智能化技术在工业厂房施工应用探索

蓝元海

(中建三局第三建设工程有限责任公司厦门分公司 福建厦门 361000)

0 引言

随着建筑业的发展，工业厂房正向更大跨度、更大空间、预制装配式方向迈进，相应的复杂空间节点增加，构配件尺寸精准度要求提高、各不同专业协调量大，这就要求施工过程中要全面掌控所有施工信息，确保每一道施工工序都有迹可循，每一次施工环境都处于可控状态。传统的人力不定期监控、冗杂的纸质化据记录、管理人员主观意识判断很难满足现代工业厂房日趋复杂和高效化的施工要求。因此，工业厂房施工引入智能化技术迫在眉睫。本文通过某工业厂房施工过程实施电子信息智能技术应用实例，探索工业厂房施工过程如何更好地融入智能化技术及其具体措施，以供其他类似工程参考。

1 工程项目概况

ABB厦门工业中心项目总建筑面积为196 253.53m2，包含LP(低压)、PPMV(中压)及PPHV(高压)3大钢结构厂房，建成后将成为 ABB在全球最大的工业中心。此工程复杂空间节点多(如非等截面钢柱与虹吸雨水管、ALC板墙及CCA硅酸盖板交叉互穿节点)，精细化程度要求极高(超平地坪施工需达到ASTM E1155美国材料与试验协会规范F-Number System中Flatness(FF)≥100，Levelness (FL)≥100以及3m靠尺落差≤1.6mm的要求)，传统方法无法满足如此高要求的施工状况。

该工程从设计阶段开始，构件BIM数据模型，在基础施工阶段前完成基础模型修改，并在基础施工阶段完成整体模型修改。同时各智能化系统皆在基础施工阶段前进行布置，并以施工开始的一个月作为智能化系统“调试及适应期”，逐步在施工过程中完善使用，并反馈至实体施工中。通过从预制桩承台基础施工、厂房钢结构施工、行政楼混凝土框架结构施工、屋面系统施工、装修工程施工等多个阶段的不断应用、调整、反馈，完善了实体质量管控和施工成本节约的最终目的。

2 BIM信息数据化应用

该工程全生命周期采用BIM技术和云储存及云平台技术，由于工业厂房施工精确性、针对性强的要求较其他一般性房建工程更强，因此通过BIM模型将工程每个构件，每个变化都化为数据流形成不同的信息，汇集成三维虚拟“实体”，能够解决工业厂房施工的各项针对性和精确性要求，如图1所示。该工程依靠这个蕴含庞大信息量的“仿真工程活体”，直观地调整工程结构体系，及时预警危险信息，全面地把控工程质量等，同时借助各终端设备随时随地掌握、调整上述施工过程中需要的关键信息。下文详细介绍其中2个应用实例。

图1 工程整体BIM效果图

2.1 内墙(ALC板)深化应用

ABB厦门工业中心厂房内墙，采用预制装配式ALC板(蒸压加气混凝土防火内隔墙板)，利用BIM技术对ALC板材进行参数化建模，导入给排水、电气、通风、消防等机电管线模型及门窗模型，以生成ALC板上预留洞口，同时深化ACL板导向角钢与钢柱的固定节点，最终导出包含各项节点及关键参数的每块ALC编码的墙体模型。通过检索该模型，生产厂商依照编码，精准制造含有预留洞口及洞口加固的ALC板；现场管理人员及组装工人通过模型，精准安装ALC墙体，如图2～图3所示。

图2 ALC板局部模型(包含编码信息)

图3 管理人员核查墙体节点

同时通过模型共享，生产厂商和现场管理人员能及时将发现的墙体问题明显反映在模型上，及时通知相关设计人员进行调整。

2.2 复杂节点信息浅析化

基于BIM模型可视化特性，针对涵盖多个专业的复杂节点进行合理剖析，分析出合理施工顺序，避免碰撞和返工。

例：厂房内有大量一体化钢柱，通过BIM模型对ALC板排布，焊接固定方式，板材与钢柱空间位置关系，ALC板与钢柱间防火门位置关系，穿墙管线与钢柱位置关系进行剖析，分析合理施工顺序。将原本设计贴靠钢柱翼缘板的ALC板偏移30mm，钢柱与板材通过导向角钢进行连接，以满足ALC板安装要求，并避开碰撞的管线，确保防火门有足够的安装空间，提高ALC板工程质量和安装效率[1]，如图4所示。

