BIM技术在机电安装中的综合应用

山西省工业设备安装集团有限公司

BIM技术在机电安装中的综合应用

驱动因素：提高施工效率 缩短整体工期

关注重点：建筑安装BIM+装配式项目

主要目标：绿色施工 提升品质

一、背景介绍：

随着国家大力发展装配式建筑，陆续出台了加快发展装配式建筑的实施意见等相关鼓励政策，全国、全行业呈现出高歌猛进、蓬勃发展的态势。

模块施工技术是一种高度集成、发展、应用BIM技术且基于装配式建筑理念的便捷绿色的新型机电安装施工方式。它是一种精细化加工与精细化管理的体现，在国内有着比较大的市场空间和广阔的影响力。

二、BIM技术在工程中的应用

以山西金能铜铟镓硒薄膜太阳能项目102#动力站机电安装工程为例。该项目的102#动力站工程是一座钢筋混凝土框架结构机房，建筑面积4235.15㎡，建筑高度8.3m。系统有冷却水循环系统，冷冻水循环系统，锅炉热水循环系统。

该项目从策划阶段、过程管理、专项应用等方面进行模型的收集归纳。在组织架构、实施方案、样板引路、施工工艺模拟、技术、安全交底等方面进行系统性的BIM技术应用。

1、方案基于BIM技术可视化交底

将BIM实施过程中不同阶段的项目模型源文件上传至BIM平台，进行模型轻量化处理保存，实现对工程进度可视化、工程量统计、物料状态跟踪、质安问题标准化等方面进行系统性的BIM管理应用。其中102#动力站系统包含冷却水循环系统，冷冻水循环系统，锅炉热水循环系统。

厂房投产工期紧是该工程的重点难点，通过BIM技术对102#动力站施工的工艺管道进行了模拟管线排布，结合管线综合走势，对管线安装进行了系统性的分析，制定了科学详细的装配化施工方法，确保了节点的顺利完成。

设备与部分或全部相关管道进行模块化，形成一个可运输及安装的有效整体。最终将模块运输至装配现场，进行现场模块之间的组对连接，整个装配现场酷似拼装乐高积木玩具的拼接，现场做到少焊接甚至无焊接，将多个模块单元机械拼装，完成整个机房的机电安装作业。

模块设备管道安装前对原设计设备基础进行深化设计，根据厂家提供的水泵图纸，增加了预留地脚螺栓孔位置。根据模块框架内的管道和模块框架的宽度，为保证排水沟在模块排污口正下方，将排水沟设计在水泵基础和框架条形基础的中间。

根据落地后的水泵图纸地脚螺栓的要求，加厚了设备基础，为保证原设计图纸中设备基础和地面的钢筋一体连接和所有设备基础的顶标高一致，最终将设备基础进行地面下延伸，增加两侧条形基础做为框架立柱承重基础。

2、深化设计图纸 合理安排施工计划

动力站涉及土建、管道、设备等多个专业。管道多、管线复杂、大型设备多、预埋件及预留孔洞多、交叉作业频繁。因此，科学安排施工工序极为重要。

基于BIM技术对管道进行了综合排布，结合了现场实际施工情况。采用将水泵及其配套阀组、管道、支架、设备集成于一体模块，最大程度降低现场组对能耗。模块在室外进行工厂化预制，等土建基础地面完成后，进行一次性的吊装运输及安装。

102#动力站BIM三维模型

通过BIM高精度模型，完美比对现场施工实体，确保设备基础、钢结构支架立柱、预埋件施工精确度，为下一步装配打好基础。

(1)模块框架形式的确认：

A 模块容量：针对重量不一的水泵、冷机、板换设备，以及各种规格、样式不同的管道如何建立模块。

B 模块样式：针对模块的预制，如何保证预制质量及施工进度。

C 管道法兰分段：针对大单重的模块实现运输及就位。

针对三个关键问题进行深入剖析，提出以下解决方案

图2.2.1 部分模块及部分法兰分段方法亲和图

(2)方案的分析认证

1确定模块容量

模块的容量是指模块中水泵以及其配管、支架、阀件的数量，模块容量以设备为基本单位，包含某台设备就要包含该设备(水泵)的配套组件，模块的容量直接影响到模块的大小。

我们根据水泵的外形尺寸(如图2.2.2)进行了分析绘制了模块容量比对表。

图2.2.2 单泵尺寸图

容量比对表 表2.2.1

容重 项目	单泵一模块	双泵一模块	三泵一模块
预计尺寸（长*宽）	2175*2450	（2175*2+600）*2450	（2175*3+600*2）*2450
模块长度	2175	2175*2+500=4950	2175*3+600*2=7725
是否采用	否	是	否

考虑到动力站为框架结构，站内结构立柱密集，利用BIM技术模拟了102#动力站现场设备运输回转半径，模块除高度以外任意轴向尺寸超7730mm将难以在动力站内完成方向调转。

