基于BIM的混凝土施工全流程智慧管控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

伍小平 李鑫奎

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，在國家“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動(dòng)計(jì)劃的推動(dòng)下，以BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)為基礎(chǔ)，以提高施工現(xiàn)場(chǎng)管控效率和管控質(zhì)量為目的的“智慧工地”建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生，其主要實(shí)現(xiàn)方法是通過信息化和智能化的手段對(duì)傳統(tǒng)工程建設(shè)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”參與要素進(jìn)行改造，最終實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)管控的智能化。

建筑工程中物料費(fèi)用一般占到工程造價(jià)的60%～70%，采用信息化手段對(duì)物料進(jìn)行精細(xì)化管理，不僅對(duì)節(jié)約物資消耗、避免浪費(fèi)、降低工程成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且對(duì)促進(jìn)工地全面信息化管控意義重大。在建筑工程中，混凝土屬于主要的材料?；炷磷鳛橐环N連續(xù)性材料，相對(duì)于離散型材料具有不易計(jì)量、材料信息不易共享的特點(diǎn)。因此，需要采用信息化手段改變傳統(tǒng)混凝土管控模式，提升混凝土管控的自動(dòng)化和信息化程度[1-4]。

本文在分析傳統(tǒng)混凝土施工全流程管控方法的基礎(chǔ)上，采用信息化、云服務(wù)、BIM等技術(shù)，解決信息的采集與共享問題，實(shí)現(xiàn)混凝土施工全流程的“智慧管控”。

2 傳統(tǒng)混凝土管控方法

目前混凝土澆筑管控模式：混凝土運(yùn)輸車（攪拌車）從攪拌站發(fā)車，由攪拌站提供多聯(lián)料單給攪拌車司機(jī)，隨車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)后，攪拌車司機(jī)提供一張料單給施工單位材料員，用于施工單位與混凝土供應(yīng)單位結(jié)算；之后攪拌車至汽車泵位置，攪拌車司機(jī)提供另一張料單至泵車司機(jī)，用于混凝土供應(yīng)單位與泵車單位結(jié)算?，F(xiàn)場(chǎng)通過計(jì)算料單來統(tǒng)計(jì)混凝土澆筑總量及每臺(tái)泵車澆筑量?，F(xiàn)場(chǎng)采用地磅抽檢攪拌車的進(jìn)出質(zhì)量以校核混凝土方量是否與理論量符合。

傳統(tǒng)的管控?zé)o法形成信息的共享，各參與方以手中的票據(jù)作為管理依據(jù)，各方相互獨(dú)立，各參與單位間信息傳遞不及時(shí)。項(xiàng)目管理者不能實(shí)時(shí)掌握工程混凝土用量情況，以及混凝土實(shí)際用量和理論用量的偏差。同時(shí)，由于信息的采集和傳輸不暢，不能形成質(zhì)量管理的閉環(huán)，對(duì)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量管控不能快速追溯。

針對(duì)混凝土材料計(jì)量，傳統(tǒng)管控采用人工抽檢方式，由項(xiàng)目管理人員在眾多混凝土運(yùn)輸車輛中隨機(jī)抽取，進(jìn)行地磅稱重計(jì)算混凝土用量。采用人工抽檢計(jì)量，過多的依靠抽檢人員的責(zé)任心和工作態(tài)度，計(jì)量客觀性不足，盡管有嚴(yán)厲的懲罰措施，實(shí)踐中仍然存在相互串通偷盜混凝土材料的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)混凝土管控以紙質(zhì)票據(jù)為管理依據(jù)，以地磅人工抽檢作為計(jì)量手段，其管控方法和手段還停留在“以人為主”的管控模式上，已不能適應(yīng)當(dāng)前施工現(xiàn)場(chǎng)信息化的發(fā)展。其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

1）管理效率低，混凝土澆筑情況信息反饋不及時(shí)、不同步，不利于各相關(guān)單位了解現(xiàn)場(chǎng)情況。

2）管理成本高，從進(jìn)場(chǎng)直至混凝土澆筑完成的過程中，耗費(fèi)大量人力成本用來收取憑證單并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3）可追溯性差，遇到質(zhì)量問題無法追溯到混凝土澆筑位置。

