基于BIM的建设项目检验批质量评定系统研究

2019-09-17叶俊伟孙文建

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2019年4期

叶俊伟，孙文建

(南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211816)

工程项目检验批是质量验收与评定中的基本单元，也是分部分项工程质量验收与评定的基础。然而，目前施工企业在检验批的质量验收中无论是数据的采集还是质量评定均存在人为干扰，甚至质量数据虚假，质量评定流于形式。BIM作为一种信息技术平台，近年来被广泛应用于工程项目管理之中，开发了基于BIM技术的工程项目成本管理系统和进度管理系统，即所谓的BIM 3D和4D技术。与此同时，一些学者对BIM技术在工程项目质量管理方面的应用做了相关探索，如DENG等[1]设计了一个基于BIM技术和GIS技术的物料信息查询框架，各参与方能够根据各自需求通过该框架自动提取和查询所需信息。陈丽[2]运用BIM技术和IFC标准，建立了支持提取和调用产品数据与材料信息的建筑产品信息库。PARK等[3]设计了一种关联现场照片和BIM对象的方法，用以真实反映现场实际施工情况。李亚东等[4]认为可以选用BIM模型作为信息载体，并采用数码相机、iPad和全景扫描技术进行信息录入。XIE等[5]提出了基于BIM和RFID的钢结构材料追踪管理方法，可以实现钢结构材料数据的收集、筛选、管理、监视和分享功能。CHEN等[6]研究了某项目设计和施工阶段三维激光扫描技术的应用方法，研究了点云数据自动生成和处理的技术。

从现有的文献和开发的BIM技术显示，目前BIM技术在质量管理方面的研究主要集中在质量管理信息的处理与共享方面，而针对检验批质量信息的采集与质量评定方面研究不足。笔者学习了国内外学者既有的研究结论，在利用二维码技术、监控技术和三维扫描技术采集检验批施工信息的基础上，从BIM质量信息模型的角度出发，创建了检验批质量评定系统。

1 系统构建思路

检验批是质量管理的基本单元，因此检验批质量评定系统是整个项目质量评定系统中最为核心的子系统。该系统必须达到质量数据采集具有客观性和随机性，质量评定符合验收规范要求，且自动即时完成，避免人为干扰。为此，该系统应具备以下特征：①信息集成与共享，系统应具备一个开放式、可扩展的体系架构，通过合理的工具和技术采集检验批的施工信息，并能利用BIM质量信息模型和系统数据库对检验批的各类质量信息进行集成，用户能够在独立的运行环境下，根据工作需求进行信息的传递、交换和共享。②动态可视化，系统应能支持通过BIM 3D模型实现检验批施工信息的实时展示和跟踪管理，用户能够直观、快捷地掌握检验批的施工情况，质量管理人员能及时发现各类缺陷和问题，并能远程指挥。③自动评定，系统能自动随机生成检验批检查点，根据规范中检验批主控项目和一般项目的检查要求，以及BIM模型中的设计要求，对检验批的施工质量进行评定。

2 系统总体框架

2.1 系统技术架构

系统采用B/S结构，通过客户端的浏览器界面与用户进行交互，用户借助浏览器发送数据请求，服务器收到请求后数据库即开始数据执行过程，执行完毕后再通过Web进行数据反馈[7]。考虑到系统数据传递和应用的特征，将其技术架构分为用户层、功能层、处理层、数据层和采集层5个层次，如图1所示。

图1 系统技术架构

2.2 系统功能模块

按照检验批的质量评定要求，设计了系统的功能模块，包括物料追踪模块、视频监控模块、质量检测模块和质量验收模块。

各模块的主要功能包括：①物料追踪模块。质量管理人员可以运用移动手机扫描粘贴在物料表面的二维码，实时查看材料设备的出厂信息、物流信息和施工信息。②视频监控模块。质量管理人员可以在移动手机端、PC端或监控室实时查看现场作业区的施工活动，并对现场质量问题进行远程指挥。③质量检测模块。系统能够将采集的构件几何尺寸实测信息与设计尺寸、规范允许偏差进行对比，自动判定实测结果是否合格。④质量验收模块。系统可以根据验收规范要求，在BIM模型中自动生成随机的检验批检查点，选中这些高亮的检查点，可以实现施工信息、设计信息和规范信息的查看和对比。

