贾骁，张长亮
（深中通道管理中心，广东 中山 528400）
BIM（Building Information Model/Management）最早作为一种计算机辅助设计（CAD）技术出现于国外建筑三维设计领域[1-2]，发展至今，可用于建立包含工程造价、工艺工序、进度管控、质量管理、运维管养等多维度信息模型的技术，并服务于建筑全生命周期[3]。目前市面上主流的计算辅助设计软件开发公司均已形成各自成熟的建筑模型信息化解决方案。近些年BIM技术应用在国内掀起一股热潮，在房建工程领域，BIM技术主要是针对复杂造型建筑实现不同专业设计协同[4]。在桥梁隧道工程领域，BIM技术在超大跨径桥梁、山岭隧道工程、海中沉管隧道、地铁区间隧道和市政隧道中均有初步应用，如可视化[5]、碰撞检验[6]、进度模拟与工艺推演[7]、信息化运维管养[8]等，但总体来说设计环节应用较成熟，施工、运维环节应用较少，远未达到全生命周期应用。
沉管钢壳结构形式繁复，内部划分为上千个相似的小隔仓。利用BIM技术建立钢壳信息模型，对其进行零件拆解，优化装配顺序，可实现生产管理的信息化，提升生产制造效率。本文依托深中通道项目沉管钢壳制造经验，研究利用BIM技术实现大型钢结构流水线生产以及信息化管理。
沉管钢壳作为沉管管节的外壳连同浇筑在其内的混凝土组成了钢壳-混凝土-钢壳的“三明治”组合结构，在同等荷载、跨径情况下，相比钢筋混凝土沉管，减小了构件截面尺寸[9]。为保障钢壳与内部混凝土协调受力，钢壳结构内部划分1500多个小隔仓，在隔仓顶底板内侧设置大量剪力键、加劲板。标准管节钢壳长165 m，最大用钢量达12000 t，焊接长度近300 km。利用BIM技术建立钢壳制造分段信息化模型，搭建信息化生产管理系统，可实现分段自动化流水线高效生产。
2.1 总体思路
钢壳块体模型建立围绕BIM中“M”所代表两大特点开展，即模型（Model）和管理（Management），利用BIM模型正向设计，按工序拆分管节结构，补充材料、工艺等信息。钢壳结构类似船体，在建模时选用造船行业建模软件AVEVA Marine[10]，在二维设计图纸的基础上进行生产（厂化）设计，利用BIM技术可视性、可计算性和可交互性，实现设计各专业协同和施工关键方案4D模拟。
2.2 建模流程
钢壳块体模型建立以二维结构设计图为基础进行生产设计，建模流程见图1。
图1 钢壳BIM模型建立流程图Fig.1 Flow chart of steel shell BIM model establishment
主要流程分为：建立钢壳整体结构模型，施工联合设计，管节模型空间划分，节段模型工序划分，生产设计出图。
2.3 模型建立
块体模型建立是在钢壳结构三维模型的基础上加入生产要素相关信息，块体模型空间划分需要依据生产厂家的硬件条件进行，在块体模型中定义与生产相关的信息为后续实现自动化、信息化生产组织创造先决条件。
综合考虑车间条件、生产设备、生产效率、工艺流程、焊接技术、质检验收等因素，对钢壳整体模型进行空间划分，将小节段作为钢壳总拼最小单元，整个钢壳划分为22个标准节段，再将标准节段拆解为底板、顶板、侧墙、中墙4类平面块体。平面块体有利于生产流水线及焊接机器人的大规模使用，其中块体模型中定义的各类信息将成为实现自动化生产的关键要素。
块体模型主要由面板、隔板片体单元组成，主要包含钢材材质及规格、焊缝接头形式及参数、精度控制及补偿量、工序安排及零件流向等生产信息。将块体模型剖切可得到一系列平面图；
将零件从块体中分离，进行套料出图，可得到零件表及装配计划（装配树、组立图等）；
对模型中的焊缝进行分类、统计可得到无损检测清单。边墙块体模型见图2。
图2 块体三维模型图Fig.2 Three dimensional model of blocks
利用BIM模型信息驱动生产管理，搭建BIM协同平台，集成制造各环节和各板块操作系统，打通车间执行系统（MES）[11]与BIM模型间信息传递，实现设计信息与生产信息协同共享。搭建模型应用硬件环境，改造生产线使其可以读取、应用模型信息，采集、存储实时生产状况，为后续数据挖掘与工效分析奠定基础。
3.1 信息化生产管理平台搭建
参照BIM模型数据标准开发生产管理平台，生产管理平台数据看板见图3。
图3 生产管理平台数据看板Fig.3 Data board of production management platform
打通车间执行系统（MES）与BIM模型间信息传递，通过工程计划编排模块、胎架布置模块、块体运输管理模块、质量管理模块、设备管理模块、状态看板模块等，实现钢壳块体制造信息化管控。
3.2 生产线信息化改造
改造下料切割流水线，通过外接工控机将数控切割机、型材线切割机与局域网连接，使数控切割设备可以通过局域网与BIM平台进行数据交互，自动接收设备运行状态信息及反馈生产数据，监控数控切割设备，显示设备状态、当前加工任务、工作人员等信息。切割流水线改造示意图如图4所示。
图4 切割流水线改造示意图Fig.4 Schematic diagram of cutting line reconstruction