4）直觀性、可視性差。

3 基于BIM的混凝土施工全流程智慧管控系統(tǒng)研究

傳統(tǒng)混凝土施工全流程管控的不足，其關(guān)鍵在于信息采集與共享的落后，而當(dāng)前的信息化技術(shù)正是解決這一問題的不二選擇。依靠二維碼技術(shù)或車牌識(shí)別技術(shù)，使信息自動(dòng)采集與交接成為可能，其具有無感化和操作方便化的特點(diǎn)。而云服務(wù)技術(shù)的應(yīng)用，可以使信息的采集與對(duì)接能夠及時(shí)處理并共享。BIM以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息，為參與各方提供信息共享和交流平臺(tái)，有直觀、可視化的特點(diǎn)，在建筑行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著“智慧工地”建設(shè)的不斷深入，以BIM技術(shù)為信息展示平臺(tái)，以信息化技術(shù)為信息采集手段，以云作為處理中樞，為混凝土進(jìn)行信息化管控提供了便利條件，使混凝土“智慧管控”成為可能。

3.1 全流程圖

基于BIM的混凝土施工全流程智慧管控系統(tǒng)主要針對(duì)混凝土從攪拌站出站到澆筑完成離開施工現(xiàn)場(chǎng)這一主要過程而研發(fā)。打通了混凝土生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫與施工現(xiàn)場(chǎng)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了材料出場(chǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)際稱重?cái)?shù)據(jù)的無縫對(duì)接。集成了車牌識(shí)別、無紙化信息導(dǎo)入、云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了混凝土工程施工全流程可視化智慧管控。該系統(tǒng)通過信息化技術(shù)手段，使建筑工地—混凝土攪拌站—項(xiàng)目材料管理部門實(shí)現(xiàn)信息共享和有機(jī)聯(lián)動(dòng)，為施工現(xiàn)場(chǎng)提供了智能稱重、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、現(xiàn)場(chǎng)抽檢簽收、及時(shí)統(tǒng)計(jì)分析、三維實(shí)時(shí)展示等功能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫對(duì)接，在節(jié)省人工成本的同時(shí)，大幅提高管理效率和管理效果，堵住了混凝土管理漏洞，實(shí)現(xiàn)了混凝土材料的精細(xì)化管理。

混凝土全流程智慧管控以攪拌車在不同工況之間的轉(zhuǎn)移為主線，包括：攪拌車出攪拌站→攪拌車進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)（車牌識(shí)別）→稱重計(jì)量（智能稱重系統(tǒng)）→攪拌車至泵車位置澆筑（掃描二維碼或車牌號(hào)碼）→空車出場(chǎng)前稱重（智能稱重系統(tǒng)）→攪拌車出施工現(xiàn)場(chǎng)（車牌識(shí)別），每工況形成的信息自動(dòng)采集，并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)至“云端數(shù)據(jù)庫”。最后，“云端數(shù)據(jù)”通過BIM平臺(tái)在電腦和移動(dòng)用戶端三維可視化展示。

混凝土信息流如圖1所示，管控全流程如圖2所示。

圖1 混凝土信息流

圖2 整體流程

3.2 智能稱重系統(tǒng)研究

采用人工記錄確認(rèn)、紙質(zhì)表單傳遞、人工指揮車輛稱量的方式，受工程現(xiàn)場(chǎng)人員龐雜、人員素質(zhì)參差不齊的影響，使得利用人力實(shí)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)物料的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控變得幾乎不可能。當(dāng)前，國內(nèi)外也出現(xiàn)了類似的智能物料數(shù)據(jù)檢測(cè)管理系統(tǒng)的硬件設(shè)備及軟件設(shè)備。但往往設(shè)備搭建復(fù)雜、難以重復(fù)使用，如需要采用“地感線圈”或開挖基槽等?；蚴菍?duì)工程現(xiàn)場(chǎng)使用的現(xiàn)有硬件有改造要求，如采用RFID信息識(shí)別卡進(jìn)行信息識(shí)別等。因此，現(xiàn)有設(shè)備均不能滿足可遷移性及適應(yīng)性的要求。

智能稱重系統(tǒng)在不改變項(xiàng)目現(xiàn)有地磅平臺(tái)的基礎(chǔ)上，增加了自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換接口以及遠(yuǎn)程傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看和管理。通過設(shè)置車輛識(shí)別攝像頭或二維碼識(shí)別裝置，實(shí)現(xiàn)車輛身份信息識(shí)別，通過車輛身份信息調(diào)取云端數(shù)據(jù)獲得車輛運(yùn)輸貨物信息。通過設(shè)置光幕、顯示屏等附屬設(shè)施，實(shí)現(xiàn)車輛進(jìn)出的邏輯判斷和車輛指揮。通過后臺(tái)管理系統(tǒng)將上述子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，方便可靠地實(shí)現(xiàn)車輛無人值守稱重、信息遠(yuǎn)程查看、質(zhì)量偏差自動(dòng)報(bào)警等功能（圖3、圖4）。

3.3 攪拌車與泵車（溜槽）的信息對(duì)接

圖3 自主研發(fā)地磅信息采集傳輸裝置

圖4 車輛稱重后臺(tái)管理系統(tǒng)

