基于BIM和RFID技术的装配式建筑施工进度信息化采集研究*

陈红杰 李高锋 武永峰

(江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

2017年3月，住房和城乡建设部印发的《“十三五”装配式建筑行动方案》中指出，到2020年，全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15%以上，其中重点推进地区达到20%以上，积极推进地区达到15%以上，鼓励推进地区达到10%以上[1]。在国家大力推进装配式建筑的背景下，有关装配式建筑的研究也层出不穷。装配式建筑与传统现浇结构建筑不同，它是以一种工业化流水线的模式生产建筑构件，再通过运输设备运送到施工现场，最后进行拼装的过程，与搭积木类似。这种生产模式的变革使得装配式建筑的进度目标与传统方式有很大差别，而关于装配式建筑进度管理内容和方法的研究却不多。

要获得施工现场实际进度，需要现场人员进行信息收集，完成数据收集后再与计划进度进行对比。这种方法不能随时随地查看施工进度，不能及时调整网络计划，也不能对施工速度进行及时控制，不利于精细化管理。而装配式建筑施工是一种工业化的施工，施工场地非常有限，不能出现某些构件短缺或某些构件过量的问题，因此装配施工的进度控制既要有节奏，又要实行精细化管理。无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触式、可远程读取无线电波的通信技术[2]，可以通过无线电信号识别电子标签的EPC码识别特定目标[3]。利用RFID技术可以准确识别和定位构件的具体位置，对装配式构件进行追踪定位，并自动收集数据，实现随时随地的进度收集。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术是建筑业信息化发展的最新技术，可以将构件的信息从设计阶段到施工阶段，再到运行维护阶段进行无损传递，因具有可视化、模拟性等特性在工程实践中得到了广泛应用。将RFID与BIM技术进行集成应用，能够对装配式建筑的进度管理进行实时控制。

郭红领等研究了BIM和RFID技术在安全管理中的应用[4]，对施工现场的危险源进行预警。董娜等在工业或建筑构件进度管理中集成使用BIM与RFID技术，并在此基础上进行二次开发，实现进度管理[5]。齐贺等将BIM与RFID用于装配式建筑项目的施工管理中，对检测构件和施工人员安全情况进行实时检测等[2]。仲青等主要研究现场施工监控系统的建立技术[6-7]。由于BIM技术和RFID在我国建筑领域的应用发展迅猛，基于此技术的集成应用多用于现场的危险源预警及进度的管理，取得了一定的成果。

1 相关原理

1.1 BIM技术原理

虽然近年来BIM技术在国内外建筑市场中的应用非常广泛，BIM技术的定义却没有一个统一的说法。美国国家标准技术研究院对BIM技术的定义为“是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达”。各个国家对BIM的定义不同，但是均认可BIM技术是一个3D的数据库，可以实现协同管理、可视化、模拟性等特点的应用。并指出BIM是覆盖建设单位、设计单位、施工单位等参与方的全方位的管理技术，同时是策划阶段、设计阶段、施工阶段、运行维护阶段的全生命周期应用的信息化技术。

1.2 RFID技术原理

RFID技术是一种利用电子标签进行无线电信号识别的通信技术，应用于门禁系统、食品安全溯源等(图1)。RFID技术的最大特点是非接触式，可以穿透木材、混凝土等材料进行无障碍通信。RFID的读写器有手持式和固定式两种。手持式读写器的读写距离不大于0.2m，信息流量小。固定式读写器读的距离可大于12m，写的距离约为读的距离的60%，信息流量大。由于装配式建筑的构件是在工厂加工完成的，此时可以用手持式读写器写入构件的加工时间、养护时间、出厂时间等信息，目的在于准确记录每一个构件的生产日期。在运输途中，可以采用GPS定位器随时记录构件的位置。装配式建筑的施工场地往往有限，对建筑构件加工、运输、吊装时间的精度要求高，且施工现场条件相对比较恶劣，因此，采用固定式读写器更符合现场要求。

图1 RFID工作原理

1.3 进度信息化采集原理

首先，利用BIM技术对装配式建筑进行建模(现阶段实为翻模)，将各专业进行合成、碰撞检查及深化设计。其次，完成深化设计以后，在模型上对每个构件进行编码，编码要简单易懂。并将该构件的相关信息(如表1所示)进行挂接，且需要将位置信息、计划时间信息提前编写(表1中所示黑体部分信息)。然后，将利用BIM技术编码的构件进行自动出图，图样交给PC构件加工厂加工制作。将建模的标签中编码、名称、计划信息进行加工并存储到RFID的芯片上，将芯片预埋到预制构件上。再次，完成构件加工后，按计划时间运输构件，记录实际出厂时间、实际进入仓库时间、实际出库时间及实际入场时间、实际吊装时间等信息。最后，采用塔吊等吊装设备进行拼装，若精度合格则自动读取并记录安装时间，若安装精度不符合要求则提出警示。

装配式构件设计、生产、运输、吊装的全过程所需的信息技术见表1。

(续)

不同阶段构件的计划时间可以提前关联到构件上，可以在建模软件中实现，也可以在BIM 5D或其他进度模拟软件中实现。构件的实际时间通过读写器的信息可以通过二次开发软件导入Revit中，从而实现进度计划的信息化采集。这种“BIM+RFID”的模式满足构件生产、运输的全过程信息化管理，可以进行反向追溯，不仅可以查明构件的相关时间信息，也可以追寻其负责人和操作人，便于构件的质量控制。