改造焊接生产线，通过局域网将BIM平台与片体生产线进行集成，片体生产线由上料及装配工位、机器人焊接工位、检查修补工位、卸料工位及机器人焊接门架系统组成。焊接机器人控制系统接受BIM模型信息后，可采用离线编程或者3D激光扫描自适应编程方式，标示焊缝类型，规划焊接路径，进行焊接作业。改造后的片体生产线把设备运行状态、片体制作信息、耗材信息等经网络反馈至BIM平台。片体生产线改造内容如表1所示。
表1 生产流水线改造升级功能表Table 1 Function table of production line reconstruction and upgrading
利用钢壳块体BIM模型可驱动自动化零件下料加工、流水线块体装配、生产组织及质量管控信息化。
4.1 自动套料与信息化派工
4.1.1 自动套料
建模时考虑通用数据格式及软件接口的二次开发，零件模型可用于Cadwin软件实现自动套料功能。程序完成板材和型材套料后，经技术人员结合现场切割设备性能进行微调，保证切割可行性与材料利用率，输出套料图、切割指令，生产管理系统对模型物料属性进行提取形成物料清单，结合生产进度计划编制物料需求表。
4.1.2 信息化派工
零件自动套料后将产生下料加工对象及工艺信息，生产信息经生产管理系统计划编排及量化派工后生成具体切割指令，经内网传输给下料切割生产线，生产过程中智能设备采集上传生产信息，统计优化工效，动态调整派工计划。这些信息包括数控切割机的实时状态信息，设备工作时长，单位时间内切割的零件个数或者切割米数的记录等。
4.2 流水线装配
要实现钢壳块体的流水线生产，加工车间需要确定块体各部件的组装方式及组装场地信息，装配计划（装配树及组立图）可提供工序信息和场地信息指挥现场完成块体组装。
4.2.1 工序编码
用模型信息驱动现场生产，需要建立一套统一、适用的编码规则，通过编码信息定义所属部件的工位和流向信息，指导生产线进行模块化装配，形成板单元制作，片体小组立，框架中组立，块体大组立的生产流水，使得块体制造模块化、条理化，提高生产效率。装配编码示例见表2。
表2 装配编码示例Table 2 Example of assembly code
4.2.2 装配组织
各类零件的装配信息通过编码定义后逐级形成装配树，块体装配树示例见图5。
图5 底板块体装配树示例Fig.5 Example of bottom plate assembly tree
装配树是一个树状的存储空间，每个装配树对应一类钢壳块体物理实体。装配树中收集了组成该类块体的所有零件信息，从完整的块体开始，逆向于组装过程，逐级拆分，直到收集完最基础一级的零件，形成树状图和对应的零件表，生产线按照装配树收集零件、组织装配顺序。
4.3 信息化生产管理
在库存管理方面，通过对以往生产情况的统计研究，根据钢壳制造块体生产工艺流程规划，制定标准周期，倒推生成工程计划。通过生产管理BIM平台实时统计切割库存、片体库存，比对工程计划对产量进行预估，针对超负荷以及产能过剩的情况，采取提升或降低库存的相应措施。在提升胎位利用率方面，根据各胎架使用信息绘制总体工位利用图，在交互界面内调整胎位布置，胎架计划时间节点智能联动，根据计划时间和空间信息，系统可仿真模拟生产场地上过去、实时和未来的胎位资源利用情况；
在质量管控方面，对构件转序报验离胎信息进行监控采集，可统计各工序转序报验合格率，分析评价近期质量管控水平。
本文依托深中通道沉管钢壳制造项目经验，开展钢壳块体制造BIM技术应用及信息化制造关键技术研究，建立了钢壳块体信息化模型，搭建模型信息与生产信息交互管理平台，改造生产流水线并全面应用块体模型指导生产。工程实际应用表明：
1）利用BIM模型的多专业协同设计优势和强大的干涉检测功能，在生产设计阶段，实现钢壳管节舾装、临时辅助安全设施、施工工序工艺优化联合设计。通过块体BIM模型，完成自动套料、零件物料信息提取、输出装配图、套料图、生成套料指令等，实现设计施工信息协同。
2）通过搭建BIM协同平台和生产线改造，可利用BIM模型驱动钢壳块体自动化、流水线化生产。改造后的板/型材下料切割线可完成信息化派工，改造后的焊接生产线可实现片体/块体自动化流水线生产，BIM协同平台可收集生产信息并进行数据挖掘。
3）BIM技术在施工环节的顺畅应用离不开软硬件的有效集成，在后续的工程实践中应持续采集生产过程信息，优化迭代软件系统，提升BIM技术的易用性。
猜你喜欢 块体流水线生产线 浅谈深水防波堤护面块体安装控制及修复方法珠江水运(2022年19期)2022-10-31基于BIM技术的水电站地下洞室定位关键块体分析方法西北水电(2022年2期)2022-06-08方便小米粥亿级生产线投入运行今日农业(2021年13期)2021-11-26防波堤预制块体安装工艺珠江水运(2021年5期)2021-11-23流水线小学科学(学生版)(2020年2期)2020-03-03基于PLC的饮料灌装流水线设计电子制作(2019年19期)2019-11-23流水线永善文学(2017年1期)2017-07-18半桥壳冷冲压生产线的设备组成及其特点汽车实用技术(2015年8期)2015-12-26Hazelett生产线熔炼工艺探讨有色金属设计(2015年2期)2015-02-28汽车喷漆流水线的应用与研究汽车维修与保养(2014年12期)2014-04-18