长期以来, 钢筋工程作业因缺少先进技术手段, 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, 劳动力短缺、绿色发展理念倒逼、效益空间逐步压缩等也使行业面临发展困境。

随着信息技术发展和移动互联网、云计算、高性能计算机、物联网技术的开发应用, 特别是BIM技术应用不断深化, 标准化程度低、种类规格信息复杂、工序衔接要求高、作业人员素质有限的钢筋工程实现应用信息化成为可能, 将有效促进钢筋专业化管理水平提升与转型升级。

传统手工翻样及电算化翻样现状有如下限制。

1) 技术有限难以解决复杂节点问题, 数据不透明, 翻样做法难以得到标准化执行, 不利于提升团队协作效率。

2) 质量有限过度依赖翻样人员的经验和能力, 但对专业化人才的培育和重视程度不够。

3) 精度有限料单准确性和现场适用性不足, 制约钢筋集中加工配送新模式落地应用。

随着国产钢筋数控加工设备功能与效能不断完善, 目前钢筋工程数控加工与集中配送技术在高铁、路桥等标准化程度较高的基础设施领域已得到很好的应用推广。在钢筋标准化程度较低的房建领域, 由于其规格多、批量小的特点, 绝大部分仍采用传统现场零散化加工方式, 主要存在机械化程度低、生产效率低、劳动强度大、加工质量和进度难以控制、材料和能源浪费大、加工成本高、安全隐患多等缺点, 严重制约了工程产品质量提高, 不利于施工现场新型建造方式提升与产业化转型升级。

BIM技术具备资源信息共享、协同高效作业、数据可视化管理等特点, 已逐渐成为建筑施工行业信息化转型升级的重要载体。BIM参数化设计极大地提高了钢结构、机电安装等专业深化设计和管理协调效率与质量。基于BIM的总承包项目管理平台化应用不断深入, BIM+各类新技术构建的智慧建造技术层出不穷, 然而占据土建专业重要地位的钢筋BIM技术应用面和深度却十分有限。

为有效解决钢筋工程长期以来的发展难题, 探索落地钢筋加工新型产业化发展模式, 立足当下工程环境需求, 提出一种基于BIM技术的钢筋集约化加工新型作业方式, 按照信息集成、设备集控、资源集约的总体思路, 自主研发“钢筋工程BIM翻样智能化辅助系统”“钢筋工程BIM云管理系统”等系列成果, 并经工程应用示范实践检验, 实现钢筋加工的智能化翻样、集约化加工、信息化管控。

结合规范图集及设计文件要求, 采用自主研发的钢筋BIM翻样辅助系统 (见图1) , 基于仿真三维模型进行钢筋参数化高效建模及智能化断料翻样, 并视需求对复杂节点钢筋进行综合优化及安装模拟, 保证施工可行性。模型数据经过料单在线管理器转换处理形成钢筋加工、打包、配送及安装等后续所需的各类应用数据, 实现钢筋翻样操作的可视化翻样、精确化计算、协同化组织和数字化应用。

基于三维BIM平台软件, 对基础配置数据进行本地化定制, 在基本功能基础上, 针对工程中不同构件钢筋类型的构造特点, 编写参数化组件程序, 自动判断提取支座信息, 内置平法弯锚计算规则, 结合实际施工需求, 实现钢筋高效、精准建模, 大幅提高建模效率, 使参数化驱动方式更快适应项目变更等情况。

对通长钢筋断料位置的计算, 除符合图集规范要求外, 从批量化剪切和原料利用率2个方面进行算法设计, 兼顾断料数组的标准模数化和材料加工等待时间, 以达到原材料利用率和加工效率最大化。基于这一算法设计思路, 编写程序进行多种算法演算, 得到可编辑的最优与备选断点数据建议, 并实现模型化批量自动模拟断料, 为工程师经验优化提供参考。

钢筋BIM数据模型在云端或局域网共享, 团队成员基于同一精确可信的三维模型开展协同化分工, 可异地实现上下游环节及同一环节内的工作协同, 有利于提高团队作业效能。编制应用钢筋工程BIM协同翻样标准及操作手册, 统一技术做法标准, 为钢筋翻样协同分工、合理组织提供新的工作思路和方法依据。

通过插件化方式构建翻样辅助系统框架, 将各独立组件和程序模块有机整合, 并开发插件关联设置功能, 将模块间的参数按逻辑规则相互关联。通过对业务模块关联整合, 实现从钢筋建模、断料模拟、局部修改到数据导出的翻样流程系统化、标准化应用, 进一步提高钢筋BIM建模和翻样效率。

根据钢筋半成品不同阶段需求变化及加工特点, 基于BIM数据源将数字化任务需求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, 使加工工位单元化、设备配置动态化, 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。钢筋集约化加工流程如图2所示。

