基于BIM 的模塊化設計與建造技術在建設工程中的應用現狀

李 蕾 ,王 昊 ,王 寧

(1.中色國際氧化鋁開發有限公司,北京 100029;2.東北大學設計研究院(有限公司),遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隨著當前的建設工程項目向著大型化、國際化的方向發展,傳統設計與建造理念逐漸不能滿足工程實際發展的需要。模塊化設計的理念起源于海洋石油平臺建設工程,該技術預制化程度高、應用條件廣、可大量引入平行施工作業,極大縮短建設周期。隨著BIM 技術的興起,一種基于BIM 技術模塊化設計與建造技術運用而生,該技術極大提高了設計、管理與建造效率,提升了設計質量,廣泛應用于冶金、礦山、化工、建筑等領域的工程項目。本文對該技術的優點、應用現狀、應用前景進行了論述。

1 基于BIM 的模塊化設計與建造技術概述

BIM(Building Information Modeling)是建立數字信息化模型的英文單詞縮寫,它是一種新型數字化仿真技術,具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等優點。BIM 技術可實現工程建設行業從策劃、設計、施工、運營整個生命周期精細化管理,對于設計而言,各個專業可以在事先搭好的BIM 平臺進行三維協同設計,其示意圖如圖1 所示。三維協同設計進一步增加了各專業之間的協調與溝通,可大大提升設計效率,同時提高設計質量。近年來,在工程建設行業,BIM 技術已經得到廣泛應用。

圖1 基于BIM 技術的各專業同平臺三維協同設計示意圖

基于BIM 技術的模塊化設計與建造技術,是指在兼顧工藝與系統功能分析的基礎上,利用BIM 技術按設定的拆分規則先將整個建設工廠劃分出多個系統功能的大型模塊單元,再將大型模塊單元細劃分為一系列獨立的基礎模塊單元。其中,基礎的模塊單元包含建筑、結構、管道、設備、電氣、控制專業中的全部或部分內容。再將每個基礎模塊單元在異地工廠預制拼裝,運抵現場后按預設好的組裝方案對其進行安裝。概括來說,模塊化設計與建造技術可以用下面公式得以體現:模塊化工廠建設=模塊化設計+異地建造+模塊運輸+現場組裝?；贐IM 技術的模塊化設計與建造技術流程如圖2 所示。簡而言之,BIM 模塊化設計與建造是一種“搭積木”式工廠建造方式,該技術是一種全新的信息化管理技術與手段,具有一定的實際應用價值。

圖2 基于BIM 技術的模塊化設計與建造的技術流程

2 基于BIM 的模塊化設計與建造技術的優點

與傳統設計建造方法相比,利用基于BIM 技術的模塊化技術進行工程設計,其優點概括起來主要體現在以下幾個方面。

1)提高設計效率

利用BIM 技術進行模塊化設計,將工程項目劃分為多個獨立的模塊,各專業可同平臺協同設計對模塊進行三維建模,利用BIM 技術的可視化與協調性,更直觀地發現模塊模型中存在的碰撞問題,進而便于設計人員第一時間有效消除模塊模型中的沖突問題,提升設計效率,避免施工階段的圖紙返工,加快出圖的效率。

2)提高設計質量,降低項目成本

利用BIM 技術進行模塊化設計有效消除了模塊模型中的碰撞問題,大大提高了模型設計精度,減少了設計變更成本,同時也降低了模塊加工預制成本;同時在后續的模塊化建造施工過程中,可更好控制每個模塊單元的施工精度,有效減少施工誤差帶來成本損失,這一點尤其在海外工程項目中優勢更加明顯,由于海外發達國家勞動力資源緊缺,人工成本昂貴。

3)提高管理效率,縮短建設周期

采用基于BIM 技術模塊化設計,可利用BIM 技術的模擬性模擬模塊的組裝過程、運輸過程、建造安裝過程等并進行技術交底,方便了項目管理人員對于施工過程的管理。同時模塊可在國內加工制造并預制拼裝,通過海運方式運送至海外工程建設現場。與此同時,模塊化施工降低了對吊裝設備要求、稱重作業及各類運輸的難度,顯著減少大型吊裝作業,提高了安全性。不同區域模塊可同時施工,快速完成模塊的建造調試,縮短建設工期。