图4 复杂节点剖析核查模型

3 智慧型节能设备一体化应用

由于工业厂房占地面积大，施工用水覆盖面积广，用水量大，传统的工业厂房施工用水一般直接采用自来水经增压泵加压后输送到用水地点。该方式能耗高、成本高、水资源浪费严重，已不能适用“四节一环保、创建节约型工地、绿色建造”的要求。或采用地面下至少三级沉淀方式进行雨水收集回收利用，该方式在弃流和粗略过滤后，进行沉淀才能排入蓄水系统，且地面的雨水杂质多，污染源复杂，用水容易产生异味，存在杂物，造成管道堵塞等负面影响，还需定期清理沉淀池，电能、水资源及人力资源浪费严重。

该工程自主设计出一套雨水收集回收利用系统[2]，针对工业厂房“单层面积大，汇集雨水面积广”的特点，采用一种屋顶建筑顶部汇水，通过弃流和简单过滤后，直接排入蓄水系统，进行处理后使用于各施工用水区域的方式。它包括PE塑料雨水收集桶、自动增压泵、单路沟槽式厕所节水控制系统、围墙喷淋系统、绿化喷淋系统及办公区清洁用水系统。

雨水收集桶由雨水斗、连接管、悬臂吊管、细滤网、雨水收集桶、出水管、PP棉和活性炭过滤网、球阀调节开关和各管道连接件等组成。连接管和悬臂吊管通过屋檐L形吊杆和板房钢柱焊接牛腿支撑，并用钢丝绑扎固定，连接管末端设置防堵反冲阀门，自动增压泵放置于雨水收集桶旁与雨水收集回收利用系统连接管道连接，自动增压泵根据连接管道内气压大小自动增压，从而构成雨水收集回收利用系统，如图5所示。

图5 雨水收集回收利用系统示意图

雨水收集回收利用系统包括固定在连接管道上的三根主管。一根连接厕所节水控制系统，主管上安装电磁阀，电磁阀与单路沟槽式厕所节水控制器和红外线热敏探测器相连。由红外线热敏探测器感应，并将感应信号传送给控制器，由控制器控制电磁阀打开放水，做到来人放水，无人停水，节水效率高，安全省电。另两根连接围墙喷淋系统和绿化喷淋系统，主管起始端设置球阀调节开关，喷淋时打开，主管上设置支管，支管上设置喷头。

厕所中设置的单路沟槽式厕所节水控制器，通过探头感应器识别人体后传到控制器中，从而自动控制冲水开关。同时，冲洗方式不是传统的压力水流冲洗，而是采用沟槽式管道滴水进行冲洗，相较于传统的冲洗方式，耗水量节约50%。

雨水收集回收利用系统，通过这一系列的感应联动，形成可以自动搜集并且加以控制的一体化施工用水节能设备。它的“智慧”体现在自动搜集雨水，精细化地合理利用每滴水资源，节约大量不必要的工程开支，与外界联动成为可循环的环保体系，如图6～图7所示。

图6 雨水收集回收利用系统

图7 单路沟槽式厕所节水控制器

该工程雨水回收利用系统中雨水收集有效总面积约为108 542.45m2，2016年一年厦门年降雨量为2167.3mm，2017年一年厦门年降雨量为1831.9mm。考虑20%的各类损耗(水头损坏等)，共计收集雨水347 266.37m3，结合厦门工业用水价格为每吨3.2元，共计节约水费111.13万元。同时，收集的雨水处理后作为供水使用，也节约了直接排放的污水处理费用共计16.4万元；加之与多处节水设备联动使用，节水达40%以上。共计节约费用127.53万元，应用效益十分可观。

4 施工环境智能监控

由于工业厂房为功能性建筑，相较于普通房建工程，施工环境变化频繁，对其各项细致参数的全面监控显得尤为重要。传统的晴雨表、温湿度计等仪器仅仅是简单的小范围数据记录，无法分析环境参数并形成监控曲线，也无法自主“发出”预警信息。项目管理层通过采用一套环境监测预警仪及多个无线式太阳能监控系统构成工程全面智能监控体系，同时把监控数据及时反馈至BIM模型中，联动反映施工环境情况变化，供施工人员进行安全预警及施工措施调整。

4.1 环境实时监测预警仪

采用全方位环境实时监测仪，如图8所示，于办公区入口处、施工现场入口处等多个关键性出入口设置LED信息屏，通过布置在整个工程的多个感应设备，及时搜集相关环境参数(噪音、PM2.5、PM10、温度、湿度、风速、风向等)和影像资料，反馈于信息屏上，形成预警信息，及时通知管理人员进行处理。

