摘要：随着绿色施工概念的深入人心，作为施工能力和手段重要体现的预制加工技术也逐渐受到广泛的关注和重视，本课题将传统的预制加工技术与BIM技术结合，进一步完善了预制加工技术，给管道的预制加工提供了一个新的发展方向。
关键词：BIM；三维模型；管道预制加工；流程；经济性
1、前言
为了迎合绿色施工的需要，近年来我国机电安装行业不断引进国外的先进技术，并在工艺流程上加以改进，风管、电气母线、桥架等基本实现工厂化预制、现场安装，但预制化程度与土建、钢结构、玻璃幕墙等行业相比差距还很大，特别是机电安装工程中的管道焊接技术近年来也无重大突破，依旧停留在现场焊接制作的操作模式阶段。管道工程本身具备管径多、材质复杂、壁厚系列不等、焊接工程量大的特点，在施工过程中则受材料供应、设备交安、气候条件、现场作业面等诸多制约因素影响。同时，由于管道连接中焊接量大，成千上万道焊口的质量直接影响石化装置的安全运行。究其原因，主要是由于管线布置不够精确，限制了预制加工的深度和发展。传统预制方式的管道预制深度只能达到25％～35%，而工厂化预制方式可以达到60％甚至更高。所以，工厂化预制加工是管道施工的发展方向。
为此，本课题提出了与BIM技术相结合的管道预制加工方式，拟加深管道预制加工的工厂化程度，进一步提高管道预制加工的精度。
2、管道预制加工
管道预制与管道安装的分离已然是大势所趋，如何将管道预制技术有效的运用到管道预制工厂和管道预制现场，提高管道工程建设的质量水平，缩短管道工程建设的工期，是目前急需解决的技术问题。为了提高预制加工图的精度，本课题创造性的将BIM技术运用到预制加工中， 为预制加工的发展提供了一个新的方向。这也是我们这个课题的一个创新点。
2.1 工作流程
管道预制加工是预先在设计建模的施工就将施工所需的管材、壁厚、类型等一些参数输入的模型当中，然后将模型根据现场实际情况进行调整，待模型调整到与现场一致的时候再将管材、壁厚、类型和长度等信息导成一张完成的预制加工图，将图纸送到工厂里面进行管道的预制加工，等实际施工时将预制好的管道送到现场安装。主要协作流程如图2-1、图2-2所示。
2.2 案例分析
本课题在深化设计工作中将BIM技术最大化的加以运用，利用BIM模型参数化的特点，对系统进行参数检测、管线综合以及碰撞检测等工作。现以东方体育中心项目为例来介绍BIM技术在管道预制加工中的应用。
本工程共分为四个单体：综合体育馆、室内游泳馆、室外跳水池和新闻服务中心。总建筑面积达15万平方米。东方体育中心作为2011年世界游泳锦标赛的主场馆，被要求建成为满足国际最高级别体育赛事标准要求的、多功能的、综合性水上体育竞技中心。在这座特级体育建筑场馆的建设中，我们利用BIM技术完成深化设计，初步实现了BIM技术在预制加工中的应用。
2.2.1 工作步骤
2.2.1.1 三维建模
1）利用Revit MEP软件进行冷冻机房各专业的机电管线三维建模。
2）利用Revit平台分别创建了建筑、结构、暖通、给排水和电气等专业的BIM模型，然后根据统一标准把各个专业的模型链接在一起，获得完整的建筑模型。
2.2.1.2 方案优化
根据建立的三维综合管线模型，对不同的方案进行比较分析，选择最优布置方案。
图2-4 不同方案的对比图
通过不同的方案对比，选择最优的管线排布方式。图2-4中，方案一和方案二中管道弯头比较多，布置略显凌乱，相比较而言，方案三中管道布置比较合理，阻力较小，为最优的管线布置方式。若最优方案与深化设计图有出入，应与深化设计人员进行沟通，修改深化设计图。
2.2.1.3 碰撞检测
将整体模型导入Navisworks分析工具中，利用Navisworks软件对模型进行碰撞检测，然后再回到Revit软件里将模型调整到“零”碰撞。
1）将综合模型按不同专业分别导出。
2）在Navisworks软件里面将各专业模型叠加成综合管线模型进行碰撞。
3）根据碰撞结果回到Revit软件里对模型进行调整。
4）确定最终支架布局方案。
图2-6 现场与BIM模拟的机房管道布置图
利用 Autodesk 3ds max 软件我们将整个施工工期进行的模拟，方便现场管理人员及时的对部分施工节点进行有效地控制。
图2-7 现场与Autodesk 3ds max模拟对比图
表2-1碰撞检测工作运用BIM技术前后对比