混凝土質(zhì)量追溯的重點(diǎn)主要為解決混凝土來自何處、運(yùn)輸過程如何、由哪輛泵車澆筑、澆筑在何處等問題。當(dāng)前大型混凝土攪拌站都實(shí)現(xiàn)了加工制備、運(yùn)輸管理的信息化，而現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑信息的獲取仍采用傳統(tǒng)人工記錄方式，成為制約混凝土全流程質(zhì)量追溯的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，研發(fā)了以二維碼為混凝土身份ID的信息管理系統(tǒng)。其主要管理過程為：泵車管理員通過與泵車綁定的手持終端，采集攪拌車隨車二維碼，手持終端識(shí)別二維碼后通過對(duì)應(yīng)關(guān)系，在云端獲取攪拌車所載運(yùn)混凝土信息，泵車管理員校核混凝土信息是否為所澆筑混凝土，如信息正確則將該車混凝土關(guān)聯(lián)至泵車，即該部分混凝土與澆筑泵車和澆筑位置關(guān)聯(lián)。

3.4 攪拌車進(jìn)出場(chǎng)管控系統(tǒng)

攪拌車進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間及在場(chǎng)數(shù)量是進(jìn)行混凝土施工調(diào)度和管理的依據(jù)。通過在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)出口設(shè)置車牌識(shí)別系統(tǒng)，獲取攪拌車進(jìn)出門口信息，車牌識(shí)別信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端。當(dāng)攪拌車進(jìn)出施工大門時(shí)，車牌信息被識(shí)別，然后通過網(wǎng)絡(luò)將車輛進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間等信息存入云端數(shù)據(jù)庫，形成攪拌車進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)表。通過訪問云端數(shù)據(jù)庫，管理人員能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看攪拌車進(jìn)出現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間以及施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)攪拌車蓄車情況，從而使施工現(xiàn)場(chǎng)工作安排更加合理有序（圖5）。

圖5 車牌識(shí)別裝置

3.5 BIM系統(tǒng)

當(dāng)前BIM系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)澆混凝土的統(tǒng)計(jì)和展示一直不盡如人意，基于BIM的混凝土施工全流程智慧管控系統(tǒng)，攪拌車將混凝土材料信息與攪拌車車牌關(guān)聯(lián)，以攪拌車車牌作為材料信息索引ID，在各流程中通過識(shí)別攪拌車車牌，實(shí)現(xiàn)了混凝土材料信息方便快捷地采集、傳遞、交互。在BIM系統(tǒng)中建立結(jié)構(gòu)及泵車模型，將泵車模型與相應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，讀取儲(chǔ)存在云端數(shù)據(jù)庫的車輛稱重信息、泵車澆筑信息、攪拌車進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)信息等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在三維模型中同步展示，最終實(shí)現(xiàn)基于BIM系統(tǒng)混凝土全流程信息的展示和交互。

4 工程應(yīng)用

上海董家渡金融城項(xiàng)目J區(qū)基坑面積4 289.4 m2，基坑普通挖深－18.9 m，塔樓區(qū)域達(dá)到－19.9 m，局部落深坑達(dá)到－25.2 m，底板非塔樓區(qū)域底板厚度為1 m，塔樓區(qū)域底板厚度為2 m，總混凝土方量為8 800 m3。該基坑周邊可用空地少，混凝土車輛運(yùn)輸組織困難。

基于BIM的混凝土施工全流程智慧管控系統(tǒng)在董家渡金融城J區(qū)底板混凝土澆筑施工中得到全面應(yīng)用。各參與方通過信息化手段獲取和提供混凝土施工信息，實(shí)現(xiàn)了全流程信息共享，混凝土信息通過BIM平臺(tái)進(jìn)行了直觀展示，為車輛調(diào)度施工安排提供了依據(jù)，創(chuàng)新了混凝土精細(xì)化管控模式（圖6、圖7）。

圖6 J區(qū)混凝土澆筑航拍

圖7 BIM系統(tǒng)展示界面

5 結(jié)語

通過基于BIM的混凝土施工全流程智慧管控系統(tǒng)研究與應(yīng)用，取得的效果有：

1）實(shí)現(xiàn)了大面積自動(dòng)計(jì)量，無需人工干預(yù)，提高了混凝土計(jì)量的效率和客觀性。

2）實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)采集與對(duì)接，節(jié)省了大量人工。

3）施工管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握混凝土用量，做到了工程量與施工的同步更新。

4）通過BIM平臺(tái)與泵車關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了澆筑混凝土質(zhì)量的可追溯，便于結(jié)構(gòu)質(zhì)量管控。