當建筑遇上物聯(lián)網 智慧建筑加速落地

2016年9月，住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》(以下簡稱《綱要》)，明確指出建筑業(yè)信息化是建筑業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，也是建筑業(yè)轉變發(fā)展方式、提質增效、節(jié)能減排的必然要求。《綱要》提出建筑企業(yè)應積極探索“互聯(lián)網+”形勢下管理、生產的新模式，深入研究BIM、物聯(lián)網等技術的創(chuàng)新應用，創(chuàng)新商業(yè)模式，增強核心競爭力，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

建筑行業(yè)具有周期長、參與者多、專業(yè)細等特點，這使得施工現(xiàn)場及時溝通協(xié)同的必要性和重要性大大增強，協(xié)同效率低下往往是造成項目失敗的主要原因之一。這其中的原因往往是在錯誤的時間把錯誤的信息發(fā)送給錯誤的人，由此做出了錯誤的理解或互相矛盾的決策，而解決這些問題的核心就是更準確的創(chuàng)建信息、及時傳遞信息、快速反饋信息。

隨著物聯(lián)網、移動應用等新的客戶端技術迅速地發(fā)展和普及，這些新技術依托于云計算和大數據等服務端技術實現(xiàn)了真正的協(xié)同，滿足了工程現(xiàn)場數據和信息的實時采集、高效分析、及時分發(fā)和隨時獲取。這種基于網絡的多方協(xié)同應用方式則可以與建筑信息模型集成應用，形成優(yōu)勢互補。

集成應用 顛覆傳統(tǒng)

建筑信息模型是建筑業(yè)革命性平臺和技術，它改變傳統(tǒng)的設計、建造和運維模式；物聯(lián)網則是繼虛擬的互聯(lián)網之后出現(xiàn)的無所不在、更強大的網絡。建筑信息模型及物聯(lián)網技術的問世，顛覆了之前傳統(tǒng)的思維方式。過去的思路一直是將物理基礎設施和IT基礎設施分開；一方面是建筑物、公路等，而另一方面是數據中心、網絡等。而將物聯(lián)網技術與建筑信息模型集成應用，可以把感應器等芯片嵌入裝備到鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)鋼筋混凝土、管線等各種物體中，然后將“BIM+物聯(lián)網”與現(xiàn)有的互聯(lián)網整合為統(tǒng)一的智能基礎設施，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，達到對整合網絡內的人員、機器、設備等進行實時管理和控制的目的。

建筑信息模型與物聯(lián)網技術的集成應用可以在工程建設及運維階段發(fā)揮更大的作用。建筑信息模型是物聯(lián)網應用的基礎數據模型，也是物聯(lián)網的核心和靈魂，建筑行業(yè)的物聯(lián)網應用不能脫離建筑信息模型。沒有建筑信息模型，物聯(lián)網的應用就會受到限制，無法深入建筑物的內核，因為許多構件和物體是隱蔽的，存在于肉眼看不見的深處，只有通過建筑信息模型才能一覽無遺，進而展示構件的每一個細節(jié)及相關屬性信息。

為了實現(xiàn)對建筑的有效管理，需要了解建筑物內部所有設備、與物體相關的足夠信息。利用BIM技術創(chuàng)建的建筑物三維信息模型，不僅僅實現(xiàn)了建筑物的可視化、數字化，更可以記錄工程實施過程中幾乎所有的信息、數據，在運營維護階段還可以不斷增加相關設備、構件、物體的其他信息。物聯(lián)網則是把建筑物及空間內各個物體標簽化、可識別化，依托底層的傳感網絡進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)對建筑結構、空間和內部設備的集中監(jiān)管，但它無法進一步獲取物體更詳細的信息，例如生產日期、生產廠家、構件尺寸等，這些信息就要從建筑信息模型中獲取，建筑信息模型詳細記錄了建筑物及相關構件和設備從設計到施工以及運維過程中的所有信息，如此一來，BIM技術就與物聯(lián)網實現(xiàn)了充分的互補。

