裝配式建筑設計、生產、施工一體化信息系統研究與應用

粟劍波，孫志庭，陳東升，江 濤，何洪普，胡謀東

（中建三局綠色產業投資有限公司，湖北 武漢 430100）

0 引言

隨著我國建筑行業的跨越式發展，建設規模和投資力度都有了很大的提高，建筑業面臨轉型升級的新挑戰和新機遇。《“十三五”國家信息化規劃》中提出了要“全面提高建筑企業信息化水平”，對建筑一體化信息系統的建設提出了新的要求。針對建筑業信息化建設發展滯后，各業務管理協同不暢，信息孤島、業務流程脫節等問題，本文研究了建筑業信息系統架構建設需求，分析了裝配式建筑設計、生產、施工各個階段的數據交互要求，提出了一體化解決思路及框架，對裝配式建筑企業一體化信息系統的建設具有重要參考意義。

1 裝配式建筑信息系統的架構建設需求

所謂裝配式建筑信息化，即通過在裝配式建筑中實施信息化技術深度應用，有效發揮信息共享和集成優勢，促進裝配式建筑各專業、各環節、各參與方的協同工作，實現建筑工業化與信息化的深度融合［1］。

設計、生產、施工各階段對信息系統的建設都提出了不同的需求，如在設計階段，要重點提高專業設計能力，專業間協同設計以及預制裝配結構模數化、標準化設計等；在生產階段，主要通過信息化和自動化加工技術，提高生產的自動化水平，提高生產計劃、組織、調度的效率與質量等；在施工階段，基于 BIM 技術，通過物聯網、RFID 等信息技術，實現構件產品在建造中的設計、生產和運輸等的信息共享，實現以裝配為核心的設計-生產-裝配無縫接駁的信息化管理［2，3］。

在建立統一的信息交互標準的基礎上，搭建設計、生產、施工一體化信息系統，保證各專業、各參與方的信息能夠有效地實現共享和實時交互，結合企業管理流程與業務流程，對項目全生命周期的采購、成本、進度、合同、物料等進行全面信息化管控，實現裝配式建筑設計、生產、施工全過程的信息化，提高整體建造效率和效益，并提升企業管理水平和經營能力。

2 裝配式建筑設計、生產、施工全過程信息交互需求

基于裝配式建筑在設計、生產、施工階段的數據及信息交互要求，從設備端、數據庫、應用范圍 3 個方面進行分析，規劃對應的信息化建設需求，如圖 1 所示。

圖1 裝配式建筑在設計、生產、施工信息交互全過程

2.1 設備端

設備端主要分為信息收集前端、信息終端、網關設備、機械設備等。信息收集前端主要有二維碼、RFID、GPS/北斗系統、監控設備、智能安全帽、智能水表等；信息終端主要有信息收集終端、車載終端、讀卡器、機械設備智能控制終端等；網關設備主要有 4 G/5 G、DTU、RTU、物聯網關等；機械設備主要有塔吊防撞、預警、自動保護，機械輔助等工業設備。

2.2 數據庫

數據庫包含靜態和動態數據庫。靜態數據庫主要為構件部品庫、工藝工法庫、設計方案戶型庫、棟號庫、定額庫等。動態數據庫為前端設備收集的數據資源庫，如定位、軌跡、數量、材料、水量、電量等資源的動態數據。

2.2.1 靜態數據庫

靜態數據庫為企業建立的一套可以重復利用的數據庫。如構件部品庫可以分為通用模型庫和企業產品模型庫。通用模型庫主要用于輔助建模或提高建模效率的參數化模型，如 Revit 的族庫包括門、窗族、欄桿、參數化預制構件、設備等，通用模型庫的數量決定著建模的效率，也代表著企業的 BIM 應用水平。企業產品模型庫主要為標準化的預制構件庫，根據公司的產品構件特點及規律，模數化、標準化構件，標準構件可以直接對接工廠信息系統，大大提高深化設計及生產的效率。設計方案戶型庫、棟號庫主要為企業根據市場需求、經驗、成本、標準的工藝工法建立的一套數據庫。這套數據庫可以重復利用、快速響應市場需求、快速為需求方提供一套完整的解決方案，提升企業的核心競爭力。

2.2.2 動態數據庫

動態數據庫主要是利用前端設備進行信息收集，如利用二維碼、RFID、GPS/北斗系統對車輛及構件進行實時定位、軌跡分析，動態采集車輛的軌跡數據、構件的出廠、進場、驗收等信息。利用智能安全帽對人員的軌跡、安全、信息等進行動態采集，利用智能水表、電表、智能路燈等設備對水、電資源進行動態數據采集，利用視頻監控系統、塔吊防撞系統對施工現場、塔吊的旋轉半徑進行實時監控及數據采集。前端設備對數據進行動態采集，通過互聯網或信息收集終端設備傳輸到后方的智慧平臺進行大數據分析及 BIM 應用。