4)應用范圍廣

基于BIM 技術的模塊化設計與建造技術應用廣泛,不僅可以應用于國內工程項目,還可以在海外項目得到大規模運用。對于海外工程項目,業主要求必須采用BIM 技術,同時發達國家高額的人工成本使業主更加青睞于模塊化設計;在氣候、環境條件苛刻、政治不穩定國家及地區的海外工程項目,通常資源配套保障不及時、復雜地域的施工不便利性、現場施工的危險極大增加、采用模塊化設計可有效降低項目運行風險,規避制約因素,縮短項目工期,提高項目質量。對于工藝技術保密的項目,模塊化設計可保證工藝技術不外泄,極大地保護了知識產權。

3 基于BIM 的模塊化設計與建造技術的工程應用現狀

目前,基于BIM 的模塊化設計與建造技術在機電工程、冶金礦山工程、石油化工工程、建筑工程、核電工程、水運工程等領域正在逐步嘗試推廣運用,并取得了良好的應用效果。

3.1 機電工程領域

目前,在各類機電工程領域中,基于BIM 的模塊化設計與建造技術的理念受到了廣泛的認可,已有眾多關于該技術在機電工程中的應用的報道。嚴飛華[1]等介紹了基于BIM 的模塊化設計與建造技術,在某商貿中心綜合服務大樓機電工程中的應用。首先分析了常規模塊化設計與建造方案的不足之處,其次對該項目中的機電工程的模塊化設計與建造流程進行了詳盡敘述。應用實踐證明,該模塊化設計與建造技術可節約人工與材料成本分別為20%和10.3%,同時提升機電管線的施工質量、安全水平,并指出BIM 技術模塊化建造技術,可實現機電工程的自動化生產、綠色建造。李娜[2]研究了實際機電工程案例中BIM 模塊化施工技術,論述了從機電管線一體化模型設計、拆解、優化,到預制加工、現場組裝等信息化施工過程,指出BIM 模塊化施工技術的運用展現出以下幾點優勢:對項目的應用技術增加了靈活性;可減少因管線沖突而導致的設計變更;提高了機電工程的施工效率,該技術在機電工程領域的有著不錯的應用前景。宮治國[3]介紹了基于BIM 裝配式模塊化施工技術在敦煌國會項目機電工程中的應用?；谠摷夹g提出了敦煌國會項目機電工程施工實施流程、組織與技術管理措施,并對該工程中的BIM 裝配式模塊化施工實施過程、注意事項進行了總結。指出BIM 裝配式模塊化施工技術在項目質量、成本及工期管理取得了良好的應用效果。朱剛[4]等報道了BIM 模塊化設計在無錫地鐵某站機電設備安裝工程中的應用,運用BIM 技術將環控機房劃分8 個模塊,隨后對這8 個模塊統一進行工廠化預制。并指出該技術的運用提高了從設計、預制、運輸、安裝的標準化水平,有效縮短了工期,對于提高工程質量有著顯著的作用。王君[5]等報道了基于BIM 技術設備房的機電模塊預制化在某鐵路綜合樞紐工程中的應用?；贐IM技術的機電模塊預制化可將分散手工作業轉化為機械化集中生產模式,有利于提高機電工程施工效率,并且利于品控管理,對提升工程質量有利;同時,可減少用工人數,降低了人工作業成本,提升了施工的安全性。張寧波[6]等探討了基于BIM 模塊化設計的裝配式技術在建筑機電工程中的應用,并對建筑機電工程中機電設備與管線的模塊化設計、預制建造、運輸、安裝等流程及注意事項進行了詳細的介紹。該技術的運用有助于提高機電工程的裝配化程度,促進了建筑機電行業的技術發展,并對該技術在建筑機電工程中的應用前景保持積極樂觀態度。

