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    干貨!裝配式鋼結構體系建筑一體化建造技術研發和實踐

    干貨!裝配式鋼結構體系建筑一體化建造技術研發和實踐

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    在我國逐步推進建筑工業4.0的背景下,“一體化集成”的工業化建造模式被提出,并深刻影響著建筑行業發展的方方面面,成為產業轉型升級的主題?;谛畔⒕W絡技術、計算機仿真技術、建筑裝配化技術、機械自動化技術與項目管理模式相結合的智能建造技術可以實現對建筑的全生命期的整合與升級,逐步實現參數化建模、數字化設計、自動化建造、人工智能優化等多維度一體化建造方式。


    鋼結構建筑與傳統混凝土建筑相比,具有重量輕、強度高的優點,并且鋼結構建筑的總重量只有后者的50%左右;同時鋼結構承重構件的使用,也能提升建筑的開間和跨度,使建筑的使用面積有所增大,抗震、抗風性能好;鋼結構建筑的承重構件施工時濕作業少,與混凝土構件相比,更加容易實現工廠生產和模數化、標準化,從而減少施工工作量。鋼結構建筑產業化的基礎核心是鋼結構建筑工業化,其實現的基礎主要包含以下幾大要素:建筑設計標準化、構配件和部品部件制造機械化、安裝施工裝配化、施工管理規范化、設計施工和運維一體化。


    “一體化集成”主要體現在建造全過程(設計、加工、物流、裝配和運維等)、全專業(建筑、結構、水暖電、內外裝等)及全產業(技術、管理、市場等)的協同。模數化、標準化、信息化是基礎,以此保證全專業設計的協調、不同專業相關部品的一體化及高效連接和安裝協調、不同參與方的信息協同,從而最大限度地保證裝配式鋼結構體系建筑的集成效率、精度和質量。在此背景下,進行鋼結構建筑全過程、全專業一體化系統集成建造技術與工程示范研究可以促進我國鋼結構建筑產業化技術水平,對于推動我國裝配式鋼結構建筑發展、推進綠色建筑和建筑工業化、促進傳統建筑業產業升級都具有積極的現實意義。


    本課題的主要研究內容可分為全過程一體化技術研究、全專業協同一體化研究、全產業協同一體化研究以及一體化建造評估體系研究。在此基礎上,本課題開發了“一款軟件,兩個平臺”:根據建立的一體化建造體系,開發了一款一體化評估軟件;兩個平臺分別是低多層裝配式鋼結構體系建筑基于產品模式的智能建造平臺和多高層裝配式鋼結構體系建筑基于EPC模式的智能建造平臺;最后形成了一體化供應鏈,并進行了多項示范工程建設,取得了較好的示范效果。


    1 發展及研究現狀


    1.1 裝配式鋼結構建筑體系研究


    以住宅為例,裝配式建筑一體化設計理論經歷了SAR(stichting architecten research)理論、IFD(industrialized,flexible and demountable)理論、SI(skeleton infill)、KSI(kikou skeleton infill)及CSI(china skeleton infill)理論的過程。SAR理論將住宅設計分為“骨架(support)”和“可拆開的構件(Detachable unit)”的概念,“骨架”是以工業化方法興建的,“可拆開的構件”也是工業化產品,并且如同其他商品一樣可以選購,但其使用壽命要比“骨架”短得多。1997年,達曼發表了題為《荷蘭建筑行業中工業化、彈性和可拆改建筑的市場潛力研究》的論文,自此形成了完整的IFD理論體系。IFD建筑體系理論的要點主要為:工業化建造、彈性設計和可拆改[1]。SAR理論后來到日本發展成SI理論——SI住宅體系,即支撐體(skeleton)和填充體(infill)完全分開建造的一種住宅系統[2]。KSI(kikou skeleton infill)住宅——機構型支撐體填充體住宅,是日本住宅、城市整備公團自1998年起開始研發的一種工業化、可持續的公共租賃住宅[3]。作為新型租賃型SI住宅,KSI對技術體系進行了升級。如將非承重的分戶墻、外墻等部分也劃入可變的填充體部分;應用了所有空間都可以改變的全降板技術;研發出解決可架空的層高損失問題的膠帶電線工法;研究了減少架空空間的緩坡排水系統等。2006年,中國在SI住宅體系、KSI住宅理論體系以及荷蘭SAR體系理論及實踐基礎上,經過多年的研究終于形成了屬于中國的CSI(China skeleton infill)住宅理論體系,主要特點包括耐久性、可更新性及可變性。


    1.2 一體化集成技術研究


    建筑工業化最早由西方國家提出,是為了解決二戰后歐洲國家在重建時亟需建造大量住房而又缺乏勞動力的問題,通過推行建筑標準化設計、構配件工廠化生產、現場裝配式施工而形成的一種新的房屋建造生產方式[4]。


    在建筑工業化的定義上面:孫鈺欽[5]結合我國工業化生產技術發展水平,將建筑工業化定義為“建筑工業化,即是指以標準化設計、部品化構件、機械化施工為特點,能把設計、制造、建造施工等整個產業鏈進行集成整合,能讓建筑項目實現可持續發展的新的建筑生產方式?!标悇t鈺[6]對建筑工業化的重要理論做了系統性的總結,以“四化”為支撐的理論體系逐漸成為業界的共識,即設計標準化、裝配構件預制化、施工過程裝配化、管理模式信息化。


