新兴信息技术下的装配式建筑智慧建造应用研究

【摘要】装配式建筑是我国建筑行业当下的热点和未来发展趋势，由于建设项目参与方之间存在多重“信息孤岛”，严重阻碍装配式建筑建设项目信息管理，导致这一问题的根源在于缺乏信息化技术的集成应用，在分析我国装配式建筑发展现状基础上，本文提出“智慧建造”理念及其技术支撑，以装配式建筑信息管理为研究对象，集成BIM、物联网等新型信息化技术运用于装配式建筑设计、生产、施工阶段，推动装配式建筑向智慧阶段迈进。

【關键词】装配式建筑；智慧建造；新兴信息技术

1、引言

研究报告显示，全球能源消耗近一半是在项目建设与使用过程中，建设行业在消耗能源的同时伴随着生态环境污染问题，其污染总量约占全球污染总量的34%，自2009年以来，从业人员人数连续四年高于3600万人。节能环保的趋势下，装配式建筑作为重要的建筑工业化形式，与传统的现浇技术相比，施工能耗减少20%，节水约80%、节能约70%、节材约20%、节时约70%、节地约20%，实行设计-生产-运输-装配一体化的装配式建筑不但能提高建筑物的整合性和施工现场的安全性，而且有助于缩短工期减少环境污染。装配式建筑在实践过程中也面临着困境。第一： 随着建筑行业的迅猛发展，所涉及的预制结构构件结构日益复杂化，种类更加繁多，项目信息分散在不同的项目参与方中，装配式建筑面临多工种、多参与方的协同管理问题，信息的紊乱和不准确性导致预制构件返工。第二：建造过程中，预制构件的详细信息没有如实的反应到施工工人手中或预制构件的实际拼装与设计不同将会延长建设项目周期及提高成本。第三：工程项目中大量的人、材、物信息还未实现自动数据化，无法有效融入信息化系统的管理。

由于，建设项目中“信息孤岛”的原因，造成项目信息分散在预制、运输、施工各参建方手中，导致构件信息难以收集、汇总。据数据表明，查找所需资料的时间在建设项目管理过程中超过30%以上，建设项目管理信息不当所造成的设计变更等带来的损失占建设成本的3%～5%。尽管，我国在建筑信息化和信息化技术应用的投入上逐年提高，信息化技术应用和管理上也比以往有很大的提升，但信息化技术的集成应用仍然很低。[1]在此背景下，本文提出以装配式建筑为研究对象，以BIM、物联网等新兴信息技术集成管理与应用为突破口，推动装配式建筑向智慧建造迈进。

2、智慧建造理念的提出与技术实现

2.1智慧建造理念

智慧城市是将信息、网络新兴技术广泛用于城市基本建设中，包括政治、交通、社会等，使城市变得“聪明”起来。本文提出的智慧建造理念是对“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、物联网等新兴信息技术与先进建造技术相融合，是建立在它是建立在高度的信息化、工业化和社会化基础上的一种信息融合、全面物联、协同运作、激励创新的工程建造模式。将人类特有的记忆、感知、思考、联想、知识等能力融入于建筑管理中，使建筑建造过程中获得更通彻的感知，更加全面的互联互通，继而实现建筑全生命周期内各个参与方更深入的信息整合和更协同的运作。

2.2智慧建造技术支撑

2.2.1 BIM技术

组成装配式建筑的基本单元是预制构件，每个构件经历设计-生产-运输-装配四个阶段。信息建模是实现装配式建筑智慧建造的关键环节，而BIM作为集成工程项目信息的数据模型，是装配式建筑智慧建造的核心工具。BIM技术项目信息的载体有效地协调构件设计、工厂加工、施工装配各个环节，利用三维参数化建模，构件以族的方式进行保存，利用BIM数据库，保存、修改、调取项目信息，可在设计、加工等环节实现对信息的集成和共享，消除“信息孤岛”现象。