3.2 冶金、礦山工程領域

佘玥霞[7]等報道了KONIAMBO 鎳礦項目冶煉裝置采用模塊化設計與建造技術的工程應用案例,并詳細介紹了15 個鋼結構單元模塊的建造、運輸、組裝等技術注意事項。模塊化設計的運用可對模塊進行批量化生產,降低了成本同時提高了模塊建造質量。石永剛[8]介紹了將BIM 模塊化設計技術應用于澳大利亞某鐵礦選礦項目中,指出BIM 技術的運用,為模塊化建造方案的制定提供了強有力的技術支持。王朝陽[9]報道了模塊化設計在澳大利亞某冶金項目中的應用,著重介紹了模塊化分、模塊拼裝等環節,該項目模塊化設計方案受到了主業的肯定。這對同類的大型冶金項目的模塊化設計提供了思路,并積累了應用經驗。

3.3 建筑工程領域

江旻華[10]報道了基于BIM 的模塊化設計方法在裝配式建筑中的應用,探討了戶內、戶外、標準層的模塊化的應用。安家成[11]等闡述了基于BIM 平臺下,裝配式建筑模塊化設計方法、過程。并探究了在裝配式建筑中,模塊化設計在該領域的實際應用價值。指出在BIM 技術背景下,模塊化建筑將成為未來建筑領域一種重要形式?？邓颊\[12]首先探討了BIM 模塊化技術的優勢,并指出將其應用于建筑領域可整體提升設計效率,進而提升施工效率與質量,有效節約建筑成本的投入,有利于促進裝配式建筑的發展。

3.4 石油、化工工程領域

沈志洵[13]對模塊化設計在石化工程建設領域適用條件、設計要點等方面進行了介紹,模塊的劃分可以提高整體設計效率,縮短設計時間,該技術已在石油化工建設項目中得到廣泛的推廣。陸棋[14]介紹了將基于BIM 的模塊化設計與建造技術應用于農藥制劑工廠的案例。在BIM 模塊化技術的運用下,農藥制劑工廠被設計為多個模塊,將其進行模塊化建造。同時也對該技術在農藥制劑行業的應用前景進行了展望,指出基于BIM 平臺的模塊化設計與建造技術,將會促進農藥制劑行業的快速發展。鐘肖[15]系統介紹了在某LNG 工廠中模塊化設計方法,從模塊化分區、模塊化設計等方面進行了研究,為海洋平臺的模塊化設計、建造了提供借鑒經驗。

3.5 其他工程領域

魯勤武[16]等介紹了CPR1000 型核電工程模塊化設計過程中,各階段主要設計內容及要點,研究總結了一套較完整的、指導模塊化設計的模塊設計流程,為核電工程模塊化技術研發工作提供了借鑒方案。王素敏[17]等將模塊化設計引入水泥廠電改袋工程的技術升級工程中,該技術的運用簡化了收塵設備的設計流程,提高了制造、安裝的精度,解決了復雜狀況對工期、安裝質量影響的難題。顏紅亮[18]報道了基于BIM 技術模塊化設計在船閘工程金屬結構研發設計中的應用。通過BIM 技術可實現船閘工程金屬結構模塊設計技術的革新與完善技術體系,該技術可貫穿船閘工程金屬結構的全生命周期,提高了設計質量,提升了工作效率與管理水平。

4 結語

綜上所述,基于BIM 的模塊化設計與建造技術打破了傳統的設計建造理念,該技術可在人工成本相對較低的國家完成模塊制造并完成預組裝,運抵施工現場只需拼裝完成相應拼裝工作,是未來工程建設的趨勢所在。BIM 技術的模塊化設計與建造技術有著應用廣泛、節省投資、提高設計效率與質量、縮短建設周期和現場安裝施工簡便等特點,該技術特別是在未來的海外工程中國外業主和工程公司的必然選擇與發展趨勢,該技術的應用可能成為常態。目前,基于BIM 的模塊化設計與建造技術在冶金礦山、化工行業中有著廣泛的應用,但將其應用于氧化鋁行業中相關的應用報道較少,還處于摸索階段。