通过研究钢筋半成品加工特点及工程需求比例分析, 将钢筋半成品分为零、构件加工2种组织方式。梁柱纵筋、板面筋及底筋等钢筋半成品因构件化需求明显, 按构件单元化组织方式加工, 半成品堆放及打包按照其所属混凝土构件进行归类;箍筋、拉钩、板负筋及竖向结构纵筋等数量大、标准化程度高, 按零件单元化组织方式加工, 半成品堆放及打包按其形状、尺寸进行归类。

按照不可再拆分的生产工位划分生产单元, 并基于生产要素进行单元化组织, 包含设备选型、占地、人员配置、产能、成本及效益等内容。将钢筋半成品加工细分为箍筋生产单元、板筋生产单元、大料弯曲生产单元、大料剪切生产单元、大料锯切套丝生产单元等。研究各生产单元效能产出情况, 实现加工设备合理动态化配置, 确保投入产出比最大化。

通过研究传统钢筋加工作业工序和流程, 提出设备集控化改造技术:将同种半成品加工的多道工序在时间和空间上进行整合, 从而提升设备加工效率。开发数控化设备软件及硬件端的物联网化数据通信模块, 实现任务云端数据下发及生产数据回传, 从而实现数控化设备集控, 进一步发挥设备组织化效能。

提出半成品需求后, 按照现场使用顺序, 在料单管理器中生成批次化钢筋半成品配送单及标签并打印。半成品装车时, 构件任务按照构件信息对应的生产单元堆场找到构件包装车;零件任务则根据零件标签数量在对应的零件半成品堆场中清点并悬挂零件标签后装车, 最终按照配送单核对无误后运输至施工现场。

为充分利用钢筋BIM翻样数据成果, 提高钢筋半成品加工管理效率, 开发了一套基于云端的钢筋数字化管理系统, 对钢筋任务、半成品加工及配送信息进行全流程化管理, 主要功能包括:料单管理、原材料管理、半成品加工任务管理及半成品配送管理, 基本流程如图3所示。

为实现钢筋数据全流程高效管理, 设计了1套统一的基础编码方案进行不同形态间数据转换与传递 (见图4) , 在传递过程中根据不同需求进行信息自动处理, 提取与转换钢筋BIM数据, 视需求提取原材料进场计划, 生成对接数控设备的数控文件、钢筋加工任务单、半成品分拣单、配送单及绑扎单等。同时, 为方便使用, 所有生产料单及数据信息可实现二维码动态查询。

钢筋采用BIM建模翻样后, 导出的钢筋基础数据一键自动导入云管理系统, 进行解析、分属归类及整合, 形成钢筋基础数据库, 在料单管理器中集中管理并实现状态跟踪, 将整个项目的构件按归属部位保存, 进行查看、编辑、标记、统计。

为适应加工单元化协作生产模式, 云管理系统中对加工任务按照零、构件单元化进行任务拆分, 配合标签 (见图5) 及指令进行任务驱动, 配备高度自动化数控设备, 将加工任务转换成数控数据直接发送至设备, 避免数据错漏。为减少棒材钢筋的剪切损耗, 基于数据库技术开发棒材剪切套料软件, 提供最佳钢筋下料方案。针对钢筋进场验收点数难点, 开发辅助点数工具 (见图6) , 通过拍照识别点数, 大大提高钢筋进场验收效率。

根据现场进度计划, 从料单管理器选取要配送的构件, 添加时间信息, 生成配送批次及配送单。从配送单可查找半成品堆码单元, 从移动端可查询加工及配送状态信息, 提高找料效率, 基于唯一数据源可提高不同交接界面的数据透明度及效率。

天河机场三期扩建工程、湖北省科技馆新馆工程等项目局部试点应用了此项技术, 全流程实践论证了成果的科学性、先进性与可行性, 钢筋原材料加工利用率达99.5%。成都地铁11号线6标段项目、葛店新城PPP项目的整体应用示范, 进一步整体测试了管理体系创新成果、探索了新型专业化分包组织模式, 验证了成果的成熟性与完整性。

经应用实践证明, 翻样效率较传统技术提升20%以上, 加工效率提升2倍以上, 自主翻样及优化降低2%以上的钢筋用量, 加工材料损耗降低1%以上, 同时减少加工工人需求60%。

钢筋工程BIM技术应用研究为基于BIM技术的钢筋协同翻样及集约化加工新模式奠定了基础, 采用三维软件高效建模、智能断料、钢筋套料自动优化, 料单数据在数控设备传递, 操作简单、数据精准、料单现场适用性强。通过技术推动作业效率和生产力水平提升, 节约成本, 加快施工进度, 降低钢筋损耗及人工劳动强度, 有利于现场安全文明施工, 经济和社会效益显著, 将有效提升钢筋翻样质量及效率、促进钢筋加工产业化升级、提升钢筋配送质量与管理水平。