    在建筑一體化實踐上。王昭華[7]對出售前已完成裝修的成品住宅的一體化設計理念進行了研究。通過分析發現,與以往相比,利用這一理念設計建筑與室內時,住戶的滿意程度更高。劉丹陽[8]建立了一種適用于臨時場館建筑與結構一體化設計體系的框架,通過一體化設計能夠考慮臨時場館的循環、表達、拆除過程等。朱啟光[9]對寧夏新建農村住宅的節能結構一體化技術集成與示范工程進行了研究。在具體研究方法上提出針對屋面、墻體、門窗、地面四位一體的節能設計理念。


    上述研究中提到的一體化集成,多為低維度,如王昭華[7]提出的裝飾裝修一體化設計,劉丹陽[8]臨時場館建筑結構一體化設計,朱啟光[9]提出的節能結構一體化設計等等,針對裝配式鋼結構體系建筑的全過程、全專業一體化建造系統在我國尚未得到系統研究。


    1.3 一體化建造模式研究


    周緒紅等[10]總結了鋼結構住宅產業化的優勢,同時也指出我國鋼結構住宅產業化與國外的差距,提出了相關改進策略。李炳云[11]借助BIM信息平臺,進行鋼結構住宅集成設計,從而探討提出適宜鋼結構住宅工業化、標準化、個性化發展的設計策略。王蕓[12]提出數字信息技術影響下的模塊化定制設計方法,探討了通過模塊化定制實現集成建造的方法。潘瑜[13]以“輕型化”與“裝配式”作為小型建筑現代化營建的發展方向,以建構學與Archi-Neering理論作為方法論指導,提出時間主導、成本主導、品質主導三種主導機制,為小型建筑設計營建提供價值評判依據。陳莉[14]系統地總結了國內外小型集成度假屋發展現狀及相關理論研究成果,探討了小型集成度假屋產品,從建筑設計及建造全過程的角度來探索我國集成建筑在休閑度假方面的內容,并提出相應的設計、建造策略和建議。


    從我國對鋼結構體系建筑一體化建造的研究現狀中可以發現,對于多高層鋼結構住宅項目,由于項目系統較為復雜,需要大量相關專業人員參與,一個項目往往拆分為建筑系統、結構系統、暖通系統等,并由相關專業負責人主導,最后再通過BIM等模式集成。而針對低多層的小型鋼結構住宅,整個住宅被看作一個產品,通過集成設計、集成建造的方法,實現整個項目一體化。在此過程中,各專業設計師只需投入少量精力。


    此外,“平臺化”集成方法,結合BIM技術、“互聯網+”及數字孿生技術,被越來越多地應用到一體化建造中,成為實現裝配式鋼結構體系建筑一體化建造的重要工具和手段。


    本研究中,針對低多層鋼結構項目和多高層鋼結構項目的不同特點,歸納為兩個集成模式,分別是針對低多層鋼結構體系建筑的產品模式和針對多高層鋼結構體系建筑的EPC模式。在此基礎上,從建造全過程、全專業、全產業一體化角度出發,研發出相應的一體化建造關鍵技術,形成評價一體化建造水平的評價體系,并開發相應的一體化建造智能平臺,結合示范項目,形成可落地的一體化建造技術。


    2 建造全過程一體化技術


    針對裝配式鋼結構體系建筑在包含設計、加工、運輸、安裝、運維、拆除等的建造全過程的技術協同需求,研究和優化建造全過程中設計、制造及現場施工、運維4個主要階段為主的一體化原則和各階段之間的技術對接方案,提出相應的技術實施細則,并開展工程應用和示范。具體而言,即以BIM技術為核心,打通虛擬建造和實體建造過程的關系,從虛(虛擬建造)到實(實體建造),解決如何基于BIM模型實現設計、加工、運輸、安裝和運維的建造全過程一體化問題,圍繞一體化,研究各建造過程的協同需求。


    2.1 設計一體化技術


    部品部件是裝配式鋼結構建筑的基本構成元素,基于BIM技術的一體化建造,最底層的需求是BIM部品部件庫。通過分類梳理,數據收集整合等方式,建設和開發裝配式鋼結構建筑相關的部品部件產品庫和族庫,包括:


    (1)部品部件產品庫建設。按照統一的要求和格式,調研了目前市場上主流部品部件的產品信息,包括價格、技術指標、性能參數等,數據均納入了數據庫。通過關鍵詞等多種方式查詢,可方便地得到部品部件的相關數據,并可以進行后臺的管理。


    (2)部品部件庫開發。針對裝配式鋼結構建筑相關的結構、圍護、設備與管線、內裝系統的主要部品部件,研究部品部件的分類、命名、標準化、參數化、信息化等支撐一體化建造的技術要求,以BIM模型形式建立建筑、結構、機電等全專業模型構件庫及族庫,相關構件屬性信息均涵蓋在BIM模型中,同時這些模型與實體生產相結合,包括鋼結構、墻板、樓板等部品部件。


