工业化住宅产品装配过程信息集成

作者:蒋博雅 张宏 庞希玲
单位:南京工业大学建筑学院 东南大学建筑学院 江苏省交通规划设计院股份有限公司
摘要:随着建筑信息模型 (BIM) 的出现, 信息集成成为关键手段。将信息技术应用到建筑工业生产的各个环节, 使信息化进程和建筑工业化进程紧密进行, 不再是单方的带动和促进关系, 而是两者在工业化技术、产品研发、管理等各个层面相互交融。完整构建了工业化住宅的产品数据结构与生产装配过程信息集成概念模型, 详细解析了面向装配的过程解构, 并提出了产品—生产装配过程的信息集成模型。
关键词:预制装配式 工业化住宅 信息集成 过程解构 集成模型
作者简介:作者简介: 蒋博雅, 讲师, E-mail:351513297@qq.com;
基金:基金: “十二五”国家科技支撑计划课题:保障性住房新型工业化建造施工技术研发与应用示范 (2012BAJ16B03);

 

1 研究背景

可移动铝合金建筑产品在集成产业联盟协同工作的组织模式下, 建立全过程信息模型, 运用标准化、模块化的研发设计方法, 通过工厂化生产制造, 集装箱式的运输物流系统, 现场总装的施工方式, 将传统粗放型生产方式转变为制造业精益化生产方式。

铝合金建筑产品主要由结构体、围护体、内外分隔体、设备体四大功能模块构成。每一功能模块又由若干标准构件、配套部品组装而成。迄今为止, 已陆续研发生产出四代轻型结构产品。第一代铝合金建筑产品研发, 主要通过基本单元为2.9m×2.3m×2.8m的小尺寸产品, 来对基本功能模块进行深入研究, 积累研发、生产、组装实践经验, 通过模块拆解确立建构逻辑, 为第二代铝合金建筑产品的研发奠定基础。第一代产品主要是由主体单元、基座单元和太阳能光电单元构成, 并提出了用千斤顶作为调节基础支撑框架梁的想法, 并实现太阳能光电板的完全供能。第二代轻型结构多功能可移动住宅产品在第一代产品结构框架的基础上, 连续水平组装12个尺寸为6m×2.9m×3m的标准箱体, 实现空间的延伸及功能的转变, 从单一空间转变为模块拼接大跨度大尺度空间, 根据对空间需求的不同, 可以在此基础上实现内部空间划分。第三代轻型结构建筑产品主要面向小型居住住宅产品, 模块细化完善功能, 为重型结构住宅产品的研究奠定基础。该小型住宅产品是由6m×2.9m×3m和6m×2.1m×3m的2个不同尺寸的箱体单元与基础单元、太阳能光伏单元组合拼装而成, 其中主体单元模块拥有独立结构体、独立围护体和独立空间体三大独立体, 可以单独在工厂生产, 现场组装。产品增加了内部装饰装修模块, 集成了太阳能板光电光热系统、整体厨卫、智能家居系统、可变家具系统、分散式小型污水生物处理系统等, 使建筑产品具备了绿色、零能耗等绿色建筑特性, 实现自保障零能耗 (见图1) 。

图1 小型住宅产品Fig.1 Small residential housing product

图1 小型住宅产品Fig.1 Small residential housing product

 

2 面向装配的过程解构

根据工业化住宅产品特征, 依照工业化住宅WBS体系可以实现产品数据结构, 用统一建模语言UML (unified modeling language) 进行描述, 而过程描述可采用IDEF0技术进行过程层次分解。细分后两者可建立对应关系, 即在Kimmance提出的产品和过程信息集成的概念模型[1]研究基础上, 得出工业化住宅的产品数据结构与生产装配过程信息集成概念模型 (见图2) 。

对应产品数据结构, 依照各阶段不同的生产、建设任务可以将工业化住宅产品的工艺工程分为4个阶段:一级工厂化、二级工厂化、三级工厂和现场安装阶段, 这4个阶段是工艺工程的组成部分。工业化住宅产品的过程层次分解模型, 是保证工艺工程具体实施的辅助性分解过程。其中一级工厂化是标准件生产阶段, 二级工厂化是组件安装阶段, 三级工厂化是部品快速组装阶段, 最后是现场总装阶段。下面就四个阶段展开论述。