有效整合 破解難題

具體而言，BIM技術與物聯(lián)網的集成應用首先要制定工程項目的BIM建模規(guī)則和標準，并結合項目具體應用需求制定設計、施工、運維全過程的土建結構及風水電編碼規(guī)則；其次，根據工程項目建設不同階段建立BIM全信息化模型，并制定統(tǒng)一的模型及數據傳輸接口標準；第三，結合建設過程具體施工管理需要制定基于BIM應用需求點及相應實施策略；第四，根據BIM應用實施策略制定物聯(lián)網集成應用的設計實施方案，并建立從底層物聯(lián)網感知網絡到頂層BIM全信息模型數據接入的軟硬件系統(tǒng)；第五，結合具體項目特點制定BIM及物聯(lián)網數據的多元異構數據倉庫及數據字典；最后，基于信息管理系統(tǒng)或平臺實現(xiàn)工程建設信息的集成融合和應用。

以上海虹梅南路越江隧道工程項目為例，虹梅南路—金海路通道越江段新建工程全長約5260米，浦西起點至劍川路區(qū)段為改建原有地面道路，雙向4車道，劍川路匝道南側至浦東終點為雙向6車道。其中圓隧道段長3.39千米，隧道直徑為14.93米，一共有16950環(huán)管片。

該項目具有圓隧道距離長、盾構直徑大、埋深大和地層復雜等顯著特點，而作為盾構法隧道結構最為核心的構件管片，是隧道的最外層屏障，承擔著抵抗土層壓力、地下水壓力等多種荷載，是影響隧道質量和安全的最為關鍵的因素。確保隧道管片質量的最佳方式是執(zhí)行以預防為主的全過程控制，把管理從運營階段前移到施工階段、制造階段和設計階段，及時解決存在的隱患，實現(xiàn)管片質量的積極控制。然而，管片的全壽命過程極為漫長，各階段參與人員眾多、涉及的信息種類繁多，具有復雜的空間和時間特征，很難將其有效地整合在一起，這對隧道管片未來的管理帶來了極大的挑戰(zhàn)。

面對上述難題，項目團隊決定集成應用BIM技術與物聯(lián)網技術，以隧道管片全壽命信息管理為主線來解決這一問題。借助RFID技術實現(xiàn)孤立分散的信息準確組織，實現(xiàn)進度信息、材料信息、工藝信息、安裝信息、檢查信息和維護信息的一體化管理。通過建筑信息模型承載項目設計及施工階段全部基礎信息，并可視化的反映管片在不同階段的演變規(guī)律。通過數據挖掘工具，尋找制造工藝、施工工藝與管片質量之間的關系，并對管片的預防性維護決策提供幫助。在虹梅南路隧道建設伊始，研究人員就設計并開發(fā)了“虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)”，并用于管片的生產和施工全過程的管理與決策，也將用于后期的運維管理當中。

虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)分為五層的結構體系，最底層為信息采集層，通過RFID采集平板的移動端，完成關鍵數據的錄入、圖片采集和位置采集等工作，并通過無線接入設備與數據管理層相連。第二層是數據管理層，主要任務是數據的存儲和管理，包含BIM模型庫、數據庫、文件庫和知識庫。第三層是數據交互層，利用BIM技術實現(xiàn)管片信息的三維直觀展示和分析。項目相關人員可以了解當前管片制造和施工的進展和趨勢，發(fā)現(xiàn)質量問題，從而快速了解管片周邊環(huán)境和變化。第四層是信息分析層，主要是提供數據分析引擎，用于完成病害趨勢分析、結構異常發(fā)現(xiàn)、病害成因分析、施工參數優(yōu)化和維修方案比較等工作。第五層是應用層，針對管片設計、制造、施工和運維不同階段，設計了專用的移動端和web端的系統(tǒng)，實現(xiàn)全壽命的管理與決策。

深度融合 管理升級

BIM技術與物聯(lián)網技術集成應用實質上是建筑全過程信息的集成與融合。建筑信息模型擔當上層信息集成、交互、展示和管理的作用，而物聯(lián)網技術則承擔底層信息感知、采集、傳遞、監(jiān)控的作用。兩者集成應用實現(xiàn)虛擬信息化管理與實體環(huán)境硬件之間的有機融合。

