376基于DFMA的制冷机房装配式管道模组化施工工法.pdf
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1、2-1 基于基于 DFMA 的制冷机房装配式管道模组化施工工法的制冷机房装配式管道模组化施工工法 广州市机电安装有限公司广州市机电安装有限公司 何伟斌、陈箭、黄志超、黄志鹏、李逸骏、卢有根、李志联、余力健何伟斌、陈箭、黄志超、黄志鹏、李逸骏、卢有根、李志联、余力健 1、前言、前言 目前国内的装配式建筑市场正在快速发展,而机电安装工程及装修工程也逐渐进入到装配建造阶段。国内一些著名的安装企业如中建安装、中建三局安装公司等央企以及上海安装、山西安装、广东安装等省级安装企业已经开始了机电装配式施工的探索。在上海环球金融中心、上海国际博览中心、华润深圳湾国际商业中心、青岛丽东化工有限公司芳烃装置、神华
2、煤直接液化装置、上海东方体育中心、南京雨润大厦、天津北洋园等一批工业、民用机电安装工程项目已经开始了机电管线及设备工厂化预制技术应用,“BIM+装配式施工”成为机电安装行业的技术趋势。我司通过对项目的实践,探索在装配式产业基地内建立机电管线工厂化预制基地的可能性,为转型升级发展提供方向。通过对试点项目的经验总结,为装配式机电一体化技术建立从 BIM 设计、构件生产、施工安装、到竣工验收全过程的标准规范体系(见图 1)。图 1 装配式管道模组化安装的制冷机房图 1 装配式管道模组化安装的制冷机房 2、工法特点工法特点 2.1 基于 DFMA 的机电单元模组化设计技术 2.1.1 基于 BIM 的
3、机电单元模组化设计 2-2 根据设备的选型、数量、系统分类和管线的综合布置情况,综合考虑预制加工、吊装运输等各环节限制条件,将 23 台设备及管路、配件、阀门部件、减震块等“合零为整”,组合形成整体装配式模块。2.1.2 基于 BIM 的组合式支吊架模组化设计 通过 BIM 技术研发组合式支吊架,将支吊架分解为若干装配构件,实现“管道先就位、支吊架后装配”的逆工序安装。2.2 数字化工厂预制加工技术 BIM 设计软件中的设计信息和预制管段信息,通过软件插件一键提取出不同样式、不同规格的预制加工构件的预制加工信息,形成 Excel 数据表格。工厂操作工人根据数据表格中的预制加工信息,输入至工厂自
4、动加工设备,实现 BIM 软件与加工设备的数据互通。在工厂进行机械化流水制造,现场进行成品预制构件的组装。实现高效率的机械生产,不受施工现场空间环境的影响,也不受其他施工进度的影响,在工厂内提前预制,按施工计划在合理时间进场,直接投入施工,避免管道的存放与保养。2.3 预制管组机械化整体提升施工技术 将多段预制管道、管组及预制支吊架进行地面拼接,形成组合式预制管排。利用叉车、电动葫芦或顶升装置在地面作业将预制管排或预制管组模块提升就位实现螺栓栓接固定。2.4 设备与管道安装误差消除技术 在整个装配式机房的安装过程中出现了部分管道、设备安装不吻合的情况,因此,造成需要在现场进行调差安装的情况,具
5、体误差点如下:1、设备基础的高度和水平度的误差过大。2、分集水器的生产误差。3、现场建筑结构误差。4、管道和支吊架的预制误差。5、现场安装人员在安装时精度控制不够等。综上所述,针对以上因素,采用机电设备及管线预制装配精度控制技术:通过对设备及管线模块化装配式施工过程中误差的分析,重点控制设计精度、加工精度、装配精度;结合采用精细化建模、模型直接生成图纸、工厂自动化数控加工设备、360放样机器人、3D 激光扫描等手段实现装配误差综合消除。2-3 3、适用范围、适用范围 适用于拥有地下室的各类既有建筑及新建建筑,管道及设备以模块化的方式运送现场进行装配的大型制冷机房工程安装。4、工艺原理、工艺原理
