基于BIM-RFID的装配式建筑构件生产质量管理

曹新颖， 鲁晓书， 王 钰

(1. 海南大学 土木建筑工程学院， 海南 海口 570228； 2. 东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210018)

近年，为了节约资源、保护环境，突破传统建筑业管理粗放和劳动密集的发展瓶颈，实现建筑业的可持续发展，我国出台了一系列政策措施推动装配式建筑的发展[1]。预制构件作为装配式建筑的一个最基本单元，其质量好坏将对建筑的整体质量产生重要影响，甚至决定建筑的安全性和可靠性。而由于产业基础薄弱、标准体系不完善、专业人员匮乏、技术水平参差不齐等多方面原因，目前我国装配式建筑预制构件的质量管理面临很多挑战。如由于缺乏对构件生产各控制要点的质量控制标准，导致构件品质差距大；由于信息技术手段不完善，缺乏动态追踪机制，导致质量出现问题时权责不明无法追责；由于缺乏专门针对构件生产的信息采集和传导机制，导致构件生产效率低。因此，非常有必要建立高效的构件生产质量管理体系，结合先进的信息管理技术，厘清构件生产质量管理中的影响因素、控制要点以及生产线流程等，实现在生产全过程中对每一个构件质量管理的自动化、参数化、规范化、机械化，以改善构件生产质量，提高生产效率。

BIM(Building Information Modeling)技术通过与关联软件、技术设备的结合，将模型所具备的各种数据信息进行处理、分析和优化，为项目参与方提供信息与资源共享平台，优化项目的过程管理[2～4]。RFID(Radio Frequency Identification)利用天线发射和接收射频信号，通过空间非接触式即可完成数据交流，从而实现远程操控管理[5]，且具有不易受外界影响、透射性强、外形多样、环境适应性强、数据存储容量大、可远距离读写和寿命长等优点[6]。近年，相关学者对将BIM技术与RFID技术结合应用于装配式建筑的项目管理过程进行研究。郭红领等提出将BIM和RFID集成技术应用于施工现场安全管理，提出了基于BIM 和RFID 的施工现场工人实时定位与安全预警系统模型[7]；王廷魁等建立了基于BIM技术与RFID技术的建筑设备运行维护管理系统，并证明了该技术在信息更新速度、信息交流准确度、节约人力物力等方面的优势[8];王宽提出了分别连接有BIM工作站、BIM&RFID显示终端、工厂BIM&RFID工作站、BIM&RFID移动式工作站、现场BIM&RFID工作站和物流BIM&RFID读取终端的公共互联网装配式建筑构件智能管理系统[9]；常春光等针对装配式建筑施工管理的特点，探讨了BIM-RFID的集成系统在构件制造、运输、进场、仓储、吊装过程中的应用，提出BIM-RFID系统的推广建议[10]；李天华通过相关案例证实了BIM-RFID融合技术在建筑全寿命周期各阶段中存在着交流共享信息效率提升的效果[11]；张家昌等探讨了BIM技术和RFID技术在预制构件运输阶段、现场施工阶段、运营管理阶段的应用价值[12]。

目前将BIM-RFID技术应用于装配式建筑预制构件生产质量控制的研究较少。本论文将结合装配式建筑预制构件的生产特点和质量要求，探讨将BIM-RFID技术应用于构件生产的质量管理过程，建立优化的质量管理流程，以提高构件的生产质量与管理效率。

1 构件生产的工艺流程与质量影响因素

质量管理活动贯穿于构件生产的整个工艺流程，厘清构件生产的工艺流程对确定质量影响因素，并建立有针对性的质量管控流程具有重要的影响。通过对我国多个预制构件生产厂的实地调研，结合预制构件生产特点，将构件生产的工艺流程进行了总结，如图1所示。不同类型的预制构件在工艺流程上存在些许差异，但并不影响对质量管理的研究。根据工厂生产特点，并结合质量管理要求，将构件生产过程划分为前期准备阶段、构件制作与检验阶段、堆放与运输阶段及运营维护阶段。在前期准备阶段强调对技术的掌握、物资的采购检验和劳动组织的建立；构件制作与检验阶段强调对每个生产环节质量的严格把控和成品的检验维修；堆放与运输阶段强调基于外界环境与构件本身条件下的管理方案制定与实施；运营维护阶段强调构件质量信息的传递与延伸，实现对构件全寿命周期的管理。

图1 预制构件生产工艺流程

2 基于BIM-RFID技术的构件质量管理信息系统

预制构件生产过程中具有工序复杂、产品数量大、成品种类多、过程信息多、工作人员协同要求高的特征，决定了构件在质量管理时不仅需要一个庞大且完整的数据信息系统作为后盾，同时数据库的信息也应随着生产工序的进行满足更新的及时性和便捷性，才是整个构件质量管理的重点。而BIM技术和RFID技术在此方面具有突出优势，可以通过构建快速识别、数据采集、信息传输相融合的综合服务系统，实现构件跟踪与信息共享，改变传统低效率的管理模式。

