信息技術在構件生產(chǎn)階段的應用與展望

周 垚 李希勝

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

引言

裝配式建筑是指以混凝土構件為主要構件，在工廠采用工業(yè)化的方式預制后經(jīng)現(xiàn)場裝配、連接、部分現(xiàn)澆而形成的新型建筑，因其在節(jié)能環(huán)保以及生產(chǎn)效率方面的優(yōu)勢被大力推廣。預制構件作為裝配式建筑的基本單元，其預制生產(chǎn)對于整個建設項目的進度、成本和質(zhì)量控制具有十分重要的意義。現(xiàn)階段將BIM(building information modeling)等信息技術與預制構件生產(chǎn)相結合是該領域的研究熱點。BIM技術具有可視化、協(xié)同性、可優(yōu)化等特點，將BIM技術應用于構件生產(chǎn)階段可以有效解決信息量大、協(xié)同難等問題，并在裝配式建筑全生命周期達到更高的綜合效益。關于BIM等信息技術在裝配式建筑工程中的應用已有許多評論，但研究范圍過于廣泛，對于構件生產(chǎn)階段的詳細分析是十分有限的。因此，需要一個關鍵性的分析來總結研究成果、識別研究空白。本文首先對預制構件的生產(chǎn)過程進行分析并建立生產(chǎn)模型，其次根據(jù)生產(chǎn)模型及相關文獻的回顧建立一個綜合的概念框架，然后依據(jù)該框架模型對文獻進行分類，通過文獻評論總結各子階段的研究現(xiàn)狀、研究方法和研究局限，并針對這些不足提供未來的研究方向。本研究結果將有助于科研人員厘清該領域的研究趨勢，提高企業(yè)信息化水平，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

1 預制構件生產(chǎn)過程分析

預制構件生產(chǎn)是指生產(chǎn)商根據(jù)設計方案，利用一定的生產(chǎn)資源組織并管理生產(chǎn)，最終交付構件的整個過程。對于預制構件的生產(chǎn)過程，已有一些學者對其進行了研究。SACKS提出了預制構件生產(chǎn)過程的總體框架。Dawood將生產(chǎn)過程分為生產(chǎn)設計、生產(chǎn)計劃和制造三個階段。由于我國裝配式建筑還處于發(fā)展階段，設計院欠缺相關設計經(jīng)驗，難以全面地把握生產(chǎn)車間、施工現(xiàn)場的具體情況，其提供的設計結果通常無法達到生產(chǎn)與裝配的精度要求，生產(chǎn)方需要依據(jù)相關規(guī)范，結合生產(chǎn)、運輸、施工的實際條件，進行深化設計。因此，本文根據(jù)已有研究和我國建筑行業(yè)特點將構件生產(chǎn)過程分為深化設計、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)制造、存儲和運輸交付四個階段，并通過實際調(diào)研對每個子階段的主要工作內(nèi)容進行了概括，從而建立預制構件生產(chǎn)模型，如圖1所示。

2 文獻統(tǒng)計分析

2.1 文獻來源

首先對文獻搜索詞進行組合設計，如下表1所示，在ScienceDirect，The Web of Science 和中國知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫中查找2007年以后發(fā)布的信息技術在構件生產(chǎn)階段應用的相關文章，并利用文獻追蹤的方法增加收集量，共收集到463篇文獻資料，其結果如圖2所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外關于信息技術在預制構件生產(chǎn)階段的應用研究整體發(fā)展呈現(xiàn)增長趨勢，但國外針對信息技術在生產(chǎn)階段的研究較早，同期公開的論文數(shù)量始終高于國內(nèi)。自2014年以來，國內(nèi)文獻數(shù)量迅速增長，尤其在2016年以后，呈現(xiàn)高速増長態(tài)勢，說明信息技術在構件生產(chǎn)中的應用正逐步得到國內(nèi)專家學者的重視。