6、 我们针对目前机电安装工程装配式施工采用 DFMA 的设计思想和方法,形成以BIM 深化设计(BIM Design)为基础,通过模块化的设计拆分、组合成机电安装单元,采用工业化生产(Plant Manufacturing)的方式,实现设备及管线高效精准的模块化装配式施工(Assembly construction)的机电装配式施工工艺,即“基于DFMA(Design for Manufacturing and Assembly)的装配式机电模组化施工”工程施工工艺。5、施工工艺流程及操作要点、施工工艺流程及操作要点 5.1 工艺流程 深化设计深化设计工厂化预制工厂化预制定点放线定点放线装配式安
7、装装配式安装系统试压系统试压 图 5.1 工艺流程图 5.2.操作要点 5.2.1 深化设计 1、通过三维扫描仪进行建筑结构的参数复测 机房建筑结构误差是影响机房工程安装误差的重要因素之一,为了达到安装精度要求,减少综合累计误差,通过三维扫描仪进行机房建筑结构的参数,与 BIM 建筑模型进行三维比对(3D-matching)并进行模型调整。B1 地下室制冷机房现场扫描共分为四个区段,分别为 1 区、2 区、3 区、4 区(见图 5.2.1-1),共进行了 12 个站点扫描,每个区 3 个站点扫描。对结构进行三维扫描,扫描获取到的点云数据主要用于实测实量、垂直度检测、平整度检测等方面2-4(以下
8、所有数据除有说明外均以 mm 为单位)具体点云数据详见表 5.2.1-1、表 5.2.1-2、表 5.2.1-3、表 5.2.1-4。图 5.2.1-1 制冷机房结构点云模型(黄色三角形为架站点)表 5.2.1-1 1 区现场扫描的点云数据与设计尺寸对比如下表:序号序号 点云数据点云数据 设计尺寸设计尺寸 备注备注 1 4653.53 4650.00 梁底高 4656.35 4650.00 梁底高 2 5302.78 5300.00 板底高 5298.79 5300.00 板底高 3 90.27 90 梁柱夹角 90.40 90 板柱夹角 4 0.01 0 地板坡度 表 5.2.1-2 2 区
9、现场扫描的点云数据与设计尺寸对比如下表:序号 点云数据 设计尺寸 备注 1 4657.26 4650.00 梁底高 4656.15 4650.00 梁底高 2 5318.16 5300.00 板底高 5316.79 5300.00 板底高 3 90.36 90 板柱夹角 90.68 90 梁柱夹角 4 0.02 0 地板坡度 5 7797.62 7800.00 梁长度 表 5.2.1-3 3 区现场扫描的点云数据与设计尺寸对比如下表:序号 点云数据 设计尺寸 备注 2-5 1 4649.54 4650.00 梁底高 4649.63 4650.00 梁底高 2 90.36 90 板柱夹角 90.
10、68 90 梁柱夹角 3 7803.10 7800.00 梁长度 表 5.2.1-4 4 区现场扫描的点云数据与设计尺寸对比如下表:序号 点云数据 设计尺寸 备注 1 5332.09 5320.00 板底高 5332.78 5320.00 板底高 2 4780.30 4750.00 梁底高 4777.39 4750.00 梁底高 3 90.00 90 墙夹角 90.51 90 窗台夹角 4 0.01 0 地板坡度 5 1512.30 1500.00 门宽 2513.02 2500.00 门高 综上所述,各区的数据对比表可知,板底高偏差小于 12mm,梁底高偏差小于30mm,柱垂直度偏差小于 1
