基于設計施工一體化模型的模塊化施工模擬*

周雨薇，陳景輝，李 娜，張建基，戚 蕊

(1.廣州理工學院，廣東 廣州 510540； 2.廣東省六建集團有限公司，廣東 佛山 528000； 3.廣東工業大學，廣東 廣州 510006)

0 引言

近年來，隨著我國建筑業的不斷發展，智能建筑和綠色建筑不斷涌現，建設項目的復雜程度和施工精度要求不斷提高，對多專業協同管理和信息化施工提出了更高要求[1-2]。

目前，我國大型工程項目的實施，因多專業協同不足，深化設計和管理精細度不夠，易出現管線碰撞、預留洞口位置偏移、安裝空間不足等現象，從而造成工程返工、成本增加、材料浪費等。此外，工程中應用BIM技術進行管線綜合設計，但設計模型深化不足，無法滿足基于實際施工方案精細化施工條件下的成本、進度和質量管理要求[3-5]。

隨著我國建筑工業化的發展，基于裝配式施工體系的標準化施工是提高建筑施工集成化、機械化程度的重要手段[6]。因此，應用BIM技術和模塊化施工法解決施工精細化、標準化管理問題，實現建筑工程施工管理的信息化和智能化，對解決大型復雜高標準建筑項目施工的重難點問題意義重大[7]。

1 工程概況

廣東省先進制造實驗室(季華實驗室)是廣東省政府啟動的首批省實驗室之一(見圖1)，對標國家實驗室，打造先進制造科學與技術領域國內一流、國際高端的戰略科技創新平臺，前期確定了機械工程、光學工程、材料科學與工程、電子科學與技術、生物醫學工程、計算機科學與技術等學科方向。

圖1 廣東省先進制造實驗室(季華實驗室)

項目位于廣東省佛山市南海區環島路三山新城，為具備千級以上潔凈要求的先進制造潔凈實驗室。總面積約1 000畝(1畝=666.667m2)，重點控制空氣的潔凈度、溫濕度及灰塵數量。所需潔凈設備和管線種類繁多，且安裝空間有限，對設計施工的深度精度、質量安全標準及多專業協同均提出更高要求。

2 基于設計施工一體化模型的模塊化施工模擬

2.1 總體應用方案

通過對多專業BIM模型進行設計深化、協同分析檢測及受限分析，對綜合管線深化設計模型進行標準化施工模擬，對設計施工一體化多專業(BIM)模型進行模塊化施工模擬。即通過建立多專業設計模型，將建筑、結構、電氣、給排水、暖通等各專業設計數據整合到同一三維建筑信息模型中，利用模型三維可視化特點，直觀表達建筑結構與設備、設備與管線間的空間位置關系。在多專業模型整合與碰撞檢測基礎上進行多專業協同設計深化[8]，即通過拆分模型提取數據進行協同分析檢測和相應的受限分析(包括單專業內部、管線綜合協同、支吊架布設、預留孔洞的深化)，實現模塊化施工，形成更合理的優化MEP管線布置。同時，對優化后的BIM綜合模型進行模塊化處理，利用集成設計法、組合預制拼裝工藝和工業化裝配施工技術將模塊化后的BIM模型載入可參數化的支吊架中，從而大幅度提高工作效率和工程質量。其技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線

2.2 多專業協同BIM模型深化設計

2.2.1基礎BIM模型建立

在先進制造實驗室項目中，結合BIM技術，利用AutoCAD，Revit系列軟件，以A1棟3層某一實驗室為研究對象，建立各專業設計施工一體化1∶1標準模型，結合模型碰撞檢查原則及缺陷處理原則，整合各專業BIM設計模型，使得在施工中可能出現的問題提前在設計階段得以解決，從而提高工程信息傳遞的效率與質量，減少工程變更造成的資源浪費，實現信息化、集成化和精細化的施工項目管理。

2.2.2模型深化設計

1)單專業內部深化 根據項目實際情況，在滿足凈空規范的前提下，拆分各專業模型，對管線進行優化調整，充分考慮實驗室3層管線標高、垂直和水平距離、檢修空間，風口、燈具、墻面、天花板等排布位置，使單專業模型在空間上合理布置。

2)MEP管線綜合協同深化 對水、電、暖各專業模型進行相應優化調整后，在滿足設計要求及規范的條件下，合理利用空間布置管線，對各管線賦予相應參數值，使其標高、尺寸、材質等能更精準地表達模型屬性。通過Navisworks實現管線模型綜合，并利用Clash Detective功能進行碰撞檢測，共發現結構沖突43處。分析原因，依據管線協同、避讓優化原則，重新布設碰撞部位管線，并提出合理的管線綜合排布方案，保證模型數據能滿足加工出廠及后期維護的空間需求，管線綜合優化前后模塊化模型如圖3所示。

