BIM：開啟智慧建造新時代

近年來，工廠化預制加工和現場拼裝組合的施工方式，獲得了很大進步，在保證施工質量的同時，也大大提高了施工效率和安全性。在未來的5-10年內，BIM技術與數字化加工集成的技術將成為建筑產業現代化的關鍵應用技術之一，推動我國的建筑行業向精細化、批量定制化、信息化生產方向發展。

將BIM模型用于數字化加工，可以通過工廠精密機械自動完成建筑物構件的預制加工，制造出來的構件誤差小，預制構件制造的生產率也可大幅度提高。同時，建筑中的許多構件可以異地加工，然后運到建筑施工現場，裝配到建筑中，如門窗、整體衛浴、預制混凝土結構和鋼結構等構件。這樣的應用過程使得整個建造的工期縮短并且容易掌控。

數字化是將不同類型的信息轉變為可以度量的數字，然后將這些數字保存在適當的模型中，再將模型引入計算機進行處理的過程。數字化加工則是在應用已經建立的數字模型基礎上，利用生產設備完成對產品的加工。制造業的生產效率和質量在近半個世紀得到突飛猛進的發展，生產成本大大降低，其中重要原因之一就是利用了數字化加工技術。

BIM+數字化加工 保質提效

BIM與數字化加工集成意味著將BIM模型中的數據轉換成數字化加工所需的數字模型，使設備根據該模型進行數字化加工。為此，一般需要通過特定的步驟，從BIM模型中提取加工作業所需要的尺寸、數量等參數，并轉換成規定的格式后直接傳輸到加工設備。當加工設備接收到相關數據后，會按照設定的工序和工步組合和排序，自動選擇材料、模具、配件和用料數量，計算每個工序的機動時間和輔助時間，形成加工計劃，并按計劃進行加工。

BIM與數字化加工的集成應用不僅貫穿建筑部品部件設計和生產過程，而且涉及企業的設備布置、生產計劃、成本分析等多個方面，目前已經形成一些特定的集成模式。在傳統的建筑工程中，建筑部品部件在露天環境下人工操作完成。這種模式暴露出一些問題：一方面現場施工條件差、管理難度大、產生大量的建筑垃圾，鋼材、混凝土、木材等建筑材料浪費嚴重，為防止工程質量和安全事故等問題，需要付出相當大的精力進行管理；另一方面人工成本逐年增大，熟練和半熟練技術工人越來越缺乏，“用工荒”的出現導致工人工資大幅提高，人員流動性大，迫使工程成本增大。

采用BIM與數字化加工的集成方法，則可通過信息系統，即BIM與自動化生產線集成應用系統，將BIM模型導入到自動化生產系統中，實現在工廠中生產建筑部品部件。其原理是BIM模型中包含了尺寸信息，通過開發軟件即可從中自動提取這些信息，以規定格式的數據文件輸出，再將其導入數字化加工設備，即可實現數字化加工。

傳統的現場施工在工程項目竣工后，還有大量的后期維護、保修工程等工作，同時，一些北方地區的施工周期短，施工效率低。這些問題都要求建筑業思考和探索如何改變傳統施工方法，采用工業化生產流水線方式，保證住宅建設質量，提高施工效率，減輕勞動強度，改善施工環境，避免安全事故，減少資源浪費和提高經濟效益。

中民筑友有限公司長沙產業園就采用先進的信息技術和自動化技術設計P C預制構件生產流水線設備并用于生產PC預制件，此生產線包含了兩條循環流水線布置在24米的廠房內，內墻板與外墻板混合生產，生產線上臺模尺寸為9米× 3.5米，養護窯含有90個庫位，可放置90塊臺模。單條線的生產節拍時間為15分鐘（以后最快達10分鐘），合線部分生產節拍時間為7.5分鐘（以后最快達5分鐘）。

生產數據通過BIM系統和MES系統在生產過程的傳輸，預設生產數據或者現場反饋數據匯集到BIM設計模型，然后生成相關的工程量清單（清單包括各種參數，如產品類型、種類、數量及原材料數目、種類和生產節拍等）通過MES系統轉換格式并輸出到現場控制的各個單元，生產完成后的實際參數會通過固定的接口重新返回到BIM模型中并重新設計調整，至此開始下一個周期循環。

單個運行周期可細分以下幾個階段，一是BIM軟件建模和拆模 ，在使用BIM軟件進行建模之前，設計師會先做兩部分工作：首先是設計框架，即依據工程CAD圖紙或者三維模型搭建框架，讀取這些通常為DXF/DWG/IFC格式的設計文件，并可以智能分析預制構件。其次是設置參數，即根據不同的產品類型和其元素關系進行具體參數設置。完成上述工作后，便可以生成相關模型并為下一步拆模做好相應的準備。