表1 文獻搜索關鍵詞

圖2 2007～2019年國內(nèi)外發(fā)文量年度分布圖

2.2 研究方法

本文主要聚焦于信息技術在構件生產(chǎn)階段的研究與實踐，為了抓住重點，對上述論文進一步掃描、泛讀，刪除不符合主題的文獻，最終確定60篇與本研究主題強相關的論文，并將其映射到概念框架中。該概念框架由構件生產(chǎn)模型及信息技術的研究熱點構成。構件生產(chǎn)過程的各個階段及主要任務構成該框架模型的列，而行則表示信息技術的研究熱點。其中，信息技術的研究熱點是根據(jù)對廣泛引用的論文的回顧得出的。將上述60篇論文分配給相應的行元素與列元素的交集，如表2所示，其中有些論文可能涵蓋多個研究主題。表格中灰色區(qū)域表示該研究主題不適用于某些階段。最后通過文獻評論的方法對已分類文獻進行評價，這一方法有助于突出該領域當前的成就和未解決的關鍵問題。

3 研究內(nèi)容

3.1 深化設計

深化設計是指預制企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)工藝以及運輸、施工吊裝中的需求，對構件進行拆分設計、節(jié)點設計和其他設計，并進行構件受力驗算，最后得到可實施的設計方案。深化設計后的方案應滿足原方案的技術要求，符合國家及相關省市的設計、施工規(guī)范[1]。

BIM技術是該階段的應用重點，充分發(fā)揮 BIM 技術的協(xié)同性、參數(shù)化等優(yōu)勢進行預制構件深化設計，有效解決了裝配式建筑設計效率低及錯漏碰缺等問題[2-5]。構件的自動拆分是該課題目前的研究熱點。構件拆分是指把設計結果中不利于實現(xiàn)的單個構件按照一定規(guī)則拆分為滿足模數(shù)協(xié)調(diào)以及生產(chǎn)、運輸、施工要求的多個預制構件的過程。針對目前費時費力的手動拆分，馮青等人利用 BIM 二次開發(fā)技術，實現(xiàn)了裝配式框架結構中部分構件的自動拆分。但是該方法只能實現(xiàn)有限的組合，沒有綜合考慮構件的標準化以及經(jīng)濟性。構件生產(chǎn)單元組合程度較低、生產(chǎn)效率不高[6-7]。針對此不足，

表2 關于信息技術在構件生產(chǎn)階段研究的框架模型

Khalili提出相連接的多個構件應該組合形成一個預制單元，并基于IFC(工業(yè)基礎類的簡稱)實現(xiàn)構件拆分的自動化，節(jié)約了生產(chǎn)成本并便于構件運輸[8]。

雖然已有一些預制構件自動化拆分的研究成果，但研究尚不成熟，構件拆分仍不能完全實現(xiàn)自動化。且研究多集中于基于約束的預制構件的自動化拆分，如生產(chǎn)、運輸設施對構件長度的限制等，拆分規(guī)則過于單一，缺少對基于成本、工程結構特點、規(guī)模等知識的構件自動拆分研究。

3.2 生產(chǎn)計劃

預制構件投產(chǎn)之前需要根據(jù)交付日期編制生產(chǎn)計劃，合理的生產(chǎn)計劃應在滿足建設項目施工進度的前提下綜合考量生產(chǎn)能力與庫存成本，以實現(xiàn)最大化效益。信息技術在該階段的研究議題主要集中在生產(chǎn)調(diào)度。

生產(chǎn)調(diào)度可以看作是一個傳統(tǒng)的流水車間序列問題，其求解十分復雜，現(xiàn)階段模型優(yōu)化求解主要以遺傳算法為主。在早期，生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化的首要目標是盡量減少生產(chǎn)時間，這忽略了提前交付造成構件成本和損壞概率的增加。為此，一些學者對目標函數(shù)進行了修正，以準時交付和最低生產(chǎn)成本作為優(yōu)化目標[9]。但是這些研究都假設了豐富的生產(chǎn)資源，這與實際生產(chǎn)是不一致的。因此，Hu等人從資源角度優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，其基本思路是將這些生產(chǎn)資源的限制條件作為函數(shù)的一部分，如模具、勞動力、庫存空間、工作站之間緩沖大小等，通過不斷過濾超出產(chǎn)能條件的計劃，以保證所得結果的可實現(xiàn)性[10-12]。但尚未發(fā)現(xiàn)在各類型資源約束下， 同時滿足交付期和最低生產(chǎn)成本的方法。除此之外，上述研究主要集中在理論上的優(yōu)化，以實現(xiàn)一個單一的目標，并有限地考慮到現(xiàn)實世界的生產(chǎn)環(huán)境。為了解決這一問題，Chen、Wang等專家學者采用仿真模擬的方法再現(xiàn)預制構件生產(chǎn)的真實場景，為求解復雜的數(shù)學模型提供了支持[13-14]。

