基于BIM技术的工厂化预制加工技术

摘要：预制和模块化结构为提高施工效率、降低建造成本具有巨大的前景。根据最近的麦格劳-希尔公司研究，预制和模块化结构减少项目成本6%以上，缩短项目施工进度计划10%以上，减少工地废料5%以上。通过基于BIM技术深化设计，结合自动焊接机器人、等离子切割机、全自动风管生产线等的工业化生产设备，提升了机电安装工程的工业化水平，对保证工程的施工质量、加快施工进度、节约工程材料起到了显著的推进作用。随着BIM的使用变得更为广泛和复杂，预制式和模块化施工显著增加。

关键词：BIM技术；工厂化预制；自动焊接机器人

1 BIM模型建立

在充分理解消化相关文献资料信息的基础上，通过对Autodesk以往成功案例进行剖析、学习，并结合项目工程特点，制定详细的项目BIM实施规划和建模细则。

建模过程分自动建模和手动建模。自动建模：对管道、支架等实现基于构件族库的快速设计与建模；手动建模：对特殊部位，如制冷机房等，进行手动辅助建模。建模精度应达到LOD 400。

2基于BIM的支吊架预制加工

2.1软件介绍

采用了广联达MagiCAD支吊架插件，在BIM模型中实现了支吊架的布设，不光考虑了支吊架形式对机电专业管线的固定作用，还对支吊架承担荷载所产生的支座反力进行了计算，并将计算结果提供给结构专业工程师进行审核，确保支吊架生根强度满足要求。另外，在重要节点部位的支吊架型钢强度的计算过程和结果保存为计算书，便于结构工程师进行校审，并作为后期项目审查的存档备案文件。

同时软件提供材料清单功能，快速提取材料用量，与实际施工相结合，提前规划，避免浪费；并且可以统计支吊架编号、ID、以及支吊架生根点坐标，细化支吊架组装顺序及安装位置，做到精细化施工准备，指导施工安装。

软件特点：

1）丰富的支吊架产品库：软件内提供多样的支吊架类型，包括通用支吊架和厂商支吊架。

2）支吊架智能一键安装：智能识别Revit三维管线，过滤出支持对应机电专业的支吊架产品，并完成布置。

3）支吊架智能生根、联动与快速编辑：支吊架与机电管道智能关联，支吊架跟随机电管道调整进行联动，减少支吊架调整工作量；提供支吊架快速编辑、批量布置、更新等功能，方便完成支吊架后续编辑、调整等工作。

4）满足高精度展示功能：提供精细模式切换工具，满足软件应用和模型展示的不同需求。

5）强大的材料统计功能：提供材料清单功能，快速统计材料量，并且支持自定义输出内容，与实际施工相结合，提前计划，避免浪费。

6）提供符合机电抗震规范的支吊架产品。

2.2支吊架布置

根据管线空间布局，从支架构件族库中，选取横担和竖杆进行拼装，实现单个支架的设计。通过批量布置支吊架，实现支吊架的快速布置。如图1所示。

2.3支吊架受力校核

根据GB50017-2003钢结构设计规范，不同的荷载类型采用相应的公式计算支吊架的拉弯强度、抗剪强度、局部承压、折减应力、挠度、平面稳定性，通过与限值对比，校核支吊架的承载力情况，从而辅助拼装设计，使其更加合理可靠。同时对图2支吊架受力分析，支吊架型钢强度的计算过程和结果保存为计算书，便于结构工程师进行校审，并作为后期项目审查的存档备案文件。如图2所示

2.4成支吊架加工详图

通过受力校核，支吊架系统设置满足要求后，通过导入/导出功能，导出支吊架加工安装详图DXF文件。用来辅助工厂加工及现场安装。

2.5料表的自动生成

根据构件的BIM模型和支架拼装方案，提取并汇总各构件的型号、规格、尺寸、重量等信息，生成料表。场外库房管理员根据料表采购原材料，同时预制加工厂根据料表进行构件加工；现场仓库管理员根据料表采购标准件。

3基于BIM的管道工厂化预制加工

空调水系统大直径管道众多，根据设计院系统图及平面布置图，应用REVIT进行三维建模，进行深化设计布局，绘制制冷机房整体模型，确定机组布置及管道走向及安装标高。对基于BIM技术的工厂化预制加工技术.

