基于BIM軟件模型數(shù)據(jù)的風管自動化生產(chǎn)平臺的研究

楊 超

（中鐵十九局集團電務(wù)工程有限公司，北京 100076）

0 引言

近年來，建筑機電施工的生產(chǎn)管理能力有一定的提高，傳統(tǒng)的機電設(shè)計和施工生產(chǎn)依據(jù)二維Auto CAD軟件繪制施工圖。施工圖設(shè)計中經(jīng)常存在管線沖突、管線遺漏、標高誤差等問題，施工生產(chǎn)中會造成人、物、財?shù)睦速M。而且二維施工圖不易變更和修改，可能導(dǎo)致施工進度延誤，增加與業(yè)主、監(jiān)理、分包商、材料供應(yīng)商協(xié)調(diào)溝通的難度。

1 應(yīng)用BIM軟件進行管線優(yōu)化設(shè)計與變更

當下廣泛采用BIM軟件建模，可實現(xiàn)設(shè)計、施工、運營整個生命周期全過程的協(xié)調(diào)管理[1]。通過BIM建模可以優(yōu)化安裝方案，提升施工效率，保證機電安裝的精確性和對于未知風險的可預(yù)見性，從而提高施工質(zhì)量，壓縮施工周期，降低施工成本。

在大型機電安裝工程中通常采用綜合管線來統(tǒng)一安排各個專業(yè)管線路徑。通常情況下，通風空調(diào)管道占用綜合管線空間大，分支管路多，常附帶下引排風管及風口，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)因傳統(tǒng)優(yōu)化方法造成與其他系統(tǒng)發(fā)生標高沖突。因此通風空調(diào)管線優(yōu)化在施工過程中顯得尤為重要。而BIM軟件建模的特點可以很好地解決碰撞問題。

2 BIM軟件數(shù)據(jù)的自動化平臺與傳統(tǒng)生產(chǎn)平臺相比較

為大力提升工程施工生產(chǎn)效率，把工人從體力勞動中解放出來，現(xiàn)已提出了一種風管自動化生產(chǎn)線[2]（分類號：B21C37/06，專利公開號：CN108515087A），包括卷板、校平機、壓筋機和共板法蘭裝置。卷板依次穿過校平機、壓筋機和共板法蘭裝置，壓筋機和共板法蘭裝置之間設(shè)置有剪板咬口一體機，壓筋機的外側(cè)設(shè)置有壓緊輪和切角機，剪板咬口一體機下端面的中部設(shè)置有切斷刀，剪板咬口一體機下端面的一側(cè)設(shè)置有傳動齒輪和折彎板I，剪板咬口一體機下端面的另一側(cè)設(shè)置有折彎板II。本發(fā)明適用于各種場所的送排風系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)等邊長150 mm以上的矩形風管。

以上發(fā)明的自動化生產(chǎn)線雖然解決了連續(xù)生產(chǎn)的問題，但依然投入大量的技術(shù)工人來做板材下料和角鋼下料工序。此過程采用人工測量，還需要核對圖紙中風管尺寸，依據(jù)規(guī)范確定材料型號和規(guī)格。圖1所示為傳統(tǒng)矩形風管生產(chǎn)工序。

圖1 傳統(tǒng)矩形風管生產(chǎn)工序

在這種粗放生產(chǎn)模式下生產(chǎn)出的風管在數(shù)量和質(zhì)量上都跟現(xiàn)場實際需求有很大的差距。如數(shù)量偏差、尺寸誤差，甚至出現(xiàn)板材和角鋼規(guī)格錯誤的問題，因而也會造成大量的材料和人力浪費。經(jīng)統(tǒng)計：采用傳統(tǒng)平臺，一個班組12人每日生產(chǎn)合格風管在300 m3左右。這種生產(chǎn)效率難以滿足工期緊張的機電安裝項目實際要求。

目前市場上建筑中95%通風空調(diào)管道大多采用金屬矩形風管，它的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝不復(fù)雜，通用性好，這為大規(guī)模采用智能化機械平臺加工矩形風管提供了可能性。

