新興信息技術下的裝配式建筑智慧建造應用研究

文/劉喆、周瑞 吉林建筑大學 經濟與管理學院 吉林長春 130000

1、引言

研究報告顯示，全球能源消耗近一半是在項目建設與使用過程中，建設行業在消耗能源的同時伴隨著生態環境污染問題，其污染總量約占全球污染總量的34%，自2009年以來，從業人員人數連續四年高于3600萬人。節能環保的趨勢下，裝配式建筑作為重要的建筑工業化形式，與傳統的現澆技術相比，施工能耗減少20%，節水約80%、節能約70%、節材約20%、節時約70%、節地約20%，實行設計-生產-運輸-裝配一體化的裝配式建筑不但能提高建筑物的整合性和施工現場的安全性，而且有助于縮短工期減少環境污染。裝配式建筑在實踐過程中也面臨著困境。第一： 隨著建筑行業的迅猛發展，所涉及的預制結構構件結構日益復雜化，種類更加繁多，項目信息分散在不同的項目參與方中，裝配式建筑面臨多工種、多參與方的協同管理問題，信息的紊亂和不準確性導致預制構件返工。第二：建造過程中，預制構件的詳細信息沒有如實的反應到施工工人手中或預制構件的實際拼裝與設計不同將會延長建設項目周期及提高成本。第三：工程項目中大量的人、材、物信息還未實現自動數據化，無法有效融入信息化系統的管理。

由于，建設項目中“信息孤島”的原因，造成項目信息分散在預制、運輸、施工各參建方手中，導致構件信息難以收集、匯總。據數據表明，查找所需資料的時間在建設項目管理過程中超過30%以上，建設項目管理信息不當所造成的設計變更等帶來的損失占建設成本的3%～5%。盡管，我國在建筑信息化和信息化技術應用的投入上逐年提高，信息化技術應用和管理上也比以往有很大的提升，但信息化技術的集成應用仍然很低。[1]在此背景下，本文提出以裝配式建筑為研究對象，以BIM、物聯網等新興信息技術集成管理與應用為突破口，推動裝配式建筑向智慧建造邁進。

2、智慧建造理念的提出與技術實現

2.1 智慧建造理念

智慧城市是將信息、網絡新興技術廣泛用于城市基本建設中，包括政治、交通、社會等，使城市變得“聰明”起來。本文提出的智慧建造理念是對“智慧城市”的理解，智慧建造融合建筑全生命周期、精益化制造等理念，以BIM、物聯網等新興信息技術與先進建造技術相融合，是建立在它是建立在高度的信息化、工業化和社會化基礎上的一種信息融合、全面物聯、協同運作、激勵創新的工程建造模式。將人類特有的記憶、感知、思考、聯想、知識等能力融入于建筑管理中，使建筑建造過程中獲得更通徹的感知，更加全面的互聯互通，繼而實現建筑全生命周期內各個參與方更深入的信息整合和更協同的運作。

2.2 智慧建造技術支撐

2.2.1 BIM技術

組成裝配式建筑的基本單元是預制構件，每個構件經歷設計-生產-運輸-裝配四個階段。信息建模是實現裝配式建筑智慧建造的關鍵環節，而BIM作為集成工程項目信息的數據模型，是裝配式建筑智慧建造的核心工具。BIM技術項目信息的載體有效地協調構件設計、工廠加工、施工裝配各個環節，利用三維參數化建模，構件以族的方式進行保存，利用BIM數據庫，保存、修改、調取項目信息，可在設計、加工等環節實現對信息的集成和共享，消除“信息孤島”現象。

2.2.2 物聯網技術

BIM因其具有強大的物理數據管理和數字化展示功能為預制構件的設計和現場拼裝提供信息集成和流轉，但BIM不能及時、完整的記錄預制構件和設備的實時狀態信息。物聯網技術以感知為目的，通過在各類物體上的各種信息傳感設備收集到的信息，以互聯網為媒介，實現物的智慧化識別、定位、跟蹤、監控和管理，達到人與人、人與物、物與物之間互聯互通，及時的獲取構件狀態信息。

2.2.3 三維激光掃描技術

裝配式建筑構件體積龐大、形狀復雜，通常采用工廠加工、現場裝配的施工方法，工廠質量檢察員通常根據相關質量檢查標準檢查構件尺寸偏差或表面缺陷，這種方法的缺陷在于：第一，檢查結果的精確性受檢查員主觀因素影響；第二：檢查過程消耗大量時間和人力成本。構件的幾何形狀加工精度是影響建設質量的關鍵因素，因此利用精密施工測量技術快速測量、獲取預制構件外觀質量和尺寸至關重要。[2]三維激光掃描技術是目前較先進的實景測繪技術，三維激光掃描利用儀器發射出來的定向激光束快速掃描被測物體表面，得到海量的被測物體表面點三維坐標，與BIM軟件進行三位建模時所依據的設計數據不同，使用三維激光掃描技術建立的模型，其數據是由實際測繪而得。[3]

3、新興信息技術下裝配式建筑智慧建造應用與集成

3.1 新興信息技術在設計階段應用

我國裝配式建筑設計階段分為：技術策劃階段、方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段以及構件加工圖設計及生產階段。設計單位根據建設單位對建筑功能需要、項目環境條件選定適宜的結構體系。構件的初步設計階段是在建筑、結構設計以及機電設備基礎上，由設計單位聯合構件生產企業，結合預制構件生產工藝，以及施工單位的吊裝能力、道路運輸等條件，對預制構件的形狀、尺度、重量等進行估算，并充分與建筑、結構、電氣等專業初步協調。在初步設計的基礎上，結構專業確定預制構件的尺寸、質量等空間幾何和物理信息，機電設備專業確定管線預埋位置。構件制作前應進行深化設計，應滿足工廠制作能力、施工環節構件搭接的技術和安全要求以及確定預埋件、預埋物、預留溝槽等準確位置同時完成建筑結構設計驗算，最終完成預制構件的平面、立面、配筋、安裝及細部構造圖。