11、,地板平整度小于 0.02。基于该点云数据对 BIM 建筑模型进行三维比对(3D-matching)并进行模型调整,减少后续的安装偏差,控制累计误差,提高安装精度。2-6 2、制冷机房深化设计方案优化 1)按原设计方案组建的 BIM 模型见图 5.2.1-2:图 5.2.1-2 原方案机房布置图 原设计方案的设备安装位置归一,整体布置比较合理;但管道安装纵横交错比较凌乱,管道类型混合安装,造成在运维期间的混乱。制冷机组安装位置的维修空间不够,在清洗冷凝器和蒸发器时需要拆除连接制冷机组的管道才能拆除机组端盖。2)深化设计后方案的 BIM 模型图 5.2.1-3:图 5.2.1-3 优化方案的机房
12、布置图 深化设计方案考虑到日常管理、运维和装配式的实施,所以把设备进行了功能分区:分集水器、冷却水水泵、制冷机组、冷冻水泵、冷热水泵和自动投药装置等六个2-7 区域。这样分区域在运维管理和维修空间得到最大化,在设备四周的维修空间等于大于设备生产厂家所要求空间,制冷机组清洗冷凝器和蒸发器时直接拆除机组端盖进行清洗。综上所述,优化设计方案后,设备安装成排成行整齐美观,减少了各功能的管道的纵横交错,在管道安装时提高效率,在运维时简单明了。设备基础改为大平面基础,方便在装配式管道安装时可以进行消差,提高装配式安装效率。3、优化管道分段划分 按照已优化设计的方案进行装配式管道安装规划,并根据各种材料设备
13、的参数进行调整模型和管道分段处理,以达到装配式安装的精度要求。由于管道预制工厂到安装现场的运输距离较远,考虑预制管道的工厂制作、长途运输、现场转运和安装的需要,在预制管道分段时尽量减少的管道中间连接点,降低成本支出。管道的连接均采用法兰连接以便于工厂预制和运输。管道分段编号见图 5.2.1-4,具体划分原则如下:1)尽量减少预制管道拆分数量,降低加工成本;2)便于预制管道现场安装;降低人力成本;3)便于单管道运输转运及吊装;确保吊装方案可行;4)待管段分段划分后,依照水流方向对管段进行编号,便于施工人员区分。图 5.2.1-4 装配式管道平面分段编号图 4、模块式泵组设计 按照已优化设计的方案
14、进行装配式安装规划。机房内空调冷热水水泵共有4套,2-8 考虑空调冷热水水泵整体效果和便于运维操作,因此,采用两套空调冷热水泵作为一组(共两组)模块式泵组进行组装;达到施工周期快,装配式安装效率高。见表 5.2.1-4 表 5.2.1-4 模块式泵组示意表 模块式泵组框架三维示意图 模块化泵组三维示意图 5、组合式支吊架设计 根据预制管道形状不规则且吊架安装位置精度要求高的特点,将传统的吊架分为两部分,一部分为吊架生根件,另一部分为吊架主体,装配时预先根据点位进行生根件的安装,待预制管道提升到位后再完成吊架主体的拼接。按照管道安装位置和现场实际情况进行支吊架合理设置,采用门式支架和吊架混合模式
15、。当吊架不在横梁或结构柱的位置时则采用门式支架。同时,利用模块主体架构作为连接支撑,将支架横梁通过螺栓与其固定,形成组合式支吊架。见图 5.2.1-5 支吊架的布置和选型需要按照管道的规格进行荷载计算,符合要求后再进行布置和编制加工图。2-9 图 5.2.1-5 机房内装配式支吊架三维位置图 5.2.2 数字化工厂预制加工技术 采用数字化工厂预制加工技术进行本项目的制冷机房内管道预制加工实施,实现了管道安装全预制。装配式管道预制技术改进了传统施工的诸多不足,带来“作业环境分离”,即机电施工与土建施工分离,使机电管道提前工厂化预制,保证了管道预制加工精度;管道加工质量更加可靠,成品美观,管道在除
16、锈、喷漆、焊接等方面质量也明显提高。同时,在土建主体结构和基础尚未完成施工时就开始机电安装的预制作业,机房土建施工完毕后进行现场机电安装的模块式组装。BIM 设计软件中的设计信息和预制管段信息,通过软件插件一键提取出不同样式、不同规格的预制加工构件的预制加工图。工厂操作工人根据预制加工图中的预制加工信息,输入至工厂自动加工设备,实现 BIM 软件与加工设备的数据互通。在工厂进行机械化流水制造,现场进行成品预制构件的组装。实现高效率的机械生产,不受施工现场空间环境的影响,也不受其他施工进度的影响,在工厂内提前预制,按施工计划在合理时间进场,直接投入施工,避免管道的存放与保养。1、生成预制加工图
