BIM技术以三维立体模型为基础, 将各类工程信息集成于模型中, 可实现对工程前期招投标、设计及工程造价、施工阶段的人员、物资调配及工期检查、后期运营阶段的维护与养护等全面统筹分析和管理。BIM模型中不但具有项目建筑尺寸信息, 还集成着包括构件材料信息、材质分层、周边地形情况、施工工艺流程等相关工程信息。制梁场作为生产部门, 存在建筑物布设精度要求高、大型机械设备多、人员密集、安全保护设施简陋等特点, 对现场管理和施工工艺提出了很高的要求, 而BIM技术的应用可以有效提高其管理水平和生产效率。

与BIM技术的应用局限于前期设计、施工阶段的建模与管理不同, 本文将BIM技术应用贯穿于制梁场的全寿命周期的规划与管理中, 对制梁场的规划、建设、生产全程进行系统分析, 充分发挥BIM技术的应用价值, 以降低制梁场生产成本、提高整体的管理水平。

制梁场设置于十堰市丹江口丁家营镇饶祖铺村, 总占地面积120亩, 按照功能划分为制梁区、存梁区、搅拌站、办公及生活区。受当地地形条件限制, 经统筹规划, 将制梁区、存梁区划分为一个区域;拌合站、办公区及生活区规划在另一个区域, 两个区域之间通过200米的新建便道联通。

基于制梁场的定位与要求, 在工程全过程中使用BIM技术以降低工期延误风险, 减少成本, 提高制梁场的安全系数。具体的BIM技术应用方法是根据项目场址规划CAD等高线图和平面图, 构建丁家营制梁场全尺寸Revit地形模型, 合理规划各区域范围, 模拟构建厂房、道路及管线、生产设备等, 论证方案的可行性。在设计阶段对管线及房屋结构等各构件进行碰撞检测分析。在施工过程中将规划阶段优化后的模型应用于施工指导与检测, 并使用BIM管理平台动态管理施工进度。为保证生产阶段的高效与安全, 通过制订生产工艺要求人员工作时间表, 利用BIM工程管理软件Navisworks生成生产时间表、制订机械设备使用时间表、规划机械设备运行轨迹、设置人员危险区与设备横移区, 实现对后期运营阶段综合管理水平的全面提升。

本文根据不同工程阶段分为规划、施工、生产运营三个方面进行具体阐述, 对如何提高制梁场生产阶段的效率及安全性进行重点分析。

根据制梁场现场实际, 构建地质地形、道路、厂房、机械设备、电路及供水、蒸养管线等BIM模型。

(1) 地形模型。引入地形数据, 构建BIM三维地形模型, 为规划场地、验证管线设备布置方案作前期准备。在CAD软件中舍弃无关信息, 去掉标注与数字信息, 将修改后的CAD地形图导入Revit软件中, 建立Revit地形模型, 使用软件中地形整平功能整平地面, 最后针对边角细节做进一步的优化。

(2) 道路铺设。根据当地情况, 在地形模型的基础上构建用于连接制梁区、存梁区、拌合站、制梁区与横移区、拌合站与办公及生活区之间的道路。在这个环节中, 对重点位置进行精确定位测量, 以实现模型道路坡度与实际一致, 保证模型的准确性。

(3) 厂房模型。根据制梁场的施工方案, 基于BIM地形模型, 构建制梁区、存梁区、横移区、办公区、生活区及拌合站内各建筑物模型。对建筑物内管线与结构模型, 进行碰撞分析和方案论证, 确保后期施工环节的顺利实施与安全高效。

(4) 机械设备模型。基于Revit软件强大的族功能构建生产过程中需使用的机械设备BIM模型。采用参数化的方法建立模型, 赋予对应机械设备工程属性及可变参数的尺寸设置, 若后期需重复使用, 调整对应参数即可使用, 大幅降低了BIM模型的构建成本。

(5) 电路及供水、蒸养管线模型。由厂房建设情况及工程实际需求, 对制梁场区域内电路、供水、蒸养管线进行模拟铺设和碰撞检测, 减少返工发生。同时, 还对相关配套设备如锅炉房、电箱等的布设进行模拟。

场内预埋管道、龙门吊走行轨基础及线路布置、制梁台座桩基础、横移小车基础、同主体路基衔接部分的施工布设精度要求较高, 是制梁场建设环节中需关注的重点。在制梁场建设阶段中, BIM应用有:

(1) 基础施工。由于制梁场的生产工艺要求较高, 因此对场地设施的施工质量需格外重视。鉴于场区内基础严苛的工作状态, 如制梁台座在箱梁浇注到张拉前近似处于均布荷载状态, 在张拉过程中及张拉过程后处于简支状态, 两端受力;吊装箱梁的过程中, 参与吊装的龙门吊基础不仅要承担箱梁重, 还包括龙门吊自重与吊装偏心影响, 因此对基础的施工要求较高。使用BIM模型指导基础施工, 不仅可以读取桩基础、筏板基础的结构尺寸、位置, 钻孔深度等工程信息, 还可直接获取构件的三维结构、施工步骤及安装方法, 提高了获取工程信息的效率与广度。同时, 可将当天的施工进度上传至BIM平台中, 便于统一管理、各方查验与工期的动态调整。

(2) 场内预埋管道。制梁场在生产过程中需要对箱梁进行喷水养护、蒸汽养生等作业, 场区范围内存在水暖电各类管线系统交错复杂的问题, 因此预埋管线的布置也需要重点关注。传统模式下各管线系统独立设计, 难免出现管线碰撞。使用制梁场规划阶段优化后的BIM管线模型指导施工, 可以有效规避管线碰撞, 同时提供管线结构、大小、布置位置等工程信息, 有效降低信息交流成本, 提高施工效率, 避免返工。

(3) 横移区支撑结构。受地形限制, 存梁区和路基存在6米高差, 需设置6米高横移小车轨道结构。为防止基础出现沉降、偏心、失稳等问题, 下部结构中的扩大基础, 钢筋混凝土柱及盖梁、支座的布设精度的把控也需要重点关注。对于指导施工, 使用BIM技术从BIM信息模型中提取位置、深度、材质, 施工工艺等多种工程信息, 扩充获取信息广度的同时也提高了获取信息的效率;在安全管理方面, 使用BIM模型指导施工, 统筹规划各个横移基础结构的施工次序, 规避安全风险, 提高施工安全系数;在信息沟通与交流方面, 运用BIM模型三维展示方式降低施工人员的读图成本, 规避失误。同时通过BIM工程信息模型中集成的支撑结构施工模拟动画帮助施工人员快速理解施工工艺, 降低学习成本。

鉴于制梁场的特殊性, 生产阶段中箱梁制作环节最重要、最复杂, 有人员构成复杂、大型机械多、设备布置密集、场地区域范围广的特点, 对管理水平要求较高, 因此, 本项目中使用BIM技术进行优化和管理, 可有效提高运营阶段的生产效率和安全生产水平。

根据甲方施工进度计划并结合当地的实际交通条件与制梁场预制箱梁工艺细则要求, 制梁场采用后张法预应力混凝土箱梁预制工艺需按时交付32.6m双线无声屏障预制箱梁156片、32.6m双线有声屏障预制箱梁14片、24.6m双线无声屏障预制箱梁26片、32.6m双线有声屏障预制箱梁3片、32.6m单线无声屏障预制箱梁42片、24.6m单线无声屏障预制箱梁3片。在保证生产质量的前提下, 通过构建数学模型、调整台座之间的生产时间间隔的方法, 降低制梁工序生产人员峰值人数并制定生产人员时间表, 为后续使用BIM技术优化管理提供数据。

根据汉十铁路的工期要求与设计规划, 制梁场配置制梁台6座, 建立数学模型前首先明确:

(1) 制梁工艺, 人员调配及工艺要求时间严格按照生产规定严格执行。

(2) 六个制梁台座生产彼此独立互不干扰。

(3) 前期准备工序, 例如钢筋、混凝土加工及在生产环节过程中吊装模板施工等准备工序按生产规定进行, 保证不能因准备工序拖延影响后续的生产计划。

(4) 本项目仅考虑在正常情况下的人员及时间安排, 不考虑因极端气象、人为因素或其他不可抗力因素造成的时间及人员偏差。

(5) 根据生产要求, 为保证箱梁生产的质量, 需严格遵守生产标准, 生产工序之间不设时间空档。

生产单个箱梁所需占用制梁台座及内膜时间、具体流程细节见表1。

制作单个箱梁工序流程所需时间及生产人员数量之间的关系见表1。

从表1可以得出, 若六个梁座同时开始生产, 所需生产人员峰值数量可达22×6=132人。因此, 需要制订各个台座工作时间表, 以达到人员调配方面的合理调配。

使用VS2015软件将数据进行叠加计算, 以避免峰值交错的原则得出各个台座最佳时间表。依据6个制梁台座的生产工序所需生产人员数量, 在工序时间保持不变的情况下, 将生产人员数量及生产时间编组, 通过叠加的方法得到最佳方案。