2.3 應用層

應用層主要包括協同設計、構件智能加工系統、基于物聯網+GPS/北斗的構件物流管理、基于 BIM 的現場裝配信息化管理。

2.3.1 基于 BIM 的協同設計

主要分為施工圖的協同設計及構件深化協同設計兩大部分。施工圖協同設計，包含建筑、結構、給排水、暖通、電氣、精裝全專業。施工圖階段分為專業內加專業間鏈接協同設計、全專業大協同設計兩種模式。專業內加專業間鏈接協同設計的優勢在于協同機制及電腦硬件配置要求低；全專業大協同的優勢在于全專業在一個設計平臺中進行工作，修改變動都可實時查看。構件深化協同設計一般主要涉及結構、機電、精裝 3 個專業，其主要環節為結構專業間的深化協同設計，機電、精裝專業主要涉及開關插座等點位及預留預埋。

協同設計的工作機制分為局域網內協同和跨區域協同兩種方式，局域網內的協同機制架設要求較低，可以用普通電腦作為服務器，也可架設在公司主服務器上。跨區域協同則需要借用第三方平臺或 VPN、端口映射等方式實現跨區域的協同設計。

2.3.2 構件智能化加工

通過 BIM 數據與中控系統相連，通過中控系統驅動自動化生產設備進行全自動生產，實現構件生產的自動化［4］。目前能實現構件全自動生產的進口生產線有艾巴維和沃樂特等德國生產線，主要通過 BIM 模型導出pxml 和 unitect 兩種數據格式，并導入 MES、EBOUS 等系統驅動生產設備進行全自動生產。以艾巴維生產線的預制雙皮墻流程為例，主要的工藝流程有自動劃線、自動支模、鋼筋網片焊接、翻轉、自動放置、桁架鋼筋自動放置，布料機自動布料、自動振搗、養護窯養護、翻轉機翻轉、二次養護、脫模、自動清洗等環節。

2.3.3 基于物聯網的構件定位運輸管理

通過掃描構件二維碼信息或 RFID 芯片，結合 GPS/北斗定位對預制構件的出廠、運輸、進場進行全過程追溯和監控，并通過互聯網實時傳遞信息到工廠的生產管理系統和施工的現場管理系統，完成整個預制構件物流運輸的全過程管理［5］。

通過對構件的信息采集和動態跟蹤可以建立構件的質量追溯系統［6］。構件追溯系統可以與政府監管部門、建設單位、設計單位、構件生產企業、物流企業、施工單位、監理單位等各方進行數據共享，實現裝配式預制構件的全過程質量管理和監管。構件質量追溯系統主要功能包括：構件信息管理、構件質量追溯采集、信息查詢門戶。

2.3.4 基于 BIM 的現場裝配信息化管理

BIM 模型包含了圖紙、數據、屬性等信息，且 BIM 技術具有可視化、精細化、仿真模擬等特點，施工階段可利用 BIM 模型進行場地布置、構件吊裝模擬、構件管理、三維技術交底等技術應用。

1）場地布置。通過三維的方式對施工現場的道路、臨設、大型設備、各生產操作區域、PC 構件堆放區域進行可視化布置。結合塔吊的吊裝半徑、計劃等信息對構件的吊裝路徑進行模擬，對塔吊位置、構件堆放位置及順序進行優化，提高施工質量。

2）構件管理。將構件 BOM 清單、安裝樓層、安裝部位、安裝計劃等信息集成到構件的 BIM 模型中，并與對應的生產構件相關聯。通過管理平臺對構件的設計、生產、運輸、堆放、吊裝等進行全過程管理，對不同狀態下的信息進行動態收集并集成到 BIM 模型中，從而實現構件的可視化、信息化、精細化管理。

3）吊裝模擬。結合構件吊裝路徑、安裝工序、樓層、部位等信息，通過仿真軟件對構件的吊裝方案進行仿真模擬。通過模擬可以提前驗證吊裝方案的合理性，吊裝過程中可能遇到的碰撞問題，通過模擬多項方案，為最佳方案決策提供數據支撐。

4）三維可視化交底。通過 BIM 的可視化特點，把復雜區域、復雜節點的二維圖紙進行三維可視化，利用所見即所得的方式向工人進行技術交底，使施工人員更清楚地理解設計意圖、關鍵節點等，提高工作效率、提高安裝的精度和質量。

