量指标提示等,将竣工信息上传到数据库,做到施工质量记录可追溯。

  BIM在装配式建筑施工与管理中的应用包括根据安装顺序排定加工计划、根据设计模型进行钢筋下料、模具准备、构件生产和存放、根据设计模型进行出厂前检验、构件运输和验收的 BIM应用、构件堆放地点的选择、塔吊的选择和分析、预制构件安装过程模拟、装饰装修部分的 BIM应用、质量验收的 BIM应用等内容。

  物联网(Internet of Things,IOT)的概念最早由美国麻省理工学院(MIT)在 1999年提出——指的是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,系统可以自动的、实时的对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。

  2014 年7月份,济南市政府办公厅下发《关于加快推进住宅产业化工作的通知)) (济政办字 (2014) 22号) ,要求到2016年底,全市采用住宅产业化技术建设的项目面积占新建项目面积的比例不低于30% ,到2018年底不低于 50%的工作目标。本文以信息化技术在 2014底开工建设的装配整体式济南市西客站片区安置三区中小学和西城济水上苑高层住宅中的应用,探讨监理运作方式的创新以及信息化技术运用带来的项目决策的科学性以及管理效果的提升。

  1 项目概况和信息化应用

  1.1济水上苑17号楼,是一栋装配整体式钢筋混凝土剪力墙结构高层住宅,该建筑地下2层, 层高为 3.1米;地上 21层,高为 2.9米,总建筑面积约为1.9万平米。建筑地下室及地上1至2层采用现浇剪力墙结构3层及以上各层采用钢筋混凝土预制剪力墙结构,楼面为 PK预应力混凝土叠合板,外墙为预制混凝土夹心保温墙板,室内承重墙为预制剪力墙、非承重墙为轻质墙板。济南市西客站片区安置三区中小学项目,建筑面积 10910平方米,装配整体式混凝土组合框架结构,四层,建筑檐口高度 16.01米,抗震等级四级,结构采用型钢混凝土柱,外墙采用 PC 外墙挂板、楼板为 PK混凝土叠合板,预制楼梯、预制女儿墙。

  1.2 济水上苑 17号楼,济南市西客站片区安置三区中小学项目为济南市首例高预制装配率的剪力墙和框架结构建筑,始建于2014年底,工程开工时国家和山东省尚无有关装配整体式混凝土结构的标准图集以及相关检测验收标准,国家有关预制构件生产资质也己取消,仅保留了预拌混凝土资质,在工程的设计、生产、运输、吊装、施工中缺少相应的技术保障,为确保工程质量和安全,监理单位山东省建设监理咨询有限公司从全过程工程咨询角度入手,自设计阶段开始采用 BIM 技术配合设计单位完成构件的拆分设计,在生产阶段引入了物联网技术实现了产品质量的可追溯,在施工阶段运用BIM 技术模拟现场布置和塔吊选型,在关键节点的验收采用了BIM技术的预构建交底,在整个监理过程中采用了监理日志APP、安全巡视APP、材料报验APP 、持牌验收APP等技术,针对施工单位灌浆作业引入了工匠云技术。

  2 BIM技术应用

  2. l BIM技术在设计阶段的应用

  深化设计是指在施工图设计的基础上,将电气、水暖、设备等各专业的预留预埋精准的定位在预制构件上,形成预制构件的生产图纸的过程。为了保证预留预埋位置的精度,我们联合设计单位和施工单位采用了先进的 BIM技术进行深化设计和修正。采用BIM技术进行深化设计的流程如图 2-1示。

 


 

  图2-1 深化设计流程图

  2. 1.1辅助件族库建立

  现场BIM监理工程师们建立适应装配式构件生产和机电专业的的族库文件,保证团体建模链接的实用性和效率,既能提高建模的效率,又能够保证建模的质量。根据本项目采用的所有辅助件建立了族库,在建模时所有的配件以及预留预埋件等辅助件模型均可以直接选用。

  ( 3 ) 建立构件族库:

