长期以来, 由于缺少先进技术手段, 钢筋工程翻样易出错、生产效率低、材料损耗大、过程难管控、发展水平有限, 同时面临劳动力短缺、绿色发展理念倒逼、效益空间逐步压缩等行业发展困境。为有效解决上述问题, 探索钢筋工程新型产业化发展模式, 按照信息集成、设备集控、资源集约的总体思路, 提出一种基于BIM技术的钢筋数字化建造新模式, 包含钢筋BIM翻样智能化辅助系统、钢筋BIM云管理系统等系列成果, 实现钢筋加工的智能化翻样、集约化加工及信息化管控。

葛店新城PPP项目为群体性住宅项目, 总建筑面积约110万m², 主要由33栋住宅楼及小学、幼儿园、社区服务用房等组成。项目总体分为B, C 2个地块。地下结构1层, 地上结构28～33层。主体结构施工工期约8个月, 项目总体效果如图1所示。

项目钢筋总用量约5万t, 其中地下室钢筋用量2.4万t, 地上部分钢筋用量2.6万t。钢筋规格分布呈典型住宅特点, 地下室结构使用的钢筋大小料质量占比为7∶3, 地上结构比例为3∶7。

通过应用BIM技术, 将数据贯穿于翻样、加工、配送、绑扎及验收等钢筋工程全生命周期。具体流程如图2所示。

采用BIM技术将采集的数据导入信息化系统并进行处理, 完成钢筋断料优化及套料后, 导出加工料单、配送单、绑扎料单及二维码标签;通过不同数据实现钢筋加工、配送及现场绑扎管控;根据实施反馈提供多维度数据报表, 作为管理者决策及相关方结算依据。

管理规划是项目应用的重中之重, 应做到提前规划、统筹安排、科学组织、有序进行。

1) 计划为纲要求进度计划安排科学严谨, 现场进度严格按计划实施, 避免供过于求或供不应求导致钢筋加工成本增加。

2) 现场管理配置专业的钢筋管理人员, 负责指导现场钢筋绑扎安装, 监管现场钢筋绑扎质量, 督促绑扎队伍将现场多余钢筋半成品返场, 大幅减少补料和钢筋浪费。

3) 反馈机制发生图纸变更、现场施工区域变化等状况, 管理人员应及时将信息反馈至钢筋集约化加工中心, 进行料单和加工计划调整。

1) 钢筋翻样质量控制实行翻样多重审核机制, 确保翻样料单准确, 从源头上保证加工数据的准确性。

2) 钢筋加工质量保证优选责任心强、专业性高的加工队伍, 严格执行半成品自检制度, 确保钢筋半成品出场质量。

3) 加强配送过程监管特别是清点装车环节, 保证钢筋半成品装车类型、数量与配送单一致。

1) 优选专业绑扎队伍, 降低随意施工现象发生频率。

2) 严格执行半成品交接制度, 明确双方责任。

3) 落实余料返场制度, 减少钢筋浪费。

1) 建立图纸钢筋节点优化和统一标准化做法, 为钢筋加工和绑扎提供便利。

2) 合理进行施工部署和区段划分, 充分发挥集约化加工中心的生产效能。

3) 确定BIM建模标准, 根据施工检验批规划信息管理系统数据储存目录。

1) 各参与方配合风险控制

将新模式产生的部分经济效益作为加工、绑扎和配送队伍奖励基金, 明确奖励办法, 落实奖励制度, 从而调动各参与方积极性。

2) 一次投入成本过高风险控制

加工厂设计采用较低标准临建模式, 降低建设成本;设备采购实行公司统一采购、项目按需租赁模式, 降低设备一次投入成本;建模翻样由专业化分包团队完成, 节省BIM软件采购成本。

3) 加工劳动力短缺风险控制

采用2支加工队伍共同完成钢筋加工, 根据加工能力分配任务, 相互制约, 避免出现劳动力不足。

4) 配送风险控制

选用第三方专业化配送队伍, 由项目、加工中心和绑扎队伍共同管理。绑扎队伍固定车辆调配, 加工中心排队装车, 避免加工中心车辆扎堆和施工现场压车等情况。

1) 总体规划

本工程工期较短, 加工场使用年限以临时建筑考虑, 按200t/d的钢筋加工产能规划。加工场长120m, 宽88m, 占地面积10 560m²。平面布置如图3所示, 分为线材加工区、棒材加工区和套丝 (线材) 加工区, 其中套丝 (线材) 加工区根据地下、地上不同阶段钢筋加工特点进行动态调整。

2) 运输设计规划

现场规划循环装车路线, 配置1台TC6015A-10E塔式起重机, 2台25t汽车式起重机, 2台叉车辅助垂直运输。加工场钢筋原材料堆场容量设计为2 000t, 半成品库存容量设计为600t。