1) 一级工厂化

此阶段为标准件在工厂的装配阶段, 是对基本部件/构 (配) 件信息的数据集成过程。本节试列出表系统对此阶段进一步说明。表系统由三大部分组成:模块层级、基本信息、标准件组装流程。

表系统中模块层级为建筑产品的模块分解层级, 这一层级化的目标管理系统能够满足工业化产品深化设计的要求, 可准确定位至1个螺钉或1个角件。

每一标准模块的组装工序不一定全然相同。列出相应模块的组装工序, 方便工作人员快速查找到所在阶段的组装工艺步骤并准时进行操作。由于产品建造工序繁琐, 根据已划分的模块层级, 相应的标准件装配流程依次设为1级工序、2级工序、3级工序、4级工序等细化每一对应模块的组装步骤。

一级工厂化标准件组装流程如表1所示。

以张宏教授工作室研制的轻型结构工业化住宅产品的标准件装配工艺流程为例, 依照工业化住宅部品装配中的从属次序, 铝型材杆件、角码等列为三级模块的基本组件, 从属三级模块 (结构框架) —二级模块 (结构体) —一级模块 (主体单元) 。

底部框架的装配流程是: (1) 放置底部长杆; (2) 放置底部短杆; (3) 安装角码; (4) 放置中部短杆。顶部框架的装配流程是: (1) 放置顶部主梁; (2) 安装角码; (3) 放置端头和中间; (4) 安装角码。由此可见, 每一工序的先后次序以及模块的从属关系都一目了然, 层次表达清晰, 易于实现工作分包, 利于工作人员有针对性地对专项系统协作管理。

图2 产品数据结构与生产装配过程信息集成概念模型Fig.2 Conceptual model of information integration of product data structure and industrialized production assembly process

图2 产品数据结构与生产装配过程信息集成概念模型Fig.2 Conceptual model of information integration of product data structure and industrialized production assembly process

 

表1 一级工厂化标准件组装流程Table 1 Standard parts assembly procedure in level 1 factory assembly stage   

表1 一级工厂化标准件组装流程Table 1 Standard parts assembly procedure in level 1 factory assembly stage

表2 二级工厂化组件安装流程Table 2 Components assembly procedure in level 2 factory assembly stage   

表2 二级工厂化组件安装流程Table 2 Components assembly procedure in level 2 factory assembly stage

表3 三级工厂化部品快速组装流程Table 3 Composite components rapid assembly procedure in level 3 factory assembly stage   

表3 三级工厂化部品快速组装流程Table 3 Composite components rapid assembly procedure in level 3 factory assembly stage

2) 二级工厂化

此阶段为组件安装阶段, 是对三级模块的数据集成过程。相关部品部件的生产与组装都在工厂进行。由三大部分组成:模块层级、基本信息、组件安装流程 (见表2) 。

同理, 模块的划分与一级工厂化相同。但工艺流程区别于一级工厂化, 一级工厂化的流程为标准件的工厂化组装流程, 该阶段则适用于由三级模块组装成二级模块的情况。如主体单元结构体模块, 其标准组件的安装流程是: (1) 安装准备; (2) 放置底部框架; (3) 安装立柱; (4) 安装顶部框架 (见图3) 。

3) 三级工厂化

图3 结构体模块标准组件安装流程Fig.3 Components assembly procedure of the structure

图3 结构体模块标准组件安装流程Fig.3 Components assembly procedure of the structure

 

此阶段为部品快速组装阶段, 是对二级模块的数据集成过程。由三大部分组成:模块层级、基本信息、部品安装流程 (见表3) 。

这个阶段是基于组件安装阶段提出的, 该阶段适用于二级模块组装成一级模块, 可直接运往现场总装的情况。以主体单元结构体为例, 部品的安装流程是: (1) 吊装结构体; (2) 放置结构体; (3) 安装围护体; (4) 安装交通体等。部品的安装流程必须在标准构件安装完毕后才能进行组装操作。

