基于BIM環境下裝配式建筑質量管理研究

邱國林，秦鏡軒

（吉林建筑大學）

1 BIM在裝配式建筑虛擬仿真中的整體構想

為提高施工現場的安全管理能力，本文建立了施工現場墜落危險管理體系。該系統以計算機視覺代替傳感器系統作為物理建筑工地和虛擬模型之間的信息交換橋梁。本文的主要貢獻是提出了一種基于深度學習的方法實現從物理建筑工地到數字模型的雙向信息交換。為了訓練深度學習模型，本文構建了一個包含來自多個來源的約4000張圖像的數據集，以檢測現場安全風險。本文還提出了一種獲取工人和風險源坐標的方法，然后基于風險源和工作人員的實時位置建立自動化安全管理框架。這個安全管理框架的有效性通過案例研究來驗證，比較安全員和自動化系統之間的差異。此外，本文提出的方法將建筑信息模型與實際施工過程相結合，實現了數字層面和物理層面的雙向協調，為智能施工提供了數據依據（見圖1）。

圖1 BIM仿真示意圖

2 裝配式建筑在質量管理存在的問題

在香港進行的一項裝配式建筑工程的調查中，我們發現兩個與能源消耗有關的主要問題，包括：①對人力和機器等資源的管理效率低下；②裝配式構件的生產、運輸和現場組裝效率低下。這些問題主要是由信息溝通滯后和人為失誤造成的。本文試圖通過開發一個物理互聯網支持的建筑信息建模系統(pi-BIM)提供解決方案，該系統集成自動識別技術、BIM和云計算。pi-BIM實現了生產、運輸和現場裝配過程中的實時信息收集、通信和可視化。通過試點原型反映了系統實現的實際問題。pi-BIM有助于提高資源配置效率，為資源分配提供實時組件信息，減少從預制工廠到施工現場的人為錯誤[1]。

3 BIM在裝配式建筑虛擬仿真的應用

在生產、運輸和現場裝配過程中進行收集和溝通，以減少人為錯誤。建筑信息模型（BIM）和物理互聯網（PI)的出現提供了解決方案。BIM是項目物理和功能特征的數字化表達，作為項目管理的共享信息資源(NIBS 2015)。PI表示一個開放的全球供應鏈系統(Montreuil 2011)，其中各種對象被實時跟蹤(Qiu et al.2015；Zhang et al.2015)。本研究介紹了一套pi-BIM系統(pi-BIM)，通過在香港的實際案例中試行系統原型，收集和傳遞實時項目信息，最終提高預制建筑的能源效率。

數據采集層包括實時采集數據的智能建設對象(sco)和自動標識設備。sco指的是典型的建筑對象，如預制構件、卡車和拖車，它們通過配備自動識別標簽而變得智能(Niu等人，2015年)。由工人持有或固定在增值點的自動識別閱讀器，可快速追蹤和收集與自動識別系統相關的信息。中間層由智能網關組成，充當一線數據收集層和能效支持層之間的橋梁。智能網關由一個硬件集線器和以“即插即用”方式工作的軟件組成，有三個主要功能：①它配置和管理項目中的所有scos；②它控制自動標識設備和sco之間的數據傳輸；③它將收集到的信息以標準化的格式進行傳播，能效支撐層是指三個基于云的平臺，分別支持預制構件的生產、運輸和現場組裝。

PI-BIM包含三個主要模塊：可跟蹤性、可見性和信息交換[2]。①可追溯模塊，主要是基于自動識別技術，對預制構件的個體信息以及生產、運輸、現場裝配等相關任務進行追溯。②可見性模塊的設計是為了在圖形界面中集成、可視化和探索組件的狀態和相關任務。該模塊不僅提供了單個組件的詳細信息，還向管理人員展示了整個項目的全景圖，提供了新的見解。③設計信息交換模塊，實現同一云平臺信息的無縫共享。由于預制裝配式建筑項目往往比傳統項目涉及更多的利益相關者，因此高效的信息溝通對于解決任何能源消耗問題都顯得尤為重要。該模塊在整個項目過程中保持信息的一致性，并確保正確的信息在正確的時間交付給正確的人（見圖2）。

圖2 BIM在裝配式建筑虛擬仿真的應用

3.1 裝配式建筑模型的建立

被建模的建筑組件的屬性將允許將它們識別為基于規則的智能建筑對象。這些對象的建模主要是參數化建模。顯示為模塊化元素規定的各種規則，以及可用于合并模塊化協調規則的選項。該系統通過輔助信息引導建模者通過選擇長度、寬度、加厚、開口尺寸和這些元素的位置等可能的尺寸。組件的水平和垂直對齊以及高度可以與模塊化參考框架(模塊化網格和水平)相關聯。可視化程序的一部分生成值并將其轉換為列表。然后，查詢節點從列表中收集特定的值。最后一部分將該值作為所選建模元素類型的參數值插入[3]。