本文論述采用BIM軟件（AUTOCAD Revit MEP Suit）三維模型中提取風管數(shù)據(jù)，進而得到需要生產(chǎn)的風管參數(shù)，如尺寸、板材厚度、法蘭規(guī)格、沖壓孔大小，同時匹配相對應(yīng)規(guī)格風管數(shù)量。計算機把命令和數(shù)據(jù)發(fā)布給相應(yīng)數(shù)控機床PLC，執(zhí)行自動化生產(chǎn)任務(wù)。

3 自動化平臺構(gòu)成與技術(shù)原理

3.1 自動化生產(chǎn)線改造構(gòu)想

工業(yè)自動化的意義就是應(yīng)用相關(guān)的自動化技術(shù)來代替或解放勞動力，從而獲得很高的生產(chǎn)效率[3]。該平臺系統(tǒng)的相關(guān)控制和硬件構(gòu)成圖如圖2所示。

圖2 自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)圖

本平臺設(shè)計了核心控制和協(xié)調(diào)采用一臺上位機PC[4]。其中一條生產(chǎn)線中現(xiàn)場多臺數(shù)控機床設(shè)備和多個機械手臂或者傳送帶完成風管的剪版，折彎，咬口，翻邊成型。同時另一條生產(chǎn)線完成法蘭的切割，開孔，焊接等工作。

在工業(yè)PC上位機的總協(xié)調(diào)和總控制下，RS485通信模塊反饋各個工序的狀態(tài)，一步一步完成相關(guān)工序，最終把風管法蘭和成型板材咬口翻邊鉚接成型完成相關(guān)生產(chǎn)[5]。經(jīng)初步估算本：平臺機械一日滿負荷不間斷生產(chǎn)的情況下可生產(chǎn)1 200㎡以上合格產(chǎn)品。

通過將BIM軟件（AUTOCAD Revit MEP Suit）的風管三維模型數(shù)據(jù)輸入計算機軟件平臺的數(shù)據(jù)庫并建立工程項目。如圖3所示。采用三維建模的某風管空間走向，圖中標注的參數(shù)全部為變量。BIM三維模型中的數(shù)據(jù)參數(shù)為定值。

圖3 自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)圖

計算機平臺通過分析，統(tǒng)計出各個系統(tǒng)直風管的邊長尺寸(a×b)，直線總長度C，彎頭參數(shù)（翻彎半徑r，風管轉(zhuǎn)角α，口徑a×b，厚度d），變徑參數(shù)（大口徑a×b，小口徑a11×b11，變徑長l，板材d，中心偏移量x×y）。

并自動匹配風管所用板材厚度d，法蘭沖壓開孔間距n，角鋼法蘭規(guī)格p，孔徑m，如表1、表2所示[6]。

表1 風管邊長厚度及法蘭尺寸的對應(yīng)關(guān)系

表2 金屬矩形風管法蘭及螺栓規(guī)格

工程實踐中，金屬風管數(shù)量的相應(yīng)法蘭厚度都是依據(jù)表1、2確定的。通常一節(jié)風管長度不超過1 250 mm，在模型中知道某一規(guī)格總風管長度C可以計算出風管的節(jié)數(shù)和長度，板材厚度，同時分析BIM模型中數(shù)據(jù)，自動得出某規(guī)格的彎頭數(shù)量、弧度、半徑、規(guī)格、變徑數(shù)量、大小頭尺寸、變徑長、中心偏移量等相關(guān)參數(shù)。

再通過匹配表中的數(shù)據(jù)可以確定相應(yīng)風管法蘭的尺寸規(guī)格，法蘭沖壓孔的大小通常比相應(yīng)螺栓直徑大1 mm[7]。如邊長為300 mm×200 mm的風管，總邊長1 000 mm，采用30 mm×3 mm角鋼法蘭，安裝時采用M8螺栓連接風管，而相應(yīng)的沖壓螺栓孔直徑d=9 mm，從而保證風管正常連接安裝。相應(yīng)的核心算法如圖4所示。

圖4

3.2 數(shù)據(jù)處理和矩陣模型建立

通常在大中型建筑場所，設(shè)計師會把幾個環(huán)境條件和功能相似的房間設(shè)計在同一套通風空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)。通常同一通風空調(diào)系統(tǒng)通風管管徑、規(guī)格、法蘭長度等參數(shù)參差不齊，因此數(shù)據(jù)量很龐大。針對這種情況，本文用數(shù)學(xué)中的矩陣來處理和記錄這樣的數(shù)據(jù)。