表4 现场总装阶段工艺流程Table 4 Assembly procedure in the final on-site assembly stage   

表4 现场总装阶段工艺流程Table 4 Assembly procedure in the final on-site assembly stage

4) 现场总装阶段

此阶段为现场总装阶段, 由五大部分组成:模块层级、基本信息、吊装施工工艺、安装施工工艺、节点施工工艺, 是对一级模块的数据集成过程。

现场总装阶段模块的划分与一级工厂化相同。根据模块的安装次序对每一级模块进行了排列。如在三级模块中依照PC柱、PC梁、PC板的先后总装次序列出。现场总装阶段较前3个阶段除三级模块的划分、基本信息两部分相同外, 根据现场总装内容与工厂构 (配) 件组装内容的不同, 补充了吊装施工工艺、安装施工工艺、节点施工工艺三个部分的施工工序。使现场工作人员根据现场的工作任务清楚找到每一步骤的安装工序和安装要点, 必要时可在后面一栏加上备注内容, 注释总装中疏漏的安装要点和组装内容, 为下一个工业化建造项目提供参考意见, 实现动态管理。

以南京万科上坊保障性住房项目的工艺流程为例。

如表4所示, 譬如总装现阶段的基本构件是:主体单元模块→结构体模块→永久结构体模块→PC柱构件。表中所考虑的是基本部件需要直接运往现场装配的情况。

PC柱吊装施工方法: (1) PC柱起吊; (2) PC柱落位; (3) PC柱就位。

PC柱安装施工工艺: (1) 放线; (2) PC柱进场; (3) 吊具安装; (4) PC柱起吊; (5) PC柱立直; (6) PC柱吊运; (7) 引导筋对位; (8) 水平调整、校正; (9) 斜支撑固定; (10) 摘钩。

PC柱安装精度控制措施: (1) 轴线; (2) 柱轮廓井字线; (3) 柱定位控制线 (柱轮廓线以外200mm) ; (4) 柱纵横轴线; (5) 梁安装控制线 (在出厂前就在柱子上弹好) ; (6) 支撑体系的平面网格线 (立杆) ; (7) 斜撑立杆的定位点 (固定点用红色油漆进行标识) 。

3 产品—生产装配过程的信息集成

以产品数据模型为基础, 过程模型和产品资源与之相互关联。过程不仅包括生产装配过程, 还包括管理过程。三维模型和进度信息关联整合形成4D模型。基于BIM的进度计划与住宅产品基本构件实现动态链接。可通过甘特图、关键路径等多种进度控制图直观表达生产装配过程。这样基于产品信息模型可以达到精确计划、跟踪计划和实时控制计划的目的。实时跟踪项目实际进度, 通过计划进度与现场实际进度对比, 分析偏差产生的原因, 动态管理, 及时采取有效措施。

将产品资源模型分别与产品信息模型、过程模型关联, 动态地分配各种生产装配所需的资源, 计算、模拟用以分配各装配阶段的劳务、材料、模块、设备、工具等, 不仅为模块供应商提供准确的模块需求信息, 同时帮助工厂建立材料需求计划、设备需求计划、生产计划等, 装配阶段则可以根据两大模型建立劳动力计划、部品需求计划、辅助工装需求计划等。在这些计划的基础上上形成项目的投资计划或成本控制计划, 这对实现成本管理和控制至关重要 (见图4) 。

图4 工业化住宅产品信息模型、过程模型、产品资源模型的关联模型Fig.4 An association model integrated with product information model, process model and resource model

图4 工业化住宅产品信息模型、过程模型、产品资源模型的关联模型Fig.4 An association model integrated with product information model, process model and resource model

 

4 Revit Architecture与模块化部品信息的构建

轻型结构工业化住宅的前期阶段是全过程信息管理的基础。数据库是所有信息整合和信息实时反馈的技术支撑。辅助手段如无线射频识别、GIS定位系统等。

前期阶段的建筑信息模型是基于工业化住宅模块化层级体系, 以最终总装为目的而建立的。通过不同品类信息属性与部品参数化信息关联, 以此内在逻辑串联各个部位的部品, 形成住宅产品。Revit Architecture的族参数可以帮我们实现这一关联。同时, 可以根据管理者需要及时生成采购清单列表。

