基于BIM技术的大体量冷却塔模块化施工技术的研究

李文锦，谢晓峰，林 谷，唐开永，李春余

（1、广州市第三建筑工程有限公司 广州 510050；2、广州建筑股份有限公司 广州 510030）

广州市某超高层综合楼位处由珠江新城-金融城-琶洲总部区组成的“金三角”经济发展带，其机电安装工程体量大，工期紧，施工管件等构配件种类繁多，型号各异，施工空间不规则，难以进行标准件复制，施工难度高，工期紧及质量把控难度大。该项目采用BIM 技术指导现场施工的管理模式，冷却塔作为机电安装重点质量把控部位，也是BIM 指导施工应用的关键部位。冷却塔是冷却水系统中一个重要的设备，其运行性能将对冷凝器的换热有直接影响，从而对整个空调系统的运行效率产生影响［1］。现场安装18 台冷却塔，该项目冷却塔安装体量庞大，研究BIM技术指导冷却塔集成模块化施工方法将对其它类似项目有非常大的借鉴作用。利用BIM 技术研究在三维模式下进行模拟建造，对冷却塔及其大管径管线进行模拟安装，对狭小空间内的大管径管线进行精密模拟及相似部位管段进行模块化设计预制安装。利用BIM 技术虚拟建造模拟冷却塔施工，实现冷却塔及其大管径管线模块化设计施工。

BIM 技术指导施工现场机电安装实现机电模块化的施工方法作为目前较为先进的方法之一，为BIM技术+装配式施工打好技术应用基础及技术推进，实现BIM 技术指导现场模块化施工具有以下优点：制定先进的施工方案，施工方案可行性高；降低施工错误率，提高施工成品质量，降低施工工人技术要求；能进行批量施工作业，方便施工管理。具有传统方法无法比拟的巨大优势，是目前建筑行业理论与实践的研究热点，也是未来建筑业的发展趋势［2］。实际应用中存在造价，设备与技术知识储备，管理人员水平等因素的制约，但整体实践施工效果理想，安装质量及成品效果优异。近年来BIM 技术都受到各级政府的大力支持，机电安装应用作为BIM 技术突出应用点在各大型政府项目施工管理中扮演重要角色［3］，但冷却塔模块化施工依然很少有实际应用案例，也没有相应的理论分析，通过查阅文献，目前还未见BIM 技术指导冷却塔管线模块化施工相关方面的系统介绍。因此结合当前工程实践现状，分析该方法的应用及项目管理情况非常必要。

1 工程概况

广州市某超高层综合楼位于广州市天河区，规划建设用地面积8 897.96 m2，建筑面积111 009.42 m2，建筑物高度为139.6 m。建筑设4 层地下室，地上32 层。建筑结构形式为框剪结构。该项目为施工总承包项目，能充分发挥施工单位在工程建设过程中的主导作用。基于超高层工程工期紧，功能复杂，施工难度大，施工技术要求高，使用BIM 技术做指导施工。项目管理采用以BIM 技术为主导，以BIM 建模出图-三维技术交底-现场施工检查的管理模式［4］。本项目冷却塔系统设备机房设在屋面层，设备管线密集且管线管径大，总共设置18台冷却塔，其中12台开式冷却塔，6台闭式冷却塔。

2 BIM+模块化技术模拟建造

2.1 优化整体管线排布及走位设计

根据冷却塔机组构件参数及设计图纸，利用BIM技术对冷却塔进行三维定位及管线安装三维模拟。结合厂家参数及BIM 三维模型对冷却塔构件进行三维组装模拟。冷却塔由工厂构件预制，现场构件组装施工工艺，对应每个构件制定具体的安装位置和拼接顺序，施工前的三维构件预拼接可以充分考虑冷却塔与土建安装空间关系［5］。经BIM 技术结合土建模型发现土建框架梁安装空间不足，无法满足安装条件，对冷却塔进行构件尺寸优化，平面定位优化及三维漫游，最终中间原有6 台尺寸6 500×4 700×4 400 开式冷却塔改为9 台尺寸为5 530×3 210×4 808 开式冷却塔，容量由600 m3/h 改为400 m3/h，整个屋面放置18 台冷却塔，其中12台开式冷却塔如图1⒜所示，6台闭式冷却塔如图1⒝所示，现场安装如图2所示。