    (3)部品部件的分類和編碼。部品部件的分類和編碼主要參考現行國家標準《信息分類和編碼的基本原則與方法》(GB/T 7027—2002)[15]和行業標準《建筑產品分類和編碼》(JG/T 151—2003)[16]。部品部件的分類應遵循以下五項基本原則,即科學性、系統性、可擴延性、兼容性和綜合實用性。分類的基本方法有三種:線分類法、面分類法和混合分類法。


    2.2 生產一體化技術


    生產一體化技術研究要點是如何將虛擬端與實體生產制造相結合,以虛擬建造指導實際加工,形成鋼結構等部品部件加工的數據直接應用,即打通設計數據與生產加工設備數據的轉換,使相關信息實現從設計到生產制造的流轉。


    (1)鋼結構構件一體化生產技術。裝配式鋼結構建筑主體鋼結構的一體化生產和制作,可按圖1的框架方案進行。鋼構企業在資源計劃系統(ERP)、詳圖深化設計系統、產品數據管理系統(PDM)基礎上,通過引進鋼結構專業生產管理系統軟件、自動套料系統、焊接機器人離線編程系統,實現與自動套料系統及自動套料系統后處理程序的無縫對接。生產作業過程中的自動化切割、鉆孔和焊接的工作實施完成情況,也可以通過系統實時反饋,方便生產計劃管理。具體而言,就是打通StruMIS系統數據與設計系統(XSteel)等接口,實現數字化生產。


    圖1 鋼結構加工的一體化


    Fig.1 Integration of steel manuafacturing


    (2)墻板的一體化生產技術。裝配式鋼結構的墻板一般均為定型化部品,典型的如蒸壓加氣混凝土板和保溫裝飾一體板等,如圖2所示?;贐IM技術的一體化生產,主要在于:①在設計階段根據定型化墻板產品的部品庫(參數化族文件),將墻板按標準板和非標板結合的方式排板,建入建筑整體的BIM模型;②由BIM模型導出墻板的排板圖、墻板詳圖和明細表,供墻板生產方參照。此外,常用的輕鋼龍骨復合墻板可參考現行國家行業標準《輕鋼龍骨式復合墻體》(JG/T 544—2018)[17]。


    圖2 BS外墻附墻式龍骨金屬保溫裝飾板系統


    Fig.2 BS external wall with wall-mounted keel metal thermal insulation decorative panel system


    2.3 施工一體化技術


    一體化施工,一是體現在構件層面,主要是在傳統工法的基礎上,將部品部件高度集成,實現局部的一體化,部品集成化的方法如前文所述;二是從建筑整體而言,將BIM技術和施工安裝結合;三是采用物聯網技術追蹤施工過程,管理施工進度。


    (1)采用BIM技術的裝配式鋼結構建筑一體化施工安裝。對比傳統方法的現場施工管理,基于BIM技術的一體化施工安裝圍繞BIM模型開展工作,各階段的工作如下:①設計階段。建筑、結構、電氣設備各專業同模型協同設計,確保相互之間預留接口,全面解決碰撞問題;通過與現場實景合成效果確定外立面的顏色方案;②準備階段。通過BIM模型制定施工工期、施工工序、施工工藝;使用BIM模型對施工工期、工序、工藝進行施工交底;③實施階段。通過BIM模型結合二維碼技術制定、記錄加工、安裝順序;通過BIM模型控制現場材料堆放位置和時間;④完成階段。通過BIM模型結合三維掃描技術,輔助工程質量驗收;通過BIM模型對比計劃、實際安裝工序和時間。


    (2)智慧施工管理。在主結構和外墻板上張貼二維碼身份標牌,掃描二維碼,可查詢部品部件的基本信息和生產、運輸、安裝的計劃和實際時間。項目完成后與延時攝影對比,用以管控、優化項目工期,為后續工期管控提供依據??赏ㄟ^全天候攝像頭、航拍、延時攝影等手段,及時反映現場施工情況、實際計劃進度比較等可視化圖像。完整的現場施工管理如圖3所示??赏ㄟ^移動終端實時交互,實現設計、生產、施工、業主、監理、第三方等相關方對于項目進度、質量和成本的協同和管理。


    圖3 基于BIM技術的施工管理


    Fig.3 Construction management based on BIM technology


    2.4 運維一體化技術


    裝配式鋼結構建筑的運營維護研究,主要針對運營、維護的要求,包括監測和維修等,開展運維與BIM模型的協同和一體化關鍵技術研究。在“寶數云”平臺架構上,基于BIM技術的裝配式鋼結構建筑運營維護遵循的邏輯框架如圖4所示,圍繞BIM模型和內置信息,進行相關運維工作。


    圖4 運營維護的邏輯框架


    Fig.4 Logical framework of maintenance


    裝配式鋼結構建筑的運營維護階段管理平臺,一般應包括實時監測、部品識別查詢,部品部件及設備維護、維修信息的查詢和應急仿真模擬功能。在后期運營維護階段,基于BIM技術的運營維護平臺對于裝配式建筑構件的信息化管理和實時數據監測作用巨大。但裝配式鋼結構建筑結合BIM技術,正在引領建筑運行維護從傳統模式向全新的運維模式過渡,終將徹底淘汰傳統模式,并提升裝配式建筑的整體品質和水平。