依照三级工厂化装配, Revit族依次设置为一级工厂化、二级工厂化和三级工厂化。以工作室第三代住宅产品BIM模型为例, 在Revit Architecture软件中, 采用的是族嵌族的建模模式, 一级工厂化是最小不可再分部件, 三级族模型都是一系列产品数据信息以装配顺序整合而成, 完全以最终现场装配为目标建立工业化住宅产品BIM模型, 条理清晰且直观。

在实例参数中对当前构件参数属性进行设定, 参数属性可以根据自己的需要自行添加。在该项目中, 除了定义部品对象的产品信息属性, 如质量、尺寸参数外, 对其进度参数、场地参数、资源参数等进行了定义。当然, 组织人员参数、产业工人、技术人员、工装机具等参数也可以添加。以太阳能板为例, 所属一级工厂化阶段。设定参数类型具体有:质量、起始时间、结束时间、现场、材料、工序、尺寸、名称、价格、ID (编码) 。其中工序指的是该阶段的装配工序, 该阶段组件整合对应的装配对象为太阳能模块, 是对太阳能模块装配的过程拆解, 太阳能板安装是组装成太阳能模块中的第二个工序, 该实例属性是对太阳能模块最小构件 (不可拆分对象) 的参数说明。基于实例参数将产品数据信息与过程管理信息相关联, 实现了项目实施阶段的信息集成。

太阳能模块所属二级工厂化阶段, 该阶段还包含屋顶面板模块、屋顶结构模块。该阶段组件整合对应的装配对象为第四个屋面模块, 是对第四个屋面模块装配过程的拆解, 太阳能模块是屋面模块拼装的第五个工序, 该实例属性是对太阳能模块的参数说明。包含的参数数据类型有质量、起始时间、结束时间、场地、材料、工序、尺寸、价格、ID (编码) 。编码是由拼音的大写字母组成, 易于识别, 方便管理。

通过对一级工厂化和二级工厂化数据信息的集成, 形成三级工厂化数据信息, 也为最后的现场总装过程的创建集成了基础数据。屋面四模块实例参数类型与前面两个阶段设置的一样, 工序为屋面模块装配的第四个工序, 与其余3块屋面模块构成屋面模块整体。

屋面模块与主体单元的4个单元体及基础模块现场总装成工业化住宅成品, 集成了所有阶段我们设定的产品数据信息和项目管理信息。这只是初步建立的信息建筑模型, 这些数据的集成目的是为了更好地实现投资控制、进度控制、质量控制。如何运用专业软件在数据集成的基础上更好实现项目管理、运营管理还有待深入研究。

Revit Architecture当中的模型图元与明细表是实时相互关联的。运用强大的族功能构建基本构件, 再将构件族导入后组装建立项目模型。在该模型中, 族参数与明细表定义是相互影响的, 族参数的变化直接导致明细表参数的变化, 反之亦然。并且明细表自身关联不同类型族参数, 可以根据不同专业对不同类型数据的需要自动生成表格, 并对数据使用计算公式让其自动计算, 不需要手动对每一个数据进行校对和修改, 减少了大量的无价值人工劳作。同时基于参数模型的明细表的生成可以帮助我们进行材料等资源的统计、投资成本的控制等管理工作。

5 结语

本文提出了基于建筑信息化对轻质住房工业化建造全过程进行管理的软件实现理论基础。具体完成并实现了针对工业化建造的建模规则的制定, 三维工业化建模方法、过程数据统计, 从而对工业化建造过程管理要素从过程、资源和控制角度对项目进行项目质量管理控制, 突破目前仅存在的单一领域的集成技术软件的瓶颈, 为未来的自动化接口功能研发提供可靠的实践依据与理论基础。

 

Industrialized Housing Products and Assembly Process Information Integration
Jiang Boya Zhang Hong Pang Xiling
(Architecture School of Nanjing Tech University Architecture Institute of Southeast University Jiangsu Province Communication Planning and Design Institute Limited Company)
Abstract: With the emergence of building information model ( BIM) , information integration become the key tool. Applying information technology to the construction industry production of each link to make the process of information and building industrialization process closely which is no longer a single drive and promote relations, but both in the industrial technology, product research and development, management and so on all aspects of mutual blend. The article constructs product data structure and assembly process information integration concept model, analyzes the process of deconstruction for assembly, put forward the information integration model of product and assembly process.
Keywords: precast; industrialized house; information integration; deconstructive process; integrating model;
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