机电工程模块化建造关键技术研究

机电工程模块化建造关键技术研究

陈晓德

身份证号：330483198707246211

摘要：模块化建筑技术作为建筑业不可缺少的组成部分，是实现工业化和信息化发展的必由之路。由于高层设计的不足，机电工程模块化施工技术的理论研究和实践探索仍处于探索阶段，数字化率低，实际施工水平的关键技术不足，没有一套涵盖整个施工过程的完整技术。机电工程具有不同于建筑结构的显著特点：设备、管道的类型、规格、型号多种多样，模块规格型号、材料、安装位置等建筑信息庞大，难以对模块的关键建筑信息进行独特的提取和表达；模块设计经验不成熟，模块的适应性和安全性存在问题；模块设计采用自底向上的方法，设计效率低，通用性差。现场加工的零件不能精确切割，造成大量角料和大量手工焊接切割作业，导致零件质量不稳定。预制生产线自动化程度低，各规格、尺寸模块的自调整能力差。施工机具对拼装施工方式适应性差，尤其是模块的纵横运输和成品美观性较差；由于信息隔离和缺乏过程控制，进度、质量、安全管理的数字化、可视化难以实现。

关键词：机电工程；模块化建造；关键技术

1模块分割设计

建筑机电设备与管道的模块化分段设计主要是基于BIM三维一体化机电模型，通过测量三维激光扫描设备，得到建筑工地的三维土建模型。完成了高精度三维机电模型与土木工程模型的协调一致，即完成了高精度BIM三维机电一体化模型的深化设计。在数值模拟过程中，需要准确收集各类管道、阀门、泵体及附件（法兰、弯头、异径管、三通等）的规格、尺寸和重量。结合施工现场的转运、吊装和安装条件，考虑模块运输的方便性和经济性，在高精度的三维BIM机电模型中完成机电设备和管道的模块划分。可分离模块包括：设备模块（泵组、换板）、管束模块、管组模块、整体支吊架模块等，模块分段设计时，应根据工程项目现场安装情况合理设置自由段长度和位置。对于管束模块和管束模块，可结合法兰调整进行模块分割。

2关键技术

2.1信息编码技术

信息编码就是在数字代码和基本信息之间建立对应关系。信息编码必须规范化、系统化。机电工程设备和管道有多种类型和型号。简单、完整的信息编码是表示模块结构信息、实现模块唯一性识别的关键，也是保证信息管理系统可靠性的基础。根据机电工程模块信息管理的要求，建立了机电系统零部件信息编码数据库。信息编码采用线性分层编码，包括位置信息编码和属性信息编码，由上至下展开。BIM软件提供API接口，在机电系统组件和信息编码数据库的基础上，访问模型图形数据、创建和修改模型元素、连接外部数据库、将其他编程语言编写的程序集成到BIM软件中以完成重复工作等。C#开发模块的自动信息编码插件用于为机电部件和模块分配值。编码完成后，将构件编码作为构件属性，在协同管理平台的基础上进行构件属性的传递和共享。

