新興信息技術(shù)下的裝配式建筑智慧建造應(yīng)用研究

文/劉喆、周瑞 吉林建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 吉林長春 130000

1、引言

研究報告顯示，全球能源消耗近一半是在項目建設(shè)與使用過程中，建設(shè)行業(yè)在消耗能源的同時伴隨著生態(tài)環(huán)境污染問題，其污染總量約占全球污染總量的34%，自2009年以來，從業(yè)人員人數(shù)連續(xù)四年高于3600萬人。節(jié)能環(huán)保的趨勢下，裝配式建筑作為重要的建筑工業(yè)化形式，與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆技術(shù)相比，施工能耗減少20%，節(jié)水約80%、節(jié)能約70%、節(jié)材約20%、節(jié)時約70%、節(jié)地約20%，實行設(shè)計-生產(chǎn)-運(yùn)輸-裝配一體化的裝配式建筑不但能提高建筑物的整合性和施工現(xiàn)場的安全性，而且有助于縮短工期減少環(huán)境污染。裝配式建筑在實踐過程中也面臨著困境。第一： 隨著建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，所涉及的預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，種類更加繁多，項目信息分散在不同的項目參與方中，裝配式建筑面臨多工種、多參與方的協(xié)同管理問題，信息的紊亂和不準(zhǔn)確性導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件返工。第二：建造過程中，預(yù)制構(gòu)件的詳細(xì)信息沒有如實的反應(yīng)到施工工人手中或預(yù)制構(gòu)件的實際拼裝與設(shè)計不同將會延長建設(shè)項目周期及提高成本。第三：工程項目中大量的人、材、物信息還未實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)化，無法有效融入信息化系統(tǒng)的管理。

由于，建設(shè)項目中“信息孤島”的原因，造成項目信息分散在預(yù)制、運(yùn)輸、施工各參建方手中，導(dǎo)致構(gòu)件信息難以收集、匯總。據(jù)數(shù)據(jù)表明，查找所需資料的時間在建設(shè)項目管理過程中超過30%以上，建設(shè)項目管理信息不當(dāng)所造成的設(shè)計變更等帶來的損失占建設(shè)成本的3%～5%。盡管，我國在建筑信息化和信息化技術(shù)應(yīng)用的投入上逐年提高，信息化技術(shù)應(yīng)用和管理上也比以往有很大的提升，但信息化技術(shù)的集成應(yīng)用仍然很低。[1]在此背景下，本文提出以裝配式建筑為研究對象，以BIM、物聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)集成管理與應(yīng)用為突破口，推動裝配式建筑向智慧建造邁進(jìn)。

2、智慧建造理念的提出與技術(shù)實現(xiàn)

2.1 智慧建造理念

智慧城市是將信息、網(wǎng)絡(luò)新興技術(shù)廣泛用于城市基本建設(shè)中，包括政治、交通、社會等，使城市變得“聰明”起來。本文提出的智慧建造理念是對“智慧城市”的理解，智慧建造融合建筑全生命周期、精益化制造等理念，以BIM、物聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)與先進(jìn)建造技術(shù)相融合，是建立在它是建立在高度的信息化、工業(yè)化和社會化基礎(chǔ)上的一種信息融合、全面物聯(lián)、協(xié)同運(yùn)作、激勵創(chuàng)新的工程建造模式。將人類特有的記憶、感知、思考、聯(lián)想、知識等能力融入于建筑管理中，使建筑建造過程中獲得更通徹的感知，更加全面的互聯(lián)互通，繼而實現(xiàn)建筑全生命周期內(nèi)各個參與方更深入的信息整合和更協(xié)同的運(yùn)作。

