基于BIM的机电工程数字化建造技术研究与应用

李解

随着BIM技术和数字化建造技术的迅速发展，将BIM技术与数字化建造技术相结合已经成为行业趋势，“工厂预制+现场快速装配”已成为机电工程行业的新模式。传统BIM模型在完成设计、详图阶段后，已不满足制造、安装、运维等阶段的需要。本文对如何实现基于BIM的数字化建造，需要在BIM全生命周期的不同阶段，提供该阶段所需的BIM数据，并实现全生命周期各阶段的BIM数据互通和无缝传递进行了研究。

一、基于BIM的机电工程数字化建造技术框架

BIM的核心是数据，基于BIM的机电工程数字化建造技术关键在于实现BIM数据在工程全生命周期（包括设计、详图、制造、安装、运维各个阶段）进行无损传递和高效利用。

1.基于BIM的机电工程数字化建造技术的主要支撑软件

图1 基于BIM的机电工程数字化建造技术的主要支撑软件

其中Revit软件用于模型创建，同时利用其预制构件服务、设计到预制等功能；Fabrication系列软件主要有CADmep、CAMduct、ESTmep等，CADmep可以基于AtuoCAD进行预制加工模型设计及出图；CAMduct用于板金展开，余量管理，导出预制加工数据，如CNC、TXT等格式文件，可写入包括等离子切割机、激光切割机、切刀系统、路由器等多种类型的数控机床系统；ESTmep用于材料成本、损耗的核算，人工费用的核算。）

2.基于BIM的机电工程数字化建造技术的主要支撑硬件

BIM电脑、风管全自动生产线、螺旋风管机、椭圆风管机、等离子切割机、多功能咬口机、共板法兰机、角码机、全自动角钢法兰生产线、合缝机、便携式合缝机、新型射钉枪、相贯线切割机、相贯线焊机、全位置管/管自动焊机、桥架自动化生产线、3D扫描仪、放样机器人、VR等。

3.共享数字化建造数据库

基于Revit、Fabrication、BIM集成管理平台、数字化加工基地设备、现场二次加工及快速装配设备，创建共享数字化建造数据库。该共享数字化建造数据库主要包含：风管、水管、桥架、设备、支吊架等，并根据水暖电系统进行区分，共享数字化建造数据库基于厂商信息和规范要求，满足制造精度要求。

图2 共享数字化建造数据库

4.基于BIM的机电工程数字化建造技术

基于共享数字化建造数据库，运用Autodesk Revit、Autodesk Fabrication系列软件（CADmep、CAMduct、ESTmep等）和二次开发软件，在设计、详图、制造、安装、运维阶段实现基于BIM的机电工程数字化建造。

设计阶段（LOD100-200）：利用Revit及二次开发软件进行设计和模型创建；

图3 BIM+建造=智造 基于BIM的机电工程数字化建造技术

详图阶段（LOD300-400）：利用放样机器人、3D扫描仪等测量设备对现场建筑结构、装修、幕墙等机电相关专业进行现场复核，对机电管线模型进行二次深化。将机电Revit模型转换为共享数字化建造数据库中的预制加工模型，根据数字化加工设备加工要求，进行自动分段，设置支吊架，对机电管线进行优化，对预制加工构件进行编码。根据预制加工模型进行BIM出图（综合管线图、剖面图、三维安装示意图）。

制造阶段（LOD400）：将预制加工模型导入Fabrication软件中，生成预制加工数据（CNC、加工图纸、构件清单、成本清单等文件）。将预制加工数据发送至数字化加工基地，通过U盘等将数据导入数字化加工设备中，进行自动化生产，并张贴二维码，录入加工、验收、运输信息。

安装阶段（LOD400）：将到场的预制加工构件进行扫码验收，根据三维安装示意图及清单，将预制加工构件运输至指定区域（如需进行部分二次加工的构件，在现场进行二次加工）。根据三维装配图纸、支吊架定位信息，结合放样机器人、快速支吊架安装设备、升降设备，将预制加工构件进行快速装配。并用放样机器人对已安装机电管线进行复核，扫码验收。

运维阶段（LOD500）：利用BIM集成管理平台，完善模型竣工信息，用于运维管理。

二、项目应用实践

1.项目简介

鞍山百脑汇科技广场工程是鞍山市地标性建筑，地下五层、地上三十九层的超高层单塔楼建筑，属大型城市综合体，其中B5-B1F为停车场，1-10F为裙房商业，11-12F、14-20F为凯悦酒店，21-29F为公寓，31-38F为办公，39F为云顶餐厅，13F、30F为设备层，总建筑面积132445.84m2，地上建筑总高度168.80m，为鞍山市的“第一高度”。

