機電裝配化設計的研究

邢 磊 王晨蔚

上海上安機電設計事務所有限公司 上海 200439

1 裝配化現狀分析

2016年2月《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》提出了要加大政策支持力度，力爭用10年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的30%，積極穩妥推廣鋼結構建筑。

同年9月《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》提出了以京津冀、長三角、珠三角三大城市群為重點推進地區，常住人口超過300萬的其他城市為積極推進地區，其余城市為鼓勵推進地區，因地制宜發展裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑[1]。

同年11月，住建部在上海召開全國裝配式建筑現場會，提出“大力發展裝配式建筑，促進建筑業轉型升級”，并明確了發展裝配式建筑必須抓好的7項工作。

隨著國家政策的不斷推廣與扶持，越來越多的企業開始嘗試并開展裝配化建筑的相關試點應用。

近幾年來，以央企和地方國企為代表的試點工程不斷涌現，越來越多的裝配化成功案例展現在了世人面前。如中建三局深圳平安中心機電安裝工程項目，在風管及AHU機房空調水管這2方面應用了預制加工裝配施工技術；上海安裝工程集團有限公司在上海中心大廈項目，風管、部分水管、支架、橋架等采取了基于BIM的預制裝配化施工[2]；中建八局在中國銀行山東省分行綜合營業樓項目中，制冷機房應用了“BIM＋工廠預制化裝配式施工”技術[3]。

通過以上案例可以發現，大部分企業都已經在項目中采用了裝配化的相關技術和應用，但使用范圍也僅僅是停留在一些局部區域或是一些主要機房，說明裝配化技術在國內的發展雖然已經邁出了實質性的一步，但距離大面積的推廣和應用還存在一定的差距[4]。

2 裝配化設計軟件的選擇

BIM（building information modeling）技術作為建筑行業最炙手可熱的技術之一，隨著近幾年在國內的不斷發展壯大，越來越多的工程項目開始使用這項技術。北京、上海、廣州、深圳等眾多城市也相應推出了各類BIM技術標準來推動國內BIM技術發展，從政府部門到房地產開發商，再到設計施工單位，各種階層、各類單位均將BIM技術歸納為企業未來發展的重要技術支撐之一，對BIM技術的重視程度與日俱增。

作為實現BIM技術核心工具的BIM軟件，也在近幾年得到了突飛猛進的發展，無論是從BIM軟件的數量上還是從軟件的種類上均有較大的發展。

目前市面上的BIM軟件有很多，但絕大多數的軟件都是用于解決前期設計問題，并不適用于后方的加工生產，且預制加工軟件還需與前期的BIM模型相結合，能做到這點的軟件就更少了。

在經過了多方比較和不斷嘗試之后，選用萊輔絡公司旗下的一款專業加工軟件Rebro作為實施數字化加工圖紙設計的基礎軟件。選用這款軟件的主要原因是它跟目前市面上最為普及的Revit系列軟件有非常好的兼容性，兩者可以做到無縫銜接；其次是這款軟件可直接與工廠內的數字加工機床對接，減少了不必要的二道工序。

3 機電裝配化設計流程

此次機電裝配化設計的重點在于將BIM技術與傳統裝配化技術相結合，BIM作為引領建筑行業走向信息化的重要技術手段，經過多年的發展，已經融入了建筑設計、施工和運維的各個環節中。通過將BIM技術與裝配化設計相結合，利用BIM精確和直觀的表達方式來提高傳統裝配化設計的出圖質量和效率。如圖1所示，在項目實踐的基礎上，不斷地探索、發掘，總結出了一套將BIM技術與裝配化設計相結合的工作流程，將BIM技術的價值發揮到了極致。

圖1 BIM裝配化設計工作流程示意

3.1資料收集

預制加工設計需要考慮的內容要比傳統深化設計精細很多，因此在進行預制加工設計之前需要將相關施工材料信息進行收集整理，如管道的連接方式、管配件的規格型號、設備出口端的位置及大小等，通過與設備管材供應商、現場施工人員的反復溝通確認所有數據的準確性，并將最終確認后的數據資料分類整理，為后續加工圖紙的設計工作提供基礎。

3.2BIM建模

資料收集工作完成后，需要根據原設計的平面圖紙以及相關資料信息進行BIM建模。建模過程中，將各專業機電管線按不同顏色進行區分，便于后續管線綜合工作的開展。同時將管材設備的實際參數錄入其中，如彎頭三通的實際尺寸、閥門的尺寸、設備出口端長度等。通過實際參數的錄入確保模型的真實性（圖2）。

圖2 機電各專業建模效果圖

3.3管線綜合

當所有專業建模工作完成后，利用BIM技術的三維表達形式和碰撞檢測功能，在三維環境下對機電各專業的管線進行深化工作。深化工作主要分為2個部分：一是解決機電管線間的碰撞問題，二是改善原有機電管線走向，使之更加合理。借由軟件自帶的碰撞檢測功能，將各專業的碰撞問題一一解決，通過BIM技術對各專業機電管線走向進行合理優化，使之布局美觀且便于檢修，符合現場施工需求（圖3）。