本文通过集成BIM技术和RFID技术实现信息自动化交换系统。在这个系统中BIM技术通过模型接口为信息检索提供快捷简便的方法。但是，随着BIM模型复杂程度的改变，构件单元种类数量的增多，识别和记录建筑构件单元是一个冗长而费时的任务，此时，引入RFID技术，通过RFID标签和读写器的读写功能简化信息录入操作，提高信息采集的效率，同时加强了构件的可追溯性和透明度等。这两种技术的结合实现了信息交流的自动化，促进了建筑构件实体和BIM数据库之间信息的无缝对接。

RFID-BIM数据信息系统中的交互集成环境如图2所示。系统组成包括BIM模型、BIM数据库、计算机应用系统、RFID标签信息和RFID读写器，其中BIM模型包括从设计单位获得的建筑BIM模型和构件生产厂自行制作的BIM模型，前者为构件的精细化生产提供蓝图，后者为构件生产管理提供帮助，二者均可生成BIM数据库，促进信息的交流共享。

图2 BIM-RFID信息系统交互集成环境

BIM- RFID环境下的自动化信息流如图3所示，应用系统通过RFID读写器读取和书写RFID标签信息，实现构件定位和信息的收集，并通过计算机接口将信息传递给BIM数据库，BIM数据库与BIM模型又是双向关联的，从而实现了实物信息与数据信息的无缝衔接。

图3 BIM-RFID环境下的自动化信息流

基于构件生产工艺流程进行技术导入，利用RFID技术对数据信息的读写和BIM技术的模型、参数一体化优势，构建快速识别、数据采集、信息传输相融合的综合服务系统——BIM-RFID数据信息系统，如图4所示。

图4 BIM-RFID数据信息系统

BIM-RFID数据信息系统包含了六个子系统：基本信息系统、标签管理系统、质量监督系统、进度控制系统、定位跟踪系统和运营维护系统。每个子系统之间的信息是存在交叉的，针对不同类别工作者设置不同的访问权限，相关人员只可以在权限范围内对数据进行读取和查询。

(1)基本信息系统：该子系统数据信息包括模具基本信息、构件基本信息和车辆基本信息。为客户和供应商提供实时构件相关的信息跟踪服务，又使管理者能够对构件的所有质量检查动态进行查看和了解。该子系统可以通过报表传递提高参与者之间的实际通信和控制效率，增加灵活性。

(2)标签管理系统：该子系统数据信息包括标签制作与检验、标签周转使用和标签回收再利用。通过对标签相关数据信息的处理，有利于标签技术价值最大化的研发与标签的统一维护管理。

(3)质量监督系统：该子系统数据信息包括质量检测记录、质量维修记录和责任追溯系统。工作人员可以从BIM-RFID数据信息系统中查看构件的质量检验信息，包括质检日期、质检结果以及不合格的维修处理办法等工作项清单。

(4)进度控制管理：该子系统数据信息包括预期进度计划、实际进度情况和工期预警系统。其工作原理主要是通过预先在构件的RFID标签中书写预期进度计划，在构件生产过程中，根据其本身的定位系统可以对其所处的状态进行跟踪，从而确认其实际进度情况，在BIM-RFID数据信息系统中将构件的预期进度计划与实际进度计划进行对比，出现偏差时就会出现工期预警，以提醒相关工作人员对该构件的进度控制进行及时处理和调整。该部分的设计方便了工作人员对构件生产的进度进行监督检验及查询监控。

(5)定位跟踪系统：该子系统数据信息包括物件定位跟踪，也可根据需要拓展应用到工作人员的厂内定位跟踪。常规的物件跟踪主要包括对构件、模具和车辆等参与生产的移动实体进行位置的实时跟踪更新，便于工作人员对生产资源的位置把控和调度管理。人员定位跟踪的开发可以根据实际工厂需要进行必要性分析来确认，当工厂规模庞大、生产任务繁杂时，便于总负责人对全局的协调与管理，减少交叉作业和闲工。

(6)运营维护系统：该子系统数据信息包括维修处理办法、维修数据统计和库存管理系统。该部分一方面可以实现对构件的维修情况进行记录，为日后的受损、责任追溯提供文件资源，另一方面是对成品构件运营维护信息的统计汇总，通过对该部分信息数据的分类整理，分析出构件在质量管理上出现频率最高的受损情况，针对高频受损问题，进行针对性的技术探讨与解决，降低了后期维修费用，为构件生产的长期发展起到推动作用，同时也为售后消费者提供相应的使用注意事项指引。

