基于BIM+RFID的超高層鋁模全生命周期應用研究

張烈霞 ZHANG Lie-xia；程金開 CHENG Jin-kai；劉廉柏超 LIU Lian-bai-chao

（①中鐵二十局集團第六工程有限公司，西安 710032；②陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，西安 710055）

0 引言

模板工程占建筑結構工程的60%-70%，模板系統的管理理念很大程度上影響著施工進度及工程預算。隨著高層建筑和大型基礎設施的興建，建筑模板信息化逐漸成為超高層建筑工程領域備受關注的問題[1-3]。傳統模板方案的設計與規劃方法已無法滿足超高層建筑的工程管理需求，建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）技術為建筑行業的模板工程優化提供了新途徑[4-6]。通過BIM技術可優化整體建筑設計、提高工程效率，從而實現智能化項目管理以促進建筑業的可持續發展[4]。

BIM技術利用計算機強大的計算能力，基于建筑工程各階段的數據信息可建立完整、高度集成化的建筑信息模型，從而實現對建筑工程從設計、施工、運營全生命周期的高效協同和管理[7]。Lee等[8]、易成等[9]、祝兵等[10]探討了BIM技術在模板設計流程、自動化布局及參數優化方面的應用。模板施工過程可基于BIM技術可視化進行立體交叉和立體檢查，從而提高模板使用效率、減低經濟成本。Li[11]、Reto等[12]、黃奇榮等[13]基于BIM技術提出的模板自動化檢測方法實現了設計協調及施工可視化。另外，鄭順義等[14]、Lee等[15]將BIM三維可視化技術應用到模板拼裝工程，實現了模板工程精細化施工管理。綜上所述，BIM技術在模板體系設計和布局優化方面得到了很多應用，使得模板工程施工更加高效。隨著超高層建筑的快速發展，BIM技術在超高層建筑模板工程中的規劃與應用研究需進一步關注。

本文以西安市榮民科創園超高層建筑中的鋁模工程為研究背景，分析了鋁模技術的深化應用及工程優勢，基于創建的BIM實景優化模型有效提高了鋁模工程的施工進度。為實現鋁模板的設計-生產-運輸-施工過程中的信息化管理，提高鋁模板工程的效率，基于“BIM+”技術將無線電子射頻識別技術（RFID）引入到超高層建筑鋁模工程中構建了BIM-RFID鋁模板管理平臺，實現了復雜施工現場鋁模工程的智慧化和數字化管理。

1 研究工程背景

1.1 工程特點

榮民科創園工程位于西安高新區，總建筑面積為245850m2，工程現場概況，如圖1所示。建筑體量大、結構復雜、場地狹小，現場平面布置與交通組織給項目管理帶來挑戰。2#樓屬于一類超高層公共建筑，高度為195.95m，總建筑面積114887.80m2，避難層設置于49.55~53.75、99.25~104.05、149.55~154.05m。外框架由H型鋼混凝土柱、十字型鋼混凝土柱組成。核心筒剪力墻暗柱有勁型鋼柱，設備層為鋼板墻及腰桁架。

圖1 工程現場概況

2#樓為榮民科創園的控制工程，核心筒采用型鋼混凝土+鋼筋混凝土組合形式，模板施工及管理難度大，需借助BIM技術進行規劃決策。為使模板工程的安全性和經濟性達到最優，工程選擇高強度的鋁合金模板，相較于傳統木模在安全性及成本控制方面具較大優勢。模板從選型、設計、制作、施工及澆筑過程都采取有效控制措施，工藝流程如圖2。

圖2 施工工藝流程圖

工程項目進度控制是一個動態的管理過程，需要定期跟蹤檢查進度計劃的執行情況。項目部利用無人機定期進行傾斜攝影，從更全面的視角收集實際進度數據，從而對進度計劃進行動態控制。BIM實景模型應用，如圖3所示。

