根據史丹福大學集成設施工程中心(Center for Integrated Facility Engineering,CIFE)的研究數據,建築施工行業的生產效率正在持續下滑。該數據顯示,生產效率問題是建築行業面臨的根本性問題,同時也是施工效果無法預測的主要原因。為了改進這一狀況,許多企業將用來描述建築設計方案的建築信息模型(BIM)用到了各種相關的建築活動中,包括建築施工和建築構件的數字化製造。
BIM能讓建築實現數字化製造嗎?
立足模型去設計和製造幾十年來,製造行業一直在使用機械CAD系統製造數字模型。這些模型不僅能夠說明產品的設計,還可以用到其它應用中,如應力分析、現場支持,當然還有製造。CAD模型可以用來生成控制CNC(計算機數字控制)工具機,提高機械加工流程的自動化程度。
事實上,建築行業也可以採用類似的方法來實現建築施工流程的自動化。儘管建築不能像汽車一樣在"加工"好整體後發送給業主,但建築中的許多構件的確可以異地加工,然後運到建築施工現場,裝配到建築中。例如,門窗、預製混凝土結構和鋼結構等構件。
鋼結構建造圖紙是關鍵要想了解怎樣利用BIM來實現鋼結構製造的自動化,必須了解構成建築框架的鋼結構組件是怎樣製成的。首先,鋼廠利用熱軋加工流程(通常情況下)製成鋼結構原材料。鋼結構製造商購入這些原材料,並按照加工詳圖(詳細描述鋼結構中每個部分應如何製造的說明書)將原材料切割並製成用於建築施工的梁和柱。製成後的鋼結構組件被運到施工現場,由鋼結構安裝工進行安裝。
那麼現場施工圖從何而來?結構工程師的職責是設計、分析並驗證建築的結構框架,並創建記錄結構設計的施工圖。結構圖紙中只包含對鋼結構製造的總體要求,即關於典型節點的說明。然後,鋼結構詳圖設計師再根據這些施工圖和總體的節點說明來設計具體的鋼結構組件和具體的幾何形狀,並創建加工詳圖,以便準確地指導鋼結構製造商如何製造建築中的每一個鋼結構組件。加工詳圖中包含材料規格、大小、尺寸、焊接、螺栓連接、表面處理、塗裝要求等詳細信息。
詳圖設計師通常使用繪圖軟體"手工"創建加工詳圖或用專門的鋼結構詳圖設計軟體來創建加工詳圖。Autodesk Robobat RCAD就是一款利用數字"製造"模型來創建鋼結構詳圖的解決方案。
需要注意的是,在建築項目中,加工詳圖的數量要遠遠多於施工圖的數量。例如,為了記錄一個1,000噸建築項目中的鋼結構設計(鋼用量為1,000噸),就需要大約70至80張施工圖紙和1,000張加工詳圖。在將加工詳圖發布到製造環節之前,結構工程師需要檢查每一張圖紙,以驗證其中的信息與結構設計保持一致。
將BIM擴展到製造環節BIM怎樣滿足鋼結構製造商的需求呢?正如製造業中基於CAD的模型能夠支持製造流程一樣,專門開發的建築信息模型,如Revit Structure,也可以支持結構製造流程。所有與鋼結構有關的圖形都已經包含在了Revit Structure設計模型中。這些設計信息可以導入到CIS/2文件中(一種行業標準數據格式,用來交換鋼結構信息),便於在鋼結構詳圖設計應用中重新使用。
Revit Structure設計模型中的鋼結構圖形和信息可以通過CIS/2文件導出,然後重新用到鋼結構詳圖設計解決方案中。
將建築信息模型用於鋼結構詳圖設計和製造環節,這樣便實現了全數字的從設計到製造流程。重複利用設計模型不但提高了工作效率(省卻了用於創建製造模型的時間),而且改進了製造質量(消除了設計模型與製造模型相互矛盾的現象)。此外,鋼結構詳圖設計和製造軟體中使用的信息是基於高度精確、協調、一致的建築信息模型的數字設計數據,這些數據完全值得在相關的建築活動中共享。
完成加工詳圖設計後,設計團隊或承包商還可以利用該製造模型進行四維建模,也可以會同其它建築專業和模型(如MEP和建築設計)進行衝突檢查。製造模型並不代表最後的竣工狀況,因為在鋼結構安裝階段可能還會發生變更。但其中包含的細節比結構模型要多得多,因此在進行衝突檢查時非常有用,在空間極為緊張的建築中更是如此。
將BIM用於鋼結構供應鏈中的另一個優勢是與結構框架的總體成本有關。過去,鋼結構的原材料成本、製造成本和安裝成本基本相當。但是最近幾年,製造成本和安裝成本在不斷上漲。為了遏制這一趨勢,需要在設計流程中考慮"製造的簡單性"。(相當於製造行業強調"可加工性")將設計模型直接用於製造環節還可以在製造商與設計人員之間形成一種自然的反饋循環,即在建築設計流程中提前考慮製造方面的問題。與參與競標的製造商共享設計模型有助於縮短招標周期,便於製造商根據設計要求的鋼材用量編制更為統一的投標書。鋼結構與其他建築構件之間的協調也有助於減少現場發生的問題,降低不斷上升的鋼結構安裝成本。
總之,製造行業目前的生產效率很高,其中的部分原因是利用數字化數據模型實現了製造方法的自動化。同樣,BIM和數字化製造也是能夠提高建築行業生產效率的。