雖然這種設計方法比較成熟，但依然面臨著協調難度大、改圖周期長、設計誤差大等問題。新興信息技術下裝配式建筑智慧建造是在傳統的設計流程基礎之上進行優化。如圖一，兼顧設計的個性化和標準化，按照模數化制作各種構件的族以此形成預制構件族庫，在構件生產之前充分考慮工廠制作能力、施工單環節的搭接以及預埋物等，參建各方借助BIM平臺建立模型，結構、建筑、設備等專業進行協同設計。基于BIM技術可以對新結構、新形式以及復雜節點等施工難點進行實際施工模擬，盡早發現設計問題，從源頭上減少、甚至避免錯、漏、碰、缺等現象。

圖一

3.2 新興信息技術在生產階段應用

通過BIM技術三維可視化和信息完備性特點完整的將設計階段所確定的設計方案以信息共享機制的形式傳遞到構件生產廠。設計階段所創建的三維模型精確度可以達到預制構件生產要求，預制構件生產管理人員利用BIM模型設計模具，根據BIM模型所攜帶構件材料、幾何等信息展示給制造人員同時完整的輸入到生產系統中精準控制生產過程物料的用量。新興信息技術下的裝配式建筑生產階段集成BIM技術、RFID以及三維激光掃描技術實現構件制造的精益化生產，為生產制造階段提供有效數據的收集和流轉，保證生產階段構件可視化管理。

3.2.1 構件生產階段

設計人員將深化設計階段完成的構件信息轉入數據庫，構建信息會自動轉變成生產機械識別的格式并馬上進入生產階段。通過控制程序形成的監控系統會一直出現在構件生產的整個過程中，一旦出現生產故障等非正常情況，便能及時反映給工廠管理人員，這樣一來管理人員便能做出相應措施，避免損失。在整個過程中，生產系統會自動對預制構件進行信息錄入，記錄每一塊預制構件的相關信息，如所耗工時數、構件類型、材料信息、出入庫時間等。[4]

3.2.2 構件生產后入庫階段

通過RFID技術，模型與實際構件一一對應，項目參與人員可以對構件數據進行實時查詢和更新。在構件生產的過程中，人員利用構件的數據圖紙數據直接進行制造生產，通過對生產構件實時檢測，與構件數據庫中的信息不斷校正，實現構件的自動化和信息化。已經生產的構件信息的錄入對構件入庫出庫信息管理提供基礎，也使后期訂單管理、構件出庫、物流運輸變得實時而清晰。而這一切的前提和基礎，就是依靠前期精準的構件信息數據和同一信息化平臺，因此，BIM技術對于構件自動化生產、信息化管理的不可或缺性。

3.3 新興信息技術在施工階段應用

裝配式建筑施工現場涉及施工場地安排、預制構件存儲、進度控制、質量控制等多方面內容。裝配式建筑施工階段新興信息技術的運用遵循智慧建造的智慧性、可持續性以及集成性三個特點，著重加強信息集成與流轉。

3.3.1 施工現場的進度管理應用

構件入場時，RFID閱讀器讀取構件的RFID芯片，信息傳遞到數據庫中，構件信息顯示為入場。通過BIM模型與RFID技術結合，可以提前對施工場地進行布置，在構件存放處做到構件與模型點對點存放，明確顯示各構件所處區域位置。施工過程中將通過掃描RFID芯片幫助現場人員對構件進行定位、吊裝，標簽中的構件信息以及定位信息通過API接口與BIM模型的信息交互，從而把現場的信息反映到數據庫中，此時構件最新進度信息也相應變成已安裝，以project軟件.mpp文件的形式導入到Naviswork軟件中，與BIM模型進行關聯，Naviswork軟件以三維形式展示出最新的工程項目進度。

3.3.2 施工現場的質量管理應用

BIM和三維激光掃描技術在裝配式建筑質量中應用主要是通過掃描儀器對建筑中的重點部位、形象工程進行掃描，也可對重點部位進行模擬施工，為質量監控和驗收工作提供良好的數據，實現檢測信息實時共享。通過掃描儀器對構件的重點監控部位進行掃描，將得出的點云數據轉換成BIM模型，然后與設計圖紙建模得到的BIM模型進行比較，得到質量監控的數據。新興信息技術下的裝配式建筑事后質量控制主要是對于實際發生的質量問題，在BIM模型中標注出發生質量問題的部位或工序，分析發生原因，采取補救措施，同時通過BIM技術對發生的質量問題的結構化數據或非結構化數據進行收集、整理和匯總，運用大數據分析技術積累相似問題的判斷經驗和處理的方法和經驗，為以后的裝配式建筑施工質量的事前和事中控制提供經驗和數據。

結語：

裝配式建筑作為綠色、環保、節能型建筑，是建筑工業化生產方式的典型代表，與傳統現澆技術相比，生產模式、建造方式都有很大不同。新興信息技術在裝配式建筑設計、生產、建造中的運用能夠迅速、及時收集到建筑項目信息，通過對實時反饋回來的數據進行收集、分析、反饋最終形成“智慧”，使建筑項目具有擬人的“學習、感知以及領悟”等能力，輔助管理人員進行決策。