2.2 智慧建造技術(shù)支撐

2.2.1 BIM技術(shù)

組成裝配式建筑的基本單元是預(yù)制構(gòu)件，每個構(gòu)件經(jīng)歷設(shè)計-生產(chǎn)-運(yùn)輸-裝配四個階段。信息建模是實現(xiàn)裝配式建筑智慧建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而BIM作為集成工程項目信息的數(shù)據(jù)模型，是裝配式建筑智慧建造的核心工具。BIM技術(shù)項目信息的載體有效地協(xié)調(diào)構(gòu)件設(shè)計、工廠加工、施工裝配各個環(huán)節(jié)，利用三維參數(shù)化建模，構(gòu)件以族的方式進(jìn)行保存，利用BIM數(shù)據(jù)庫，保存、修改、調(diào)取項目信息，可在設(shè)計、加工等環(huán)節(jié)實現(xiàn)對信息的集成和共享，消除“信息孤島”現(xiàn)象。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

BIM因其具有強(qiáng)大的物理數(shù)據(jù)管理和數(shù)字化展示功能為預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計和現(xiàn)場拼裝提供信息集成和流轉(zhuǎn)，但BIM不能及時、完整的記錄預(yù)制構(gòu)件和設(shè)備的實時狀態(tài)信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以感知為目的，通過在各類物體上的各種信息傳感設(shè)備收集到的信息，以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，實現(xiàn)物的智慧化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，達(dá)到人與人、人與物、物與物之間互聯(lián)互通，及時的獲取構(gòu)件狀態(tài)信息。

2.2.3 三維激光掃描技術(shù)

裝配式建筑構(gòu)件體積龐大、形狀復(fù)雜，通常采用工廠加工、現(xiàn)場裝配的施工方法，工廠質(zhì)量檢察員通常根據(jù)相關(guān)質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)檢查構(gòu)件尺寸偏差或表面缺陷，這種方法的缺陷在于：第一，檢查結(jié)果的精確性受檢查員主觀因素影響；第二：檢查過程消耗大量時間和人力成本。構(gòu)件的幾何形狀加工精度是影響建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此利用精密施工測量技術(shù)快速測量、獲取預(yù)制構(gòu)件外觀質(zhì)量和尺寸至關(guān)重要。[2]三維激光掃描技術(shù)是目前較先進(jìn)的實景測繪技術(shù)，三維激光掃描利用儀器發(fā)射出來的定向激光束快速掃描被測物體表面，得到海量的被測物體表面點(diǎn)三維坐標(biāo)，與BIM軟件進(jìn)行三位建模時所依據(jù)的設(shè)計數(shù)據(jù)不同，使用三維激光掃描技術(shù)建立的模型，其數(shù)據(jù)是由實際測繪而得。[3]

3、新興信息技術(shù)下裝配式建筑智慧建造應(yīng)用與集成

3.1 新興信息技術(shù)在設(shè)計階段應(yīng)用

我國裝配式建筑設(shè)計階段分為：技術(shù)策劃階段、方案設(shè)計階段、初步設(shè)計階段、施工圖設(shè)計階段以及構(gòu)件加工圖設(shè)計及生產(chǎn)階段。設(shè)計單位根據(jù)建設(shè)單位對建筑功能需要、項目環(huán)境條件選定適宜的結(jié)構(gòu)體系。構(gòu)件的初步設(shè)計階段是在建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)上，由設(shè)計單位聯(lián)合構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)，結(jié)合預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝，以及施工單位的吊裝能力、道路運(yùn)輸?shù)葪l件，對預(yù)制構(gòu)件的形狀、尺度、重量等進(jìn)行估算，并充分與建筑、結(jié)構(gòu)、電氣等專業(yè)初步協(xié)調(diào)。在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)專業(yè)確定預(yù)制構(gòu)件的尺寸、質(zhì)量等空間幾何和物理信息，機(jī)電設(shè)備專業(yè)確定管線預(yù)埋位置。構(gòu)件制作前應(yīng)進(jìn)行深化設(shè)計，應(yīng)滿足工廠制作能力、施工環(huán)節(jié)構(gòu)件搭接的技術(shù)和安全要求以及確定預(yù)埋件、預(yù)埋物、預(yù)留溝槽等準(zhǔn)確位置同時完成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算，最終完成預(yù)制構(gòu)件的平面、立面、配筋、安裝及細(xì)部構(gòu)造圖。

