BIM技术在住宅造楼机研发过程中的应用*

许国伟，雷全勇，吴业文，刘汉文

(中建三局第三建设工程有限责任公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

住宅造楼机是一款能满足全天候空中作业的新型轻量化住宅楼建造集成平台。由钢平台系统、支撑系统、动力及控制系统、模板系统、挂架系统、安全防护系统组成，并集成遥控布料机、可开合雨篷、自动喷淋装置、模板吊挂、精益建造等功能。

住宅造楼机集多种功能于一体，组成机构复杂，由3千多个装配式构件拼装而成。住宅造楼机构件加工、装配精度要求高，且设备与建筑物上的附着节点需匹配结构施工产生的正常偏差，附着节点构造须具有一定的偏差调节能力。住宅造楼机标准化、模块化设计要求高，设备自重与承载力均较大，而且长期高空运行对各节点的设计安全系数要求高。为解决以上问题，在整个研发过程中，以基于BIM技术的数字化、信息化、可视化为核心理念，开展设计、构件加工、安装维护工作，化繁琐设计为简单的搭积木组合，化抽象平面图纸为空间立体模型，精准设计、高效调整，圆满实现新型施工装备从理论到实践的落地。

1 基于BIM技术的装配式设计

1.1 标准化构件设计

住宅造楼机在研发之初就考虑到需满足后续周转使用，所有构件尽量采用可周转、可拆卸节点进行连接，并考虑其通用性。借助BIM技术进行空间装配模拟，分系统进行标准化零件的设计方案比选，最终确定挂座、轨道立柱、标准贝雷片、组装式阴阳头、挂架吊点等标准构件形式。标准构件设计也及时与相应专业厂家进行沟通，满足构件可加工型和可实施性要求。标准构件模型确定后，在住宅楼结构模型外围进行空间拼装，在不同形状、不同建筑面积的建筑单体间也能进行拼装使用，从而提高构件重复使用率，降低单项目造楼机使用成本。

住宅造楼机设计BIM团队共8人，6人采用BIM专业软件分工建模，1人总拼，1人校核，共完成住宅造楼机6大系统3 092个构件的三维设计工作，构件间的连接形式均为销钉、螺栓及卡槽连接等，杜绝了现场安装过程中的动火焊接作业，为现场绿色、安全、文明施工保驾护航。支撑系统装配如图1所示。

图1 支撑系统装配示意

1.2 基于BIM技术的支点方案设计

通过分析住宅楼结构平面形式，住宅造楼机在设计之初有10个支点(见图2a)及12个支点(见图2b)2种方案可供选择，2种布置选点均较合理，难以选择。设计团队通过BIM技术进行建模及受力计算分析，同等荷载条件下，12个支点方案有少量杆件应力比过大，钢平台最大位移矢量和为80mm；10个支点方案有较多杆件应力比超标，钢平台最大位移矢量和为100mm，而满足设计要求的位移极限值为90mm。最后，选择12个支点方案，通过BIM模型筛选出局部应力比过大杆件进行针对性加固处理(替换截面、增焊钢板等)，重新植入整体模型中进行计算分析，直至结构整体稳定性及局部杆件承载力均满足计算要求，最后将通过计算的模型进行杆件分解并提交厂家加工制作。

图2 支点方案设计受力计算分析模型

1.3 基于BIM技术的雨篷方案设计

重庆当地市面上成熟的雨篷基本只有跨度5m以内的产品，而与本住宅造楼机匹配的雨篷短向跨度通常在6～9m，且要求雨篷能经常性地开启与关闭，因此，雨篷方案设计为原创性设计。同样，设计团队借助BIM技术将雨篷构造设想进行可视化推演，选定2种方案进行比选：方案1为手动双导轨折叠式雨篷(见图3a，手动启闭，稳定性好)，方案2为电动伸缩式雨篷(见图3b，电动启闭，一键操作)，各有利弊。由于雨篷要在极端天气情况下使用，安全性尤为重要。通过BIM软件进行风荷载试验(见图4)，发现方案1抗扭、抗剪系数更大，更坚固，方案2构造过于简单不能抵抗来自高空的各方向风荷载。最终选择方案1作为雨篷实施方案，随后，现场按BIM模型分解构件加工试制了试验篷，并在地面进行开启、关闭操作验证，成功后方可在住宅造楼机上进行安装运用。