3 系统关键技术和方法

3.1 BIM质量信息模型的构建

3.1.1 构建要求

BIM质量信息模型是实现系统各个质量管理功能的基础，必须明确需要建模的具体内容和详细程度，既要满足系统功能需求，也要避免过度建模。模型构建要求参照AIA对模型深度划分的LOD 100-LOD 500 5个等级[8]，笔者构建的BIM质量信息模型主要应用于施工过程质量管理，应选择LOD 400等级，模型应能详细体现项目实体的确定几何尺寸，可依据模型直接生产加工构件，构件应附加生产、安装和运输等施工信息。

3.1.2 构建方法

BIM质量信息模型构建是否合理直接影响质量管理的水平和深度，模型的构建步骤包括：①构建BIM 3D模型。首先根据项目的技术特点和专业划分，分别建立不同的3D模型，如土建模型、水电暖模型、钢结构模型、幕墙模型、装修模型等，再将这些独立的模型进行集成，形成包含所有专业的、完整的BIM 3D模型[9]。②设计信息集成。通过面向对象的IFC标准对BIM模型中导出的数据进行表示，模型中的每个实体的类型、属性、材料、空间关系等信息，都可以通过IFC Object、IFC Property Definition、和IFC Relationship 3个抽象类及其各个子类进行申明和定义。③规范信息集成。按照施工质量验收规范，先将构件按照施工顺序分解成具体分项工程的各个检验批类型，再分析各个检验批中主控项目和一般项目的检查要求，最后将这些规范信息按照构件的施工顺序进行归纳。④设计与规范信息关联。根据LOD 400等级的描述，为了使BIM模型能够满足质量管理的需求，达到通过对比实际信息和模型信息就能判定工程质量优劣的效果，必须将构件的设计信息和规范信息进行关联[10]。基于此，笔者按照以构件为单位，工序为基础，规范为底线的原则，建立了构件的质量信息列表。以现浇混凝土柱构件为例进行说明，如表1所示。

笔者以现浇钢筋结构混凝土主体结构分部工程为例，研究了基于BIM的质量信息模型构建方法，如图2所示。

表1 现浇混凝土柱质量信息列表

图2 BIM质量信息模型构建方法

3.2 检验批施工信息采集

根据对验收规范的分析，检验批的检查项目按照检查内容可分为材料检查项、工艺检查项和检测项3种类型。以现浇钢筋混凝土柱为例，钢筋的品种、规格、力学性能属于材料检查项；纵向钢筋的锚固方式、混凝土浇筑等属于工艺检查项；墙柱梁构件的尺寸偏差、垂直度、平整度等属于检测项。

图3 材料信息采集方法

3.2.1 材料信息采集

材料合格是工程质量合格的基础，系统采用移动手机扫描二维码的方法采集材料信息[11]，如图3所示。首先，由供应商根据构件质量信息列表中包含的材料类别和质量要求制作每种材料对应的二维码标签，并在材料出厂时粘贴在材料表面。其次，在材料进场时，质检员使用移动手机扫描二维码获取信息进行核对，并录入检查记录，若需进行取样复试，在试验合格后，须将相应的试验报告(如钢筋的力学性能检测报告)也录入二维码中；在施工使用时，施工员须将材料的施工信息(如纵向钢筋的锚固方式)以图片的形式录入至二维码中。最后，系统会自动生成材料从生产到投入使用整个过程的信息报表。

3.2.2 工艺信息采集

施工工艺监控是质量控制的关键步骤，系统采用无线监控技术采集工艺信息[12]，如图4所示。笔者选用高清网络枪式摄像机作为前端设备，将摄像机布置在可以监控到现场重点部位和关键工序(如混凝土浇筑)的位置。考虑到施工现场场地范围较大，为保证数据传输的稳定性，在靠近无线网络摄像机的一端增设无线AP装置，以无线AP桥接方式实现远距离的持续数据传输。监控端采用背投电视墙、电脑和移动手机3种形式，支持24h不间断视频直播和录像回放功能，并能依据预设的规则在电脑或移动终端上轮流播放监控画面，管理人员可以实时对现场问题进行远程指挥和预警。

图4 工艺信息采集方法

图5 实测信息采集方法

3.2.3 检测信息采集

在施工完毕后，需要对构件进行实测以确保其几何尺寸符合要求，系统采用三维扫描技术采集构件的几何信息，如图5所示。在综合考虑了精度、速度、分辨率、距离、准确率等因素后，最终选择了徕卡MS50扫描仪作为采集工具。首先，在实测前将构件所在楼层清理干净，防止干扰检测过程；其次，将扫描仪站点布置在放线时测设的模板边线上，并对中整平，将扫描参数和点间距分别设置为360°和3cm；最后，将采集的数据输出至Geomagic软件进行处理，剔除无效数据并保存为.wrp格式，再通过点云和模型对齐的分析方法判定检测误差是否在规范允许范围内。