| | 工作方式 | 影响 | 调整后工作量 |
| 传统碰撞检测工作 | 各专业反复讨论、修改、再讨论，是耗时的协调工作 | 1、 调整工作对同步操作要求高 2、 牵一发动全身——工程进度因重复劳动而受拖延，效率低下 | 重新绘制各部分图纸（平、立、剖面图） |
| BIM技术下的碰撞检测工作 | 在模型中直接对碰撞实时调整 | 1、 简化异步操作中的协调问题 2、 模型实时调整，统一、即时显现 | 利用模型按需生成图纸，无需进行绘制步骤 |
通过调整模型和现场勘查比对，在准确反映现场真实施工进度的基础上合理布局，达到空间利用率最大化的要求；在满足施工规范的前提下兼顾业主实际需求，实现其使用功能和布局美观的完美结合。
2.2.1.4 制作预制加工图
管道预制过程的输入是管道安装的设计图纸，输出是预制成形的管段，交付给安装现场进行组装。由于设计院提供的图纸不能提供管段图，存在分段不合理、相关标识欠缺等不足，不能满足现代化管道预制的需要。所以在工程项目开工前或进行过程中，根据总包单位提供的平立面施工图(或原始单线图)或中间文件，用绘图软件重新绘制出(或重新加工出)或生成，符合管道工厂预制要求的管段图，以及管道现场安装、管理需要的图纸。这样可以减少重复劳动、提高工作效率、确保工作一致性和工作同步性。能否采用管段图来进行管道预制是衡量一个管道预制厂先进程度的重要指标之一。
本课题是将三维模型导入到Inventor软件里面制作预制加工图。
1）将Revit模型导入Inventor软件中。
2）跟现场施工人员沟通，确定分区和编号顺序。
3）根据组装顺序在模型中对所有管道进行编号并将编号结果与管道长度编辑成表格形式。
4）将带有编号的三维轴测图与带有管道长度的表格编辑成图纸并打印。
（a） （b）
图2-8 导出管道预制加工图
2.2.1.5 预制加工与自动焊的结合
预制部分除了部分小管径接口外，基本都可以采用自动焊接设备完成，通过与BIM技术相结合，大大提高了自动焊技术的利用率，加快了整个项目的施工进度，为本项目的顺利完工提供了有利的帮助。
图2-9 管+弯头焊接
在本项目中，通过利用精确的BIM模型作为预制加工设计的基础模型再将预制加工与自动焊技术相结合的方式，在提高预制加工精确度的同时，减少了现场测绘工作量。为加快施工进度、提高施工的质量提供有力保证。为本项目实现“观摩工程”提供了有力的保障。
2.2.2 技术难点及创新点
2.2.2.1 技术难点——族库管理
1）族的生产
对于Revit的族我们指定专人生产。同时我们搜集样板的同时也会收集厂商、其他设计公司已经完成的族，或取这些族来丰富我们的族库
2）族的管理
为确保这个族库的有效性和安全性，我们建立了一套多级分类的族库存储检索管理体系。族库分类定义为6级：专业，构建大类，构建小类，厂商，系列，构建。
族库的物理存放我们采用了单机物理存放的方式，即用一台计算机脱离网络；同时该台计算机设定有较高密码强度的口令（大小写加数字，不低于8位）和42天强制密码修改的机制，以防族库被非法倾入。另外，我们还定义族库数据的定期备份，每天一次将新增的数据存储到移动硬盘中，每周一次将整个族库保存到移动硬盘中，移动硬盘由族库管理脱机保管。
3）族的提资和使用
族的提资我们也制定了一套严格的制度，具体流程如图2-10所示。
图2-10族的提资流程图
2.2.2.2 技术创新点1——自制族模型的运用
由于Revit软件是有美国Autodesk公司所开发，软件本身自带的构件无法精确地反映所有产品的设备外形与参数。在本课题研究中，为了使模型能切实得符合实际情况，也为了后期预制加工的准确率，在建模的同时自制了部分族模型包括弯头、三通、水泵、冷水机组等来使得最终的模型能与产品参数完全一致。这样就保证了预制加工的精度。
图2-11自制冷水机组族 图2-12自制水泵族
(a) (b) (c) (d)
图2-13自制阀门族
2.2.2.3 技术创新点2——Revit软件与Inventor软件的结合
众所周知，机械制造业起步早，整个工艺生产流程比较先进，预制化程度高，很早就实现了“工厂化”，流水线作业；相比之下，建筑业的工艺流程就显得比较落后了。为了提高建筑业管道的预制化程度高，我们找到了Autodesk Inventor这种用于机械制造业的软件。在试验阶段，我们碰到了各种各样的困难。主要难题是将Revit模型直接导入Inventor软件后，除本身模型外，所有的数据都丢失，且整个模型都变成一个个零散的部件。