自動化控制領(lǐng)域中采用微處理器（如嵌入式系統(tǒng)）系統(tǒng)不能直接計算和訪問表格中的數(shù)據(jù)，但微處理器PLC卻可以通過編程實現(xiàn)查詢矩陣之中的參數(shù)和數(shù)據(jù)，相關(guān)構(gòu)件的矩陣數(shù)據(jù)可以再微處理器的寄存器中保存數(shù)據(jù)，然后再調(diào)用計算或者來指導(dǎo)生產(chǎn)[8]。

如某系統(tǒng)直風管通過表1中的算法得出以下數(shù)列。

式中：An、Bn為某規(guī)格的風管橫截面尺寸an×bn；Dn為某規(guī)格的分管對應(yīng)的厚度dn；數(shù)列Zn為全部的直風管參數(shù)，整個數(shù)列表示數(shù)列共有n種規(guī)格的直風管。

對于任一規(guī)格的直風管相對應(yīng)的參數(shù)[ ]AnBnDn相對應(yīng)具體該規(guī)格的風管的數(shù)量為Qn。

通過以上的數(shù)學(xué)建模可以得到所有需要生產(chǎn)的分管參數(shù)和數(shù)量Zn、Qn。此數(shù)據(jù)作為計算機自動控制系統(tǒng)指揮相應(yīng)的車床生產(chǎn)風管的數(shù)依據(jù)。通常通過數(shù)據(jù)的處理計算，可以輕松得出這一個系統(tǒng)所需要不同厚度風管的面積Sn，相應(yīng)不同規(guī)格法蘭總長度Ln，這些計算數(shù)據(jù)可以成本核算和施工圖預(yù)算。還可以計算的數(shù)據(jù)如下。

式中：單節(jié)風管的長度為1 250 mm、sn為某單一規(guī)格的分管面積。

相應(yīng)不同規(guī)格法蘭的參數(shù)Fn可以用下列矩陣計算，同理可得風管法蘭參數(shù)的矩陣。

式中：p1，p2，…，pn表示與相對應(yīng)尺寸風管對應(yīng)的法蘭規(guī)格；k1，k2，…，kn為沖壓開孔大小。實際1節(jié)風管需要2節(jié)法蘭，與風管規(guī)格對應(yīng)的角鋼法蘭的數(shù)量為矩陣Qf=2Qn。

對于彎頭和變徑的生產(chǎn)，可以參考以上直風管的算法和數(shù)據(jù)處理方法。把相關(guān)參數(shù)作為一個標準的矩陣來存貯和傳輸。這樣整齊直觀，還可以很方便的進行矩陣計算，最終得到需要生產(chǎn)風管時的實際參數(shù)，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

3.3 出廠檢驗及打印標識

采用本平臺的數(shù)據(jù)模型的方案，提高生產(chǎn)效率外的同時，在出廠檢驗時可以依據(jù)處理過的各個參數(shù)的數(shù)據(jù)矩陣給對應(yīng)的風管打印標識。標識上注明通風空調(diào)系統(tǒng)類型，風管安裝序號、尺寸等。

打印標識可以作為風管吊裝時的依據(jù)。在現(xiàn)場施工安裝時，工人只需要明白風管的標高和相對位置，依據(jù)檢驗出廠時的打印標識，依次拼接風管即可完成風管吊裝工序。與傳統(tǒng)方式相比較而言，依據(jù)標識中的序號，準確找到相對應(yīng)的風管，可以避免安裝時的錯誤和返工。

4 技術(shù)指標和經(jīng)濟效益

該平臺通過智能化計算預(yù)計與傳統(tǒng)金屬風管生產(chǎn)設(shè)備相比，雖然初期投資增加，但其生產(chǎn)效率可提高5倍以上、板材利用率可從傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的85%提高到95%左右，現(xiàn)場生產(chǎn)的技術(shù)工人可以從12人減少到3人。

5 結(jié)束語

本文研究的智能生產(chǎn)平臺實現(xiàn)的經(jīng)濟效益和節(jié)能減排指標明顯，符合國際上提出的工業(yè)4.0智能制造的遠大構(gòu)想，具有很大的市場潛力和推廣前景。