圖3 BIM實景模型應用

1.2 鋁模板系統

鋁模板全稱為建筑用鋁合金模板，用來代替傳統木模板、鋼模板的新型模板，通常使用6061硬鋁合金在熱處理后由專用設備擠壓成型[15]。鋁模板系統主要包括：①占據主要的面板系統；②連結各個面板的緊固系統；③起到支撐作用的支撐系統；④其余零部件系統。隨著高層建筑的快速崛起，常規模板已無法滿足實際工程需求，鋁模板逐步取代傳統的鋼模及木模，提高了施工進度并節約施工成本。

建筑模板優劣性對比（表1）表明，鋁模板因具有施工靈活、施工效率較高、脫模效果較好、可重復使用的優點而倍受施工企業青睞。不可否認的是，鋁合金模板設計合理性也直接影響施工安全，模板強度不夠往往是造成事故的主要原因。隨著超高層建筑施工復雜程度的增加，傳統二維圖紙設計暴露出了諸如模板構件設計信息缺失、深化設計成果表達不直觀、參建單位溝通不暢的弊端[2，4]，這對BIM技術在超高層建筑模板工程中的規劃與應用研究提出了更高要求。

2 基于BIM+RFID的鋁模工程管理平臺構建

BIM技術的三維建模和數字化表達能力及協同工作功能能提高設計生產效率，使鋁模板的設計更加精確合理，減少鋁模設計的時間成本。“BIM+”技術的快速發展為工程可視化管理提供了新途徑，研究將無線電子射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）引入到超高層鋁模工程。盡管RIFD技術前期投入大，但作為一種可進行無接觸信息存儲和無線信息傳遞的新技術，其具備不可替代的作用且可以大幅度提高超高層建筑的工作效率。

2.1 建立鋁模BIM模型族庫

鋁模體系由多種構件組成，包括面板系統、緊固系統、支撐系統、附件系統四個主要部分。標準層較多的高層或超高層建筑，鋁模體系能夠發揮鋁模板周轉次數多、總體造價低的優勢。既有研究[16]表明，每個標準層間使用的鋁模板基本相同，鋁模設計通常會采用80%標準尺寸模板和20%非標準模板。基于此，建立BIM模型時需要提前建立鋁模板構件集，具體方式是建立構件的族模型，主要是將鋁模板所有構件族文件以及構件信息建立成一個數據庫，在深化設計時直接在構件集中找到所需的構件模型插入，進而提高設計效率[4]。

超高層建筑模板方案設計復雜，主要表現在：①工程算量難；②設計信息內部無關聯[5]，設計方案易出現錯誤。結合BIM技術的超高層建筑鋁模板方案規劃需滿足要求：①符合設計規范：嚴格按照規范建立算法；②智能輔助決策要求：通過設定評價指標，對設計方案進行優選以獲得最優方案；③參數化方案布置要求[15]：實現模板構建的可視化自動布置；④信息交互[12]：與管理平臺進行信息交流互動，保證有效信息流通。

為此，利用Revit可實現標準層的模板方案設計，BIM系統會自動根據每一區域的形狀、面積優先將創建模板模型，從而實現設定準則下的最優方案，如圖4所示。鋁模板模型的校核是施工前必須進行的環節，鋁模板復雜的結構特征要求達到緊密結合，體現了整體性特點。另外，利用Revit建立鋁模BIM模型族庫時需要選擇新建公制常規模型，利用拉伸、旋轉、鏡像等操作將一套鋁模板中所有的構件建模以族文件的格式保存。鋁模板的族主要包括板底模、梁底模、陽角模、墻側模、早拆頭及墻柱陰角，如圖5所示。