BIM技術與物聯(lián)網的集成應用可以是多維度、多階段，但無論是設計階段、施工階段還是運維階段或是全過程，BIM技術與物聯(lián)網均可實現(xiàn)軟硬件、信息、管理上的深度融合。在工程建設階段，BIM技術與物聯(lián)網技術集成應用可以提高施工現(xiàn)場安全管理能力。在施工過程中，施工安全的隱患無處不在，這也成為各承包商和相關部門關注的頭等大事，例如臨邊洞口和出入口防護棚防護不到位或防護不嚴，且未進行工具化、定型化防護；部分電梯井口防護未做到定型化和工具化；架體首層立網沒有進行全封閉，從而被違規(guī)兼做通道現(xiàn)象較為普遍，也就造成到處都存在出入口的危險；安全網普遍存在材質較差；部分作業(yè)人員高處作業(yè)未系安全帶；部分工地存在對現(xiàn)場不戴安全帽的治理疏散現(xiàn)象。

基于BIM技術的物聯(lián)網應用可以大大改善這一情況，例如使用無線射頻識別標識在臨邊洞口、出入口防護棚、電梯井口防護等防護設施上，并在標簽芯片中載入對應編號、防護等級、報警裝置等與管理中心的BIM系統(tǒng)相對應，達到實時監(jiān)控的效果。還可以對高空作業(yè)人員的安全帽、安全帶、身份識別牌等進行相應的無線射頻識別，并在BIM系統(tǒng)中精確定位，當操作作業(yè)未符合相關規(guī)定時，身份識別牌與BIM系統(tǒng)中相關定位同時報警，使管理人員精準定位隱患位置，能夠快速采取措施，避免安全事故的發(fā)生。

上海虹梅南路隧道具有大直徑、大埋深的特點，管片作為盾構隧道的主要受力件，在施工和運營過程中承擔著盾構機的頂推力、圍巖壓力、注漿壓力和地下水壓力等，管片可能出現(xiàn)空洞、裂縫、破損、錯臺、上浮等病害。為保證隧道施工的安全性，項目基于隧道管片全過程的信息，進行管片滲漏影響因素和趨勢分析，提出了面向防滲的施工參數組合，以輔助施工人員提高工程質量。

在施工過程中，進度控制也是非常重要的一環(huán)，一份好的進度計劃和合理的工序安排會顯著提升項目經濟效益，但實際情況是工程進度往往被變更和返工等情況拖延。目前，工程人員依據二維平面藍圖進行工程施工，施工過程中各工序依據各自的圖紙獨立施工，各單項工程相互間的配合并不緊密，往往在施工到達一定階段才發(fā)現(xiàn)設計上的不合理或沖突而造成返工。基于BIM技術的碰撞檢查和施工模擬可以在施工開始前通過對三維模型的分析，檢測出施工過程中可能出現(xiàn)的問題，從而提前預判，并在相應的施工環(huán)節(jié)留下包含注意事項的時間節(jié)點標簽，從而確保各施工工序合理有序的進行。

可以說在工程施工過程中發(fā)生額外工程量及工程返工是造成工程成本變化的重要因素。利用BIM技術和物聯(lián)網技術的結合可以根據時間、樓層、工序等維度進行條件統(tǒng)計，制定詳細的材料采購計劃，并對材料批次標注無線射頻標簽來控制材料的進出場時間和質量狀況。避免出現(xiàn)因管理不善造成的材料損耗增加和因材料短缺造成的停工、誤工。

同時，隨著工程技術的發(fā)展，鋼結構工程已越來越多的應用于實際施工，但相對復雜的結構和工藝流程給鋼結構裝配工作帶來了巨大的工作量。BIM技術與物聯(lián)網技術集成應用可有效解決這一問題，通過無線射頻識別技術將芯片分類別和編號安裝在每一個鋼結構構件中，再將對應的讀取器設置在BIM三維信息模型中與之對應，在裝配過程中保證所有的構件必須與BIM三維信息模型中的對應代碼相匹配，否則以警報的形式提醒工程技術人員，從而避免裝配錯誤的情況發(fā)生。