  根据建筑物的功能、结构、水电暖等设计及规范要求,对项目的PC构件进优化分割,并用revit 绘制包含水、电、暖及预埋件的各种构件,建立宿舍楼的叠合板、预制梁、预制外墙板、预制内墙板、预制楼梯、预制空调板、预制雨棚等装配式构件PC构件族库,为快速建模做准备 。

  2. 1.2建模

  对项目的建筑、结构、机电分专业分别进行建模,分专业模型建模完后毕后由 BIM监理工程师再进行审核,对审核后的建筑、结构、机电模型进行链接,形成全专业的 BIM模型。

  2.1.3 碰撞检测并优化

  管线碰撞在传统二维设计中不易解决的问题,现场BIM监理工程师采用Navisworks 软件对用revit 软件建立的建筑、结构、机电(电气、给排水、消防、弱电等)相关专业三维模型链接后的全专业模型进行碰撞测试 ,发现其中存在的碰撞点,在不改变原设计的机电工程各系统的设备、材料、规格、 型号又不改变原有使用功能的前提下,BIM工程师用revit 软件对机电(电气、给排水、消防、弱电等)的模型进行优化调整,然后对调整后的模型用 Navisworks 进行碰撞测试,通过不断优化模型和碰撞检测,可以实现" 零碰撞"。

  (1)检测发现墙体的预留钢筋位置冲突,在墙体安装时,会导致钢筋碰撞变形,甚至墙体无法安装到位,所以需进行优化。采用缩短外漏长度,增加箍筋的方式确保结构安全和施工的可操作性。

  (2)检测发现叠合板预留钢筋与叠合梁预留钢筋位置图,在安装时需要移动其中一个构件位置12mm,无法保证预制构件的位置符合规范要求,需进行优化,通过调整叠合板预留钢筋的位置,消除碰撞点,确保预制构件安装的质量要求。

  (3) 在进行碰撞检测中发现,电缆桥架与热水管位置、电视分支器箱与热水管位置冲突,在安装时会导致管线无法安装,因此必须进行优化。通过修改其中热水管的空间位置,可消除碰撞。消除检测到的碰撞后,再进行一次碰撞检测,可达到"零碰撞"的结果。

  2.1.4设计优化成果

  本项目原设计中,楼梯间的外墙设计如图 2-2左图示,在休息平台处预留钢筋,墙板安装以后现浇休息平台板。存在以下问题:

  (1)在墙和板间存在施工竖缝,新老混凝土连接位置极易产生收缩裂缝:

  (2) 长时间使用后,接缝处 有可能会开裂、渗水,甚至会破坏外墙体;

  (3) 在外墙生产过程中,预留钢筋位置不易控制。

  针对上述问题 ,进行设计变更如图 2 -2右图示,具体变更如下:

  (1)将外墙拼缝位置进行调整,由原设计在楼层标高,改为半层 (休息平台)标高,墙板的接缝布置更合理:

  (2) 取消预留钢筋,采用板搭接在墙的形式,受力更合理,避免竖缝的产生,提高结构的整体质量和实用;

  (3) 变更后能够在不增加墙板种类的前提下,降低外墙板生产的难度,提高了车间的生产效率,同时也提高了现场的安装效率。

 

 

图2-2 设计变更
 

  2. 1.5施工工艺优化成果

  装配式建筑墙、板、柱、梁等构件预埋螺栓位置、斜撑连接件、强弱电、水暖等都是预埋在 PC构中,特别是支撑位置具有固定性,传统的二维设计无法完全避免支撑等系统在安装过程中相互碰撞的情况,一旦出现碰撞情况,就需要现场补救、返工处理,甚至出现构件报废等情况,造成不必要的损失。

  BIM监理工程师提前运用revit 软件对墙、板、 柱、梁等构件预埋螺栓位置、斜撑、模板支撑系统 等建立模型,然后用Navisworks对模型进行碰撞检查 ,对发现的临时支撑、预埋件碰撞等问题 ,返回到revit 模型中进行优化,消除PC构件安装过程中可能发生的碰撞和相互干扰,在施工过程中达到准确、快速安装的目的。

 


 

