基于BIM软件模型数据的风管自动化生产平台的研究

杨 超

（中铁十九局集团电务工程有限公司，北京 100076）

0 引言

近年来，建筑机电施工的生产管理能力有一定的提高，传统的机电设计和施工生产依据二维Auto CAD软件绘制施工图。施工图设计中经常存在管线冲突、管线遗漏、标高误差等问题，施工生产中会造成人、物、财的浪费。而且二维施工图不易变更和修改，可能导致施工进度延误，增加与业主、监理、分包商、材料供应商协调沟通的难度。

1 应用BIM软件进行管线优化设计与变更

当下广泛采用BIM软件建模，可实现设计、施工、运营整个生命周期全过程的协调管理[1]。通过BIM建模可以优化安装方案，提升施工效率，保证机电安装的精确性和对于未知风险的可预见性，从而提高施工质量，压缩施工周期，降低施工成本。

在大型机电安装工程中通常采用综合管线来统一安排各个专业管线路径。通常情况下，通风空调管道占用综合管线空间大，分支管路多，常附带下引排风管及风口，施工过程中经常出现因传统优化方法造成与其他系统发生标高冲突。因此通风空调管线优化在施工过程中显得尤为重要。而BIM软件建模的特点可以很好地解决碰撞问题。

2 BIM软件数据的自动化平台与传统生产平台相比较

为大力提升工程施工生产效率，把工人从体力劳动中解放出来，现已提出了一种风管自动化生产线[2]（分类号：B21C37/06，专利公开号：CN108515087A），包括卷板、校平机、压筋机和共板法兰装置。卷板依次穿过校平机、压筋机和共板法兰装置，压筋机和共板法兰装置之间设置有剪板咬口一体机，压筋机的外侧设置有压紧轮和切角机，剪板咬口一体机下端面的中部设置有切断刀，剪板咬口一体机下端面的一侧设置有传动齿轮和折弯板I，剪板咬口一体机下端面的另一侧设置有折弯板II。本发明适用于各种场所的送排风系统、空调系统、除尘系统、防排烟系统等边长150 mm以上的矩形风管。

以上发明的自动化生产线虽然解决了连续生产的问题，但依然投入大量的技术工人来做板材下料和角钢下料工序。此过程采用人工测量，还需要核对图纸中风管尺寸，依据规范确定材料型号和规格。图1所示为传统矩形风管生产工序。

图1 传统矩形风管生产工序

在这种粗放生产模式下生产出的风管在数量和质量上都跟现场实际需求有很大的差距。如数量偏差、尺寸误差，甚至出现板材和角钢规格错误的问题，因而也会造成大量的材料和人力浪费。经统计：采用传统平台，一个班组12人每日生产合格风管在300 m3左右。这种生产效率难以满足工期紧张的机电安装项目实际要求。

目前市场上建筑中95%通风空调管道大多采用金属矩形风管，它的结构简单，生产工艺不复杂，通用性好，这为大规模采用智能化机械平台加工矩形风管提供了可能性。

本文论述采用BIM软件（AUTOCAD Revit MEP Suit）三维模型中提取风管数据，进而得到需要生产的风管参数，如尺寸、板材厚度、法兰规格、冲压孔大小，同时匹配相对应规格风管数量。计算机把命令和数据发布给相应数控机床PLC，执行自动化生产任务。

3 自动化平台构成与技术原理

3.1 自动化生产线改造构想

工业自动化的意义就是应用相关的自动化技术来代替或解放劳动力，从而获得很高的生产效率[3]。该平台系统的相关控制和硬件构成图如图2所示。

图2 自动化生产线控制系统图

本平台设计了核心控制和协调采用一台上位机PC[4]。其中一条生产线中现场多台数控机床设备和多个机械手臂或者传送带完成风管的剪版，折弯，咬口，翻边成型。同时另一条生产线完成法兰的切割，开孔，焊接等工作。

在工业PC上位机的总协调和总控制下，RS485通信模块反馈各个工序的状态，一步一步完成相关工序，最终把风管法兰和成型板材咬口翻边铆接成型完成相关生产[5]。经初步估算本：平台机械一日满负荷不间断生产的情况下可生产1 200㎡以上合格产品。

通过将BIM软件（AUTOCAD Revit MEP Suit）的风管三维模型数据输入计算机软件平台的数据库并建立工程项目。如图3所示。采用三维建模的某风管空间走向，图中标注的参数全部为变量。BIM三维模型中的数据参数为定值。