整套环境实时监测预警仪包含了多个噪声扬尘自动监测传感器(量程30-130db/0-2mg/m3)、多个扩展气象参数探头(温湿度、风速、风向等气象信号的扩展接入)、视频信号联网装置(通过以太网或者无线3G/4G网络可以完美支持视频信号传输)、高配置嵌入式系统(工业实时处理系统，采用了实时操作系统和看门狗电路，实时操作系统可以允许同时运行多个任务)、故障提示报警器等多个自主运行的设施设备。

图8 环境实时监测仪

依靠上述设备，项目整套环境实时监测预警机制如下：

(1)多用户、多账号的在线数据监测和监控的分级管理方式，便于特定环境的监控参数不被大量环境参数覆盖而错过最佳预警时机。

(2)提供实时数据显示功能，实时数据上传间隔30s。

(3)丰富的历史数据分析手段，可选1h、24h、15d、1个月、半年的历史数据，及时导出、分析历史数据曲线，通过该系统上传月报并及时分析处理消项，达到自查、自测的效果。

4.2 无线式太阳能监控系统

太阳能供电无线通信和视频监控系统(图9～图11)在供电方式上采用太阳能供电，传输方式上采用国际标准 801.11a OFDM 无线技术。采用太阳能监控系统可以摆脱线缆的束缚，实现快速安装，施工时间短，投入低，效果好。既可以摆脱山地、森林、河流、开阔地等特殊地理环境的限制，又无须考虑电源线及通信光缆的布线和施工问题，彻底解决布线工程周期长、施工成本高昂甚至根本无法实现的困难。

图10 太阳能监控系统显示屏二

当太阳光照较强时，太阳能光伏组件产生的电流汇聚到控制器，控制器进行供电监控。太阳能光伏组件通过控制器给视频监控部件供电，同时将多余的能量储存在储能系统。

当太阳光照较弱时，太阳能储能单元板的发电满足不了视频监控需求的能量时，负载除从太阳能储能单元板获取能量以外，储能系统同时处于放电状态以满足视频监控稳定运行。

当到夜间、阴天等日照条件不好的情况下，转由储能系统给视频监控供电。

图11 无线式太阳能监控系统示意图

通过安装于塔吊、施工电梯等高处的太阳能监控系统，及时监控施工环境变化，为大型施工机械的运行、高处作业等高风险作业提供预警，避免安全事故的发生。

5 便携式监测设备应用

针对局部环境信息变化较快的施工部位，如密闭空间(地下蓄水池、污水池、人防结构等)等，项目采用便携式的智能监测设备，采集信息后录入至BIM模型中，形成虚拟安全预警信息，同时采取针对性安全调整措施，如镝灯光照过强，超过标准值，采取增加遮光器、遮光屏等措施调整光强。

5.1 光亮数字照度计

通过采用便携光亮数字照度计(测量范围：200/2000/20 000/200 000Lux；分辨率0.1Lux；准确度:±4%±10dgts<10 000Lux)，针对现场施工照明亮度进行严格控制。以夜间施工照明为例，根据相关规范，夜间施工照度不得超过20～50Lux，通过照度计的使用、记录，及时调整照度，以确保施工照明不造成光污染，起到了很好的预警调控作用，如图12所示。

图12 光亮照度计的使用

5.2 氧气浓度仪

针对密闭空间施工安全隐患，一直是建筑业长期重视的问题，密闭空间氧气浓度的监测，更是重中之重。该项目通过应用便携式的氧气浓度测试仪，在每次施工前对密闭空间氧气浓度进行测试，低于19.5%即4.368mol/L则进行通风加氧处理；在施工过程中，由监护人员携带氧气浓度仪，时刻监控汇总氧气含量信息，如图13所示。

图13 氧气浓度仪的使用

6 结语

该工程通过对BIM技术应用实例，以及智慧型节能设备，施工环境智能监控设备，便携式监测设备等智能化应用实例的剖析，对施工智能化技术的应用探索提炼出一些心得：

(1)BIM技术需根据工程特点不同，进行调整和侧重点应用，如本文中工业厂房，侧重应用于ALC内墙板、钢结构深化等方面。

(2)智能化设备的选择应该根据不同结构类型及使用用途的工业厂房进行针对性甄选，以本文中工业厂房为例，存在多个密闭式的高科技泵房、化学池等，因此氧气浓度仪的适用性很高。

(3)智能化系统的选用，建议和工程建成后运营系统应用进行接续，这样就避免施工用一套，运营又采用另一套，无形中增加了建筑成本，造成浪费。

[1] 元轩中. 蒸压加气混凝土板(ALC板)在重型钢结构厂房的施工应用[J]. 福建建筑,2014(10):95-98.

[2] 蓝元海.雨水收集与利用系统：中国，0775316.2[P].2016-07-22.