2.4生成支吊架加工详图

通过受力校核，支吊架系统设置满足要求后，通过导入/导出功能，导出支吊架加工安装详图DXF文件。用来辅助工厂加工及现场安装。

根据构件的BIM模型和支架拼装方案，提取并汇总各构件的型号、规格、尺寸、重量等信息，生成料表。场外库房管理员根据料表采购原材料，同时预制加工厂根据料表进行构件加工；现场仓库管理员根据料表采购标准件。

3基于BIM的管道工厂化预制加工

空调水系统大直径管道众多，根据设计院系统图及平面布置图，应用REVIT进行三维建模，进行深化设计布局，绘制制冷机房整体模型，确定机组布置及管道走向及安装标高。对管道坡口、标准管件及直段短管采用自动化设备批量加工预制，现场管道焊接采用便携式自动焊设备进行焊接，进一步提高管道整体自动化加工程度。

3.1管道加工流程

尺寸确认→材料统计→材料订货→原材料验收→切割加工→尺寸检查→坡口检查→开孔加工→部件临时固定→焊接加工→除锈涂漆→内部清扫。

3.2管道加工要领

3.2.1配管切割加工

管道坡口采用坡口机加工。坡口内外面焊线左右50mm的宽度内用金属丝刷和砂纸除掉锈、油、水分和涂料。主管与支管之间的开孔，主管全部拼装到位后，再进行开孔。开孔时，绘制出开孔中心线（通长），采用便携式开孔器进行开孔，保证开孔质量。

3.3管道工厂化预制加工

管道对接焊缝采用便携式自动焊接机器人、管道焊接机器人等自动化设备。

3.3.1便携式管道自动焊接机器人

该设备为我司自主研发定制，其为便携设备，不需要机床平台，直接吸附在管道焊缝位置进行焊接，具有体积小，重量轻，使用管径、管材范围广，焊接过程中自动根据焊接方向调整焊接电流，保证焊缝厚度均匀，一次成型焊接质量高，焊接速度快，是传统焊接速度的5~10倍。有效的解决了部分管道接口不能预制，只能在施工现场人工焊接的问题。

同时，对于大管段、长距离管道，工厂化预制仅解决了标准件预制加工工作，现场安装过程中的焊接工作仍需人工进行，根据便携式焊接机器人设备自身体积小、重量轻、布放简单、对现场环境适应能力强、管径适用范围广的特点，采用便携式数控自动焊接机器人对预制标准件进行现场拼装焊接。大大提高机电工程整体的自动化安装程度。

3.3.2管道自动焊接机器人

该型管道自动焊接机器人主要用适用于短管管件（短管、弯头、三通等）与法兰的对口焊接，不仅能焊接直缝，对于环缝、弧形形缝均能有效的进行焊接。

主要焊接形式有：直管与直管对接自动焊、直管与锥型管自动焊、直管与法兰自动焊、直管与弯头自动焊、直管与三通对接自动焊。

3.4焊接后的管道处理

用金属丝刷或砂纸除去焊渣，毛刺。用砂轮机处理焊口部位。镀锌管破损处罐装冷喷锌处理。碳钢钢管（黑）进行防锈处理。

4基于二维码的物流管理应用

1）前期根据深化设计部门所提供的信息自动生成二维码。

2）后期二维码在物流管理中的应用，如图5~图7所示。构件安装完毕后，通过扫描构件上的二维码，可以获取构件的安装位置等其它信息，以协助管理人员进行管理。

5实施效果

通过对基于BIM的支吊架和管道的预制加工，以及便携式管道自动焊接机器人等一系列自动化设备的使用，提高项目的预制化和自动化施工比例，减少现场施工工序，缩短现场施工工期，从而对保证工程的施工质量、加快施工进度、节约工程材料起到了显著的推进作用。