圖3 BIM管線排布優化模型

3.4結構復測

現場土建結構施工完成以后，為避免結構施工誤差對機電安裝造成影響，在項目裝配化設計過程中采用全自動三維掃描設備對現場結構進行激光掃描測繪，并通過自動掃描獲取三維點云數據。然后將三維點云數據與原有結構模型進行比對，掌握現場施工與設計圖紙間的誤差范圍，并調整結構模型使之與現場實際情況完全一致。最后根據修正后的結構模型調整機電管線，避免現場施工誤差對機電管線安裝造成影響。

3.5數據調整及分段

現場施工人員確認管線優化的最終模型后，將BIM模型導入專業預制加工軟件（Rebro）內來完成BIM模型預制加工化的處理工作。結合前期收集的相關數據，修正模型中的管道連接方式、管配件的尺寸、法蘭的規格型號、墊片的尺寸等所有材料信息。

當所有信息輸入完成且模型中的各類構件均已按照實際產品調整完成后，就可以開始對BIM模型的裝配化分段工作，這也是裝配化設計過程中最核心的內容。裝配化設計方案是否合理就在于管道組件的分段能否滿足現場實際施工的要求。在進行管道分段工作時，裝配化設計人員與現場施工人員進行了反復溝通，并最終就管線的具體分段位置及分段的長度達成共識。為了便于現場的材料運輸，設計人員將每個分段組件的尺寸控制在現場施工場地和條件所能允許的最大規格范圍內（圖4）。

圖4 裝配化分段尺寸

對于分段組件與組件間的連接問題，設計人員將組件與組件間的連接位置設置在閥門或其他連接配件處。針對有些特殊組件，設計人員則在連接處增設2片活接法蘭，通過法蘭進行組件間的連接。另外，除組件分段外，裝配化設計還需考慮現場安裝誤差的問題。為了避免現場安裝偏差給整體管道預制帶來的影響，設計人員在設備接口處設置了部分現場調整段，通過調整段消除現場施工所帶來的誤差。

3.6加工出圖

上述預制加工模型調整完成后，將加工模型導出成為二維加工圖紙，指導后場加工及現場安裝。預制加工圖紙由機電系統圖、組件安裝圖、分段加工圖、材料信息表這4個主要內容組成，加工圖中包含了所有管段的規格、長度、連接方式等基本信息，用于指導后場管道的管材加工。而安裝圖則是將所有管段組裝成為一個個部件，后場在加工完成所有管段后，再將各管段以部件形式進行組裝并運至現場?，F場施工人員則根據安裝圖將各部件吊裝就位，以此提高現場安裝的整體效率。裝配化加工圖紙中的組件安裝圖及材料信息表如圖5所示。

圖5 組件安裝圖及材料信息表

4 機電裝配化試點應用

此次課題分別在多個不同項目的不同區域展開了裝配化安裝的試點應用，考慮到機電系統的特點和項目實施情況，課題選取了制冷機房、機電綜合管井及標準層這3個區域作為此次課題研究的試點區域，并通過上述區域的成功實施，突破了設計過程中的諸多技術壁壘，將BIM技術融入到了傳統裝配化設計工作中，成功打造了一套全新的數字化裝配設計新模式，大大提高了裝配化設計的效率與質量。

4.1制冷機房裝配化設計

制冷機房是空調系統的核心組成部分，無論是從設計還是施工的角度都是重點關注的區域。跟一般的辦公、走道相比，制冷機房內的設備和管道密度高、數量多、尺寸大，施工難度遠高于其他區域。因此該區域成為了裝配化試點的首選區域。

1）管線綜合。考慮到后期裝配化需求，深化設計人員在前期深化的同時，除本身的錯漏碰撞外，著重考慮了施工和加工便利性的問題。例如，閥門和閥門之間的短管統一設定為20 cm，所有閥門和管配件的位置和高度盡可能統一，支架的位置與管道連接點的距離不小于10 cm。模型中的彎頭直接替換成1.5d長彎頭，支管閥門距總管管壁不小于20 cm，所有影響裝配化分段的問題盡可能地在管線綜合階段解決處理，以免影響分段的效果。

2）支架計算。為確保深化設計方案的可行性，在管線優化完成后，需要對機電管道的每個受力點進行詳細的支架受力計算。通過計算，確定每個受力支架的大小、形式和具體位置，避免因受力支架影響機電管線的排布。