3.2 施工場地的布置

利用BIM技術可以模擬施工現場的環境，在界面管理中，可以識別和跟蹤界面，讓所有參與者參與進來，以改善操作管理，減少有害變化，促進有益的變化，可以迅速建立模型，大大減少了現場因不可抗拒的因素造成的損失，一切都按照現場實景搭建，在虛擬環境下構想機械布置、機電布置、線路布置，可以讓技術人員更直觀看到施工現場的情況，對裝配式建筑前期的流程有更加清晰的認識，工程師可以通過點擊3D界面地圖中的地圖單元直接訪問相關界面。此外，所有接口都存儲在中央數據庫中，以避免冗余。

3.3 裝配式建筑施工模擬

施工模擬是在三維模型的基礎上添加時間軸，隨時間的變化，模擬建筑物從開工到竣工的施工過程。將整理好的圖紙導入SOLIDWORKSZ中，附上施工進度，施工流程，通過BIM技術更快速地讓工程師與施工人員了解施工現場的情況（見圖3）。

圖3 裝配式建筑施工模擬

4 BIM技術在裝配式建筑中的優勢

許多業主已經開始要求采用BIM，并修改合同條款以實現這一目標。2007年初的一項調查發現，74%的美國建筑公司已經在使用3D建模和BIM工具，盡管其中只有34%的公司將其用于智能建模。BIM和4D CAD工具在建筑工地辦公室中越來越普遍。目前普遍實施的瓶頸是缺乏經過適當訓練的專業人員，而不是技術本身[4]。

技術趨勢包括使用建筑信息模型自動檢查代碼一致性和可構造性的發展。一些供應商已經擴展了他們的BIM工具范圍，而另一些供應商則提供了更多專業特定的功能，如施工管理功能。BIM是一項正在進行中的工作。隨著它的發展和使用變得越來越廣泛，它對建筑建造方式的影響程度將變得越來越明顯。

在本章中，我們首先從這些趨勢推斷出：在接下來的五年里，基本的BIM工具可能會得到更廣泛的應用。BIM將有助于更高程度的預制、更大的靈活性和多樣性的建筑方法和類型、更少的文件、更少的錯誤、更少的浪費、更高的生產力，甚至更好地分析和探索更多的替代方案，更少的索賠，以及更少的預算和進度超支，項目也將被執行得更好。這些都是對現有施工流程的改進，眾多的社會、技術和經濟驅動力將決定BIM在未來中期(10年～12年)的發展。

本章的后半部分確定了2020年之前的時間框架內的驅動因素和障礙。我們思考了驅動因素對BIM技術、設計專業、建筑合同的性質、BIM與精益建造之間的協同作用、教育和就業，以及法律和監管程序可能產生的影響。BIM技術已經跨越了研究概念和可行商業工具之間的界限，它將成為建筑設計和施工中不可缺少的工具。然而，從計算機輔助繪圖（CAD）到BIM的轉變并不是一個自然的過程。它涉及了從繪圖到建模的范式轉換，并且它促進了從傳統的競爭性項目交付模型到設計和建設中更多協作實踐的同步轉換。

正在考慮在實踐中采用BIM工具的讀者，以及教育未來建筑師、土木工程師、承包商、建筑業主和專業人士的教育者，不僅應該了解當前BIM的能力，還應該了解未來的趨勢及其對建筑行業的潛在影響。使用建筑信息模型自動檢查代碼一致性和可構造性已經成為可能。在新加坡，建筑許可證所要求的建筑規范符合性的部分設計檢查已經自動化。創新公司，如Solibri和EPM，已經開發了模型檢查軟件(Jotne 2007；Solibri 2007)使用IFCfiles，并打算擴展其功能。使用疊加的3D模型協調復雜的建筑系統變得越來越普遍[5]。

總的來說，BIM將促進項目設計和施工團隊的早期整合，使更緊密的合作成為可能。這將有助于使整個建設交付過程更快、成本更低、更可靠、更不容易出現錯誤和風險。

5 結語

裝配式建筑是未來數據技術快速發展的關鍵，而計算機技術在建筑行業的應用尤為重要。虛擬化是一種模擬和展示施工過程的新技術，它能有效地為建筑單位減少實際開銷，并按照圖紙去建模，發現錯誤，并得出結論，由技術人員向上層領導反映，領導決策，為企業在接下來的工作做好充足的準備。領導根據模擬的結果，指定相應的管理規范，只有好的管理才能使工程順利交工。