2.2.2物联网技术

BIM因其具有强大的物理数据管理和数字化展示功能为预制构件的设计和现场拼装提供信息集成和流转，但BIM不能及时、完整的记录预制构件和设备的实时状态信息。物联网技术以感知为目的，通过在各类物体上的各种信息传感设备收集到的信息，以互联网为媒介，实现物的智慧化识别、定位、跟踪、监控和管理，达到人与人、人与物、物与物之间互联互通，及时的获取构件状态信息。

2.2.3 三维激光扫描技术

装配式建筑构件体积庞大、形状复杂，通常采用工厂加工、现场装配的施工方法，工厂质量检察员通常根据相关质量检查标准检查构件尺寸偏差或表面缺陷，这种方法的缺陷在于：第一，检查结果的精确性受检查员主观因素影响；第二：检查过程消耗大量时间和人力成本。构件的几何形状加工精度是影响建设质量的关键因素，因此利用精密施工测量技术快速测量、获取预制构件外观质量和尺寸至关重要。[2]三维激光扫描技术是目前较先进的实景测绘技术，三维激光扫描利用仪器发射出来的定向激光束快速扫描被测物体表面，得到海量的被测物体表面点三维坐标，与BIM软件进行三位建模时所依据的设计数据不同，使用三维激光扫描技术建立的模型，其数据是由实际测绘而得。[3]

3、新兴信息技术下装配式建筑智慧建造应用与集成

3.1新兴信息技术在设计阶段应用

我国装配式建筑设计阶段分为：技术策划阶段、方案设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段以及构件加工图设计及生产阶段。设计单位根据建设单位对建筑功能需要、项目环境条件选定适宜的结构体系。构件的初步设计阶段是在建筑、结构设计以及机电设备基础上，由设计单位联合构件生产企业，结合预制构件生产工艺，以及施工单位的吊装能力、道路运输等条件，对预制构件的形状、尺度、重量等进行估算，并充分与建筑、结构、电气等专业初步协调。在初步设计的基础上，结构专业确定预制构件的尺寸、质量等空间几何和物理信息，机电设备专业确定管线预埋位置。构件制作前应进行深化设计，应满足工厂制作能力、施工环节构件搭接的技术和安全要求以及确定预埋件、预埋物、预留沟槽等准确位置同时完成建筑结构设计验算，最终完成预制构件的平面、立面、配筋、安装及细部构造图。

虽然这种设计方法比较成熟，但依然面临着协调难度大、改图周期长、设计误差大等问题。新兴信息技术下装配式建筑智慧建造是在传统的设计流程基础之上进行优化。如图一，兼顾设计的个性化和标准化，按照模数化制作各种构件的族以此形成预制构件族库，在构件生产之前充分考虑工厂制作能力、施工单环节的搭接以及预埋物等，参建各方借助BIM平台建立模型，结构、建筑、设备等专业进行协同设计。基于BIM技术可以对新结构、新形式以及复杂节点等施工难点进行实际施工模拟，尽早发现设计问题，从源头上减少、甚至避免错、漏、碰、缺等现象。

3.2新兴信息技术在生产阶段应用

通过BIM技术三维可视化和信息完备性特点完整的将设计阶段所确定的设计方案以信息共享机制的形式传递到构件生产厂。设计阶段所创建的三维模型精确度可以达到预制构件生产要求，预制构件生产管理人员利用BIM模型设计模具，根据BIM模型所携带构件材料、几何等信息展示给制造人员同时完整的输入到生产系统中精准控制生产过程物料的用量。新兴信息技术下的装配式建筑生产阶段集成BIM技术、RFID以及三维激光扫描技术实现构件制造的精益化生产，为生产制造阶段提供有效数据的收集和流转，保证生产阶段构件可视化管理。

3.2.1构件生产阶段

设计人员将深化设计阶段完成的构件信息转入数据库，构建信息会自动转变成生产机械识别的格式并马上进入生产阶段。通过控制程序形成的监控系统会一直出现在构件生产的整个过程中，一旦出现生产故障等非正常情况，便能及时反映给工厂管理人员，这样一来管理人员便能做出相应措施，避免损失。在整个过程中，生产系统会自动对预制构件进行信息录入，记录每一块预制构件的相關信息，如所耗工时数、构件类型、材料信息、出入库时间等。[4]