经过不断的探索和实践，终于找到了解决办法。出现这些问题之前的我们是将Revit模型直接导入Inventor软件，其中配件定位、分段切割等都在Inventor软件里进行。后来我们在将Revit模型直接导入Inventor软件前，先在Revit里对管道进行配件定位、分段切割等，同时，导出含有模型数据信息的表格。这样就可以发挥Inventor软件的优越性，制作出更加精确的预制加工图。
通过BIM技术的运用，不仅可以更为便捷快速的解决碰撞问题，同时三维可视的效果还可以帮助创建更加合理美观的管线排列。此外，通过高效的现场资料管理工作，把即时修改快速反映到模型中，可以获得一个与现场情况高度一致的最佳管线布局方案，有效提高一次安装的成功率，减少了返工的可能性。
3、经济性分析
据国外专业部门统计，预制加工可以减少60%的现场操作工人，减少90%的危险作业点，完成工厂化加工70%，通过预制加工既可以减少劳动力成本，又能够提高现场安装的工作效率。下表以东方体育中心机房管道的制作安装为例，比较我司采用与BIM技术结合的预制加工技术后的费用与传统预制加工费用。
表5-1经济性比较
| 项目类别 | 传统的管道安装（元） | 与BIM技术结合的预制加工（元） | 节省的费用（%） |
| 人工费 | 5492 | 3454 | 59 |
| 在BIM的实际运用过程中减少了机电各专业管线材料费 | 10 |
| 在BIM的实际运用过程中减少了机电各专业管线安装的二次拆改费 | 15 |
| 在BIM的实际运用过程中减少了设备及阀门的安装费 | 10 |
| 在整个制冷机房运用BIM技术会降低机房总造价的10% |
通过定额费用比较，该冷冻机房采用与BIM技术结合的工厂预制加工节省了人工费59%，机电各专业管材费10%，二次拆改费15%，设备及阀门的安装费10%。整个机房的总造价较传统施工工艺减少了10%。
这主要是因为，在管道施工过程中，加深了管道部件的预制深度，将管道加工重心由安装现场转移到加工车间，由施工的手工操作为主，变为以机械操作为主，使生产过程实现机械化，有利于提高生产效率；预制过程中的机械化程度的提高，可节省相当量的劳动力；工人工作内容还可以进一步的专业化，使工人的操作水平易于提高，同时可以启用技术低的工人来完成难度较大，技术性较强的预制加工任务；有许多在现场高空作业的管道安装任务，采用预制方法后可以在车间平地作业，有利于安全施工和工程造价的降低；管道安装加大预制深度，在管道施工中，减少了同土建或其它专业的交叉施工时间，缩短了施工工期，加快了施工进度；预制加工在室内进行，可以不受或少受天气气候的影响，有利于缩短工期；在车间对管道进行预制还可以减少管材、型钢、能源等原材料消耗，并可以充分利用边角余料，也有利于废料回收；管道预制在车间和平地进行，有利于产品质量的稳定和提高。所以加大管道预制深度可以缩短管道安装时间，充分发挥机械效率、减轻工人的劳动强度、提高劳动生产率，保证工程质量，并能较好地做到安全生产和文明施工。
综上所述，本课题的社会经济效应明显，值得大力推广。
4、小结
BIM技术实现了在施工单位进场前完成综合调整、方案预演等前期准备。本课题中管道预制加工的实现，在精确计划、精确施工、提升效益方面发挥了巨大作用，这为绿色设计和环保施工提供了强大的数据支持，确保设计和安装的准确性、提高安装一次成功率、减少返工、降低损耗，节约了工程造价，既提高了项目的建造品质，又为项目节约了大量的资源。
本课题的完成标志着我司的机电安装实力已经进入了一个新的领域。BIM技术在预制加工中的应用意味着预制加工和安装的既彻底分开，又完美结合使用的新型产业结构的形成，也意味着更合理的工作界面划分、人员机具配置，更高效的生产模式、更高质量的预制件产品和更大的经济效益。但是，在使用过程中还是或多或少的会出现一些问题，这有待于我们进一步的研究和探讨。
下一步，课题组将把预制加工与管井的整体吊装紧密结合起来，力求更大的发挥预制加工的作用，为整个安装行业做出更大的贡献。
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