3) 生产配置规划

现场棒材加工区配置1个批量加工生产单元、5个零星加工单元 (2个备用) ;线材加工区配置6个批量加工单元、1个零星加工单元;套丝 (线材) 加工区地下结构施工阶段布置3个套丝加工单元, 地上结构施工阶段调整为1个套丝加工单元和1个线材批量加工单元。设备人员配置如表1所示。

利用BIM及二次开发技术, 结合相关设计文件及规范图集要求, 在三维模型中进行钢筋高效建模及智能翻样, 并根据项目需要, 对复杂节点 (如筏板基础坑套坑) 钢筋模型进行综合优化及模拟, 保证施工可行性。建立钢筋翻样模型, 输出钢筋数据, 经过云管理系统导出钢筋加工、打包、绑扎等各类应用料单, 也可将钢筋加工料单优化套料后转换为钢筋数控设备可识别的数控文件, 上传至数控加工设备中, 提高生产效率, 同时可生成相应的交底资料, 指导现场钢筋半成品绑扎安装。

不同翻样人员基于同一个模型按构件分工协作翻样的工作模式更加高效。基于模型数据, 翻样人员、审核人员、钢筋加工人员、钢筋绑扎人员间的沟通交流更高效准确。BIM技术能有效将钢筋工程施工各环节紧密联系在一起, 摆脱各环节任务在空间上的限制, 钢筋翻样、加工和绑扎无须集中在同一地点实施。BIM翻样为后续工作提供精确数据基础, 是钢筋集约化加工、信息化管理及高效配送能够顺利实施的关键因素。

图纸交底→混凝土模型创建→钢筋模型创建→钢筋下料处理→模型审核→数据导出。

本工程BIM翻样采用了地域和工序双协同模式。施工现场外由专门的内业团队按照标准进行工序间协同建模, 精细化分工, 最终形成完整的交付模型, 交由施工现场团队使用, 实现不同地域间的协同。协同组织模式如图4所示。

BIM协同翻样过程中, 内业团队和现场团队承担不同的职责。

1) 内业团队

严格依据现场团队提供的建模翻样标准、图纸交底及其他反馈信息进行建模翻样;严格执行模型的交付标准及交付时间, 根据工作量动态调整建模人员的投入;负责大规模变更后模型的修改工作。

2) 现场团队

制定BIM翻样标准及图纸交底, 实时反馈现场与建模相关的信息;负责交付模型的最终审核;出现少量变更情况下进行模型修改;模型使用包括数据导出、料单转换、现场钢筋加工及绑扎安装指导。

钢筋BIM翻样实施分为BIM建模和数据转化2个部分, 工作量占比约7∶3。

地下结构钢筋BIM翻样阶段, 根据项目4个地下室特点, 内业团队配备8名建模翻样人员;地上结构实施阶段, 根据楼栋及户型特点配备4名建模翻样人员。内业团队BIM翻样应用自主开发的“BIM翻样辅助系统”, 地下结构翻样历时3个月, 地上结构翻样历时2个月。整个项目结构施工阶段现场团队安排2名人员负责模型的全面应用。

BIM翻样数据精确、料单附加排布图表达方式清晰, 从根本上解决了集约化加工运行过程中容易出现的缺料和错料问题;协同化工作组织模式有效降低了从业人员专业素质要求。本工程地下结构施工阶段运用BIM翻样, 并将成果应用于钢筋半成品集约化加工生产和指导现场绑扎, 施工现场钢筋半成品回收率较同等模式降低75%以上。

集约化加工是根据钢筋半成品不同阶段需求变化及加工特点, 基于BIM数据源将需求任务数字化, 拆分为不同批次的零 (构) 件加工任务, 采用高效数控机械, 优化工艺流程, 加工工位设备配置单元化、动态化, 提高协同生产效率、降低劳动强度、最大化利用设备产能, 配合信息化钢筋管控, 提升钢筋加工管理水平, 改善生产力组织, 适应场外加工生产模式的一种钢筋工业化生产方式。

BIM翻样数据进入信息化系统后, 根据计划安排加工批次, 系统自动生成批量、零星加工任务单及对应的二维码信息标签, 同时根据施工现场钢筋半成品需求计划生成配送单和绑扎单。

钢筋半成品加工任务单下发至对应的生产单元, 钢筋半成品加工完成后, 悬挂对应的标签并分类堆码。

出库时, 在配送单的指导下进行半成品清点装车, 配送至现场后结合绑扎单绑扎安装, 具体流程如图5所示。

加工场采用以零件为主的批量加工模式, 半成品固定位置堆码。出库时, 配送车辆根据配送单上的钢筋明细, 需要在多个堆场间轮流取料。为此, 场区内设置环线专用道路, 单向顺时针行驶, 环道设置5处装车点, 装车点与道路分离, 缓解车辆周转压力。每个装车点配置叉车、小型起重机等辅助垂直运输设备, 有效缓解现场大型处置运输设备压力。