圖4 鋁合金模板系統部分構件

圖5 鋁模板系統部分構件族

2.2 建立BIM+RFID管理平臺數據庫

預拼裝是鋁模工程的必要步驟，即在工廠加工制造完成后隨即拼裝。預拼裝的目的包括：①檢查模板數量是否足夠；②檢查設計尺寸是否合理、能否按照要求拼裝完成。預拼裝時若發現問題，需進行鋁模再加工。由此可見，這種傳統預拼裝方式效率低下且間接提高了鋁模造價。為此，鋁模BIM模型族庫建立后，運用BIM技術建立的信息化工程管理模型進行虛擬拼裝，打通模板全生命期數據的交互途徑，全面提升階段管理水平，從而提高工程建設質量和效率、降低工程建設成本和施工風險。

基于BIM+RFID的鋁模工程管理平臺要求預拼裝過程必須放在設計階段，主要原因：①BIM技術完全可以實現鋁模板構件的虛擬拼裝（如圖6），及時進行預拼檢錯，減少工程造價；②利用BIM參數化、信息化功能，對所有鋁模構件進行編號及信息賦予。虛擬拼裝的前提是建立完備的鋁模構件庫。利用Revit系統建立鋁模模型的步驟：①根據設計圖紙，建立全套鋁模構件的族文件，包括頂板模板、墻模板、連接角鋁、K板、龍骨、樓面轉角等構件；②創建樓層的BIM結構模型，即使用過濾功能勾選剪力墻、樓板、梁等（輔助配模作用）；③相應BIM結構模型中對鋁模族進行拼裝，主要檢查鋁模拼裝是否合理、是否出現碰撞沖突、設計尺寸是否滿足要求；④輸出數據（設計錯誤報表、材料清單等），根據錯誤報表對模板進行優化；⑤預拼裝完成且對出現的問題進行解決后，在BIM模型中對鋁模板構件編號、賦予模型屬性。出廠前需將鋁模類型、編號、屬性、生產日期等寫入RFID芯片并預制到鋁合金模板上。

圖6 鋁合金模板拼裝俯視圖

2.3 BIM+RFID平臺輔助施工管理與應用

BIM模型具有可視化特點，通過旋轉觀察模板組裝節點[4，17]。對于不易拼裝的細部節點，可利用BIM FILM生成施工動畫實現復雜節點可視化交底。鋁模板的拆模、拼裝易導致模板損壞，可通過BIM協同平臺與工廠溝通、修復進而避免延誤工期。

圖7為BIM+RFID系統輔助鋁模板施工流程，鋁模運至場地后，BIM-RFID處理系統開始啟用，將RFID信息利用通信系統同步到基礎數據庫并將位置、進度信息與模型相匹配。開啟RFID無線定位系統后，施工人員手持讀寫設備依次在鋁模板電子標簽中添加模板到達的信息。此時，RFID信息處理系統對接BIM模型，RFID電子標簽中包含的信息可以實時同步上傳BIM模型。鋁模板施工時，BIM+RFID信息系統可對鋁模板位置信息進行自動追蹤，進而識別已完成模板和未完成模板。三維BIM模型中，已完成裝配的模板呈高亮顯示，管理人員可依此指導現場施工。

圖7 BIM+RFID信息系統輔助鋁模板施工流程

同時，利用BIM技術對模板配板方案進行自動化設計可獲得最優設計方案，人機可視化交互可實現設計人員從全局角度審視設計成果。為此，可以通過Revit平臺建立模板設計系統模塊，并結合3D可視化顯示復雜節點矩陣并配合部件的實時修正、糾正。基于BIM的模板設計系統框架設計，如圖8所示，既方便信息共享又可實時監控工程進度。

圖8 基于BIM的模板設計系統框架設計

3 結語

以榮民科創園超高層建筑中的鋁模工程為研究背景，分析了鋁模技術的深化應用及工程優勢，基于創建的BIM實景優化模型有效提高了鋁模工程的施工進度。“BIM+”技術的快速發展為工程可視化管理提供新途徑，將RFID技術引入到超高層建筑鋁模工程中構建了基于BIMRFID技術的鋁模板管理平臺，實現了復雜施工現場鋁模工程的智慧化和數字化管理。