图2-3 施工工艺优化
 

  2. 2 BIM技术在关键节点的应用

  在施工过程中,对于工程的关键节点、关键工序国家因其施工难度大、技术要求高等特点,规定 了进行旁站监督,我们现场的BIM监理工程师们为装配整体式建筑的底层现浇框架节点、梁板后浇筑节点、墙体后浇筑节点和剪力墙短肢现浇部分用REVIT做了三维模型,如图 2-4、图2-5所示,并利用三维模型监督施工单位对操作工人进行了交底,让工人能够直观看到具体的结构构造以及施工要求,实现了质量的预控,消除了通病。
 

 

  2.3 BIM技术在现场布置和塔吊选型中的应用

  群体装配整体式混凝土结构工程的施工组织因装配的特点与传统的现挠混凝土艺存有较大区别,主要体现在:

  1 大门应考虑周边路网情况、道路转弯半径和坡度限制,大门的高度和宽度应满足大型运输构件车辆通行要求。

  2 塔吊布置时,应充分考虑其塔臂覆盖范围、塔吊端部吊装能力、单体预制构件的重量 、预制构件的运输、堆放和构件装配施工 。

  3 构件堆场应满足施工流水段的装配要求,且应满足大型运输构件车辆、汽车起重机的通行、装卸要求。为保证现场施工安全,构件堆场应设围挡 ,防止无关人员进入。

  4 装配式建筑施工构件运输采用大型运输车辆 。车辆运输构件多、装卸时间长,因此应该合理的布置运输车辆构件装卸点,以免因车辆长时间停留影响现场内道路的畅通,阻碍现场其他工序的正常作业施工。

  5 装卸点应在塔吊或者起 重设备的塔臂覆盖范围之内,且不宜设置在道路上。

  现场的BIM监理工程师们通过调研、计算、模拟,为施工现场的布置构建出了直观的现场立体布置图、塔吊布置和选型图(图2-6) 、预制构建存放场地布置图。 充分利用了现场有限的空间,提高了构件转运和构件运输的时间,提高了工地运行的效率。
 

  图2-6 塔吊布置和选型图
 

  3 物联网技术应用

  物物联网技术可以贯穿装配式建筑施工与管理的全过程,从深化设计阶段将每个构件唯一的"身份证" ——ID识别码编制出来 ,在预制构件生产、运输存放 、装配施工包括现浇构件施工等一系列环节保证各类信息跨阶段无损传递、高效使用, 实现精细化管理,实现质量的可追溯性并为工程实施提供关键技术基础 ,我们在工程的设计阶段引入了物联技术,实现了质量的可追溯,并为构件的存放、运输和吊装提供了以BIM模型为基础的施工指导,也保证了工程进度。

  3.1物联网的核心技术

  l 无线射频识别 ( RFID ) 技术:RFID ( RadioFrequency Identification ) ,无线射频识别,是一种非接触式的自动识别 技术,它通过射频信号自 动识别目际对象并获取相关数据,识别工作无需人工干预,可工作于各种恶劣环境,RFID技术可同时识别多个际签,操作快捷方便。在国内, RFID已经在身份证、电子收费系统和物流管理等领域有了广泛应用 。

  2 二维码技术: 二维条码 / 二维码 ( 3-dimensional bar code) 是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的;在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的 "0" 、 "1"比特流的概念,使用若干个与 二进制相对应的几何形体来表示 文字数值信息 ,通过图象输入设备或光 电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。 二维条码具有储存量大、保密性高、追踪性高、抗损性强、 备援性大 、成本便宜等特性,这些特性特别适用于表单、安全保密、追踪、证照、存货盘点、资料备援等方面。

  3 传感器技术:传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大技术。从仿生学观点,如果把计算机看成处理和识别信息的"大脑",把通信系统看成传递信息的"神经系统"的话,那么传感器就是“感觉器官”。微型无线传感技术以及以此组件的传感网是物联网感知层的重要技术手段。

  3.2装配式建筑物联网系统

  该系统是以单个部品(构件)为基本管理单元,以无线射频芯片 (RFID及二维码)为跟踪手段,以工厂部品生产、现场装配为核心;以工厂的原材料检验、生产过程检验、出入库、部品运输、 部品安装、工序监理验收为信息输入点;以单项工程为信息汇总单元的物联网系统,如图 3-1所示。