3 一體化信息系統搭建思路及框架

3.1 一體化信息系統搭建思路

設計、生產、施工（DPC，Design-Production-Construction）一體化信息系統建設任務主要是搭建數字化企業管理中心，建立企業管理模型，負責企業信息管理，主要包括：企業 BI（BI，Business Intelligence）平臺和項目 BI 平臺兩大模塊，各板塊包含子系統如圖 2 所示。

圖2 信息一體化模型

3.1.1 企業 BI 平臺

企業智慧商業平臺，即企業 BI 平屬于企業“內業”管理范圍。包括企業 OA 系統、業財一體化體系、供應鏈管理平臺和科研管理平臺。

1）企業 OA 系統。企業 OA 系統主要包括企業日常辦公、行政、信息發布等業務管理及流程審批。

2）業財一體化系統。業財一體化系統融業務、預算、資金、核算四維一體，以公司主要業務為基礎，建設全面預算管理、資金業務管理、資金收支控制、費用控制管理、經營決策分析管理等功能模塊。

3）供應鏈管理平臺。供應鏈管理平臺是信息流、物流、資金流的集中管控平臺，包括集中招采、企業商務系統、經營管理系統等。

4）科研管理平臺。科研管理平臺主要是針對企業課題研發過程管理、成果轉化管理、科研考評及績效考核、研發成果歸檔及管理。

3.1.2 項目 BI 平臺

項目智慧商業（BI）平臺是指企業“外業”管理。包括工程建設項目的設計管理系統、生產管理系統、施工管理系統和運營維護系統。

1）設計管理系統。設計管理系統采用一體化設計理念，主要包括：裝配式建筑設計信息化、裝配式結構深化設計信息化兩個階段。

2）生產管理系統。生產管理系統的特點是智能化生產，主要包括構件智能化加工、計劃管理信息化兩個方面。

3）施工管理系統。施工管理系統主要包括模型信息化應用和施工管理信息化兩大方面，功能體現在智慧管理系統、材料與成本管理系統和合同與商務管理系統。

4）運營維護系統。運營維護系統主要基于運維模型進行建筑物運營維護管理，如資產與設備管理、空間管理、能源管理、安防管理等。

3.2 裝配式企業一體化信息系統框架思路

DPC 一體信息化建設框架由下而上，一層是共享資源層，二層是信息一體化應用平臺，三層是企業管理層，每一層由若干“立柱”組成。其框架結構如圖 3 所示。

圖3 DPC 一體化信息化框架布置圖

3.2.1 企業管理層

企業管理層是 DPC 一體信息化建設框架的頂端管理領域，是整個建設框架的導向，各管理系統主要功能模塊如下。

1）企業 OA 系統。辦公系統、行政管理、技術質量管理、安全管理、項目管理。

2）業財一體化體系。財務系統、工廠管理平臺、項目管理。

3）供應鏈管理平臺。集中招采系統、企業商務系統、經營管理系統、市場管理。

4）科研管理平臺。科研管理、研發監控、技術資料庫及成果應用。

3.2.2 項目一體信息化應用平臺

項目一體信息化應用平臺是項目 BI 平臺的核心，也是 DPC 一體信息化建設框架的核心目標，應注重全過程信息化應用，可分為設計信息化應用、生產信息化應用和施工信息化應用方向及運維信息化應用。

設計信息化應用包括協同設計、設計管理、數字化審圖（根據需要）及圖檔系統等。

生產信息化應用包括生產排程、智能加工、倉儲管理及構件檢驗等。

施工信息化應用包括 BIM 平臺、智慧管理平臺、商務管理及竣工驗收系統等。

運維信息化應用包括資產與設備管理、空間管理、能源管理、安防管理等。

3.2.3 共享資源層

共享資源層是 DPC 一體信息化建設框架的基礎設施，指為整個信息化平臺提供全生命周期硬件、軟件、網絡、通訊、存儲、應用等服務的載體，是一個共享、開放的框架層，包括設備資源、網絡資源和工具資源。

設備資源包括平臺設備和末端設備。平臺設備指平臺搭建的服務器及緩存，末端設備是應用層客戶端設備，如智能手機、PC、WEB 端等。

網絡資源是為信息化平臺提供計算機網絡技術支持的資源統稱，如云計算技術、無線射頻技術、GPS 定位技術等。

工具資源是為平臺應用提供軟件開發、維護、應用的統一環境以及相應的數據庫資源，包括系統軟件、應用軟件、中間件、運行庫、數據庫、構件庫等。

共享資源層數據及信息交換方面考慮的問題如下。

1）共享企業級數據中心。通過實現統一的數據定義與命名規范、集中的數據環境，從而達到數據共享與利用的目標。是企業 IT 的物理載體，為企業應用提供數據存儲、數據分析、處理及決策服務。