2.项目难点

难点1：该工程为机电总承包工程，层高较低，装修标高较高，管线综合排布困难；

图4 鞍山百脑汇科技广场工程BIM模型

难点2：项目处于市中心，施工场地狭小；垂直运输困难；安全文明施工方面存在噪声、施工垃圾、火灾、机械伤害等隐患；人工进行材料加工效率低、废品率高、误差大、观感不佳；风管、桥架等加工过程中板材损耗较高；现场人工焊接存在沙眼、未焊透、未融合等问题；加工设备现有下料软件未能有效使用BIM模型数据。

难点3：物资管理过程中，由于机电工程设备及材料种类、型号繁多，物资工程量计算及物资采购困难、存在人为误差，施工过程中物资管控困难；工厂预制加工及现场装配过程中，安全质量管控及进度把控难度大；运营维护过程中，由于设备资料较多，不便于物业进行快速故障分析及维修；BIM应用全生命周期各阶段所产生的数据无法进行统一高效管理。

3.项目BIM技术应用

除了在二次深化与建模、碰撞检查及调整、施工工艺和方案模拟、无人机、VR、进度管理、工程量统计、成本管理等方面的常态化应用之外，本项目中基于BIM的机电工程数字化建造技术应用实践主要包括：基于BIM的二次深化及出图、基于BIM的数字化加工与安装、基于BIM的集成管理平台三个方面。接下来结合鞍山百脑汇项目，介绍该技术的实际应用情况。

4.基于BIM的二次深化及出图

针对难点1，基于Revit平台快速创建建筑结构模型、机电模型和幕墙、装修等相关专业模型并深化，可根据需要在施工前协调相关单位对建筑结构等进行修改，以利排布，保证乃至提高装修标高；根据数字化加工设备创建与之匹配的共享数字化建造数据库，利用Revit软件将风管、桥架、水管等机电模型转换为数据库中的预制加工模型（亦可直接创建预制加工模型），进行BIM出图和预制加工；深化图纸审批通过后对预制加工模型进行自动分段，根据实际预制加工情况对其进行优化，设置支吊架。

5.基于BIM的数字化加工与安装

针对难点2，创建数字化加工基地，将现场加工转移至加工厂；精细化建模，利用物资软件进行精确算量，将数字化加工基地生产的预制构件进行编码，快速准确运输至相应的安装区域；将大部分人工加工转移至数字化加工基地进行自动化生产，将预制构件运输至现场进行拼装；现场加工部分通过采用便携式全位置自动焊机、便携式合缝机等设备进行加工；利用Revit、Fabrication系列软件和BIM集成管理平台进行控制和优化。对加工设备进行修改，将设备所用软件改为Fabrication系列软件与Revit进行数据交互；建立物资编码体系，研发BIM集成管理平台行管理；将密集区域焊接管道转移至加工厂进行预制加工，其余焊接管道通过便携式全位置自动焊机进行现场焊接，同时可以对工厂预制加工管道成品对接处进行现场自动焊接。

接下来以机电工程中体量最大的风管、水管、桥架为例进行介绍

（1）风管数字化加工与安装工作流程

可对按材质（镀锌板、不锈钢板、碳钢板、复合板等）、不同连接方式（共板法兰、角钢法兰）或不同截面形式（矩形、圆形、椭圆形）的各种风管进行加工，以镀锌板矩形共板法兰风管为例。

①二次深化与建模，利用Revit预制零件功能将LOD300模型转换为LOD400深度的预制加工模型并自动分段；

②统一编码，以方便实际应用为原则，确定风管编码，通过中铁BIM物资插件生成二维码。利用中铁BIM物资插件导出二维码及物资清单；

③预制加工

利用插件，将预制加工模型以MAJ格式导出至CAMduct软件，并对公司信息、板材、保温、咬口、法兰、生产设备等进行详细设置；

继续对非标准段及异形件按最优排布方式进行一键排布，将展开的板片排布在预设定的板材上；

选择Write NC命令，将镀锌钢板上的排布信息导出成数控机床数字化程序代码（CNC文件）。根据不同厂家设备需要，亦可生成TXT等其他格式文件。通过View NC命令，对板材切割情况进行模拟，模拟无误，生成排料单；

将物资清单、二维码、CNC文件、排料单发送至数字化加工基地。为提高生产效率，将物资清单中的标准直线段清单导入全自动风管生产五线进行生产，利用合缝机、角码机进行加工；非标准直线段和异形件通过等离子切割机等设备进行生产，根据排料单中板材信息，进行板材下料，将CNC文件通过U盘导入等离子切割设备，进行自动切割、编码，利用咬口机、共板法兰机、合缝机、角码机进行加工。加工完成后进行质量验收，张贴二维码。