  

图3-1 芯片绑定

  物联网的功能特点:

  1. 部品钢筋网绑定拥有唯一编号的无线射频芯片 (RFID及二维码) ,做到单品管理;

  2. 集行业门户、企业认证、工厂生产、运输安装、竣工验收、大数据分析、工程监理等为一体的物联网系统 。

  3. 3物联网在装配式建筑施工与管理中的应用

  在构件生产阶段为每一个预制构件加入RFID电子标签,将构件码放入库,根据施工顺序,将某一阶段所需的构件提出、装车,这时需要用读写器一一扫描,记录下出库的构件及其装车信息。运输车辆上装有GPS,可以实时定位监控车辆所到达的位置。到达施工现场以后,扫码记录,根据施工顺序卸车码放入库。

  3.4预制构件装配施工的管理

  装配式建筑的施工管理过程中,应当重点考虑两方面的问题:一是构件入场的管理 ,二是构件吊装施工中的管理 。在此阶段,以RFID技术为主追踪监控构件存储吊装的实际进程,并以无线网络即时传递信息,同时配合BIM,可以有效地对构件进行追踪控制。RFID与BIM相结合的优点在于信息准确丰富 ,传递速度快,减少人工录入信息可能造成的错误, 使用RFID标签最大的优点就在于其无接触式的信息读取方式,在构件进场检查时,甚至无需人工介入,直接设置固定的RFID阅读器,只要运输车辆速度满足条件,即可采集数据 。

  4 监理工作信息化技术应用

  为提高监理运行质量,提高现场管控能力,解决项目监理机构日常撰写工作和记录的困难,针对装配整体式项目的特点联合软件开发人员开发有关监理工作的APP ,下载在电脑端注册后,再在手机端下载后即可登陆实施:具体由日志、巡查记录、验收记录和见证取样记录等,在监理人员完成工作或者记录后,软件排版打印,相关人员签字 。这样既可实现现场监理工作及时完整上传;可结合拍照记录;能够全面及时实现不同岗位、不同专业监理人员及时反应现场问题;更好实现了现场工作的闭合和可追溯。

  装配整体式建筑的结构设计理论基础是等同 现浇结构的设计理论,实现等同现浇结构强度的关键技术时灌浆套筒连接技术,即在钢筋灌浆套筒内机械灌注高强度无收缩速凝结灌浆料,这种施工工艺对操作工人高,必须求通过专业培训,持证上岗后方可进入工作岗位,针对此种要求,现场监理单位联合施工单位引入了联房科技公开发的工匠云技术,对于现场旁站监理人员、操作工人、施工管理人员和材料准备等统筹管理,留存照片和影响记录,实现质量可追溯的信息全面完整,保证了工程质量。

  5 结论和展望

  通过在济南市西客站片区安置三区中小学和西城济水上苑高层住宅的监理工作,我们不但深入掌握了信息化技术,也体会到其带来的作用:

  1) 通过BIM技术的应用,大大减少了后期的重复工作量,不但加快了进度还节约造价,经统计加快进度近50天,避免了造价的浪费 120余万元。

  2) 通过各类监理工作APP的采用,平均每天每人节约工作时间约 2小时,不但节约了监理单位的成本,更是提高了监理单位的咨询水平和服务质量。

  3) 通过工匠云技术的使用,对于关键节点、重要工序,施工质量、安全生产的水平有了很大提高,对后期运行质量和结构使用 寿命的提升起到 了重要作用。

  未来,物联网技术在目前信息化的高速发展下对建筑业的管理模式带来巨大变革,装配整体式建筑在建筑业的发展中将打破传统,给国家带来绿色、节能的新方向,其二者在信息化技术和物联网技术的结合上势成必然,并将极大的助推建筑业在装配式建筑上以及相关上下游产业的发展,形成由信息化技术联通的超大规模的产业集群。工程监理、项目管理和工程咨询业在未来发展中,随着建筑业管理模式的变革、设计工具的更新以及管理思维的变化,信息化技术将是必须面对的重要挑战 ,信息化技术把握的深入和细致程度决定了企业的市场竞争力。

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