3 基于BIM-RFID技术的构件质量管理流程体系

根据BIM-RFID构件质量管理信息系统，结合预制构件的生产工艺流程，对构件的质量管理流程进行梳理，如图5所示。

图5 基于BIM-RFID技术的构件生产质量管理流程

3.1 前期准备阶段

在前期准备阶段，首先应依据建筑BIM模型进行拆分设计，获取构件的基本轮廓尺寸、孔洞等信息，同时建立工厂生产的BIM模型，实现构件生产全过程的可视化。

除此之外，还应按照质量控制要点对构件生产线上各工序进行严格质量把控，质量检查人员和厂内工作人员对相关准备事务进行检验，检验合格的方可进入下一个工序内容。

3.2 构件制作和检验阶段

在前期准备阶段进行质检的同时，另一组工作人员对入模前的相关事宜进行准备，如：预埋件的处理、预留洞口的处理及RFID标签的制作和编码等。

将制作合格的RFID标签放置在模具上，在模具上安置两个标签T1和T2，其中T1是记录模具的RFID标签，在构件生产的周转过程中，其主要记录包括模具编号、模具材质、检验模具的人员代号及质检结果、周转次数、构件编号、隔离剂类型、预埋件情况、模具所处的工序环节等在内的各方面数据。在每次周转工作时，都应对RFID标签中对应的周转次数、构件编号、隔离剂类型、模具所处的工序环节等变量进行更新。T2是记录模具中构件信息的RFID标签，之所以选择将构件信息依附在模具上而非构件本身，主要是考虑到构件在前期制作过程中尚未形成固定的模型，主要以混凝土、砂石、预埋件的零散形式存在，并且在脱模之前的浇筑、振捣和养护过程中，构件一直与模具共同移动在生产线上。T2记录的数据信息主要包括构件的名称编号、原材料信息、检验原材料的人员代号及质检结果、预埋件情况、以及进度计划安排等在内的各方面数据。其中进度计划安排的作用在于对构件进度的控制，当RFID标签中的进度实际情况(所处的工序位置)与计划进度不一致时，该信息矛盾点就会显示在BIM-RFID数据信息系统中，对进度提出预警，从而起到进度反馈与调控的作用。最后在每一轮周转工作结束时，随着模具和构件的分离都需要对RFID标签T2中的构件数据信息进行清空，以方便下一轮的周转使用。

在每次开始新一轮的周转工作前，都应对RFID标签和模板的质量进行检验，当出现质量问题时应及时进行替换和修复，当质量满足生产要求时，即可继续循环使用。在同一批构件生产过程中，要求这两个RFID标签一直伴随着该模具不拆除，直至构件生产任务完成、模具损坏或电子标签受损，另作处理。

脱模阶段是模具与成品构件的分离。分离后，模具携带着两个RFID标签将进行自身的质量检查及下一步的周转使用，而此时的成品构件脱离了模具上的RFID标签T2，相当于没有身份证的群众，势必要补办身份证以证明身份，也就是要给成品构件的表面增加一个RFID标签，这里强调是将RFID标签(对应图5的T3)加在构件表面，主要是考虑到运营维护阶段，方便对RFID标签在不损坏构件的情况下进行拆卸处理。分离成品构件后，首先要在T3上书写该构件的历史数据信息，即对应的T2数据信息，确保构件全生产过程信息的完整性及可追溯性，进度计划安排信息也必须写入T3中，作用同上。然后再对成品构件进行质量检查，在T3上同步更新第二次质检的信息和质检人员编号信息等，如若不合格，应在T3上书写质量问题及维修处理情况，合格的成品构件则可标记合格并继续进行下一阶段的工作。

3.3 堆放与运输阶段

根据现场施工需求或购买方的要求确定成品构件的处理办法：堆放存储和运输送达两种解决路径。构件在存储堆放时，除按照质量控制要点进行监控外，还需将其所处的状态、位置等信息及时更新在标签T3中，以便管理者的统一协调。构件在运输过程中，需要在T3中添加构件的运输信息这一资料项，包括车型编号、上下车质检情况、车辆实时定位信息等，其中关于构件的位置信息也可以通过在车辆本身添加电子标签T4来实现，T4主要记录运送构件编号、运送时间、定位信息、目的地、运送人员等信息，T4的添加可以实现对车辆和构件的整体协调管理，而非T3中对构件的单一处理，具体是否需要添加T4可因具体项目确定其必要性，以实现经济效益最大化。

3.4 运营维护阶段

在运营维护过程中，RFID技术把构件在生产过程中对后续管理有用的信息继续传递，实现构件信息的共享与延续管理，进而实现装配式建筑运营维护阶段的质量维修、定位跟踪及责任追溯等。

4 结 语

本研究提出了集成BIM技术和RFID技术在预制构件生产质量管理中的应用，改善了传统生产现场人工记录效率低，数据交流不及时和信息共享不便捷的问题，使得数据采集方式由手动转变为自动化操作，产品信息状态实现了及时更新和跟踪反馈，成本和进度也获得了有效控制。该融合技术的应用一方面为质量管理提供便捷，另一方面可以提升构件的可追溯性，为后期的质量责任追踪提供依据。在后续研究中，可对BIM-RFID技术在装配式建筑中的应用范围进行延伸，实现对预制构件建筑全寿命周期的优化管理。