    3 全專業協同一體化技術


    裝配式建筑是由結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統4個子系統組成,它們既是一個各自完整獨立存在的子系統,又共同構成一個更大的系統,也就是建筑工程項目。每個子系統是裝配式,整個大系統也是裝配式。結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統等各個子系統由若干構配件、部品部件等更小的子系統組成[18]。為此,提出了如圖5所示的技術實施細則,以實現設計中結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統等4大系統之間及系統內部的協同、集成設計和構造一體化,從而提高設計階段的工作效率,縮短設計周期和建設工期,減少資源浪費。


    圖5 全專業一體化協同原則


    Fig.5 Collaboration principles of professional integration


    3.1 全專業協同一體化關鍵技術


    通常來講,建筑設計工作從概念方案到初步設計、施工圖設計,再到詳圖設計,最后到實體落成投入使用,是由很多參與者共同合作完成的。這些參與者與建筑設計的關系或近或遠,對最終建筑呈現的結果也起到直接或間接作用。從參與者與建筑設計的關系來看,由近及遠我們可大致分為自身參與者、密切參與者、相關參與者、關聯參與者、涉及參與者5個層級。由于建筑設計一體化的參與者眾多,為了確保在實施過程中一體化能夠良好落地,需要在3個維度上給予約定,即理念認知、設計實施與管控體系,如圖6所示。


    圖6 建筑設計一體化的維度和形成


    Fig.6 Dimension and formation of architectural design integration


    裝配式建筑應利用包括信息化技術手段在內的各種手段進行建筑、結構、機電設備、室內裝修、生產、施工一體化設計,實現各專業間、各工種間的協同配合。在裝配式建筑設計中,參與各方都要有“協同”意識,在各個階段都要重視實現信息的互聯互通,確保落實到工程上所有信息的正確性和唯一性[19]。實現協同的方法很多,有項目周例會制度,全部參與方通過全體會議和定期溝通、互提資料等方式進行協同;也有基于二維CAD和協同工作軟件搭建的項目協同設計平臺;還有基于BIM的協同工作平臺等[20]。


    3.2 協同一體化設計基礎


    裝配式建筑全專業協同一體化設計基礎主要包括三個方面:模數與模數協調、模塊與模塊組合和標準化產品。這三個方面相互之間存在遞進和交叉關系,它們共同構成協同一體化設計實現的必經之路。


    《建筑模數協調標準》(GB/T 50002—2013)[21]中規定,基本模數的數值應為100mm(1M等于100mm),整個建筑和建筑物的一部分以及建筑部件的模數化尺寸,應是基本模數的倍數。因而需要考慮模數協調,即有規律的模數之間的配合和協調。采用基本模數或擴大模數,做到部品部件的設計、生產和安裝等尺寸的相互協調?!督ㄖ祬f調標準》(GB/T 50002—2013)[21]建筑物的開間或柱距、進深或跨度、梁、板、隔墻和門窗洞口寬度等分部件的截面尺寸宜采用水平基本模數和水平擴大模數數列,且水平擴大模數數列宜采用2nM、3nM(n為自然數)。


    裝配式鋼結構建筑應采用模塊及模塊組合的設計方法,遵循少規格、多組合的原則;住宅建筑采用樓電梯、公共管井、集成式廚房、集成式衛生間等模塊進行組合設計;公共建筑采用樓電梯、公共衛生間、公共管井、基本單元等模塊進行組合設計;部品部件采用標準化接口[22-24]。


    裝配式建筑宜在適合的部位采用標準化的產品,拓展協同一體化的產業鏈條?,F行國家標準《裝配式鋼結構建筑技術標準》(GB/T 51232—2016)[25]等都給出了相應規定,關于鋼結構住宅用熱軋型鋼構件、冷成型鋼構件及其組合構件的工廠化生產和設計選用可參考2020年8月住建部發布的《鋼結構住宅主要構件尺寸指南》[26]。另外,建筑使用功能空間的分隔、內裝修與內裝部品是建筑中比較適宜采用工業化產品的部位。


    3.3 協同一體化設計階段研究


    在裝配式建筑設計過程中,可將設計工作環節細分為以下5個階段:技術策劃階段、方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段以及部品部件加工圖設計階段。裝配式建筑詳細設計流程可參考圖7。


    圖7 裝配式鋼結構建筑設計流程圖


    Fig.7 Design flow of prefabricated steel structure buildings


    BIM技術是優化和實現裝配式鋼結構建筑一體化設計的主要手段。在建筑工業化中引入BIM技術,實現預制構件的模塊化設計。同時在項目進程中可以進行多專業協同作業,通過物聯網、云端等數據識別及網絡技術,實現不同階段的參數化信息交換和共享。


    4 全產業協同一體化技術


    建筑業全產業鏈是投資、開發→施工→整個構配件的生產、物業管理→更新、維護、改造→重建的綜合系統,整個系統都是建筑行業全產業鏈內容。同時它又是個大系統,包括所有建材的產品,所有參與的主體。裝配式鋼結構建筑產業鏈上游涉及鋼鐵、水泥、木材等原材料生產企業,以及為裝配式鋼結構建筑服務的研發、標準制定、人才培養等;中游涉及設計、生產、物流、施工;下游涉及運營與維護。