此外，在施工過程中還需要對隱蔽工程進行抽樣檢驗以確保工程質量，但相關人員并不可能全面的檢測所有隱蔽工程；部分隱蔽工程的檢測通常采取的是破壞性檢測，這對質量本身就會造成比較大的影響；一些關鍵部位的施工節(jié)點在施工過程中也會因某種原因未按設計或不合理的設計受力而發(fā)生相應的形變，對工程質量造成嚴重的破壞，甚至構成安全隱患。利用物聯(lián)網技術可以對隱蔽工程部位放置反映質量參數的感應器，再結合BIM系統(tǒng)的三維信息技術可以精準定位到每個隱蔽工程的關鍵部位，進一步檢測質量狀況是否達到相應要求；一套關鍵部位的感應器采集系統(tǒng)加上BIM系統(tǒng)的三維信息技術的報警系統(tǒng)，也可以使工程技術人員及時得到質量問題反饋，將工程質量的損失降到最低。

上海虹梅南路越江隧道工程項目在施工階段圍繞施工工序，利用虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)記錄管片的檢查和安裝信息，并通過建立與實時采集系統(tǒng)的轉換接口，記錄盾構機推進工藝參數、環(huán)境監(jiān)測信息、止水涂料信息等關聯(lián)信息。由于管片信息均與RFID標簽實現(xiàn)了綁定，因此，根據RFID編碼，相關人員可以輕松地查詢到管片從生產到施工過程中的基本信息，一旦管片發(fā)生嚴重的結構損傷或病害，就可以形成管片的追溯機制，從而實現(xiàn)管片的全生命周期管理。

由于隧道管片建設過程中報表繁多，原有的數據記錄方式是紙質表格手寫和獨立電子文件輸入兩種方式完成，這導致了報表查詢困難、數據準確度低、信息集成難度高等問題，不僅影響了正常的建設管理工作，而且對項目竣工驗收的資料整理帶來極大的困難，并為未來的隧道養(yǎng)護埋下隱患。虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)內置了管片建設過程中所有的表單，采用移動端進行實時輸入和攝影，并通過數據的條件校核和互校核提高了數據的準確度和完整性，并為后期資料的整理和查詢提供了基礎。

虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)運用BIM技術將管片、測點、周邊環(huán)境等基礎數據自動整合到同一模型，形成具有集成信息的BIM模型，用不同的顏色和方案直接顯示隧道工程進度、管片狀態(tài)、周邊環(huán)境及施工進度，通過動態(tài)漫游方式實現(xiàn)了盾構機、周邊建筑的準確定位和輔助巡檢，幫助工程人員進行及時有效的工程項目管理和決策。

該系統(tǒng)在虹梅南路隧道工程中得到了全線應用，以便捷的輸入、直觀的顯示和智能的分析功能幫助工程管理人員隨時把握管片全過程動態(tài)，實現(xiàn)輔助決策。解決了原有管理模式中信息采集集成困難的問題。系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網技術，設計了隧道專用的RFID標簽，能夠滿足管片設計需求和隧道內部強干擾的環(huán)境，從鋼筋綁扎開始即進行管片的全程跟蹤，把材料信息、人員信息、位置信息、檢測信息、施工信息和環(huán)境信息等高維時空信息有機的連接在一起，提升了隧道監(jiān)管的能力，實現(xiàn)了問題管片的全程追溯，也為未來管片的維護和保養(yǎng)提供了條件。

BIM技術與物聯(lián)網技術的集成應用代表著先進的信息化管理手段，在建筑行業(yè)大革新的趨勢下，BIM技術與物聯(lián)網技術的集成應用也將是未來建設行業(yè)信息化發(fā)展的重要方向之一。BIM技術與物聯(lián)網的深度融合與應用，勢必將智能建造提升到智慧建造的新高度，開創(chuàng)智慧建筑新時代，BIM技術與物聯(lián)網技術也將會對智能建造產生變革性的深遠影響。