图3 雨篷方案设计

图4 手动双导轨折叠式雨篷抗风总计算模型

1.4 基于BIM技术的顶升仿真演练

住宅造楼机为1台随着建筑物高度变化不断向上爬升的超级移动加工厂，自重270t，加上外挂荷载70t、钢平台顶面堆载30t、水平风荷载20t，支撑立柱承载的总荷载约400t。住宅造楼机顶升由12个同步油缸完成，由于各支点受力不同，轨道立柱运动轨迹可能与实际存在偏差，因此，需对整个顶升过程进行施工模拟。通过BIM技术进行同步液压顶升系统虚拟仿真模拟(见图5)，建立液压驱动(油缸、油泵)、监测传感器、计算机控制系统的逻辑数字模型，对顶升过程中的力和位移控制、位移误差控制、行程控制、负载压力控制等进行逼真还原，检查运动过程中各时刻受力重分布情况，并反复仿真推演，提前掌握运动轨迹中的最不利位置及应力最大位置，提前制定好针对性应急措施，以确保实际操作时万无一失，实现住宅造楼机运行过程中的零事故。

图5 住宅造楼机顶升虚拟仿真

2 基于BIM技术的数控加工

由于住宅造楼机采用标准化构件式装配设计，三维建模可快速生成构建加工图及BOM物料清单，这样为构件加工提供了便捷的数据支撑，减少了手工绘制加工图的工作量。

BIM模型数据与构件加工数控机床数据无缝对接，机床自动提取构件加工几何尺寸信息，实现模块化的加工工艺制定及智能化加工参数设置。不仅提高了构件加工制造精度，提升了加工效率，而且降低人工数据录入的出错几率。

3 基于BIM技术的装配式施工

住宅造楼机设计团队通过BIM技术搭建管理平台，以模型和信息采集为基础。依靠构件ID唯一性制定二维码和装配图，将构件属性参数、生产信息、装配定位等信息生成二维码，然后通过后台服务器将造楼机构件模型放置在云平台。构件出厂时将二维码妥善粘贴在醒目位置并做好防水等保护措施。

构件运输至施工现场后，现场安装人员通过移动端扫描构件二维码可准确获得构件安装定位信息及安装工艺，避免现场错装、漏装现象的发生。同时管理后台通过BIM+二维码技术对每个构件状态进行实时跟踪，从构件加工、运输、存放至现场安装可做到精细化跟踪管理，确保住宅造楼机现场拼装准确、安装进度符合计划要求。

4 基于BIM技术的数据孪生式健康监测

住宅造楼机在施工现场装配式组装完成后，利用BIM+物联网技术搭建造楼机智能安全监测平台(见图6)，实现造楼机数据孪生式健康监测。

图6 住宅造楼机健康监测模型

在静态施工阶段，物联网传感器对住宅造楼机关键节点的应力应变、水平度、垂直度、位移等数据进行全方位监测，实时上传数据。在监测平台上，运维人员通过模型可随时监测住宅造楼机各部位的运行工况，一旦发现问题，运检人员能第一时间处理，效率大大提高。

在造楼机自动顶升阶段，12个油缸在BIM+智慧监测平台上协同工作、智能顶升，将高程误差控制在20mm内。真正做到实时监测、实时分析、实时处理，为住宅造楼机健康、安全运行保驾护航。

5 结语

BIM技术在住宅造楼机的研发过程中实现了从设计到运维的全过程应用，通过可视化、参数化、模块化的装配式设计为住宅造楼机成功实施打下坚实基础，通过基于BIM模型的协同工作，大大提高了设计、加工、运维等各环节的沟通效率，提升了整个项目精细化管理水平。