    4.1 技術鏈協同一體化


    在一體化建造技術研究的基礎上,搭建了覆蓋設計、生產、安裝和運維的一體化建造平臺——“寶數云”平臺,實現了技術鏈的一體化協同。


    云平臺的第1步,搭建寶鋼數字化設計云平臺——BIM云平臺(“寶數云”),為裝配式鋼結構建筑的設計和施工管理提供信息流和后臺支持,進行建造全過程一體化的集成。平臺將硬件資源集中在后臺機房,用戶通過網絡訪問客戶端,調用硬件資源;軟件層面,采用虛擬化技術,并布置Windows桌面端,在此基礎上集合Autodesk CAD、Autodesk Revit、YJK、MIDAS等一系列設計軟件,供設計人員在平臺自由使用。平臺的架構分為數據服務層、應用層和操作層,如圖8所示。云平臺建設的二期,即對云平臺繼續進行項目實施方面的內容擴充,在設計協同的基礎上,基于全過程一體化建造的方法,將功能覆蓋至項目實施的BIM模型、資料管理、協同管理、質量管理、安全管理、進度管理、二維碼管理等方面。


    圖8 云平臺架構


    Fig.8 Structure of cloud platform


    4.2 供應鏈協同一體化


    數字化供應鏈可實現建筑全過程、全要素、全參與方的數字化、在線化、智能化的全體系新生態。在數字設計環節,實現設計師與供應商的連接,設計方進行可視化設計在線選材,供應商可以實現品牌有效傳播,獲得早期商機,提早安排生產計劃;在數字成本環節,實現成本預算與供應商的連接,基于項目總預算圈定品牌、廠家及材料品種;在數字施工環節,根據施工進度進行按需生產,避免庫存積壓及浪費[27]。


    4.3 產業鏈信息化管理和協同


    數字化不僅能夠推動裝配式鋼結構建筑產業的轉型升級,它背后的理論范式也能推廣到整個建筑產業的轉型升級,其本質可概括:傳統產業+(三全/三化)=新產業(新生產力+新生產關系)。即傳統建筑產業從全要素(空間維度)、全過程(時間維度)、全參與方(組織的維度)三個方面進行解構,再通過數字化、在線化、智能化進行重構,形成新的生產對象,即實體建筑和數字虛體建筑。并產生新的生產要素,大數據和云算法成為新的生產資料。


    數字化技術可以應用在:(1)設計領域。包括:信息共享,即基于BIM平臺,明確每個專業項目的設計準則、流通流程和接口,實現三維協同共享與設計;基于部品的標準化族庫,即以全產業鏈為中心建立裝配式鋼結構建筑標準部品族庫,提高輕鋼部品從標準設計、生產加工、物流運輸到現場裝配的效率。(2)施工領域。包括:優化施工工藝,即借助BIM三維模型將施工計劃和工藝技術的相關數據信息建立關聯;施工管理,即施工現場的建筑規劃布局、建筑結構、道路和機械設備等;信息追溯與共享,即結合FRID技術,通過對移動終端設備的使用實現從設計、生產到運輸的信息共享。(3)一體化平臺。數字化管理平臺構建,即借助BIM模式完成裝配式鋼結構建筑項目一體化的數字化管理平臺建設,統一管理相關數據,為設計、生產、安全到維護集成的全過程提供包含項目籌劃、方案設計、生產施工、項目運維在內的整體服務。


    5 一體化集成建造評估體系


    建筑產業的發展離不開有效的管理、評價手段,為此國家先后出臺了《工業化建筑評價標準》(GB/T 51129—2015)[28]、《裝配式建筑評價標準》(GB/T 51129—2017)[29],地方上也有相關標準,如上海市的《工業化住宅建筑評價標準》(DG/T J08-2198—2016)[30]。這些標準在一定程度上形成了工業化建筑的評價依據,但關于裝配式鋼結構的評價依據針對性偏弱,另外標準以“工業化”程度為目標,對于形成高水平的工業化建筑導向性不強。


    5.1 現有評價規范和研究的特征


    2016年1月1日正式實施的國家標準《工業化建筑評價標準》(GB/T 51129—2015)[28]是總結建筑產業現代化實踐經驗和研究成果,借鑒國際先進經驗制定的我國第1部工業化建筑評價標準,也是針對我國民用建筑工業化程度、工業化水平的評價標準。標準主要特點如下:①明確了標準適用于民用建筑的工業化程度評價;②首次明確了“預制率”和“裝配率”的定義;③明確了相關規定,即申請評價的工程項目應符合標準化設計、工廠化制作、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理的工業化建筑基本特征;④明確了參評項目的預制率不應低于20%、裝配率不應低于50%的基本要求。


    2018年2月1日實施的國家標準《裝配式建筑評價標準》(GB/T 51129—2017)[29]是在總結《工業化建筑評價標準》(GB/T 51129—2015)[28]的實施情況和實踐經驗的基礎上,參考有關國家標準和國外先進標準相關內容,開展了多項專題研究,并在廣泛征求意見后編制的。該標準主要解決兩個方面的問題,一是裝配式建筑的認定,二是裝配式建筑的評級。明確裝配式建筑應同時滿足下列要求:①主體結構部分的評價分值不低于20分;②圍護墻和內隔墻部分的評價分值不低于10分;③采用全裝修;④裝配率不低于50%。標準適用于評價民用建筑的裝配化程度,且采用裝配率評價建筑的裝配化程度。