图2.2.3 102动力站场内可周转半径图

通过分析比对最终选定模块容量为两台水泵以及其配套组件。

2 确定模块样式

模块样式需确认单元 表2.2.2

①框架结构设计

模块作为设备以及管道的安装依托，必然有其承重结构，考虑管道的荷载主要集中在管道支架上，构想在管道下方设置立柱，作为框架的承重结构(图2.2.4灰色部分)，同时为保证模块的整体性，将立柱之间用横梁焊接连接(图2.2.4红色部分)，形成模块的框架雏形。(见图2.2.4)

对模块框架建模，将水泵以及其管道放入模块中，发现水泵支管线与横梁发生碰撞(图2.2.5紫色部分)，遂将碰撞部分的横梁向外延伸(图2.2.6青色部分)，并在框架下层增设底座并与下层横梁焊接连接形成水泵基座(图2.2.7绿色部分)。最终模块框架样式得以确定(图2.2.7)。

②框架型钢选型

制作模块框架所采用型钢型号对框架的活荷载、稳定性起着决定性的作用。暂选[14a或[16a型号的槽钢作为框架主体材料，承重立柱采用双槽钢[ ]形式对焊制作，非承重横梁采用单槽钢形式。

③框架结构加固

利用BIM技术模拟结构在运输、运行过程中的稳定性，在模块的3个方向增设斜撑以确保模块在运输和运行过程中的稳定性(图2.2.8)，随后考虑到模块内设备检修方便，模块的斜撑均设置为栓接可拆卸形式。同时在模块的主要承重节点上加设加强筋板(图2.2.9)。最终用BIM出图，形成模块成品模型结构(图2.2.10)。

图2.2.8 斜撑安装示意图

图2.2.9框架加强筋板示意图(标红部分)

图2.2.10 模块成品模型

④框架减震处理

水泵安装形式为预留地脚螺栓孔并埋入地脚螺栓后二次灌浆的固定形式，现有模块设计构想中，水泵地脚螺栓需穿越水泵基座埋入基础，水泵与基座为刚性连接，基座与框架焊接在一起也是刚性连接，水泵的震动可能通过水泵基座传导至框架立柱上，这将影响到模块的稳定性。

基于BIM模型在减震问题处理上达成共识：将水泵基座型钢通过栓接的形式与框架下层连接在一起，栓接节点位置增设橡胶垫，在模块的预制过程中，将螺栓上紧，确保模块的整体性，待模块完成安装就位后，拆除螺栓以及橡胶垫，让水泵基座脱离框架，以阻断震动的传导(图2.2.11)。

图2.2-11 减震处理示意图

⑤框架基础连接

对模块框架与基础的连接形式进行深度BIM模拟，在基础施工过程中加入预埋件(预埋件见图2.2.12)，预埋件的位置设置与框架承重立柱落地点相对应(图2.2.13)，通过垫铁微调确保模块就位，并完成二次灌浆。

图2.2.12 预埋件简图

图2.2.13 预埋件布置简图

3管道法兰分段

在模块形式的设计构想出炉后，基于BIM设计了模块以外的管线，在合理位置增设了法兰，将管线分割成若干预制段并绘制模型图(图2.2.14)。

图2.2.14 管道法兰分段模型图

4 效果验证：

单纯采用BIM建模还需要搭配专业设计软件，将上述模块设计构想导入PKPMA软件并分别对[14a、[16a两种不同模型进行建模分析。数据如下

槽钢的选型对比 表2.2.3

	[14a				[16a
原理	采用16根[14a槽钢对扣焊接成8根柱子对模块框架进行支撑，根据水泵、管件、阀门、管道附件对框架的长、宽、高进行设计。				采用16根[16a槽钢对扣焊接成8根柱子对模块框架进行支撑，根据水泵、管件、阀门、管道附件对框架的长、宽、高进行设计。
计算依据	结构重要性系数	1.00	梁保护层厚度（mm）	20.00	结构重要性系数	1.00	梁保护层厚度（mm）	20.00
	钢构件截面净毛面积比	0.85	柱保护层厚度（mm）	20.00	钢构件截面净毛面积比	0.85	柱保护层厚度（mm）	20.00
	梁按压弯计算的最小轴压比	0.15	柱配筋计算原则	按单偏压计算	梁按压弯计算的最小轴压比	0.15	柱配筋计算原则	按单偏压计算
	梁按拉弯计算的最小轴拉比	0.15	柱双偏压配筋方式	等比例放大	梁按拉弯计算的最小轴拉比	0.15	柱双偏压配筋方式	等比例放大
	轴压比计算时考虑活荷载折减	是	柱、边缘箍筋级别	HPB300[270]	轴压比计算时考虑活荷载折减	是	柱、边缘箍筋级别	HPB300[270]
	框架梁端配筋考虑受压钢筋	是	梁箍筋间距（mm）	100.00	框架梁端配筋考虑受压钢筋	是	梁箍筋间距（mm）	100.00
示意图
数据结果分析依据	《高规》3.5.3条规定:A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%,不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%;B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。 结构设定的限值是80.00%。并无楼层承载力突变的情况
是否采用	不采用				采用