二是MES系統的過程處理。首先是產品數據導入和優化，以建筑信息模型圖紙為基礎，以產品結構為核心組織產品的工程數據，管理與產品相關的靜態信息（包括零部件信息、CAD文件）和工藝路線。產品結構管理以物料清單（BOM,Bill of Material）為管理手段，系統提供產品結構的分級維護功能。為了讓應用層的現場設備能夠識別設計軟件預設的數據，MES系統對數據進行格式轉換，輸出相對應的文件格式到現場控制系統。其次是實時監控，過程監控實現對生產訂單、生產計劃執行情況從粗到細的實時監控，主要劃分為產品訂單監控、綜合計劃監控、生產作業監控三個邏輯層面，為管理人員提供所需的生產過程信息，從而實現生產過程的透明管理。再次是生產控制，通過可配置的生產方案和路徑優化來控制循環過程，主控計算機會監控工廠的實際狀況并根據生產方案狀態來將托模從一個工位送至下一個工位，直至該托模的預設工序全部正常完成。

三是中控系統對整個自動化生產過程控制及現場管理。中控系統是一個對整個生產流程進行數據匯總、分析及管理的有效平臺，使用戶能夠及時有效地獲取信息，及時地做出反應，以獲得最優化的結果。系統可以對生產線上的設備狀態、工藝參數等情況進行實時監視并且可以用圖表格式顯示到主屏幕，根據現場所采集到的各種生產數據，用多種方式列表對這些數據提供保存、查詢等并上傳到MES系統進行分析處理。

建成后的生產線適用于平面混凝土預制品，比如實心墻板、實心樓板、疊合墻板、疊合樓板、三明治板、外掛板等。目前此生產線已經進入試生產階段，主要生產內墻板和外墻板這兩個混凝土預制產品。

采用BIM技術融入到工業化生產流水線方式，縮短了生產周期，同時提高了生產效率。這種新模式打破了傳統建造方式受工程作業面和氣候的影響，在工廠里可以成批次的重復制造，使高寒地區施工告別“半年閑”。

BIM技術融入到工業化生產流水線方式解決了生產線信息共享問題。從事不同崗位的工程管理員可以從這個模型中拿出各自需要的信息，既能指導實際工作又能將相應工作的成果更新到模型中，使工程技術人員對各種建筑信息做出正確理解和高效共享，從而起到了提升項目管理水平、縮短管理鏈條、提高效率、降低建造成本的作用。

將BIM技術融入到工業化生產流水線方式，是建筑業提高工業化水平、建造效率與建造質量的重要手段與必然趨勢。建設的住宅與傳統生產方式相比，全面提升了住宅的綜合質量和品質。每一工程由于采用預制裝配整體式混凝土剪力墻結構技術，所有的結構構件在工廠預制，現場裝配化施工，基本消除了墻體常見的滲漏、開裂、空鼓等質量通病，實現了主體結構精度偏差以毫米計算，偏差基本小于0.1%，室內空間舒適度有了明顯提高。

BIM+數字化加工 多方協同

BIM在管線預制加工中應用的核心在于提取和集成BIM數據，形成預制加工全過程的BIM數據庫，基于該BIM數據庫實現快速設計與建模，并將深化設計、預制加工、材料管理、物流運輸、現場施工等各工作環節有效鏈接；各參與方在終端進行信息的錄入和修改，并在云端進行信息的集成，實現多參與方協同合作。

管線預制加工中BIM與數字化加工的集成原理主要包括三個方面，一是BIM數據提取及集成。通過建立有效的協同平臺，規范數據的讀取以及錄入，建立BIM數據庫。在實施階段根據需要從BIM數據庫中提取有用的信息，設計處理完成后將數據再集成到BIM數據庫，保證數據的一致性，避免了傳統模式中的重復性工作以及工序間的信息缺失。

二是BIM的管道半自動化設計。采用自動建模與手動建模相結合的BIM建模方式，通過創建構件部品部件庫，梳理優化管道拼裝原則，實現模塊化BIM模型的自動繪制，在自動建模的基礎上同時也提供用戶手動修改的途徑，實現高效且靈活的建模方式。設計完成后，可根據需要自動導出料表及深化設計后的成套圖紙。此種方式跟傳統方式相比大大減少了深化設計以及出圖的工作量，提高了深化設計的效率。

三是狀態可視化標識設計。在工程中預制管段、支架以及管組的設計狀態是非常重要的指標，通過對設計完的管段、支架和管組著不同顏色來區分。具體做法是：建立了構件實體在不同設計狀態下的顏色狀態標識表，不同階段的設計操作人員結合顏色狀態標識表錄入信息，及時將管線所處的設計狀態顯示在管理平臺中，此種做法比傳統的管控更加直觀快捷，方便全過程的及時管控。