    上海地標《工業化住宅建筑評價標準》(DG/T J08-2198—2016)[30]在編制過程中,注重于國家標準《工業化建筑評價標準》的協調性,評價指標涵蓋工業化住宅建造的全過程,在具體內容上又充分體現上海地方特色。


    但現有評價體系以工業化程度為導向,忽略了政策需求、產業需求與用戶需求之間的內在聯系,同時“率”的追求與“質”的保障存在脫節,另外關于裝配式鋼結構建筑評價的針對性較弱。


    5.2 “工業化建造程度”的新評價體系


    本文嘗試提出一種主要針對裝配式鋼結構建筑的新的評價體系理論框架。該框架具有以下特點:①總體原則:改變“工業化程度”(或“裝配式”程度)評價為“工業化水平”評價,將追求形成工業化產品的一階段評價向追求“好的工業化建筑產品”二階段過渡;②從政策需求為主向政策、產業、用戶多重需求的有機協同過渡;③從“二率”向“有效三率”過渡。即調整預制率的概念,解決非混凝土材料的適用性;增加集成率的概念;提出各“率”的有效性概念,增加折減因子系數;增加裝配界面的處理方案和效果評價;④針對不同鋼結構體系建筑,給出針對性和協調性評價方案;⑤改進設計、建造和管理集成化效果的評價方法。圖9給出了工業化建造程度的新評價體系的評估系統及軟件的邏輯框架。


    圖9 評估系統及軟件的邏輯框架


    Fig.9 Logical framework of the evaluation system and software


    5.3 一體化評價方法和指標


    裝配式鋼結構體系建筑一體化集成建造評分總分值可按式(1)計算:



    式中:S為裝配式鋼結構體系建筑一體化集成建造總分值;Ai為i項評價指標權重;Si為i項評價的分數。分數設定參考表1,其中Sia為評價項的設定總分值。



    5.4 一體化評估軟件開發


    開發了裝配式鋼結構體系建筑一體化集成建造評價軟件,該軟件主要創新點包括:①改變“工業化程度”評價為“工業化水平”評價,將追求形成工業化產品的一階段評價向追求“好的工業化建筑產品”二階段過渡;②從政策需求為主向政策、產業、用戶多重需求的有機協同過渡;③從“二率”向“有效三率”過渡;④改進設計、建造和管理集成化效果的評價方法;⑤實現線上多人同時評價,自動生成評估報告。


    該在線評估系統后端框架為Spring Boot,用Java語言編寫,前端框架為Vue,用Javascript語言編寫,適合小型網站開發?;緦崿F了裝配式鋼結構體系建筑一體化集成建造評價功能,可對建筑體系進行全過程、全專業、全產業等多維度評價,可實現線上評價,并生成評價報告。


    6 低多層裝配式鋼結構體系建筑基于產品模式的智能建造平臺


    6.1 技術邏輯


    本文提出了輕鋼龍骨建筑全過程(設計、生產、安裝、運維)、全專業(建筑、結構、水暖電)、全產業(技術、管理、市場)一體化建造模式。在一體化建造模式下用戶只需對接一體化建造平臺的集成師,無需專業的技術和管理知識,用戶需求確認后一體化建造平臺將考慮全過程、全專業、全產業三個維度的技術需求,完成傳統建造模式的設計、采購、施工、驗收等專業環節,最終交付滿足工程建設要求的建筑。并開發了針對輕鋼龍骨體系建筑的一體化建造平臺。一體化建造平臺由U3D建模系統、網上商城、數字建造、智建APP 4大功能模塊組成,如圖10所示。具有以下技術特點:①基于產品化部品的正向設計理念,是產品化的工程項目,基于全過程BIM協同的數字建造,實現房屋產品的工程化;②由BIM驅動,BIM部品庫,設計、采購、加工、施工數據BIM化;③平臺由高度密集的技術支撐,在數字化模型的基礎上,可以針對任何環節提出的需求開展約束優化建模和優化分析,實現對用戶操作的“零技術”要求。


    圖10 基于產品模式的一體化建造


    Fig.10 Integrated construction based on product mode


    6.2 關鍵技術研究


    (1)基于Unity 3D平臺的建模系統(以下簡稱U3D)。本文針對輕鋼龍骨建筑開發了一套基于U3D的建模系統。用戶可以在U3D建模系統創建多個場景,每當用戶創建好場景后,網頁上也會對應出現一個項目,用戶可以在U3D界面及網頁上同時查看、修改、升級產品模型。


    (2)基于U3D的專家審核系統開發。用戶在U3D建模系統通過人機交互界面向服務器提交建筑產品的模型文件,服務器端接受信息后進行相應的處理,提取出其中的設計參數,并將結果存儲到數據庫中,再進行產品設計配置獲得產品的BOM清單。通過標準化及大規模定制的策略形成墻體、樓蓋和屋蓋部品庫,并依據上述規范以及廠家提供的相關參數,計算出幾何、力學、物理等性能,作為BIM部品數據庫。