图1 冷却塔Fig.1 Cooling Tower

图2 现场施工Fig.2 Site Construction

2.2 确定模块化施工部位

BIM 对冷却塔机组及附属管线进行整体三维施工模拟，冷却塔机组体积庞大，冷却塔配套管线安装属于大管径管线（管径最大DN450）施工，安装空间有限，施工工期紧张，施工难度大，综合楼项目专业管线多，管线设计难度高，如何确定最合理管线三维排布方案是一大难点，采用BIM+模块化设计能快速提高管线安装效率，优化冷却塔内走管式方案，管线与冷却塔的接驳口由原来的管径DN250 改为管径DN150，对多专业间管线密集处进行管线模块化设计，18台冷却塔设计18处模块化管线安装部位，出具三维深化设计图，如图3 所示，确定最优平面布置方案如图4 所示，使得管线安装施工精度及施工效率得到显著提高，极大的减少管线安装作业对焊接空间的依赖，现场焊接作业明显减少。

图3 冷却塔管线综合Fig.3 Cooling Tower Pipeline Synthesis

图4 管线走位模拟及模块化设计Fig.4 Pipeline Alignment Simulation and Modular Design

2.3 深化BIM模型构件

冷却塔预制管段的加工、预制和焊接有严格的要求，这也就对BIM 模型的精度规定非常高，所以在深化BIM 模型构件之前，要对预制加工的管件规格尺寸进行一定程度上的了解。通常BIM 建模手段是使用企业自有积累的族库模型，但是模块化构件每一个都需单独进行深化设计，如图5所示。

图5 预制构件规格Fig.5 Specification of Prefabricated Components

2.4 预制式管道模块化拆分成组

为方便预构件工厂进行预制，提高各环节的转运效率及便于现场安装，需要对已通过BIM 深化的管道根据一定的逻辑进行模块化整合或拆分，并对各模块模组逐一编码排序，使其能按照预设好的工序进行后续的装配式（法兰盘安装）安装施工。

BIM 技术可以快速模拟冷却塔的施工过程，根据冷却塔的施工特点及时制定相应的措施，提前规避风险，提前做好施工准备的人力及物力，实现工作间的无缝衔接。传统的施工管理中依据二维图纸及施工方案，需要实时跟进现场施工进度，难以准确把控现场步骤，现场跟进难度较大，对于施工现场及项目管理层间的及时沟通协调难度较大，不利于实时施工管理的把控。BIM 实时模拟施工现场进度情况，保证现场进度与三维模型一致，如图6所示。

图6 施工现场进度模拟Fig.6 Construction Site Schedule Simulation

2.5 导出模块化加工设计图

第一步：分割整合模块化模组；第二步；利用WBS（Work breakdown structure 工作分解结构）工具对模组的安装步骤逻辑进行解构，完成逻辑顺序对接论证；第三步：经过数次的现场测量及现场数据确认，细化调整模块化构件参数，最终确定加工设计图纸并导出图纸到工厂下单生产；第四步：确保现场空间位置与模块化构件尺寸能逐一对应吻合，同时做好调节余量的预留，方便现场调整。

2.6 现场管道装配安装流程

受限于作业面空间狭小，施工工艺难度高，工程量大，成本造价高，现场18 台冷却塔及其附属管线安装采用模块化预制管线现场组装形式，现场18台冷却塔其附属管线管径分2 种，由BIM 技术模拟同种型号的冷却塔附属管线预制模块化施工部位，BIM 出三维模型分析每段管预制尺寸及预制具体位置（BIM 出图），冷却塔管线模块安装施工工艺流程如下：第一步：预制模块化构件1并与冷却塔现场法兰连接；第二步：现场大管径主管焊接并预留法兰盘；第三步：预制模块化构件与预留法兰盘组装连接，如图7 所示。在工厂预制好相应的附属管段及模块化部件，然后在施工现场与冷却塔进行组装，18 台冷却塔预制18 个模块化管道组件，最后在现场与设备组装在一起，如图8 所示。采用模块化管线安装的施工工艺减少了现场施工作业面窄，不利于工人焊接作业的问题，又提高了工作效率及保障了成品质量。

