BIM與RFID技術在裝配式綜合管廊中的應用研究

楊志勇 ，章沛蓉，張雨杰，張文時

（成都市市政工程設計研究院，四川 成都 610023）

0 引 言

為了推動產業結構調整升級，國家決定大力發展裝配式建筑[1]。在市政基礎設施領域，綜合管廊逐漸采用裝配式建造。與現澆施工相比，裝配式綜合管廊可使基坑留存時間縮短，降低施工對交通的影響。管廊通過工業化生產，確保了混凝土結構的外觀、質量及耐久性，配合預應力技術，使管廊呈輕型化特點，節能環保[2-3]。

但是，通過多個試點工程反饋，裝配式綜合管廊在實際應用中存在一些問題，主要體現在：（1）工業化廠家不能直接按設計施工圖生產，需對圖紙二次加工，延長了項目周期，工程量也與施工圖不符；（2）綜合管廊艙室種類多，預埋件因艙室類型不同，形式和位置各異，例如：某市綜合管廊工程（四艙），標準艙室類型6種，節點類型40種，工業化生產易出現預埋件定位錯誤和疏漏的問題；（3）施工現場因管理人員技術水平不同，依靠人工記錄和現澆施工經驗，對預制構件管理混亂，影響吊裝進度，甚至出現拼接錯誤；（4）后期產權單位接管管廊后，安裝艙內附屬設施時，無法準確定位預埋件。

經綜合考慮工程實際運用，基于Bentley平臺系列軟件，探討將BIM與RFID技術結合應用于綜合管廊全生命周期，建立BIM模型與預制管廊的聯動系統，解決了裝配式綜合管廊應用中的系列問題，提升了綜合管廊裝配式建造的智能化水平。

1 BIM與RFID技術

BIM即建筑信息模型，是在傳統的三維幾何模型基礎上構建面向工程全生命周期的信息模型，支持信息的交換、共享和管理[4]。與傳統CAD工程制圖相比，在BIM模型中，以構件作為基本圖元，每個圖元包含了構件所有工程屬性：幾何信息、材料、結構型式、拓撲關系等。將BIM模型與應用軟件、技術設備結合，可以為工程的不同階段提供信息共享平臺[5-7]。

RFID即無線射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術，掃描半徑可達25 m，一般由標簽、閱讀器、應用軟件組成，特點是標簽與閱讀器無需接觸，通過空間磁場或電磁場耦合進行信息交換[8]。RFID具有標簽存儲容量大（可達20MPa）、穿透性好、抗污染能力強、耐久性好、可重復使用等特點[9]。

目前國內已有學者將BIM與RFID技術結合應用于裝配式建造工程：常春光等探討了BIM-RFID的集成系統在構件制造、運輸、進場、艙儲、吊裝過程中的應用，提出BIM-RFID系統的推廣建議[10]；李天華等將BIM與RFID應用于房建，解決了建設項目缺少將各階段關聯起來的技術問題[11]；曹新穎等將BIM-RFID技術引入構件生產質量管理中，建立了構件生產的質量管理體系[12]；張家昌等探討了BIM-RFID技術在預制構件運輸、現場施工、運營管理階段的應用價值[13]。上述研究主要針對房建領域，在市政工程領域，將BIM與RFID結合應用于裝配式建造工程的較少，智能化水平較低，亟待智能化建造技術。

2 BI M與R FI D技術在裝配式綜合管廊全生命周期中的應用

2.1 應用總體流程

BIM的核心不是模型本身，而是集成信息與工作協同[14]。從綜合管廊工程立項至竣工驗收，以BIM+RFID信息管理系統（下面簡稱管理系統）為核心的應用體系將貫穿工程全生命周期，如圖1所示。設計、工業化生產、施工裝配、運維管理均圍繞該管理系統進行，以實現工程全生命周期的信息集成與工作協同。

圖1 BIM與RFID在裝配式綜合管廊全生命周期的應用流程圖

2.2 規劃設計階段

規劃設計階段是裝配式綜合管廊全生命周期最為關鍵的一環，該階段需完成BIM拼裝模型創建和RFID標簽設計。

工業化廠家若直接按二維設計施工圖焊接鋼筋，會出現鋼筋露出混凝土結構的現象，如圖2所示。通常工業化廠家會對設計單位提供的CAD施工圖二次加工，以達到預制生產的要求，這樣便延長了構件的生產周期。通過引入BIM技術，采用Bentley Microstation、ProStructures對單節管廊三維正向設計，設計精度達lod300，如圖3所示，在設計階段即可滿足工業化生產要求，縮短構件生產周期。然后通過Bentley OpenRoads Designer對單節管廊添加編號（ID）屬性，參考道路、橋梁、管線、地鐵、基坑支護等邊界條件，實施管廊現場裝配模擬。模擬內容主要為構件進場時序、現場堆放方式、吊裝時序和拼接方式，最終形成BIM拼裝模型。將其導入BIM+RFID信息管理系統后，供工業化廠、施工方、管廊接管方使用。

根據BIM拼裝模型，設計RFID標簽信息，信息內容應至少包含單節預制管廊編號、艙室類型、材料、生產日期、生產廠家等。其中，管廊編號至關重要，在工程全生命周期中獨一無二，該編號與BIM管廊拼裝模型編號唯一對應。