雖然這種設(shè)計方法比較成熟，但依然面臨著協(xié)調(diào)難度大、改圖周期長、設(shè)計誤差大等問題。新興信息技術(shù)下裝配式建筑智慧建造是在傳統(tǒng)的設(shè)計流程基礎(chǔ)之上進(jìn)行優(yōu)化。如圖一，兼顧設(shè)計的個性化和標(biāo)準(zhǔn)化，按照模數(shù)化制作各種構(gòu)件的族以此形成預(yù)制構(gòu)件族庫，在構(gòu)件生產(chǎn)之前充分考慮工廠制作能力、施工單環(huán)節(jié)的搭接以及預(yù)埋物等，參建各方借助BIM平臺建立模型，結(jié)構(gòu)、建筑、設(shè)備等專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計?；贐IM技術(shù)可以對新結(jié)構(gòu)、新形式以及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)等施工難點(diǎn)進(jìn)行實際施工模擬，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，從源頭上減少、甚至避免錯、漏、碰、缺等現(xiàn)象。

圖一

3.2 新興信息技術(shù)在生產(chǎn)階段應(yīng)用

通過BIM技術(shù)三維可視化和信息完備性特點(diǎn)完整的將設(shè)計階段所確定的設(shè)計方案以信息共享機(jī)制的形式傳遞到構(gòu)件生產(chǎn)廠。設(shè)計階段所創(chuàng)建的三維模型精確度可以達(dá)到預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)要求，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理人員利用BIM模型設(shè)計模具，根據(jù)BIM模型所攜帶構(gòu)件材料、幾何等信息展示給制造人員同時完整的輸入到生產(chǎn)系統(tǒng)中精準(zhǔn)控制生產(chǎn)過程物料的用量。新興信息技術(shù)下的裝配式建筑生產(chǎn)階段集成BIM技術(shù)、RFID以及三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)構(gòu)件制造的精益化生產(chǎn)，為生產(chǎn)制造階段提供有效數(shù)據(jù)的收集和流轉(zhuǎn)，保證生產(chǎn)階段構(gòu)件可視化管理。

3.2.1 構(gòu)件生產(chǎn)階段

設(shè)計人員將深化設(shè)計階段完成的構(gòu)件信息轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建信息會自動轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)機(jī)械識別的格式并馬上進(jìn)入生產(chǎn)階段。通過控制程序形成的監(jiān)控系統(tǒng)會一直出現(xiàn)在構(gòu)件生產(chǎn)的整個過程中，一旦出現(xiàn)生產(chǎn)故障等非正常情況，便能及時反映給工廠管理人員，這樣一來管理人員便能做出相應(yīng)措施，避免損失。在整個過程中，生產(chǎn)系統(tǒng)會自動對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行信息錄入，記錄每一塊預(yù)制構(gòu)件的相關(guān)信息，如所耗工時數(shù)、構(gòu)件類型、材料信息、出入庫時間等。[4]

3.2.2 構(gòu)件生產(chǎn)后入庫階段

通過RFID技術(shù)，模型與實際構(gòu)件一一對應(yīng)，項目參與人員可以對構(gòu)件數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查詢和更新。在構(gòu)件生產(chǎn)的過程中，人員利用構(gòu)件的數(shù)據(jù)圖紙數(shù)據(jù)直接進(jìn)行制造生產(chǎn)，通過對生產(chǎn)構(gòu)件實時檢測，與構(gòu)件數(shù)據(jù)庫中的信息不斷校正，實現(xiàn)構(gòu)件的自動化和信息化。已經(jīng)生產(chǎn)的構(gòu)件信息的錄入對構(gòu)件入庫出庫信息管理提供基礎(chǔ)，也使后期訂單管理、構(gòu)件出庫、物流運(yùn)輸變得實時而清晰。而這一切的前提和基礎(chǔ)，就是依靠前期精準(zhǔn)的構(gòu)件信息數(shù)據(jù)和同一信息化平臺，因此，BIM技術(shù)對于構(gòu)件自動化生產(chǎn)、信息化管理的不可或缺性。