圖3 管線綜合優化前后模塊化模型

2.3 多專業集成模塊組合綜合支架建模設計方法

2.3.1基本設計原則

多專業集成模塊組合綜合支架的設計是多專業設備模塊化拆分、預制、運輸和拼裝的重要載體，其設計在桿件模數的拆分上應具備一定合理性，在預制拼裝施工中應符合一定的結構強度及穩定性要求，同時支架體積、質量也應滿足施工條件和吊裝機械需求。

2.3.2基本構造設計與參數化建模

項目通過多專業設備模塊化集成設計方法、組合預拼工藝和工業化裝配施工技術，提供一種能靈活組合裝配的綜合支架。支架設計模型如圖4所示，MEP管線綜合模型如圖5所示。

圖4 模塊化支架模型

圖5 管線綜合拆分模塊化拼裝模型

通過支架橫向寬度及縱向長度的參數化，使管道寬度模數與支吊架的縱向橫向長度自動對應，有效解決高潔凈度實驗室模塊化設計、新型施工預拼系統、模塊化施工協同和集成問題，使MEP管線可安裝在經參數化處理的支架上。垂直方向豎桿間安裝多根橫桿，橫桿與U形槽鋼將管線安裝區域分隔成若干獨立區域，用于安裝不同尺寸、種類的管道。遇不同模數管件時，通過已設定的參數公式，即可生成不同尺寸的支架，實現一排多管、多排分管的效果，如圖6所示。可避免狹窄空間對多專業施工進度、成本、質量等方面的不利影響，提高工作質量和效率。

圖6 模塊支架參數化設計

2.3.3施工工藝與模型應用方法

本工程中的MEP管線綜合支架由T形橫梁、豎桿、橫桿、U形槽鋼組合連接裝配而成。T形橫梁通過上端焊接的連接套桿與天花預埋件螺栓連接，可實現不同管徑及標高定位的管件在模塊化綜合支架上任意組裝。本案例假定在距橋架面1 000mm處的墻板上預留相應的孔洞對支架進行錨固。利用軟件Navisworks，結合墻板受力情況及預留孔洞與墻體內鋼筋等預留預埋的沖突，準確定位孔洞的位置、尺寸及數量；同時，利用BIM works軟件，對之前確定的孔洞進行檢查分析，確定最終結果。模數化單元支架上各專業孔洞預留如圖7所示。設定好孔洞后運用漫游行走功能，感受管線支架的美觀性、功能易用性和空間合理性，如圖8所示。

圖7 孔洞預留

圖8 Navisworks漫游視角

2.4 模塊化施工模擬

根據項目施工安排，應用Revit，Navisworks系列模擬軟件對支架進行模塊化施工模擬，利用前期深化后的一體化模型及參數化的支架、模塊化的管件等進行備料制作、預拼裝、檢查驗收及出廠配送。其模擬過程具有可模塊化、可預制性特點。

1)可模塊化 通過設計施工一體化對綜合管線進行深化排布，利用Fabrication軟件對本項目中的風、水、電進行分段優化。標準段長1 200mm，對于有變徑、彎頭、三通等的構件，均按1 200mm計算。標準段確立后進行模塊化加工處理，同時可由一個支架確定單元模數，如圖9所示。

圖9 管段參數化分塊

2)可預制性 相較傳統的MEP管線施工，模塊化施工模擬可實現現場“零”動火，提高安全性。利用BIM技術優化空間布置，可提高安裝效率，降低構件成本，縮短工期。

3 結語

該項目應用一體化模型進行專業內部、管線綜合、支架布設及預留孔洞深化，實現支架橫向寬度及縱向長度的參數化，使管線寬度模數靈活對應支架的縱橫向長度，提高施工效率。從模型整合方法、施工空間受限、多專業協同受限、施工協同機制設計等方面對一體化模型進行協同檢測與受限分析，形成設計施工一體化模型協同管理機制。通過組合式支架的開發和設計，實現綜合支架現場預組裝及安裝，提升施工效率，滿足管理需求，保障施工質量，解決各專業協同問題。結合項目實際情況，運用先進制造潔凈實驗室的設計施工一體化模型及模塊化施工應用技術，縮短工期約50%，降低材料損耗率約15%，降低人工費約30%。