3）分段設計。機房管道由于受到場地、規格尺寸和運輸條件等多方因素的限制，經多方考察和協商后，最終采用了組段的設計思路來對機房內的管道進行分段設計，即將兩到三段相連的分段設計成為一個組段，管道加工廠負責加工組段，現場工人負責按照圖紙進行組段的拼裝，如圖6所示。這樣不僅降低了現場的拼裝難度，還提高了現場拼裝的效率。分段設計的另一個問題就是組段的最大尺寸，為滿足現場的運輸要求，在經過多個項目的實際調研和施工人員的確認后，裝配化組段的最大長度被設定為4 m。

圖6 管道組段示意

4）加工出圖?？紤]到安裝、加工環節的不同需求，裝配化設計圖紙總共包含了平面圖、加工圖、拼裝圖和材料清單這4個組成部分，加工圖和材料清單主要是交由加工廠用于組段的加工，平面圖和拼裝圖則是交由現場用于現場拼裝。

4.2標準層及走道裝配化設計

標準層及走道的形式與制冷機房差別較大。首先，在一個項目中制冷機房的數量一般只有1～2個，而標準層及走道的數量遠高于機房。其次，標準層及走道的管道規格和尺寸并沒有制冷機房中那么大，同時標準層及走道的相似度極高，因此就裝配化的使用價值而言，標準層及走道的價值要高于制冷機房。因此，此次課題研究的第2個重點區域就是標準層及走道區域。

1）管線綜合。標準層及走道管線優化關注的重點是機電凈高、檢修空間、末端點位這3個主要方面。機電凈高是指滿足業主或精裝修對于機電完成凈高的要求；檢修空間是指在不影響機電系統使用的前提下，預留出足夠的空間用于后期檢修維護；末端點位是指在不影響機電使用效果和裝飾效果的前提下，為末端點位尋找最佳的安裝位置。除此之外，還需借鑒制冷機房深化中的成功經驗，若同一根管道上有多個閥門時，閥門和閥門之間的間距統一設置為20 cm，支架的位置避開管道的連接點等。

2）分段設計。標準層及走道的分段設計思路與制冷機房不同，取消了組段設計而保留了最基礎的分段方式。因為標準層的管道尺寸遠小于機房，施工難度低，且標準層運輸主要依靠施工電梯，空間有限，若采用組段方式，不但所需空間難以保證，而且運輸效率更是遠低于“散件”運輸。因此標準層及走道的分段原則是以基本“散件”為主。

3）加工出圖。與機房加工出圖一樣，標準層及走道的加工出圖同樣分為平面圖、加工圖、裝配圖和材料清單這4個部分。

4.3機電管井裝配化設計

機電管井與標準層類似，在一個項目中數量多且相似性較強，如果能夠實現機電管井的裝配化，那會給整個項目的施工進度和質量帶來極大的幫助。因此，此次課題研究的第3個重點區域就是機電管井。

1）管線綜合。對于機電管井的深化，主要考慮的是上下管井的梳理、共用支架的設置、出口位置和高度這3個主要方面。上下管井的梳理是為了確保管井上下管的連通，避免出現錯接、漏接的情況；采用公用支架主要是考慮到管井空間有限，無法滿足各專業單獨支架的需求，因此支架的設置對于管井深化至關重要；出口位置則是為了保證管井出口端與橫向管道間的連接，確保機電系統的完整性。

2）分段設計。由于管井是一個縱向結構，因此不會存在像平面管道這種走向變化或交叉翻繞的問題。在管井分段設計時，重點考慮分段的長度，結合樓層層高和管井工藝，保證單根管道的最大長度不超過4 m，且管道與管道間的連接點應避開支架的位置。

3）加工出圖。加工出圖依舊延續了之前的工作經驗，將圖紙分為平面圖、加工圖、裝配圖和材料清單這4個部分，分別交于加工廠和現場施工人員進行施工。

5 機電裝配化發展前景

機電裝配化技術對于傳統施工而言是一種全新的嘗試與創新，與傳統現場施工工藝相比，數字化加工工藝能夠提高整體施工效率30%～40%，節約現場機械及措施費用10%～20%，節省現場不必要的材料浪費8%～10%。在施工工期方面，通過數字化加工這種創新性的施工工藝，可大大提高現場施工的效率，縮短安裝作業的時間，前期預制不受現場作業場地的影響。在質量方面，數字化加工技術能有效保證現場安裝的質量，確保整體管道施工滿足設計及施工規范的要求；較之傳統做法，其質量顯著提升，工廠焊接可確保一次性驗收合格。而BIM裝配化設計技術的成功應用則更好地滿足了裝配化實施的需求，從設計角度提高后續施工的準確性，發揮了設計的最大價值。

6 結語

綜上所述，此次課題分別對機房、標準層及走道、管井這3個典型區域進行了裝配化設計的研究，并通過BIM技術成功突破了裝配化設計過程中的技術難點，實現了裝配化設計出圖的目標，并借此總結出了一套符合項目實際需求的設計流程和標準。隨著中國建筑業的發展，預制裝配式施工技術也必將迎來新的機遇。