3.3 新興信息技術(shù)在施工階段應(yīng)用

裝配式建筑施工現(xiàn)場涉及施工場地安排、預(yù)制構(gòu)件存儲、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制等多方面內(nèi)容。裝配式建筑施工階段新興信息技術(shù)的運(yùn)用遵循智慧建造的智慧性、可持續(xù)性以及集成性三個特點(diǎn)，著重加強(qiáng)信息集成與流轉(zhuǎn)。

3.3.1 施工現(xiàn)場的進(jìn)度管理應(yīng)用

構(gòu)件入場時，RFID閱讀器讀取構(gòu)件的RFID芯片，信息傳遞到數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)件信息顯示為入場。通過BIM模型與RFID技術(shù)結(jié)合，可以提前對施工場地進(jìn)行布置，在構(gòu)件存放處做到構(gòu)件與模型點(diǎn)對點(diǎn)存放，明確顯示各構(gòu)件所處區(qū)域位置。施工過程中將通過掃描RFID芯片幫助現(xiàn)場人員對構(gòu)件進(jìn)行定位、吊裝，標(biāo)簽中的構(gòu)件信息以及定位信息通過API接口與BIM模型的信息交互，從而把現(xiàn)場的信息反映到數(shù)據(jù)庫中，此時構(gòu)件最新進(jìn)度信息也相應(yīng)變成已安裝，以project軟件.mpp文件的形式導(dǎo)入到Naviswork軟件中，與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，Naviswork軟件以三維形式展示出最新的工程項目進(jìn)度。

3.3.2 施工現(xiàn)場的質(zhì)量管理應(yīng)用

BIM和三維激光掃描技術(shù)在裝配式建筑質(zhì)量中應(yīng)用主要是通過掃描儀器對建筑中的重點(diǎn)部位、形象工程進(jìn)行掃描，也可對重點(diǎn)部位進(jìn)行模擬施工，為質(zhì)量監(jiān)控和驗收工作提供良好的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)檢測信息實時共享。通過掃描儀器對構(gòu)件的重點(diǎn)監(jiān)控部位進(jìn)行掃描，將得出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BIM模型，然后與設(shè)計圖紙建模得到的BIM模型進(jìn)行比較，得到質(zhì)量監(jiān)控的數(shù)據(jù)。新興信息技術(shù)下的裝配式建筑事后質(zhì)量控制主要是對于實際發(fā)生的質(zhì)量問題，在BIM模型中標(biāo)注出發(fā)生質(zhì)量問題的部位或工序，分析發(fā)生原因，采取補(bǔ)救措施，同時通過BIM技術(shù)對發(fā)生的質(zhì)量問題的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和匯總，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)積累相似問題的判斷經(jīng)驗和處理的方法和經(jīng)驗，為以后的裝配式建筑施工質(zhì)量的事前和事中控制提供經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

結(jié)語：

裝配式建筑作為綠色、環(huán)保、節(jié)能型建筑，是建筑工業(yè)化生產(chǎn)方式的典型代表，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆技術(shù)相比，生產(chǎn)模式、建造方式都有很大不同。新興信息技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計、生產(chǎn)、建造中的運(yùn)用能夠迅速、及時收集到建筑項目信息，通過對實時反饋回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、反饋最終形成“智慧”，使建筑項目具有擬人的“學(xué)習(xí)、感知以及領(lǐng)悟”等能力，輔助管理人員進(jìn)行決策。