④装车运输，现场快速拼装

根据编码将风管预制成品运输至施工现场指定楼层、区域，结合三维安装示意图和安装清单进行拼装。

（2）管道数字化加工与安装工作流程

通过采用BIM技术，可对焊接、法兰、卡箍、丝接、承插、卡压、热熔、胶粘等各种连接方式的管道进行预制建模并加工生产。以安装量最大、技术要求最高的“焊接连接”为例：

①二次深化与建模

②Revit模型转换为预制加工模型

选择“设计到预制”命令将Revit模型转换为预制加工模型。选择优化长度命令完成管道的自动分段。可根据实际需要，对管道参数进行微调，并设置支吊架。

③自动分段

根据预制需要，将管道进行自动分段，可将密集区管线及管件设置为预制段。

④统一编码

以方便实际应用为原则，确定管道编码，通过中铁BIM物资插件生成二维码及物资清单（预算清单及实际下料清单）。

⑤）工厂预制与现场预制

工厂预制加工：管线密集区域焊接管道可以转移至加工厂进行预制加工，加工成品运输至现场，现场通过法兰或者焊接拼装。现场预制加工：其余管道预制及焊接（如标准层、管道竖井等区域）可通过便携式自动焊机去指定区域进行现场预制加工，将预制加工构件与管道进行自动焊接。本工程便携式自动焊机选用全位置管/管自动焊接系统，主要应用于管道与管道、管道与管件、管道与法兰之间的焊接。

（3）桥架数字化加工与安装工作流程

将BIM技术与桥架自动化生产线等数字化加工设备相结合，统一编码规则，通过采用Revit和Fabrication系列软件，导出预制加工数据，发送至数字化加工基地进行自动化生产，现场只需进行组装作业（对桥架标准直线段、非标准直线段及异形件进行组装），避免现场二次加工造成桥架保护层的破坏，同时降低材料成本、提高生产效率。

（4）机电工程其他材料数字化加工

除风管、管道、桥架之外，同样可实现排风罩、风帽、消声器、静压箱、风管调节阀门、风管防火阀门、方圆型散流器、铝合金百叶风口系列、配电箱、配电柜、成品支吊架、定制支吊架的数字化加工与安装。

三、BIM集成管理平台

针对难点3，建立统一编码体系，研发中国中铁BIM集成管理平台，包括族库、安全、质量、进度、物资等模块，通过Revit插件端、移动APP端、Web管理端在BIM应用各个阶段进行数据维护。

四、效益分析

1.利用Revit，并结合二次开发软件

快速创建可视化的建筑、结构、机电、装修、幕墙等相关模型进行综合管线排布，提高绘图效率；利用三维模型与甲方、设计、土建、精装、幕墙等单位进行沟通，更加直观、高效；结合数字化加工设备创建共享数字化建造数据库，将传统Revit模型转化为预制加工模型，进行BIM出图和预制加工，提高施工图和预制材料的吻合度，规避碰撞问题，减少现场返工；深化图纸审批通过后对预制加工模型进行自动分段，根据实际预制加工情况对其进行优化，合理设置支吊架，规避现场碰撞问题；将图纸深化及审批时间，由12个月缩短至7个月，保证现场施工进度。

2.创建数字化加工基地

将现场加工转移至数字化加工基地进行自动化生产，将预制构件运输至现场进行拼装，减少噪声污染、施工垃圾和机械伤害，同时避免进场材料因施工安排调整带来的长期堆放、多次倒运和加工空间紧张等问题；通过精细化建模，利用物资软件进行精确算量，将数字化加工基地生产的预制构件进行编码，快速准确地运输至相应的安装区域，同时根据材料实际情况，优化运输方案，如风管标准直线段采用L型运输，提高运输效率；基于BIM进行风管数字化加工与安装，提高材料加工质量、生产效率，降低材料损耗和废品率，减少人工投入；基于BIM进行管道数字化加工与安装，提高管道施工质量，规避火灾等安全隐患，降低对技术人员的依赖性；基于BIM进行桥架数字化加工与安装，提高材料加工质量、生产效率，降低材料损耗，规避现场二次加工和材料保护层损坏问题，降低人工成本，提高施工质量；

3.通过搭建基于BIM的集成管理平台

将BIM数据进行管理，更好的实现BIM数据在软件和数字化加工设备之间的传递，同时实现预制加工构件流转信息记录和工程量统计等，为BIM数据在BIM应用全生命周期各个阶段的应用提供平台保障。

五、结语

将BIM与数字化建造相结合，对于提高机电管线施工质量、施工生产效率、材料利用率、施工安全管理水平，降低对施工技术人员的依赖性、部分施工环节对人体的损害、人工投入，实现自动化生产、绿色建造和节能减排具有重要意义。

公司利用BIM技术，在鞍山百脑汇项目从基于BIM的机电工程数字化建造等方面进行深入研究，在各区域经营中心创建数字化加工基地，实现基于BIM的机电工程数字化建造，探索出机电工程施工管理的新模式。