    (3)部品及供應鏈建設。將部品的信息分為通用信息、專用信息、狀態信息與其他信息。其中,通用信息為與某幾個或全部參與方密切相關的信息;專用信息是指與某個參與方密切相關的信息,包括設計方、生產方、施工方與使用方信息;狀態信息為表示部品是否正在生產、運輸與安裝,信息的值為“是”或者“否”;除通用信息、專用信息與狀態信息之外的信息為其他信息。部品編碼采用通用碼、專用碼與個體標識碼的編碼形式對輕鋼龍骨住宅部品進行標識。通用碼使設計師在住宅設計中正確選用部品;通用碼和個體標識碼使住宅部品能夠像商品一樣在市場上自由流通,并實現了對部品的唯一標識,使住宅部品在其生命周期中可被追溯,如圖11所示。


    圖11 工業化輕鋼龍骨住宅部品編碼


    Fig.11 Coding for industrialized light steel stud components


    (4)BIM驅動的后臺優化與數字建造。在用戶下單后,即可自動生成房屋的基于BIM數字模型?;谠摂底帜P?,配合相關供應鏈分布、物流、部品信息等,即可基于各環節提出的要求,形成約束優化的模型,選擇合理的優化算法或進行改進,開展各類優化分析。譬如典型覆板排板優化、基于供應鏈采購優化、施工優化、全局優化,等等。


    (5)BIM驅動的現場建造。BIM驅動的智建APP是數字化建造的延伸,用于在項目實施階段,接收、解析并處理來自“一體化建造平臺”云端的數字建造的信息。得到建造任務(基于全信息BIM模型數字指令)的智建APP從“一體化建造平臺”云端讀取對應的產品建造數據模型,以及項目相關的文本文件。


    (6)BIM驅動的品控與運維技術。包括質量管理模塊的工作機制,即施工人員在進行工程施工時,根據基于全信息BIM模型數字指令的APP質量管理模塊中的工程質量控制文件要求進行相關施工操作,確保施工過程和質量符合規范;運維技術,即將針對性強,具有智能化和參數化的全信息BIM數據儲存在云端,通過交互界面可以有效支持建筑后期有計劃、有步驟、高效的設施運維管理、物業租賃、設備應急管理和運營評估等建筑運營維護信息化應用。


    6.3 一體化建造平臺開發


    一體化建造平臺IT框架如圖12所示。由U3D建模系統、智慧商城、數字建造、智建APP 4大功能模塊以及1個服務器后臺組成。


    圖12 一體化建造平臺IT框架


    Fig.12 IT framework of integrated construction platform


    7 多高層裝配式鋼結構體系建筑基于EPC模式的智能建造平臺


    7.1 技術邏輯


    多高層裝配式鋼結構建筑是由結構系統、外圍護系統、內裝系統和設備管線系統集成的成品建筑,每一棟裝配式鋼結構建筑都將帶動幾十個行業、100多個門類建筑部品構件的生產企業,只有實現全專業協同一體化,突出專業配套、系統集成,才能更好地體現裝配式鋼結構的優勢。本研究以項目擬產業化的多高層裝配式鋼結構體系建筑為代表,開發集成且符合各參與方需求的智能建造共享平臺。


    在設計階段,充分利用BIM的可視化、參數化、共享性和可管理性等特性,提高設計能力;在采購交易階段,通過BIM進行快速、精確的工程量計算,進行科學的計價;在施工過程階段,充分利用BIM模型,集成進度、成本信息形成5D模型,輔助現場管理的精細化。全過程一體化智能建造平臺具有以下特點:①以智慧模型體系為核心,實現設計施工在線化;②以部品部件體系為核心,實現地域經濟平臺化;③構建平臺運營能力,形成社會化工作平臺。


    7.2 平臺功能模塊


    (1)設計階段——多方協同設計平臺。建筑產品按照層級進行體系劃分,如圖13所示。第1級為完整的建筑產品模型,它集合了巖土工程模型、結構模型、外圍護模型、內墻模型、機電模型、裝飾裝修模型6大系統模型,是建筑產業工業互聯網平臺中的核心產品模型。第2級產品模型,一般按照建筑的專業組成劃分出不同類別的模型,例如標準層模型、非標準層模型、地下結構模型、劃分專業的整體模型等。第3級產品模型,稱為族模組模型,它由特定工藝的部品部件組合而成,是平臺中的最小產品單元。第4級產品模型為部品部件模型,一般由部品供應商直接創建并上傳至平臺進行審核,通過后進入平臺部品資源庫,是平臺中最小的操作單元。


    圖13 建筑產品4級模型體系


    Fig.13 Four-level model system for building products


    平臺搭載課題自主研發的第1款擁有國產自主知識產權,覆蓋建筑設計、部品供應和智能建造全生命周期BIM集成軟件,該軟件在設計階段覆蓋建筑設計、結構設計、MEP和裝飾裝修全專業設計功能??梢詫崿F調用部品族和族模組快速搭建模型,同時提供參數化建模功能,在軟件中輸入基礎參數,系統快速完成模型創建。平臺上兼容常用的BIM軟件,可以實現數據的無損轉化。


    (2)施工階段——虛擬施工管理平臺。虛擬施工管理平臺(圖14)以BIM輕量化引擎為核心,將建筑產品信息模型以及地形地貌模型、塔吊、電梯視頻攝像頭等設備模型組成的工地完整三維模型進行輕量化處理,使得在瀏覽器端就能瀏覽,并且工地實時數據通過數據協議接口從傳統物聯網管理平臺輸出到BIM虛擬施工管理云平臺;BIM虛擬施工管理云平臺端能夠將接收到的設備運行信息實時反映到工地三維模型中。