2.3 工業化生產階段

工業化廠家直接通過管理系統調用BIM拼裝模型，定制單節管廊模具，提取BIM拼裝模型中單節管廊數量、混凝土方量、鋼筋工程量，準備預制材料。在預制實施過程中，直接按BIM模型選取預埋件形式、定位預埋件，確保預埋件位置的準確無誤（見圖 4）。

預制管廊可直接根據BIM施工時序模擬按需生產，避免預制構件富裕、積壓。構件出廠前，按照BIM拼裝模型中設定的單節管廊編號，在管廊艙內貼上RFID標簽，經閱讀器掃描出廠，出廠記錄直接反饋于管理系統，實現工業化廠對產品的智能化管理。

2.4 施工裝配階段

圖2 按二維CAD施工圖預制管廊鋼筋導致出露之示意圖（單位：cm）

圖3 單節預制管廊三維正向設計示意圖

圖4 預制預埋件定位及RFID標簽布置之圖示

施工方采用RFID閱讀器對不同時段進入施工現場的預制管廊掃描記錄，按BIM施工模擬現場堆放預制管廊，以便吊裝進入基坑。

綜合管廊在平面轉彎、現澆段連接、艙內管線出線時，單節預制管廊內部支墩、支吊架預埋件均與標準段不同，但外形尺寸卻完全一致。例如，某工程2 m單艙管廊一節重達21.55 t，一旦吊裝或拼接出錯，將嚴重影響施工進度。

基于BIM+RFID信息管理系統，在構件吊裝前，采用RFID閱讀器掃描現場構件，在管理系統中自動實現BIM拼裝模型與現場構件身份比對，當現場構件與BIM拼裝模型構件身份符合時，才能進行吊裝、拼接，確保構件吊裝、拼接的準確無誤，其流程如圖5所示。

圖5 施工裝配流程圖

2.5 運營管理階段

產權單位接管管廊后，直接利用手持閱讀器在艙內掃描RFID標簽，對應編號調取BIM拼裝模型即可實時查詢管廊預埋件位置，實現管道支墩、電力和通信支架、照明、消防設施安裝位置的精確定位，避免管廊建成后艙內預埋件無法定位的問題。

待附屬設施安裝完成后，將管廊艙內視頻監控、氣體監測、溫度監測、氣壓監測、自動消防系統接入BIM+RFID信息管理系統，可以實現對綜合管廊日常運行狀態的實時遠程監控管理。

3 工程實例

某試點綜合管廊工程為現狀道路新建管廊工程，全長約5.3 km，總投資約5.8億元。入廊管線包括：110 kV（220 kV）電力、DN1 400和 DN600輸水管道、DN500高壓和DN 273中壓燃氣管道、通信、d 00～d 1 200污水管。該綜合管廊共設置6種艙型，分別為：四艙A型（綜合艙+高壓電力艙+輸水艙+燃氣艙）、三艙B型（污水艙+綜合艙+高壓電力艙）、三艙C型（污水艙+輸水艙+燃氣艙）、雙艙E型（綜合艙+高壓電力艙）、雙艙F型（輸水艙+燃氣艙）、單艙D型（高壓電力艙）。

新建綜合管廊位于現狀城市主干道，車流量大，道路兩側房屋距離近，現狀管線密集，施工期要求保證雙向6車道通行能力，施工作業面極為有限。為了降低施工對交通的影響，經反復研究，部分標段（總長1.51 km）采用裝配式建造。現以道路南側K1+71.5～K3+05.3 C型三艙裝配式管廊為例，對比人工管理為主的裝配式建造和基于BIM+RFID的裝配式建造的時間成本。假設時間成本基數為X，以現階段人工管理為主所花費的時間作為基數，根據現場反饋施工進度表統計，如表1所列。

表1 BIM+RFID技術應用與人工管理為主的裝配式建造時間成本統計表

該段綜合管廊基坑南側為現狀房屋，距離為1.3～12.8 m，北側為現狀道路，新建綜合管廊位于輔道與人行道下方，現狀管線密集，BIM現場拼裝模擬結果如圖6所示。如表1所列，在工業化生產階段、施工裝配階段及運營管理階段，基于BIM+RFID的裝配式建造均比現階段人工管理為主的裝配式建造節省時間。規劃設計階段時間成本增加的原因在于，該階段需要增加對設計人員新技術的培訓時間，但是軟件使用熟練后，效率會提升，甚至高于現階段二維設計。

圖6 BIM現場裝配式綜合管廊構件堆放與拼接模擬圖示

工程投資方面，由于新增了BIM+RFID系統搭建，管廊出廠配置RFID標簽、閱讀器等硬件設備，項目前期投資較現階段增加。但是通過新技術運用，避免了構件生產和吊裝拼接錯誤，其規避損失與增加投資相當，關鍵在于，通過BIM與RFID技術結合運用，縮短了項目建設周期，保證了建設質量。

4 結 語

將BIM與RFID技術結合應用于裝配式綜合管廊建設全生命周期，確定了以BIM+RFID拼接模型為核心的信息管理系統作為工程全生命周期協作平臺，使其貫穿于項目規劃設計、工業化生產、施工裝配、運營管理四個階段，實現了預制管廊的三維正向設計、工業化高質量生產、智能化管理、構件科學堆放、精準吊裝拼接、艙內預埋件準確定位，提升了裝配式綜合管廊建設的智能化水平。工程實例證明，BIM與RFID技術結合應用于裝配式綜合管廊建設能夠縮短項目建設周期，是值得推廣的，也為市政裝配式橋梁和下穿隧道工程提供了借鑒。