由于宜家的業主對綠色施工、文明施工要求高，要求盡可能減少現場作業，以及該項目支吊架和管道都采用二次鍍鋅工藝，按傳統工藝加工裝配后再鍍鋅，成本壓力大。此外，項目工期緊、機電安裝工程體量大，工期履約要求高，提高預制加工效率需求強。

同時，工廠化的預制加工也存在一定的問題，如預制加工前后各個環節關聯性弱、信息易傳遞錯誤，直接影響工程設計、加工、物流、倉儲、安裝的有序可控。結合目前BIM技術的發展，只有采用BIM技術解決這些問題，才能使工廠化預制、項目應用實施成為可能。

為實現基于BIM技術的預制加工綜合管理，本工程通過開發基于BIM技術的工廠化預制加工系統（簡稱BIM-FC系統），改變傳統的手動建模方式，實現基于BIM技術的支架與管道模型的快速設計與建模，并以該系統為核心，將深化設計、預制加工、材料管理、物流運輸、現場施工等各工作環節有效鏈接，實現多參與方協同合作。同時，將該系統與BIM信息管理集成起來，實現機電設備工程預制加工和裝配組合的綜合信息化管理。

首先需要依據機電設備、管道設計藍圖進行精確地建模。建模可結合自動建模以及手動建模進行。為便于將已建好的模型在BIM-FC系統中再進行深化設計、預制加工應用，模型需要建立精確。特別是針對管廊、機房等部位，僅需把固定支架設置的具體部位進行標記，在BIM-FC系統進行識別定位，作為管組支架等設計的分割點。

在BIM-FC系統中打開BIM模型后，進入到深化設計子模塊，對需要預制的管道進行劃分。在BIM-FC系統中，用不同的顏色標識來區別構件是否已設計劃分完畢。在應用前期，需要分析各類支架的特點、常用形式，并整理支架用型鋼力學數據，把此類數據歸納整理成算法融入BIM-FC系統中。在BIM-FC系統中打開基礎模型后，進入到支架設計、管組設計應用。在應用BIM-FC系統的設計工程中，以平面設計操作為主。另開設一個三維窗口查看，確保所見即所得地進行可視化設計。

圍繞BIM-FC系統的工廠化施工流程主要包括設計、加工、物流、倉儲、裝配的動態工程。在設計過程中，通過對設計完的工作著不同顏色來區分，加工后的數據反饋回BIM-FC系統進行標記。通過后臺授權系統，給予每個用戶不同權限，通過掃描構件二維碼，出現對應界面來處理相應業務。用戶處理完流程后，構件自動改變顏色和屬性。例如，庫管員掃描構件后，出現入庫選項，流程辦理完成，BIM模型中構件顏色發生變化，屬性由物流狀態變為入庫狀態。

相比傳統預制加工模式，BIM-FC系統整體自動化程度高，可實現基于BIM模型的快速支架設計、管組設計，生成加工料表，但對于結構復雜處的支架設計還需要人工調整。

BIM+數字化加工 改變傳統建造方式

與傳統的建筑部品部件加工方法相比，BIM與數字化加工集成應用帶來顯著的核心價值。BIM與數字化加工的集成應用為建筑業工業化實現了信息的高效創建、精細管理和準確傳遞，同時，基于BIM模型的三維設計、裝配模擬、采購、制造、運輸、存放、安裝的全程跟蹤為建筑工業化過程管理提供了很好的手段。利用BIM模型數據和自動化生產線的自動集替代傳統的“二維圖紙-深化圖紙-加工制造”流程，提高了數字化加工的效率。

采用工業化生產方式，節能降耗效果顯著。據相關統計顯示，通過采用工業化生產方式，若預制率達到了90%以上，則施工現場模板用量減少85%以上，現場腳手架用量減少了50%以上，鋼材節約2%，混凝土節約7%，抹灰工程量節約50%，節水40%以上，節電10%以上，耗材節約40%，管理費用節約50%，項目綜合造價大約節省15%以上，經濟效益十分明顯。

新的模式打破了傳統建造方式受工程作業面和氣候的影響，在工廠里可以成批次的重復制造。以建設一棟30多層的普通高樓為例，傳統方式要建兩年，采用BIM與自動化生產線集成應用技術則當年可建成，大大縮短建設周期。另外，在建造成本方面，新的造價比傳統方式節約15%以上，而人工則降低至原來的60%左右。

相比傳統預制加工模式，BIM與管線預制加工集成應用可實現基于BIM模型的快速支架設計、管組設計，生成加工料表。在生產要素方面，可實現加工集中，材料零部件匹配性強，損耗少，廢料循環利用，單位平方米出碴量大大降低；機械工廠化，加工精度高。在質量方面，可實現標準化加工，流水作業，質量控制好。在成本方面，可以做到管組材料成本提高15%左右，人工成本降低50%以上。在環保方面，可以利用管道自動焊，工廠化加工，設計合理，能耗少，集中噴砂除銹、噴漆處理，環境影響小。