图3 自动化生产线控制系统图

计算机平台通过分析，统计出各个系统直风管的边长尺寸(a×b)，直线总长度C，弯头参数（翻弯半径r，风管转角α，口径a×b，厚度d），变径参数（大口径a×b，小口径a11×b11，变径长l，板材d，中心偏移量x×y）。

并自动匹配风管所用板材厚度d，法兰冲压开孔间距n，角钢法兰规格p，孔径m，如表1、表2所示[6]。

表1 风管边长厚度及法兰尺寸的对应关系

表2 金属矩形风管法兰及螺栓规格

工程实践中，金属风管数量的相应法兰厚度都是依据表1、2确定的。通常一节风管长度不超过1 250 mm，在模型中知道某一规格总风管长度C可以计算出风管的节数和长度，板材厚度，同时分析BIM模型中数据，自动得出某规格的弯头数量、弧度、半径、规格、变径数量、大小头尺寸、变径长、中心偏移量等相关参数。

再通过匹配表中的数据可以确定相应风管法兰的尺寸规格，法兰冲压孔的大小通常比相应螺栓直径大1 mm[7]。如边长为300 mm×200 mm的风管，总边长1 000 mm，采用30 mm×3 mm角钢法兰，安装时采用M8螺栓连接风管，而相应的冲压螺栓孔直径d=9 mm，从而保证风管正常连接安装。相应的核心算法如图4所示。

图4

3.2 数据处理和矩阵模型建立

通常在大中型建筑场所，设计师会把几个环境条件和功能相似的房间设计在同一套通风空调系统内。通常同一通风空调系统通风管管径、规格、法兰长度等参数参差不齐，因此数据量很庞大。针对这种情况，本文用数学中的矩阵来处理和记录这样的数据。

自动化控制领域中采用微处理器（如嵌入式系统）系统不能直接计算和访问表格中的数据，但微处理器PLC却可以通过编程实现查询矩阵之中的参数和数据，相关构件的矩阵数据可以再微处理器的寄存器中保存数据，然后再调用计算或者来指导生产[8]。

如某系统直风管通过表1中的算法得出以下数列。

式中：An、Bn为某规格的风管横截面尺寸an×bn；Dn为某规格的分管对应的厚度dn；数列Zn为全部的直风管参数，整个数列表示数列共有n种规格的直风管。

对于任一规格的直风管相对应的参数[ ]AnBnDn相对应具体该规格的风管的数量为Qn。

通过以上的数学建模可以得到所有需要生产的分管参数和数量Zn、Qn。此数据作为计算机自动控制系统指挥相应的车床生产风管的数依据。通常通过数据的处理计算，可以轻松得出这一个系统所需要不同厚度风管的面积Sn，相应不同规格法兰总长度Ln，这些计算数据可以成本核算和施工图预算。还可以计算的数据如下。

式中：单节风管的长度为1 250 mm、sn为某单一规格的分管面积。

相应不同规格法兰的参数Fn可以用下列矩阵计算，同理可得风管法兰参数的矩阵。

式中：p1，p2，…，pn表示与相对应尺寸风管对应的法兰规格；k1，k2，…，kn为冲压开孔大小。实际1节风管需要2节法兰，与风管规格对应的角钢法兰的数量为矩阵Qf=2Qn。

对于弯头和变径的生产，可以参考以上直风管的算法和数据处理方法。把相关参数作为一个标准的矩阵来存贮和传输。这样整齐直观，还可以很方便的进行矩阵计算，最终得到需要生产风管时的实际参数，用于指导生产。

3.3 出厂检验及打印标识

采用本平台的数据模型的方案，提高生产效率外的同时，在出厂检验时可以依据处理过的各个参数的数据矩阵给对应的风管打印标识。标识上注明通风空调系统类型，风管安装序号、尺寸等。

打印标识可以作为风管吊装时的依据。在现场施工安装时，工人只需要明白风管的标高和相对位置，依据检验出厂时的打印标识，依次拼接风管即可完成风管吊装工序。与传统方式相比较而言，依据标识中的序号，准确找到相对应的风管，可以避免安装时的错误和返工。

4 技术指标和经济效益

该平台通过智能化计算预计与传统金属风管生产设备相比，虽然初期投资增加，但其生产效率可提高5倍以上、板材利用率可从传统生产设备的85%提高到95%左右，现场生产的技术工人可以从12人减少到3人。

5 结束语

本文研究的智能生产平台实现的经济效益和节能减排指标明显，符合国际上提出的工业4.0智能制造的远大构想，具有很大的市场潜力和推广前景。