图7 BIM模块化施工模拟Fig.7 BIM Modular Construction Simulation

图8 现场施工结果Fig.8 Site Construction Results

2.7 冷却塔模块化施工算量把控

传统的施工管理模式属于二维的管理模式，BIM技术施工管理属于多维度的施工管理模式，从图纸设计，施工进度到工程算量信息多维度施工管理。冷却塔构件及其附属管线可利用BIM 技术快速统计不同类别不同尺寸的工程量，针对模块化施工的管线构件能非常快速的统计不同类型构件的数量，有利于成本预控。本项目模块化构件1 工程量预制72个，模块化构件2 工程量预制18 个，模块化构件3 工程量预制18。管径DN150 的法兰盘统计需要216 个，管径DN250 的法兰盘统计需要144 个（仅统计冷却塔及其附属管线部位）。

3 结果与分析

3.1 模块优化施工对提高施工质量的影响

从图9 体现出来的管道连接一致性及整齐性可知，结合BIM 技术采用同轴心设计法对同类管线及阀件进行排布并做管道模块化设计，然后通过BIM 技术出的模块化加工图进行生产预制，经过加工运输，最后预制管段的焊接组装，阀门模块及管道模块的安装应对上加工图的标记号［6］。现场管道安装配对时，不能出现强行对接、偏斜、错口或偏心等情况。这样不仅保证了模块化管道装配过程中对精度的把控，而且一定程度上保证了管道的整齐美观。

图9 模块化管道连接拼装Fig.9 Assembly of Modular Pipe Connections

3.2 模组优化施工对加快施工进度的影响

采用BIM+模块化施工方式，与传统冷却塔设备管线施工相比，现模式可将传统施工模式下先后施工工序转变为平行施工模式，即机电管件配件在工厂预制生产难以影响现场其它机电安装准备的工作，不仅有利于保证工期的实现，而且避免了多专业机电管线交叉施工的影响，通过错开而形成的多平行的作业面方式施工，加快了施工进度，提高了项目的管理质量和效率。

3.3 模组优化施工对提升现场工程管理水平及先进创新性的影响

在模块化施工起始阶段前，采用BIM 出三维模块化设计施工图的方式清晰呈现各材料工件的具体型号，使班组人员在现场作业开始前对材料规格有更直观的认识，降低了安装出错造成质量误差的风险，同时对管道系统进行顺序编号，理顺施工步骤，优化工序，提高了效率。也利于提高安装过程中各管道之间的装配精度，大大提升冷却塔及其附属管线设备整体安装效益和质量。施工前充分落实对新技术虚拟建造成果技术交底，管道安装工作一步步分解，利于让管理人员及施工人员充分认识新技术的优势及先进的管理模式，让现场工程管理能力的先进创新性显著提升。

4 结果与讨论

⑴相较于前人的研究，采用BIM 技术出装配加工图的方式配合预制管道的加工和安装，模组优化有利于管道模块的精准下料和精度控制［7］；对于难连接及不确定的部位和管道，采用安装自由段和通过活套法兰的方法，相比起传统工艺更有利于消除制造及安装过程中产生的累计误差［8］。

⑵相较于传统大管径管线焊接，工艺要求高，施工难度大，仅依靠工人的手艺无法保证每条焊缝的质量效果。对于经验丰富，技术功底扎实的焊工在狭小的空间内也很难做到每条焊缝质量符合要求，且拖慢进度，采用BIM+模块化设计施工，在工厂提前预制加工，效率更高，成品质量更好，施工成品效果更加美观。现场管线安装前管段预先进行工厂预制，现场模块化部位管段直接进行法兰组装，利用工厂预制现场组装，从而减少横焊、立焊或仰焊等不利环境的施工情况，降低施工技术难度，降低对工人的技术要求，提高施工效率，提高成品质量。

⑶BIM+模块化施工技术适用于大型综合楼项目、综合型医疗项目、现代装配式项目、工厂批量预制化项目［9］。特别适用于复杂大型综合楼项目和综合型的医疗项目。不仅实现了冷却塔管道施工部品部件的设计模块化、而且使现场施工更加便捷、高效，成品质量更高，节省成本7 万元，缩短施工工期15 d，经济效益和社会效益显著。