3.2.2构件生产后入库阶段

通过RFID技术，模型与实际构件一一对应，项目参与人员可以对构件数据进行实时查询和更新。在构件生产的过程中，人员利用构件的数据图纸数据直接进行制造生产，通过对生产构件实时检测，与构件数据库中的信息不断校正，实现构件的自动化和信息化。已经生产的构件信息的录入对构件入库出库信息管理提供基础，也使后期订单管理、构件出库、物流运输变得实时而清晰。而这一切的前提和基础，就是依靠前期精准的构件信息数据和同一信息化平台，因此，BIM技术对于构件自动化生产、信息化管理的不可或缺性。

3.3新兴信息技术在施工阶段应用

装配式建筑施工现场涉及施工场地安排、预制构件存储、进度控制、质量控制等多方面内容。装配式建筑施工阶段新兴信息技术的运用遵循智慧建造的智慧性、可持续性以及集成性三个特点，着重加强信息集成与流转。

3.3.1施工现场的进度管理应用

构件入场时，RFID阅读器读取构件的RFID芯片，信息传递到数据库中，构件信息显示为入场。通过BIM模型与RFID技术结合，可以提前对施工场地进行布置，在构件存放处做到构件与模型点对点存放，明确显示各构件所处区域位置。施工过程中将通过扫描RFID芯片帮助现场人员对构件进行定位、吊装，标签中的构件信息以及定位信息通过API接口与BIM模型的信息交互，从而把现场的信息反映到数据库中，此时构件最新进度信息也相应变成已安装，以project软件.mpp文件的形式导入到Naviswork软件中，与BIM模型进行关联，Naviswork软件以三维形式展示出最新的工程项目进度。

3.3.2施工现场的质量管理应用

BIM和三维激光扫描技术在装配式建筑质量中应用主要是通过扫描仪器对建筑中的重点部位、形象工程进行扫描，也可对重点部位进行模拟施工，为质量监控和验收工作提供良好的数据，实现检测信息实时共享。通过扫描仪器对构件的重点监控部位进行扫描，将得出的点云数据转换成BIM模型，然后与设计图纸建模得到的BIM模型进行比较，得到质量监控的数据。新兴信息技术下的装配式建筑事后质量控制主要是对于实际发生的质量问题，在BIM模型中标注出发生质量问题的部位或工序，分析发生原因，采取补救措施，同时通过BIM技术对发生的质量问题的结构化数据或非结构化数据进行收集、整理和汇总，运用大数据分析技术积累相似问题的判断经验和处理的方法和经验，为以后的装配式建筑施工质量的事前和事中控制提供经验和数据。

结语：

装配式建筑作为绿色、环保、节能型建筑，是建筑工业化生产方式的典型代表，与传统现浇技术相比，生产模式、建造方式都有很大不同。新兴信息技术在装配式建筑设计、生产、建造中的运用能够迅速、及时收集到建筑项目信息，通过对实时反馈回来的数据进行收集、分析、反馈最终形成“智慧”，使建筑项目具有拟人的“学习、感知以及领悟”等能力，辅助管理人员进行决策。

参考文献：

[1]吴宇迪.智慧建设理念下的智慧建设信息模型研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[2] Kim M K， Wang Q， Park J W， et al. Automated dimensional quality assurance of full-scale precast concrete elements using laser scanning and BIM[J]. Automation in Construction， 2016， 72： 102-114.

[3]李亚东，郎灏川，吴天华.现场扫描结合BIM技术在工程实施中的应用[J].施工技术，2012，41（18）：19-22.

[4]Yin S Y L， Tserng H P， Wang J C， et al. Developing a precast production management system using RFID technology[J]. Automation in Construction， 2009， 18（5）： 677-691.

作者简介：

刘喆，吉林建筑大学 经济与管理学院，吉林长春；

周瑞，吉林建筑大学 经济与管理学院，吉林长春。