经计算得出优化后生产工作人数峰值人数为35人 (六个台座同时参与生产工作的人分别为22人, 5人, 2人, 2人, 2人, 2人) 。此时, 以0时为时间起点, 优化后的六个台座之间开始时间分别为:

1号台座:0时开始;2号台座:16时开始;3号台座:32时开始;4号台座:48时开始;5号台座:64时开始;6号台座:80时开始。

根据计算结果, 得出优化后生产人员总数随时间变化关系如图1。

使用Navisworks软件中的TimeLiner功能将优化后得出的生产人员时间表进行记录, 包括生产人员时间表、生产人员个人信息、进度报告等, 方便各方利用BIM系统进行查验与管理项目中的各项动态信息。通过BIM系统管理平台发布生产动态, 实现了工程信息的公开透明, 降低各方因交流不畅所造成的经济损失。

使用BIM管理软件Navisworks预先对大型机械的位置模拟布设, 结合台座使用时间表制订机械设备使用时间表, 设定生产过程中机械设备的运行轨迹, 布设人员危险区与设备横移区, 保障生产工作的安全稳定, 同时提高了机械设备的利用率。

根据预制箱梁工艺细则, 在箱梁预制过程中, 主要涉及的大型机械有:单线模板 (包括外膜和内膜) 、双线模板 (包括外膜和内膜) 、钢筋笼吊具、智能张拉设备、压浆机、搅拌机、拔管机、900T提梁机、80t+80t (10T) 钢筋笼吊装门机、混凝土泵送机、混凝土布料机、插入式振捣棒、附着式振捣器、喷淋养生设备等。

由生产流程对机械进行分类, 根据台座使用时间表制订机械设备使用时间表, 利用Navisworks软件TimeLiner功能对生产时间和机械进行匹配。表1给出了各个生产工艺所需要使用的机械。

运用TimerLiner功能将Revit软件中的机械族模型与对应的工艺流程进行匹配链接, 得到具有机械模型定义属性的时间表。图2给出了生产工艺过程中的机械使用信息, 为下一步生产机械设备轨迹优化做准备。

根据六个台座对应的工序时间表, 使用Navisworks软件的Animator功能模拟机械设备的移动轨迹及机械设备的使用情况, 对厂区的机械设备使用实行统一调配。运用BIM软件规划生产过程中各个节点中机械设备的放置位置, 避免生产过程中发生因机械设备占用或位置不当造成的窝工及不安全事件的发生, 保证生产阶段的安全稳定, 提高了制梁场整体的综合管理水平。

图3显示的是使用Navisworks软件进行模拟生产的界面。采用Animator功能设置生产工序时间表, 并在生产节点下添加需要使用到的机械设备。设置完毕后进行模拟生产, 优化机械位置与机械设备的移动轨迹, 避免机械设备碰撞;设置设备横移区及人员危险区, 减少与人接触的可能性, 避免安全事故的发生。同时, 在这个过程中实现对整个厂区的设备统一调度, 统一管理, 提高了设备利用率, 减少设备成本支出。

基于丁家营制梁场的特殊性, 与传统BIM技术应用相比, 本项目中BIM技术不仅用于前期厂区规划、管线模拟优化, 中期制梁场建设阶段的施工指导、可视化展示, 还包括后期生产运营中制定台座的时间表、规划机械的运行轨迹、设置设备横移区和人员危险区, 有效降低了非操作人员与机械间的接触概率, 保障生产过程的安全稳定, 同时厂区内机械设备的统一调配也提高了设备的利用率, 降低了生产成本。不同于将BIM技术的应用仅局限于施工阶段, 本项目中将BIM技术应用于其全寿命周期的统筹规划和协调管理中, 使BIM技术不仅仅作为一种三维立体化模型信息库, 更重要的是基于BIM模型内集成的工程信息对项目进行有效的风险把控与效率提升。随着BIM应用的不断深化, 它必将实现建筑行业技术与管理水平的全面飞跃。