基于BIM的钢筋深化设计与智能加工技术研究

发表时间:2020-04-26 08:38作者:余芳强,曹强,高尚,李城来源:上海建工四建集团有限公司

摘要针对目前钢筋人工翻样和加工过程严重依赖人员经验和劳动力投入的问题,研究了一种基于BIM的钢筋深化设计与智能加工技术。该技术采用BIM软件完成钢筋BIM建模、分析和优化,通过二次开发的接口导入工厂管理信息平台,生成二维码格式钢筋加工单,钢筋加工设备可通过扫描二维码自动录入钢筋信息,实现智能加工。应用实践表明,该技术可提高钢筋翻样和加工的效率,减少人工成本,避免施工现场二次加工带来的噪声和材料浪费等问题,提高绿色施工和综合管理水平。

关键词:BIM钢筋集中加工;建筑工业化

5年来,随着劳动力成本的不断上升,绿色施工要求越来越高,以预制装配式混凝土结构为代表的工业化建造技术成为建造业最热门的技术之一。其中,钢筋深化设计、加工是预制混凝土构件生产的重要环节,直接影响预制构件生产质量和成本。由于传统钢筋加工方式主要依靠工人手动加工,生产效率低、精度难以控制,因此越来越多的预制构件厂配备了钢筋自动化加工设备。该设备可进行钢筋调直、弯曲、剪切和绑扎等工作,加工精度和生产效率较高,且减少了预制构件生产成本。对于非装配式项目,施工现场钢筋加工模式由于噪声大、占地多等因素将逐渐被钢筋集中加工和配送模式替代。

目前预制构件厂或钢筋加工中心的钢筋深化设计和加工的自动化程度仍较低,采用传统的钢筋翻样方法,打印成钢筋料单,手动录入到钢筋加工设备,完成钢筋加工。该方式人工成本高、效率低,并且对于复杂构件容易出现钢筋冲突,绑扎时需要二次加工,费时费力。

针对以上问题,本研究提出一种基于BIM技术的预制构件钢筋深化设计与智能加工技术,通过基于BIM的三维深化设计保障钢筋翻样质量,避免冲突;通过二次开发,根据钢筋模型自动生成钢筋加工单,直接导入钢筋加工设备进行自动加工,减少劳动力投入;通过综合管理信息平台对生产计划、材料使用和仓储物流进行统一管理,提高工厂生产效率和管理水平。

1基于BIM的预制构件钢筋深化设计与智能加工技术路线

本研究提出的预制构件钢筋深化设计与智能加工技术路线如图1所示。首先,根据施工图纸应用BIM建模软件创建钢筋模型,完成基于BIM的钢筋深化设计;通过对BIM建模软件二次开发,形成钢筋数据接口,根据钢筋模型导出钢筋翻样单,用于确认钢筋加工订单;工厂管理平台通过导入钢筋翻样单,自动生成钢筋加工单,用于录入加工设备进行钢筋加工。最后,钢筋加工设备直接读入钢筋信息自动形成钢筋成品,用于绑扎钢筋模块。以下将详细介绍各项技术和系统的实现方法。

图1:技术路线.png

1:技术路线

2基于BIM的钢筋深化设计

2.1基于Revit的钢筋深化设计模型创建

常用的钢筋建模软件包括Allplan、Tekla、Revit等,Revit以其普及性和经济性成为目前应用最多的钢筋建模工具。同时Revit拥有丰富的API接口,可扩展性好,易实现与工厂管理平台的数据传递。本研究在总结基于Revit的钢筋深化设计模型创建经验基础上,形成了钢筋深化设计指南,包括准备工作、钢筋建模和碰撞优化三大步骤(见图2)。实际钢筋深化设计过程中,由专业钢筋翻样员在“指南”指导下,结合其翻样经验和实际需求,完善钢筋的建模流程。

图2:Revit的钢筋深化设计流程.png

2:Revit的钢筋深化设计流程

一方面,基于Revit二次开发了钢筋数据导出接口,可将钢筋BIM模型导出钢筋翻样单,用于导入加工设备钢筋加工;另一方面,也可与传统钢筋翻样工作流程融合,避免工作流程的变化。在研究过程中,通过BIM模型导出的翻样单和人工翻样单对比发现,通过BIM深化设计建模完成钢筋翻样完全可以达到甚至超越人工翻样的准确性和效率。

通过不断积累构件钢筋模型库,并基于此进行二次开发,可以充分共享构件钢筋库,以便再次遇到类似构件时,可以快速以此构件库为参照,迅速建立构件钢筋模型。

2.2基于Navisworks的钢筋碰撞检测分析和绑扎模拟

将钢筋模型导入Navisworks中,通过碰撞检测分析钢筋之间存在的冲突问题,也可分析钢筋与预埋件、吊点、构造筋等的空间冲突,从而提前优化设计,避免绑扎过程中二次加工(见图3)。

图3:钢筋碰撞分析.png

3:钢筋碰撞分析

另外,结合钢筋绑扎流程,可进行钢筋绑扎过程模拟,通过可视化手段分析和优化绑扎过程,并对工人进行交底。由于同一类型预制构件钢筋绑扎工艺需要重复若干次,因此模拟、分析、优化和交底的过程可以结合实际施工情况不断优化,从而提高工作效率。