通过建模软件，最终模块框架制作型钢的型号确定为：[16a

通过BIM专业建模及力学分析，模块及法兰分段方法是：模块容量为两台水泵以及其配套组件;框架结构为使用[16a槽钢做框架主体，上横梁延伸，X型斜撑加固，栓接节点增设橡胶垫减震;钢板预埋件连接设备基础;将冷机类大型设备的配管进行合理法兰分割。

(3)模块运输方面

模块框架为5.4m*4.7m*3.1m，加上水泵和变径重达12吨，我们决定采用板台运输方案。运输板台采用20# H型钢焊接成5.6m*4.9m的板台，上面垫上一层10号钢板，四角安装M27号(等级：4.8级)的吊环螺栓，该型号螺栓单个承重8.38t(模块整体加板台为20t*1.5=30t)。根据吊车系数，通过可视化模拟吊装过程检查现场有无立体制约因素，验证了方案的可行性，顺利完成了吊装作业。

三维模拟吊车起吊

吊装运输进入室内后，相较于国内一般装配式机房不同的是，本项目单个模块框架长5.9m宽5.5m高3m，加上水泵和变径等重达12吨，经BIM过程模拟决定采用如图所示板台运输。

1、将预制拼装好的设备模块固定在专用的运输板台上，运输至机房现场，通过万向轮轴将板台和模块整体滑向设备基础。

2、预先设计好板台的顶标高和基础表面高度，使其保持一致，在模块和排架之间加入万向轮轴，推动模块使模块精准就位在设备基础上。

3、待模块就位后进行找平找正。找平找正以模块内的设备为中心，之后将模块之间进行法兰连接完成装配安装。

将项目的土建、结构、冷却系统、冷冻系统等BIM模型建立完成并上传，与进度进行关联，模型按照进度进行生长动画，与实际进度进行对比，分析找出关键线路滞后原因，有针对性的协调解决相关问题。

进度关联模拟

2.3业务数据集成，项目工程量统计。

专业模型整合：将不同阶段不同版本的项目模型源文件进行上传保存，并进行模型轻量化处理，在web端对模型进行浏览分析。

电子沙盘集成模型

工程量统计：模型按专业分类上传平台，工程净量相应统计完成，并将各构件属性进行提取，形成所需数据的读取和记录。完成项目信息数据收集和整体应用储存。并进行企业定额数据库建立，将项目材料、人工、机械消耗水平进行统计关联，针对装配式机房及时动态创建、管理维护和共享，将工程项目BIM模型集成在一个数据库中，建立起5D(3D实体+1D时间+1DWBS)关联关系数据库，创新装配机房的管理应用。

物料状态跟踪：经深化设计后形成图纸，包括综合布置图、设备布置图、模块预制加工图、管段预制加工图、支吊架预制加工图。在每张图纸的制作中，采用自主研发的二维码计算系统进行图纸二维码的制作追溯，提高了现场管理人员的图纸交底和装配工人查询的效率。

二维码上传平台

锅炉水系统 冷却水系统 冷却水系统

2.4 质量安全标准化管理

装配式模型库的建立：通过项目的逐步深入，在BIM族库内建立了安全文明标化模型库、装配式模型库，将建立的标准模型、架体结构、泵体及其他相关设备进行了统一上传留存。并对现场的质量管控和安全管控点进行手机APP的实施管控，处理标准对照相关质量安全管理标准、规范进行提取选择，对质安要求标准化管理。

三、经济、社会效益分析

3.1经济效益

施工单位：经统计，项目累计缩短工期34天，节约人材机25万元。其中BIM技术在装配化安装方面的应用效益明显，通过优化设计，创建合理模块框架模型，改原设计传统安装为装配式模块安装。

建设单位：与传统施工做法比较，BIM技术能让业主提前投产运营，建设规模为年产铜铟镓硒薄膜太阳能电池300MW，给业主带来了可观的经济效益。

劳务人员：通过应用BIM技术，使施工过程中减少了窝工、返工现象，劳务人员有效工作的时间增多，增加了收入，提高了劳务人员的积极性。

3.2社会效益

采用装配式机电施工方式在金能项目机房共计节省工期一月有余，直接使金能项目提前一个月进入投产状态，带来的良性循环效益不可估量。同时随着国家对环保工作的力度不断加大，装配式机电施工工程技术采用集中预制加工，现场装配化施工，其加工过程中的固、液、气态污染物容易收集处理，施工绿色安全。装配式机电安装工程技术在未来的规范化、高技术含量的建设市场上必有广阔的推广应用前景和影响力。

此外以BIM建模为核心的装配式机电安装形成的泵组单元装配装置及施工工艺，拥有较大的推广应用空间。

BIM技术的深化应用可以促进机电安装领域的变革和创新，BIM技术与其他领域的结合带来全新的领域升华，这种研发还有着广阔的空间。