2.2模块进场运输

建筑机电设备和管道模块化装置的现场运输包括两种情况：①工厂生产的模块化预制工艺装置从现场远程运输；现场附近移动预制站生产的模块的近场运输。重点对管道设备和模块的运输进行研究，针对不同场景和模块单元形式开发相应的运输工具，并在运输过程中对模块单元产品进行保护。制冷机房内制冷机组、水泵、集水管等设备的进出口垂直管模块长度一般是有限的，但有许多集成管组件，如阀门、过滤器、软管接头、温度计、压力表等。特别是在近场运输过程中，应保护温度计、压力表等仪表部件。与立管模块单元相连的干管上的水平管模块单元，由于管段直径大（DN630以上）且重量重，模块单元长度约6m，每段管道上有两个沿水弯头。在远程运输过程中，应妥善保护三通弯头的零件。管道竖井中的垂直管道模块通常由两个或多个垂直管道通过一个公共支架组合成模块单元，长度为2-3层。在运输过程中，装卸车吊装时，应注意模块单元的变形控制保护和管组与普通支架连接处的产品保护。与单个设备或管道的进场和运输不同，相同类型的设备非常符合模块化管道单元的形式，但具体尺寸略有不同。采用基于二维码和射频识别（RFID）的物流平衡技术，可以有效提高设备和管道模块的运输效率，准确定位、识别、跟踪和管理，并根据具体建设项目现场施工情况，将其分配到施工层或施工区。采用物联网物流技术对设备和管道模块单元进行运输管理。各设备、管线模块单元根据事先制定的统一物料编码规则，具有唯一的编码标签，并与后台数据中心建立明确的映射关系。编码标签可根据实际需要采用二维编码标签或RFID电子标签的形式，管束模块法兰和管段的焊接标识采用焊接钢垫的形式。编码标签应包含所有必要的信息，包括相关设备和管道模块的运输、性能和安装。施工管理人员能够对设备、管道模块的全过程进行跟踪统计，有效地管理现场材料，提高设备、管道模块的运输效率。此外，结合公司BIM协同管理平台，还可以对设备、管线模块进行预处理和后期装配施工进行云数据控制。同时，将基于二维码和rfid的物流平衡技术应用于机电设备和模块化管线单元的运输管理，仍然缺乏统一的物料编码规则。针对模块化单元不同的装卸场景和形式，以及运输过程中的产品保护，需要进一步开发和改进工装。

2.3管线模块设计

管道模块分为管段模块和管组模块。管段模块的设计原则为定长设计。风管、压力水管、非压力水管，根据管段长度、接口位置等及空间布置确定模块设计方案。管道模块的设计考虑了管道功能、材料、间距等参数。因此，该软件是在Revit的基础上开发而成的一个模块化自动设计软件。管段间距根据管径和壁厚自动调整，完成管段模块设计。在管组模块设计软件中预留自定义设置窗口。应使用固定表面格栅切割管道系统。网格线位置可以手动调整。切割完成后，各模块机电管路应形成模型组。

2.4模块装配安装

对于机电施工设备和管道模块的现场装配安装，可以采用BIM4D[12]虚拟仿真技术对设备和管道模块的施工过程进行动画模拟，生成现场装配施工图。从设备位置到支架安装，再到管道安装，快速准确地安装增压设备和管道模块。预制、装配好的设备和管道模块按要求运至施工现场，避免材料在施工现场大量堆积。施工现场的切割、烧焊、油漆等有毒有害作业减少90%以上，施工环境和效益显著改善。在具体实施过程中，应通过施工模拟和BIM管段编号，使用便携式代码阅读器对设备和管道模块的属性信息进行验证，以确保其与模型和现场的重要安装位置一致。在现场施工动画仿真的基础上，优化设备和管道模块的最佳安装顺序，通过多组倒链或管道支架的特殊吊装等方式调整管道模块的标高和方向，并在对齐稳定后及时固定在支架和吊架上。根据安装的精度和质量，对整个预制设备和管道模块进行组装，并连接法兰。此外，对于不利于模块组合的大型设备，如冷水机组等，应将管道合理分段预制成管道模块，实现场外预制，现场法兰拼接，减少焊接作业。

3结论

机电工程施工设备、管线的预制、组装模块化施工是机电工程的发展趋势。一般来说，在主要设备进场前，可以进行高精度三维机电一体化模型的分段设计。根据生成的高精度装配预制加工图，可对设备和模块化管道单元进行工厂预制加工。基于高精度模型和装配式预制加工图，可以精确控制材料预算，减少材料损耗。在现场安装过程中，由于管道模块预制、组装工作提前完成，可以有效减少高空作业和焊接工作量，提高工作效率，降低劳动力消耗，缩短现场施工周期。然而，机电设备与管道的模块化建设仍处于起步和探索阶段。制冷机房、空调机房、管道隧道、水平管廊等不同场景的设备及管道模块单元的差异划分设计，针对性预制加工、运输、保护配送的特殊工艺及工装。现场组装安装有待进一步研究和完善。

参考文献：

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