3.3 检验批质量判定

3.3.1 检验批质量判定原理

检验批的质量自动判定包括两部分内容，一方面是通过检验批检查点的随机生成，保证质量判定的客观性，另一方面是通过检验批实际质量信息和设计信息与规范信息的对比，保证质量判定的合理性[13]。笔者以现浇钢筋混凝土柱钢筋分项工程中的钢筋连接检验批为例，阐述检验批质量的自动判定原理，如图6所示。

图6 检验批质量自动判定原理

图7 检验批自动生成检查点算法

3.3.2 检验批自动生成检查点算法

参照检验批的划分规则和质量验收规范，设计了基于IFC标准的自动生成检验批质量检查点的算法，如图7所示。

首先，依据本算法遍历IFC数据标准中的相关抽象类及其子类，包含IFC Product、IFC Property Definition和IFC Rel Contained In Spatial Structure及其相应子类，并依次返回至M1(实体集合)、N1(楼层轴线、施工段集合)、N2(实体类型集合)、P1(材料、面积等属性信息集合)，并按照检验批的划分规则，在重新进行数据组合后返回检验批集合{M1,N1,N2,P1}；其次，将检查项目与每个生成的检验批进行关联；最后，依据抽样规则，返回检验批检查点集合，为每一检查项目关联规定数量的检查点，并以球状体的形式显示在BIM模型上。

以采用现浇钢筋混凝土形式的主体结构为例，按照规范要求，其检验批检查点数量的抽样方法包括以下5种：

(1)全数检查。例如按照规范第5.4.1条，对于钢筋连接的主控项目“纵向受力钢筋连接方式”，应进行全数检查。

(2)固定值。例如按照规范第5.3.1条，对于钢筋加工检验批的主控项目“受力钢筋的弯钩和弯折”，应按照同类钢筋和同一加工设备的抽查数量不小于3件。

(3)max(容量×百分比，最小值)。例如按照规范第4.2.7条，对于模板按照检验批的一般项目“现浇结构模板的安装偏差”，对梁柱构件抽查数量为10%，且不能少于3件。

(4)[容量/数值]。例如按照规范第7.4.1条，对于混凝土施工检验批的主控项目“结构混凝土强度”，若连续浇筑量超过1 000 m3，同配比的混凝土检查每200 m3不得小于1次。

(5)[容量/数值取整]×固定值。例如按照规范第7.2.1条，对于混凝土原材料检验批的主控项目“水泥进场检查和性能复验”，对于连续进场的厂家、等级、品质和批号相同的袋装水泥，一批不能超过200 t，每批进行抽样检查1次。

3.3.3 检验批质量判定方法

根据对验收规范的分析，检验批的检查项目包括主控项目和一般项目两部分。主控项目的检查内容主要包括以下3个方面：

(1)检验批的施工是否符合设计要求。以钢筋连接检验批中的“纵向钢筋的锚固方式”检查和混凝土施工中的“混凝土浇筑”检查为例。“纵向钢筋的锚固方式”可以通过二维码中施工员上传的钢筋锚固节点图片与BIM模型中节点的大样图对比，判定其是否符合设计要求。“混凝土浇筑”可以通过查看PC端、手机端或监控中心的施工画面，判定其是否符合要求[14]。

(2)材料的品种、类型、各项指标是否符合要求，各类证书是否齐全。以钢筋原材料中的“原材料”检查为例，可以通过审核二维码中包含的钢筋品种、类型、合格证、出厂报告等信息，判定其是否符合要求。

(3)需要见证取样复试的项目检测结果是否符合要求。以钢筋原材料中的“钢筋力学性能”检查为例，可以通过审核二维码中的检测报告，判定其是否符合要求。

一般项目质量判定方法为：若各类实测项误差符合要求，则一般项目质量合格。以现浇结构中的“墙柱梁尺寸偏差”为例，将三维激光扫描采集的点云数据与BIM模型对齐，通过可视化的对比，判定其是否合格。若施工单位自检合格，且信息采集、录入完毕后，经监理单位确认检验批的主控项目全部符合要求，一般项目全部合格，则检验批质量判定合格，系统会自动生成《施工质量检验批质量验收表》；若质量判定不合格，系统会生成一份《质量整改报告》，要求施工方进行整改。