根据目前运输数据分析, 高峰期每天出场车次达47, 平均每车每天运输约7次, 每次运输约6t。

截至目前累计完成钢筋加工2.27万t, 其中原材及原材套丝直接使用量为0.58万t;累计完成28.9万个丝头加工。产生废料约98t, 有效利用率达99.5%以上。

若本工程采用传统加工模式, 钢筋加工棚配置>15个, 在不影响施工进度情况下, 每个加工棚各种规格的钢筋原材库存量均应≥40t, 现场使用的钢筋规格共计15种, 原材库存量总计9 000t。按照当前钢筋半成品数量和完成时间, 平均每个钢筋加工棚工人需求10名, 共计150名。

集约化模式下, 如图6所示, 钢筋加工场钢筋原材库存量始终保持在2 000t左右, 有效减少钢筋库存7 000t, 大幅降低库存资金占用;运行过程中, 加工场平均钢筋工人数量为70名, 有效降低人工需求50%以上。在当前钢筋加工人工资源紧缺的环境下, 是一种有效解决用工荒的方式。

基于互联网技术, 开发钢筋BIM云管理系统, 集原材料管理、料单管理、加工生产管理、半成品管理、出库管理、统计管理及各加工设备单元任务下发、加工时效统计于一体, 对钢筋工程全流程实施做到实时管控。信息化管理核心流程如下。

1) BIM建模完成后, 将数据导入云管理系统进行分析处理, 生成钢筋绑扎料单并进行审核。

2) 根据加工进度, 将已审核的构件添加到加工批次, 生成加工单及打印标签并分配给各加工单元。

3) 根据预估的配送计划, 将构件添加到配送批次中, 生成配送单与绑扎料单, 分发给现场队伍。

4) 加工劳务完成加工后, 通过微信小程序进行登记;配送前可根据配送单与加工单的钢筋应对关系, 查询是否可配送。

5) 根据现场需求, 现场钢筋绑扎队伍可根据项目签字后的配送单, 到钢筋加工场领取半成品并签收确认。

为适应场外集约化加工生产方式, 本工程将BIM翻样数据根据不同使用对象, 利用信息化管理系统拆分为绑扎料单、加工单和配送单, 既符合各环节使用需求, 同时又相互关联, 有效降低各环节的沟通难度, 保证信息有效传递。

绑扎料单面向对象为翻样人员和现场绑扎人员, 是BIM翻样的成品, 钢筋逻辑关系明确, 可指导现场钢筋绑扎、结算钢筋量。绑扎料单经审核后, 系统自动将钢筋分拆, 将相同钢筋合并, 由管理人员分配给各加工单元, 生成加工单和标签。

加工单面向对象为钢筋加工工人, 由绑扎料单分拆、合并而来, 对应各加工单元, 适应批量加工的需求。加工工人接收加工单后, 逐条加工并打包挂上标签, 加工单所有任务完成后, 进行登记。

配送单主要面向对象为配送人员, 内容与绑扎料单的钢筋一致, 并与加工单一一对应, 明确数量和存放位置, 用于钢筋半成品清点装车。在系统中可查到配送单上的钢筋是否已加工完成, 待所有钢筋加工完成后, 可凭配送单到对应加工单元清点半成品, 装车配送至施工现场。

钢筋种类数量复杂繁多, 尤其是集约化加工, 各种类钢筋半成品要清晰标识出使用位置, 需要使用大量标签信息。信息化管理系统在自动生成加工任务单的同时生成标签信息, 并发送至标签打印机自动打印。与传统手抄料牌相比, 打印标签内容信息完备, 字迹清晰易读, 错误率低。据统计, 目前标签使用量达15万余张, 仅抄料牌一项至少节省4个人工。

钢筋集约化加工过程中应用信息化管理系统, 钢筋加工全流程得到实时掌控, 每批次钢筋半成品翻样、加工、配送状态可查询, 相关责任人信息可追溯。数据处理功能强大, 为加工、配送、绑扎等不同对象的结算及项目成本分析提供不同维度数据支撑, 给管理者提供决策依据。基于信息化管理系统, 半成品配送采用物流管理模式, 保证了钢筋半成品准时、准量地配送到现场2个地块的不同区域和楼层, 从而解决了场外加工常见的半成品缺料、送错等问题。信息化管理系统是钢筋BIM集约化加工顺利实施的技术保障。

通过BIM技术实施钢筋集约化加工, 探索了一种钢筋工业化生产模式, 有利于实现钢筋加工生产力进一步解放, 为建筑工业化发展提供新方向和新思路, 也是一次钢筋半成品商品化发展中相关数据和管理经验的积累。

在应用过程中仍然有许多关键思路和想法需要进一步探索和验证。

1) 应用钢筋工程BIM技术效益较明显, 但多为技术创新效益, 规模化应用后能更多突显模式创新和管理价值。

2) 需发展从单 (多) 项目集约化到区域化商品钢筋中心模式的应用。

3) 应基于BIM技术从设计源头推动标准化程度, 实现钢筋翻样向钢筋深化设计转变, 创造更大价值。