2）CDN 加速服務網絡。通過在現有的網絡中增加一層新的專用網絡架構，將平臺的內容“緩存”到最接近用戶的網絡“邊緣”，使終端可以就近取得所需的內容，提高訪問平臺的響應速度和網絡利用率，避免原始服務器超載，解決跨區域協同問題。

3）企業數據庫建設。根據一體化平臺建設的需要，逐步完善企業數據庫，輔助企業經營管理和快速決策。

4）API 數據接口。作為信息傳遞的中間件，通過程序間的直接或間接通信實現數據共享。根據平臺上不同軟件應用程序間的數據共享性能，按需研發不同分類的數據接口。

5）信息分類與編碼。信息分類與編碼標準化是根據分類對象的屬性或特征研究其標識、分類、參照特性，易于計算機和人識別處理，為信息交換和實現信息資源共享提供基礎。建立信息分類體系，分類型、分區域進行數據信息的存儲、處理、計算和定向訪問，簡化并明確信息存儲及傳遞路徑，設立數據中心共享信息區域和專有信息區域。

3.3 信息系統建設應用實例

參照上述一體化信息系統搭建及框架思路，結合 BIM 技術，分別引入/開發了裝配式建筑設計、生產、施工信息平臺。

3.3.1 協同設計平臺

引入 revit 協同設計平臺，協同建筑、結構、機電全專業進行深化設計，優化細部節點，將機電預留預埋、建筑構造、構件生產和安裝工藝、現場施工措施等需求予以統籌考慮，并進行綜合碰撞檢查，出具構件加工圖紙，避免構件因設計問題而返工（見圖 4）。

圖4 基于 revit 構件深化設計

3.3.2 工廠云平臺

在某 PC 工廠開發了工廠云平臺，工廠云平臺主要包括基礎信息管理、工廠管理、合同管理、生產管理及材料管理 5 大方面，從原材料采購、生產過程控制、構件出廠檢驗等方面進行全流程信息化管理，優化工廠原材料及成品庫存，提高預制構件生產效率，強化項目合同過程管控能力，保障了項目預制構件的進場時間，為項目順利實施奠定基礎（見圖 5）。

圖5 PC 工廠云管理平臺

3.3.3 BIM 智慧建造管理平臺

在某項目開發了 BIM 智慧建造管理平臺。基于BIM 技術、物聯網、互聯網和智能設備，搭建智慧建造管理平臺，對現場工效進行實時分析，優化項目人員配置；跟蹤構件階段信息、質量信息和定位信息，實現構件的過程管理；對主材的招采和使用情況進行過程監控，實現預警和調配管理；對塔吊群作業狀態進行實時監控，及時報警及切斷危險方向操作，利用大數據分析實現人、機、料、法、環的全面質量管理和綜合管理（見圖 6）。

圖6 BIM 智慧建造管理平臺

通過 BIM 智慧管理平臺，對現場人員配置、構件運輸、材料管理、塔吊作業等進行統一管理，結合總施工組織設計和吊裝方案，利用 BIM 平臺軟件，制定標準層施工網絡計劃，分析判斷關鍵路線，進行預制標準層施工工序模擬（見圖 7）。

圖7 預制標準層施工工序模擬

4 結語

本文研究分析了裝配式建筑信息系統架構建設，以及設計、生產、施工過程的信息交互需求，進而總結了包括資源層、應用層及企業管理層的一體化信息系統的搭建思路及框架，并針對其中的協同設計平臺、工廠云平臺、智慧建造管理平臺等進行了研究與應用，為建立裝配式建筑一體化信息系統打下基礎。

同時，針對裝配式建筑企業的 DPC 一體化信息系統建設提出以下建議。

1）統籌規劃，分步實施——以目標為導向落實信息化需求。根據企業發展目標和規劃，落實并分界信息化目標，秉承適用、實用的基本要求，逐步實施企業信息系統的建設和推廣應用。

2）統一標準，互聯共享——從實際出發建立基礎標準體系。建立和制定適合企業實際發展需求的信息化基礎標準體系，例如數據元素標準、信息分類與編碼標準、數據庫標準、信息管理標準體系、信息安全保障體系等，加快信息化網絡互聯，確保信息共享和高效協同。

3）業務主導，信息輔助——信息化建設助力企業業務發展。企業信息化發展的最終服務對象是企業業務，因此以業務為主導，開展信息化建設，以信息數據驅動企業業務發展。

4）組織保障，歸口管理——建立企業信息化領導小組制度。由企業領導負責企業信息化建設工作，整合現有企業信息化力量成立信息中心，專門負責信息化規劃的具體實施和運行。Q