3工厂管理信息平台

为支持预制工厂或钢筋加工中心对钢筋加工任务进行订单、生产、材料和仓储的信息化管理,本研究自主研发了预制工厂管理信息平台。该平台包括钢筋数据接口、钢筋生产任务规划、钢筋加工单生成、加工过程监控等模块,具体说明如下。

1)钢筋数据接口:通过解析BIM模型导出的钢筋翻样单,获取钢筋信息,生成钢筋加工任务,并将相关数据存入数据库。

2)订单导向的钢筋加工任务规划:钢筋加工控制信息平台可以根据工厂加工能力、加工需求和生产计划进行统一的调度安排,实行订单式管理模式,可以做到“统一采购,统一生产,统一堆场,统一出厂”。信息平台通过合理规划加工订单,制定最佳加工次序。

3精确控制加工生产:通过信息平台导出的加工单,上面附有各种类型钢筋的二维码,钢筋自动加工设备通过扫描相应二维码可以自动将钢筋信息录入,并进行钢筋的精准加工(见图4)。

图4:二维码形式钢筋加工单.png

4:二维码形式钢筋加工单

4)应用二维码监控钢筋状态:钢筋模型建立后,会对应生成唯一的身份标识二维码,身份标识二维码包含钢筋的几何信息和所属的构件信息,通过扫描标识二维码,可以准确监控钢筋的加工、堆场、出厂、绑扎、浇筑等状态。

4基于BIM的钢筋智能加工技术

钢筋自动化加工设备可通过扫描信息平台生成的钢筋单中的二维码读入钢筋信息,然后自动选择钢筋原材料,完成钢筋调直、弯曲、剪切、收集等工作(见图5)。目前主流的钢筋自动加工设备,如意大利MEP钢筋弯剪中心,均支持通过扫码录入BVBS格式的钢筋信息。BVBS格式描述的钢筋信息,包括构件名称和钢筋的编号、等级、直径、几何形状、数量等信息,钢筋自动加工设备通过扫描二维码可以获得钢筋加工所需的所有信息,然后自动生成钢筋成品,无需人工录入等操作。

图5:BIM的钢筋智能加工技术.png

5:BIM的钢筋智能加工技术

钢筋加工设备在加工钢筋过程中,可通过网络将使用的钢筋原材料信息反馈到工厂信息管理平台,从而集成钢筋原材信息。加工完成后,将加工单上的二维码撕下作为钢筋成品的身份牌,用于后续的仓储、物流和交付过程监控,如交付客户时,通过扫码二维码表示该钢筋订单已交付,可在线生成支付凭据,实现在线支付和成本管理。

5工程应用

本研究在某全预制高架路工程中进行应用验证,该工程地面以上主体结构采用全预制方法建造,所有预制构件的钢筋在工厂进行集中加工,承台、桩基等非预制构件的钢筋也有工厂集中加工和配送。该工程总长约1.5km,承台共2种,立柱4种,盖梁3种。

应用过程中,首先运用Revit分别建立2个承台、4个立柱和3个盖梁等的钢筋BIM模型;接着通过碰撞检测、长度分析和空间位置分析,与设计图纸进行比对,纠正其中不合理之处,优化设计图纸,最终完成钢筋深化设计;然后利用自主开发的Revit插件,自动导出钢筋翻样单和下料单,包含钢筋的长度、弯曲角度和弯曲直径等具体信息。导出的BIM翻样单与人工翻样的信息对比见图6,基本一致。

图6:BIM翻样与人工翻样结果对比.png

6:BIM翻样与人工翻样结果对比

将钢筋翻样单导入工厂信息管理平台,生成钢筋生产任务和二维码形式的钢筋加工单,交付工人进行钢筋加工。工人直接扫描即可完成录入,减少钢筋加工过程中人工操作30%。加工完成的钢筋形状、尺寸与BIM模型中完全一致,如图7所示,误差在2mm以内。

图7:钢筋加工成品与BIM模型的对比.png

7:钢筋加工成品与BIM模型的对比

6结语

针对预制构件人工钢筋翻样和加工存在的问题,研发了一种基于BIM的钢筋深化设计与智能加工技术和系统,应用实践表明:

1)应用Revit等BIM建模工具可以实现钢筋的自动化翻样,极大地提高了钢筋的翻样效率,降低了钢筋翻样对经验的依赖,便于推广。结合Navisworks等软件对钢筋模型进行碰撞检测和绑扎模拟,可以提前发现设计方案中存在的问题,避免绑扎过程中的二次加工,提高绑扎效率。

2)通过打通BIM模型与钢筋加工设备的对接,可实现钢筋智能加工,减少了人工录入工作,避免了人工操作误差,降低了人工成本,加工质量得到保障。

通过连接钢筋加工设备、采集钢筋加工信息,可支持工厂的加工过程监控、材料管理;通过扫码二维码监控钢筋成品的仓储、物流和交付等过程,可提高管理水平、减少仓储积压。


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