17、1)在 BIM 模型完成管道分段后,再对每个管段进行配件定位。2)用软件对分割的管段、管道配件进行详细的尺寸标注(管径、长度等);3)根据现场组合安装顺序(先主管后支管),用 Revit 软件对每一组管道和配件进行创建组(GP)后命名构件编号 HG-*;2-10 4)用软件自动生成带有编号的三维轴测图与带有管道长度及配件信息的下料表的构件加工图。其生成的加工图见图 5.2.2-1:图 5.2.2-1 构件加工图 图中对构件 HG-136143 进行详细标注,包括管段直管段长度、弯头尺寸、法兰规格型号、预留压力表及温度计安装位置等。(2)管道预制加工 根据预制加工图,在工厂进行管道预制加工,流程
18、如下:管道除锈管道除锈坡口加工坡口加工相贯线校焊相贯线校焊法兰焊接法兰焊接气密性试压气密性试压管道喷漆管道喷漆 图 5.2.2-2 管道加工流程图 在工厂预制完成的管道及支吊架经检验合格后才准予出厂。通过运输到施工现2-11 场临时码放好,待制冷机房满足安装条件再二次运输,进行装配式安装。各工序及相应的图例表如下:表 5.2.2-1 各工序及相应的图例表 序号 工序名称 图片 1 管道自动除锈 2 管道坡口自动加工 3 管道相贯线孔平台较焊 4 机械化焊接 2-12 5 管道气密性试验 6 管道喷漆 5.2.3 测量定位 1、360 放样机器人 将深化模型导入到放线机器人系统中,通过机器人一个
19、架站点完成所有放样点的方式,进行管道与设备安装定位测量。设备架站点见图 5.2.3-1 图 5.2.3-1 架站点位置图 2、具体操作如下:1)本次机房设备及管道定位以分集水器位置为基准点,架站点选择在靠近分集架站点 2-13 水器的通道处,进行制冷机房 360测量放线定位;2)管道放线由总管到干管再到支管放线定位,使各管线互不交叉,同时留出保温及其它操作空间;3)定位时,按 BIM 模型深化后的管线走向和轴线位置,将机器人放样测量后的定位点,弹画出管道、支架安装的定位基准线;4)通过机器人的精准放样,放样误差控制在 2mm 以内,确保管道和设备安装位置的准确性。表 5.2.3-1 360 放
20、样机器人应用 架站点及放样点实拍 复杂区域设备底座角点 管道拐弯处下固定支架角点 2-14 设备底座角点 放样点精准度控制在 2mm 内 5.2.4 装配式安装 1、装配式安装前准备 2-15 1)在装配式管道制作期间,按照设备基础图进行设备基础浇筑。2)设备基础浇筑完成后需要进行复测,与模型的位置精准重合,为安装时减少误差。3)惰性块必需按照大样图进行制作,以减少垂直误差。4)阀门、配件等材料的进场和复核,如果发现与模型的参数不一致马上与加工厂联系进行调整管道的尺寸。5)水泵等设备进场后进行复核,需要提醒加工厂预留能够消除水平和垂直误差的配件进行现场消差。6)编制安装作业指导书,对作业人员进
21、行面对面技术交底;安装前进行技术交底及预制管道进度计划交底,并依据 预制管道进度计划表 对各项工作进行严格控制,保质保量。2、水泵惰性块基础的制作与安装 1)大平面基础 在深化设计方案时,需要考虑在安装过程的运输通道和运维期间的检修通道及空间需要。确定好所有设备的位置后进行设备基础的布置,在设备布置时需要考虑装配式安装时的误差调整的需要,因此,在本工程中采用了大平面条形基础。设备可以在基础上有调整空间。管道布置需要考虑安装时运输和维修时的空间,阀门和其他配件的安装位置需要考虑安装和操作的空间。2)制作与安装步骤 按照已确定的设备安装位置对设备基础重新调整和深化,按照设计要求深化设计水泵惰性块。
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