2 案例分析

2.1 案例描述

该工程为XX市政务中心的会议楼，共8层，预制构件有柱、梁、楼板、阳台板、楼梯、女儿墙，建筑整体预制率为51.3%。甲方要求集成运用各种绿色技术，实现建筑的节能、节水、节材、节地和绿色环保，实现无外模板、无外脚手架、无现场砌筑、无抹灰的绿色施工。采用“少规格、多组合”设计原则，降低建造成本，缩短施工周期；利用绿色技术节约后期的运营成本。

本项目采用国际通用BIM建模软件Revit进行模型建立。对进度的采集以结构工程为例，结构建模如图2所示(说明：本模型精确定位了每个构件的位置，对构件的细部构造没有进行详细建模，仅满足研究需要)。

2.2 BIM技术的应用

本工程装配式建筑的构件较多，在装配过程中容易出现意想不到的误差。建筑构件的产品一旦被生产出来便具有不可逆性，一旦误差超出可控范围将会导致构件无法使用，因此装配式建筑在工程设计阶段的要求很高。相较于传统施工方式，装配式建筑更加节能、环保，受环境因素的影响较小，可以加快施工进度，使工程早日投入使用，发挥生产价值。甲方对本工程的环保、节能方面的要求较高，因此需要借助BIM技术实现对本工程构件的全过程设计及施工过程的预先安排，以最大限度地减少施工中的不合理之处，降低工程造价。依据设计图样和甲方对模型精度的要求，建立结构工程的初始BIM模型。

对初始BIM模型进行分析，发现其不合理之处，对模型进行深化设计。通过分析发现柱网设计不合理，进深柱网尺寸有7500mm、10300mm、11600mm 3种。这种设计将会大大增加预制构件的种类，不符合标准化施工的要求，因此将柱网尺寸改为7800mm和8300mm两种，减少构件的种类，为实现工业化生产做准备。经过深化设计，除将柱网优化之外，对疏散楼梯和无障碍楼梯进行优化，将原设计中疏散楼梯的开间尺寸由2600mm、2800mm、3100mm 3种尺寸统一改为2650mm，将原设计中无障碍楼梯的开间2900mm改为2800mm。通过减少楼梯的类型，减少模具种类。运用全过程设计思想，综合考虑预制构件洞口的预留，将洞口的尺寸和精度进行精确定位和控制，方便后续工程的施工。由于国家鼓励新能源汽车发展，在地下二层预留30个充电车位，以满足未来发展的需要。BIM技术深化设计阶段的各项工作决定了装配式构件尺寸、位置的精度，对构件将来的安装及重复利用意义重大。

利用深化设计后的模型，对构件进行分解，在模型上进行编码。例如，2-L-5AB:2表示2层，L表示梁构件，5代表纵轴5号轴网，AB两个字母表示该梁位于横轴A、B之间。换言之，2-L-5AB表示该梁位于2层标号为5的纵轴上，长度为AB之间。这种命名方式与图样习惯保持一致，从名称上便可以判定该梁的位置信息。也可以将与该梁有关的其他信息进行输入，例如材质、尺寸、负责人等。将带有信息的构件、节点、平面等进行设计出图，交由预制构件场进行制作。同时，按照计划进度对预制构件进行施工进度模拟。

2.3 RFID技术的应用

预制场根据深化设计的图样及承载的信息进行生产加工，生产过程中对每个构件按BIM模型进行编号，将构件信息写入RFID的标签中。将信息完善后，把标签预埋在预制构件上。由于安装在施工现场的阅读器可以无接触地读取、识别电子标签中所保存的构件信息，从而达到自动识别构件信息的目的。这样，构件从生产、入库到出库都可以通过手持扫描仪写入实际时间。在构件运至工地大门时，通过固定式阅读器自动读入每个构件进入施工现场的时间。在已经安装好的预制构件上安装固定式读写器，构件安装好以后的时间即实际吊装时间。现场固定式读写器可以读取大量标签的信息，并具有耐油污、读写速度极快、信息可靠及时等特点。将收集到的信息通过阅读器与电脑相连，所读取的标签信息即构件的实际进度信息，该信息被传送到电脑上，将实际进度信息的模拟与计划进度的模拟进行对比，找出影响进度的原因。利用RFID技术对构件的实际生产时间、实际入库时间、实际出库时间、实际入场时间、实际运输时间及实际吊装时间进行收集，过程如图2所示。

3 结语

进度管理是项目管理的三大目标之一。利用信息化技术采集装配式构件的实际进度，可以有效安排施工任务，使施工进度偏差在可控范围以内，利用RFID技术实现实际进度的自动化收集，节约大量人力。将收集的信息结合BIM技术，实现预制构件进度管理的可视化。然而，由于技术条件限制，本研究还存在一些不足之处。例如，RFID只能识别构件在平面上的信息，而对高程信息的采集较难实现，需要RFID技术的进一步发展；选取案例相对简单，论证BIM技术与RFID技术采集进度的可行性时缺乏对复杂实际工程的研究；对于RFID技术与BIM技术的信息是否可以实现同种语言交流未做研究。

图2 BIM、RFID技术应用