在前人文獻綜述的基礎上，本課題總結了現(xiàn)有生產(chǎn)計劃研究的不足：

(1)構件生產(chǎn)過程中的不確定性因素較多，如機器故障、需求變化、產(chǎn)品質(zhì)量、搶修訂單等。但現(xiàn)有研究主要集中在靜態(tài)規(guī)劃或?qū)蝹€擾動的響應上，以實現(xiàn)一個單一的目標與簡單的假設，缺少對如何優(yōu)化重新調(diào)度以響應多個干擾的研究。

(2)由于我國仍處于手工生產(chǎn)、半自動化生產(chǎn)的階段，因此人的不確定性較大，但大部分研究固定化工人操作時間，沒有考慮到工人生產(chǎn)效率的影響。

3.3 生產(chǎn)制造

生產(chǎn)制造是指依據(jù)生產(chǎn)計劃進行預制構件生產(chǎn)并管理的過程。信息技術在該階段的研究主題集中于自動化生產(chǎn)、質(zhì)量控制和生產(chǎn)管理。

我國現(xiàn)階段仍處于手工生產(chǎn)、半自動化生產(chǎn)階段，只有個別工藝環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，在整個構件生產(chǎn)過程中仍舊離不開人工協(xié)助，圖3明確展示了現(xiàn)階段我國構件生產(chǎn)自動化程度[15]。預制構件的全自動流水線生產(chǎn)是該課題的研究熱點，歐美和日本等發(fā)達國家針對自動化生產(chǎn)研究開始較早，構件生產(chǎn)設備智能化、集成化水平都較高[16]。國內(nèi)對集成構件的自動化生產(chǎn)線也做了一些研究，雖然這些研究提高了構件的生產(chǎn)率，但在設計自動化生產(chǎn)設備，集成自動化流水線方面仍有許多工作要做[17-18]。

圖3 預制構件生產(chǎn)工藝自動化程度

在質(zhì)量控制方面，由于手工檢查和基于紙質(zhì)的質(zhì)量數(shù)據(jù)管理效率低下，一些學者提出利用BIM和激光掃描技術對成品構件進行質(zhì)量檢測，自動地評估全尺寸預制混凝土構件的關鍵質(zhì)量標準，并通過BIM存儲和傳遞質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)[19]。但這些研究集中于對成品構件的幾何尺寸和表面質(zhì)量缺陷的自動評價，尚不能實現(xiàn)對構件中鋼筋、預埋件等質(zhì)量標準的自動檢測。因此，yin等人借助 RFID、移動設備及互聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)預制構件質(zhì)量管理系統(tǒng)，對構件生產(chǎn)過程進行跟蹤記錄，包括來料檢驗、生產(chǎn)過程檢驗、模具檢驗，樣品檢驗等，解決了數(shù)據(jù)記錄和存儲的困難，防止數(shù)據(jù)的重復輸入，并方便信息即時反饋[20]。相較于基于紙張的傳統(tǒng)質(zhì)量管理，增強了自動化數(shù)據(jù)收集和信息管理的能力。一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題可進行質(zhì)量追溯，查明質(zhì)量原因并對質(zhì)量責任人進行追責。

