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建筑科技

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BIM与钢结构的数字化制造 基于模型的设计和制造

作者:user 来源: 时间:2015-03-03 16:05:04 浏览次数:

        几十年来,制造行业一直在使用机械CAD系统制造数字模型。这些模型不仅能说明产品的设计,还可以用到其它应用中,如应力分析、现场支持,当然还有制造。CAD模型可以用来生成控制CNC(计算机数字控制)机床,提高机械加工流程的自动化程度。建筑行业也可以采用类似的方法来实现建筑施工流程的自动化。尽管建筑不能像汽车一样“加工”好整体后发送给业主,但建筑中的许多构件的确可以异地加工,然后运到建筑施工现场,装配到建筑中。
        要想了解怎样利用BIM来实现钢结构制造的自动化,我们必须了解构成建筑框架的钢结构组件是怎样制成的。
        首先,钢厂利用热轧加工流程(通常情况下)制成钢结构原材料。钢结构制造商购入这些原材料,并按照加工详图(详细描述钢结构中每个部分应如何制造的说明书)将原材料切割并制成用于建筑施工的梁和柱。制成后的钢结构组件被运到施工现场,由钢结构安装工进行安装。那么现场施工图从何而来?结构工程师的职责是设计、分析并验证建筑的结构框架,并创建记录结构设计的施工图。结构图纸中只包含对钢结构制造的总体要求,即关于典型节点的说明。
        其次,钢结构详图设计师再根据这些施工图和总体的节点说明来设计具体的钢结构组件和具体的几何形状,并创建加工详图,以便准确地指导钢结构制造商如何制造建筑中的每一个钢结构组件。加工详图中包含材料规格、大小、尺寸、焊接、螺栓连接、表面处理、涂装要求等详细信息。钢结构施工图中仅包含关于节点的总体说明,而加工详图则包含制造每个钢结构组件所需的所有细节。详图设计师通常使用绘图软件“手工”创建加工详图或用专门的钢结构详图设计软件来创建加工详图。Autodesk Robobat RCAD就是一款利用数字“制造”模型来创建钢结构详图的解决方案。需要注意的是,在建筑项目中,加工详图的数量要远远多于施工图的数量。例如,为了记录一个用钢量为1000吨建筑项目中的钢结构设计,就需要大约70至80张施工图纸和1000张加工详图。在将加工详图发布到制造环节之前,结构工程师需要检查每一张图纸,以验证其中的信息与结构设计是否保持一致。钢结构制造商通常使用数控机床自动切割钢梁并制孔。有些制造商根据加工详图中的信息对数控机床进行手动编程。另外一些制造商则使用上面提到的数字化制造模型自动对数控机床进行编程。
        将BIM扩展到制造环节
        BIM怎样满足钢结构制造商的需求呢?正如制造业中基于CAD的模型能够支持制造流程一样,专门开发的建筑信息模型,如Revit®、Structure等也可以支持结构制造流程。所有与钢结构有关的图形都已经包含在Revit Structure设计模型中。这些设计信息可以导入到CIS/2文件中(一种行业标准数据格式,用来交换钢结构信息),便于在钢结构详图设计应用中重新使用。Revit Structure设计模型中的钢结构图形和信息可以通过CIS/2文件导出,然后重新用到钢结构详图设计解决方案中。将建筑信息模型用于钢结构详图设计和制造环节,这样便实现了全数字的从设计到制造流程。重复利用设计模型不但提高工作效率,省去用于创建制造模型的时间,而且还改进了制造质量,消除了设计模型与制造模型相互矛盾的现象。
        此外,钢结构详图设计和制造软件中使用的信息是基于高度精确、协调、一致的建筑信息模型的数字设计数据,这些数据完全值得在相关的建筑活动中共享。完成加工详图设计后,设计团队或承包商还可以利用该制造模型进行四维建模,也可以会同其它建筑专业和模型(如MEP和建筑设计)进行冲突检查。制造模型并不代表最后的竣工状况,因为在钢结构安装阶段可能还会发生变更。但其中包含的细节比结构模型要多得多,因此在进行冲突检查时非常有用,在空间极为紧张的建筑中更是如此。
        将BIM用于钢结构供应链中的另一个优势与结构框架的总体成本有关。过去,钢结构的原材料成本、制造成本和安装成本基本相当。但是最近几年,制造成本和安装成本在不断上涨。为了遏制这一趋势,需要在设计流程中考虑“制造的简单性”(相当于制造行业强调“可加工性”)将设计模型直接用于制造环节还可以在制造商与设计人员之间形成一种自然的反馈循环,即在建筑设计流程中提前考虑制造方面的问题。与参与竞标的制造商共享设计模型有助于缩短招标周期,便于制造商根据设计要求的钢材用量编制更为统一的投标书。钢结构与其它建筑构件之间的协调也有助于减少现场发生的问题,降低不断上升的钢结构安装成本。数字化从设计到制造流程离不开结构工程师、钢结构详图设计人员和钢结构制造商之间的协作。大多数情况下,这三方分别属于三个不同公司。因此,就需要采用不同以往的项目交付方法来连通设计与制造环节。也就是说由业主、建筑商、工程师和承包商组成跨职能的项目团队,就设计、制造和施工环节中的工作进行协调,原本需要按顺序进行的步骤(设计、详图设计、制造)可以并行展开,设计模型和加工详图可以同时创建。完成加工详图的速度越快,就可以更快向钢厂下单,更快开始制造,钢结构也可以更快地安装完毕。制造行业目前的生产效率极高,其中的部分原因是利用数字化数据模型实现了制造方法的自动化。
        同样,BIM和数字化制造也能够提高建筑行业的生产效率。与集成项目交付方法一样,数字化制造方法将推动建筑行业的快速发展。BIM解决方案肯定能帮助我们显著缩短建筑施工流程,更好地控制项目效果。”(金仁)
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