    圖14 虛擬施工管理平臺


    Fig.14 Virtual construction management platform


    虛擬施工管理平臺包含了BIM模型管理、項目應用、組織架構管理、方案設置管理、流程模板管理、物料驗收、工程云盤、進度管理、協同管理等功能,同時集成了遠程視頻監控系統、勞動力租賃系統。


    7.3 建筑產業工業互聯網平臺系統架構


    建筑產業工業互聯網平臺給出了一套基于平臺的解決方案(圖15),包括:


    (1)共享數據層設計。將各類業務系統數據通過規則引擎按類型、動態、靜態等規則分布式存儲,通過大數據進行清洗與計算,將結果通過智能化方式服務于各業務系統。


    (2)平臺運營服務層設計。運營數據交換平臺的定位和價值在于幫助建筑產業建立共享統一的數據交換平臺,提供產業聚集能力、協同治理能力、公眾服務能力,專業能力聚焦、產業數據拉通、產業數據融合。


    (3)共享社會類服務層設計。管理SaaS化、集中化、標準化、專業化,提供財務、人力資源、法務、采購行業咨詢等服務和應用開放平臺,匯聚社會資源,形成云上虛擬企業,共筑行業生態環境、服務市場和應用開放平臺。


    (4)核心業務類服務層設計。包括BIM模型全信息管理中心,提供支持設計軟件類服務、核心業務中心服務、支持模型查詢類服務、模型可視化類服務接口;項目中心,提供項目需求管理、項目進度管理、項目監控、項目空間管理微服務功能組件;設計管理中心,提供設計軟件接口、第3方設計系統集成、建設施工中心接口、構件中心接口、上層應用接口、項目管理中心接口;建設施工中心,提供物料管理、設計變更、進度管理、施工管理、質量管理、現場協同、成本管理、安全管理、人員管理、系統管理功能;構件中心,提供構件訪問服務、運營數據服務、供應鏈服務、設計師市場訪問服務接口構件廠商功能;運維中心,提供模型類、住戶類、物業服務類、物業品質類、物業運維類、設備運維類、能耗類、應急響應類接口,業主、租戶、物業客服人員、物業維修人員、承建商、供應商通過桌面Web應用和移動終端APP接入;政府服務中心,提供模型類、項目管理類、服務調用日志類、服務運營類、數據文檔類、審核與檢驗過程數據類接口,為建筑類企業、政府審批部門人員、政府質檢人員提供服務。


    圖15 平臺系統架構


    Fig.15 Framework of the platform system based on EPC mode


    8 結論與展望


    本文以裝配式鋼結構體系建筑為例,研究其在建造全過程、全專業、全產業的一體化建造關鍵技術及一體化建造評估體系,開發了低層裝配式鋼結構體系建筑基于產品模式以及多高層裝配式鋼結構體系建筑基于EPC模式的一體化建造平臺。最后,通過二類示范工程驗證了所開發的一體化建造平臺的合理性和高效性。但在以下方面仍需要進一步研究完善:


    (1)全過程一體化方面。部品部件庫尚處于不斷開發的狀態,部品部件庫標準有待完善,以便于與其他平臺、系統的對接;一體化部品部件的生產技術雖已基本建立,但標準化程度不高,需要結合一體化設計進行標準化工作以提高效率。目前只是進行了幾種典型部品部件的一體化生產實踐,尚未做到對所有部品部件的覆蓋;現場的一體化施工安裝工藝需要進一步優化;一體化運維的技術框架已經形成,但實際應用尚處于起步階段,需要進一步結合需求進行實踐和開發。


    (2)全專業一體化需要從以下幾方面加強:工業化生產大趨勢要求建筑產品的設計、生產、裝配一體化,要研發優化標準化設計,利于工廠自動化、加工規?;?,優化連接節點設計,利于現場裝配簡易化、高效化,要研發利于生產和裝配的結構設計技術體系,要研發與構件設計相協同的自動化加工技術;建立信息共享平臺,實現設計信息與加工、裝配、運維的信息交互和共享,避免信息二次錄入和傳導、降低工作效率、規避信息傳導失真等問題,實現設計-加工-裝配一體化協同控制。


    (3)全產業一體化方面。需建立成熟完善的技術體系、與之相適應的管理模式以及與技術體系、管理模式相適應的市場機制,營造良好的市場環境。推行技術、管理、市場一體化,要堅持“技術、管理、市場一體化”,發揮技術支撐作用,增強管理創效能力,加快市場化發展進程。


    (4)一體化建造評估體系。加快建立、健全鋼結構裝配式建筑一體化集成建造的綜合評估與懲罰激勵掛鉤的機制,加強政策引導,改變單一的裝配化程度目標追求,以適用、經濟、綠色、美觀的綜合原則為指導,探索構建全專業、全過程、全產業各主體方的裝配式建筑命運共同體模式,彼此協同,共促產業健康發展。


    (5)一體化建造平臺需進一步加強建筑體系及其部品標準接口開發,積極拓展供應鏈,推進開發數字建造模塊,通過更多工程案例應用來檢驗平臺及技術的廣泛適用性,進而向行業推廣基于產業互聯網平臺的一體化建造平臺及其建造模式。


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    (編輯:奚雅青)


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    [責任編輯:Susan]

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