信息化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)也是該階段的研究熱點，一個完備的生產(chǎn)管理系統(tǒng)應該包括：生產(chǎn)計劃管理； 資源管理； 設備管理； 進度管理； 質(zhì)量管理； 成本管理； 庫存管理等。目前大部分學者圍繞BIM和企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)進行構件的生產(chǎn)管理系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)將生產(chǎn)預制過程與施工現(xiàn)場活動進行集成，實現(xiàn)對構件在生產(chǎn)及施工過程中相關信息的跟蹤與管理，并且管理人員可直接提取BIM 模型中相關生產(chǎn)信息，減少在 ERP系統(tǒng)中二次輸入，提高信息流的有效性和靈活性[21]。但這些研究有一定的局限性，忽視了構件生產(chǎn)過程信息的實時反饋。針對此不足，董娜對構件可視化過程管理進行了研究，開發(fā)了基于BIM-RFID的構件進度管理系統(tǒng)[22]。

本研究課題的局限性可歸納于以下三部分：

(1)目前對RFID的應用集中于對構件信息跟蹤和記錄，缺少對生產(chǎn)設備、進度、工人等元素的實時監(jiān)控，以監(jiān)測每一次作業(yè)是否在計劃時間內(nèi)使用合適的資源進行。特別是缺乏實際生產(chǎn)過程與生產(chǎn)計劃的比較，因此很難發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)干擾的發(fā)生，無法實時反映構件生產(chǎn)過程狀態(tài)。

(2)對構件自動質(zhì)量檢測的研究主要集中于成品構件，缺少對構件生產(chǎn)過程質(zhì)量的自動化檢測。

(3)對多維度信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的研究較少，如圖4所示，尚缺乏對RFID、ERP、BIM三者有效集成的研究。

圖4 構件信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)

3.4 庫存和運輸交付

由于預制構件堆放場地較大，庫存貨物數(shù)量較多，很容易發(fā)生存取貨物混亂，交付不及時等問題。該課題將從以下三個角度進行研究以解決上述問題：(1)庫存水平； (2)庫位布局； (3)識別、跟蹤、定位。

在建筑供應鏈中，由于對預制構件識別、跟蹤和定位不當，會導致構件延遲交付、構件錯位等問題。因此，識別、跟蹤和定位構件是庫存和運輸管理的關鍵。一些研究表明RFID和條形碼技術使人們能夠識別構件并記錄操作信息； 全球定位系統(tǒng)(簡稱GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)能顯著提高構件的定位跟蹤效率[23-24]。這些研究改進了供應鏈管理的可視化，為預制供應鏈的智能運輸管理提供了啟示。除此之外，庫位布局和庫存水平也是該課題的關注點。過剩的庫存將增加預制供應鏈的成本，IM為了控制構件的庫存水平，試圖通過模擬需求變化、預計提前期和生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化來識別庫存水平[25]。Hong通過智能化算法開發(fā)庫位分配系統(tǒng)，對堆場庫位進行合理布局，有效提高了堆場利用率[26]。

本課題在前人相關研究的基礎上，歸納了以下不足：

(1)對構件的自動識別、跟蹤和定位的研究大多集中在數(shù)據(jù)收集上，并沒有徹底解決信息傳遞、共享問題，實時跟蹤信息很難為所有利益攸關方所訪問。

(2)現(xiàn)有文獻中對構件跟蹤的研究主要是為了追求從業(yè)人員獲取實時過程和位置信息的可達性。缺少對獲取數(shù)據(jù)的分析，形成基于規(guī)則的知識，以提高預制供應鏈的運作績效。

3.5 系統(tǒng)級活動

深化設計、生產(chǎn)計劃等多個階段都可共同受益于一些基礎性研究，如信息的互用等，此類研究被歸類于系統(tǒng)級活動。目前裝配式建筑項目各階段、各參與方的信息往往自成體系，“信息孤島”現(xiàn)象突出，其直接影響就是重復的工作和信息的大量流失。BIM環(huán)境下實現(xiàn)信息互用的方式有多種，其中IFC(Industry Foundation Classes)是目前建筑業(yè)廣泛認可的國際性公共數(shù)據(jù)格式標準，它能夠使不同的應用軟件通過標準的數(shù)據(jù)接口，進行數(shù)據(jù)交換和共享[27]。但現(xiàn)有的 IFC 標準難以滿足裝配式建筑領域全壽命周期的數(shù)據(jù)需求，需要對IFC標準缺失部分進行擴展。IFC 擴展機制包括基于 Ifc Proxy 實體的擴展、基于屬性集的擴展和基于增加實體定義的擴展。從擴展的難易程度來看，基于屬性集的擴展方式較為簡單，只需根據(jù)擴展規(guī)則增加屬性種類并關聯(lián)已有屬性集； 基于IfcProxy實體的擴展方式次之，該方法目前使用較少； 基于增加實體定義的擴展難度最大，IFC標準歷次版本升級即是基于該種機制進行擴展[28]。除了需要對新增實體自身進行定義外，還需跟原有的實體建立派生關系，避免當前版本中的實體存在沖突。目前，相關學者就構件的幾何類型、質(zhì)量信息、新型技術(如RFID、傳感器)等對象的擴展進行了豐富的研究并取得了一定成果[29]。

但是正是由于IFC標準內(nèi)容豐富，在針對不同的項目階段和項目角色之間特定的信息交換需求時表達不夠精確，因此需要充分明確各項信息的交付標準[28]。信息交付手冊(IDM)就是用來實現(xiàn)這一目的的標準。它通過對建設項目分階段按一定流程和目的，精確定義每一數(shù)據(jù)交換模塊，包括信息格式、信息交付流程、信息分類及信息深度實現(xiàn)特定需求信息的交互，見圖5。其中具體的信息交換內(nèi)容通過模型視圖定義(MVD)來表達，MVD是IFC的子集，每一個特定的MVD 都與 IFC 標準中的實體和關系對象形成了映射。通過IDM、MVD、IFC三大數(shù)據(jù)標準，保證信息交互的準確性、完整性。

圖5 預制構件信息交付手冊內(nèi)容

我國裝配式建筑領域的信息交付手冊尚處于初步研究階段。在信息分類方面，為了實現(xiàn)信息有效傳遞與共享，推動BIM技術在實際建設項目中的應用。國內(nèi)于2014 年、2017年發(fā)布《建筑工程設計信息模型分類和編碼標準》以及《建筑信息模型分類和編碼標準》等國家編碼標準。但少有標準提及到裝配式建筑構件的信息分類編碼，目前已知的僅有土木工程學會頒發(fā)的《裝配式建筑部品部件分類和編碼標準》以及各省制定的地方標準，國家編碼標準尚處于缺失階段。預制構件標準化程度較低，大大增加了各參與方協(xié)同工作的難度。因此制定裝配式建筑構件國家編碼標準，形成符合我國標準的裝配式建筑構件信息交付手冊將是未來的研究重點。

4 總結

為了促進預制企業(yè)信息化技術的發(fā)展，更好地實現(xiàn)建筑轉(zhuǎn)型升級。本文在分析上述子課題研究空白的基礎上，進一步得出未來的研究方向，以期為該領域?qū)W者提供參考。

(1)基于BIM和本體進行構件拆分研究。本體論是一個源于哲學的知識框架，它將復雜的領域知識抽象為一組概念、屬性、關系和規(guī)則，為復雜規(guī)則的表達提供了良好的基礎并便于計算機識別。將本體與BIM相結合有利于實現(xiàn)構件的自動拆分。

(2)未來應致力于預制供應鏈中的動態(tài)平衡管理，而不是簡單的靜態(tài)優(yōu)化。應從評估擾動的優(yōu)先級、響應優(yōu)化等方面進行系統(tǒng)的擾動管理機制研究。

(3)智能供應鏈將是未來研究的趨勢。首先，需要解決如何在構件生產(chǎn)全過程中為多個利益攸關方實時提供跟蹤信息。第二，最大限度地利用信息，通過數(shù)據(jù)建模和信息分析將信息轉(zhuǎn)換為知識，實現(xiàn)管理人員科學決策，提高供應鏈的運作效率。

(4)基于BIM、RFID和ERP的生產(chǎn)管理系統(tǒng)的開發(fā)研究。該生產(chǎn)管理系統(tǒng)可支持管理人員對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測，并為工人提供設計，生產(chǎn)計劃相關信息，對構件生產(chǎn)計劃的實時執(zhí)行控制可進行廣泛的分析，更好地指導生產(chǎn)實踐。

(5)制定裝配式建筑國家編碼標準，形成我國裝配式建筑構件信息交付手冊。