装配式建筑质量信息模型构建

王 茹， 廖文涛， 刘清楠

(西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 710055)

装配式建筑是由工厂加工的构件在现场通过可靠的连接装配而成的建筑，相较于传统现浇结构，构件预制、现场装配成为其显著特征[1]。装配式建筑作为一种新的建造方式，我国相应配套的工程管理体系还不健全，管理模式还受限于传统现浇建筑[2]，没有按照装配式建筑施工的特点制定相应的管理模式和方法，导致其工程实施的技术经济性和质量都不理想[3]。

在建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)和建筑生命周期管理(Building Lifecycle Management，BLM)白皮书由Autodesk于2002年发布之后，BIM技术逐渐走进了人们的视野[4]。BIM技术由于其突出的优越性被应用于解决装配式建筑的诸多问题。Yuan等[5]从建筑设计团队、预制构件创建流程、BIM二次开发流程、装配式建筑信息模型优化流程四个方面论述了如何通过面向DFMA(Design for Manufacturing and Assembly)的参数化设计使设计的预制构件具有良好的可制造性和可装配性。田东等[6]阐述了如何运用BIM技术解决预制构件标准化低，重复工作量大，设计周期长等问题。Li等[7]开发了无线射频识别设备(Radio Frequency Identification，RFID)支持的BIM平台来提高预制建筑建造过程的信息管理效率，降低进度风险。冯晓科[8]借助实际案例讨论了BIM技术在装配式建筑施工前期策划、进度和成本管理、构件管控以及场地布置等方面的优势，得出BIM技术能有效应对建造过程中出现的新问题、新挑战的结论。

不难发现，现阶段BIM技术主要被集中应用于解决预制构件的深化设计、生产过程管理、装配阶段的成本和进度控制等问题[9]，质量控制的相关研究较少。BIM模型信息的构件化架构与装配式建筑的构件化施工具有高度的契合性，为利用BIM技术辅助装配式建筑质量控制提供了天然的条件。因此，本文基于装配式建筑质量控制的基本环节提出装配式建筑质量信息模型(Prefabricated Building Quality Information Model， PBQIM)的概念。根据质量控制需求，通过Revit平台和MySQL数据库相结合，利用Revit二次开发技术分析PBQIM的构建过程、功能算法和实现技术。

1 装配式建筑的质量控制分析

装配式建筑质量控制是致力于满足质量需求的一系列相关活动。质量控制首先需要明确质量需求，将质量需求作为质量控制的依据，将装配过程质量控制作为核心，通过现场检查，发现问题，解决问题，从而满足质量需求。装配式建筑施工的质量控制应运用动态控制原理，将建造质量控制分为事前、事中和事后三个基本环节。

事前控制需要明确质量需求，落实质量责任。装配式建筑产品及施工过程质量必须符合相关质量需求。这些质量需求主要来自法律法规、标准、客户、设计等多方面，其中法律法规及标准要求是最基本的要求[10]。具体的建造项目在确定质量需求时要根据实际情况选择实行标准类基本要求或者实行比基本要求更高的其他要求，多方面的信息来源增加了规则理解的繁琐性，易导致施工过程的符合性判断出错，同时具体的工作涉及到具体的构件及其相关的施工过程，在实际执行过程中容易出现质量需求不明确和混乱现象，带来质量风险。

事中控制需根据施工过程需求进行过程监督，施工过程需求规定了施工过程的必要流程以及具体施工活动应该或不应该进行的准则，例如，预制构件安装前应对套筒、预留孔内的杂物进行清理。然而，实际施工过程中，应该进行的施工活动常常被忽视，不应该进行的活动往往被执行，必须遵循的流程也往往被违反[11]。质量的过程控制是一个精确而复杂的过程，需要知识和工作经验[12]。建筑从业人员的流动性大且综合素质不高，对质量需求难以准确理解，会导致质量控制过程疏忽或不符合质量要求。

事后控制也称事后质量把关，目的是保证不合格的工序或产品不流入下道工序、不进入市场。主要通过质量检验发现质量缺陷，并综合分析产生缺陷的原因，提出质量改进措施。装配式建筑质量控制涉及到的检查内容多，容易导致施工管理人员质量检查漏项，检查方式、检查位置、检查时间以及质量需求不明确，使质量管理过程不规范[10]。现场很多项目需要及时对其质量进行评定，若质量评定不及时，会导致质量管理出现空缺，若要再次进行检查则会增加人工和成本。

2 PBQIM概念及构建

一方面，装配式建筑质量控制过程的复杂性决定了PBQIM的研究和运用的必要性。另一方面，BIM模型信息的构件化架构与装配式建筑的构件化施工所具有的契合性为利用BIM技术辅助装配式建筑质量控制提供了天然的条件。同时，标准BIM模型具有构件的几何信息集合，而质量信息是随着建造过程不断累加的，在数据形成过程方面，质量数据和标准BIM模型具有一致性。BIM技术的强大之处在于巨大的信息聚类和整合能力。因此，PBQIM的核心思想是：利用BIM技术将质量数据与构件及检验批等质量单元建立联系，实现可视化质量控制。

本文将PBQIM的定义如下：PBQIM是质量信息多元、全面，并能很好满足质量控制行为需求的装配式建筑质量信息模型。如图1所示，它由质量需求信息模型、质量监控信息模型和质量检查验收信息模型三大基础信息模型组成，三大基础信息模型分别对应质量控制事前、事中和事后的质量控制基本环节。PBQIM的构建和应用体现为三大基础信息模型构建和运用的综合过程。

图1 PBQIM的构建框架

2.1 事前控制与质量需求信息模型功能需求

工作分解结构(Work Breakdown Structure，WBS)可以将多源质量需求进行分解，将装配式建筑建造过程整体的质量需求分解成装配式构件及其相关施工过程的质量需求。这些需求不仅包括建筑本体，还包括基于工序的施工技术措施等，使每个构件、施工过程和检验批等质量单元都有各自清晰的质量需求[13]。标准装配式建筑BIM模型包含装配式建筑本体的物理、几何、功能等信息，但缺乏质量控制所需的详细信息，如检验批，施工过程，方法和责任[12]。为了能串联起所有的质量信息实现PBQIM的构建，构件、检验批等质量单元需赋予独有的名片以便质量数据能识别它们。

基于以上分析，本文提出将质量需求通过质量属性和具体质量单元关联，为装配式建筑质量控制全过程提供清晰目标和具体要求，这也是质量需求信息模型(Quality Requirement Information Model，QRIM)的定义。构建QRIM的核心内容就是需求信息的关联录入。装配式建筑因地理、气象等条件限制而具有的项目单件性特征决定了每个项目具体的质量需求不同。事前控制阶段构建QRIM对于厘清项目具体质量需求有促进作用。

简言之，PBQIM的构建在事前控制阶段有以下两方面的功能需求：一是为质量单元赋予身份标识，为关联需求信息创造条件；二是实现质量需求和具体质量单元关联。

2.2 事中控制与质量监控信息模型功能需求

建造过程是质量形成的过程，质量需求不仅定义了建造对象实体所需要达到的目标，还规定了施工过程的要求[11]。事中控制阶段的工作重点是按照确定的要求进行过程监督和检查。一方面，监督具体的施工活动是否满足要求，如预制构件安装前，发现预留孔内还有垃圾，则立即采取措施清理；另一方面，检查建造对象质量目标是否实现来判断过程质量是否合格，如预制墙安装的垂直度不满足要求，则立即采取措施调整墙体垂直度。

简言之，PBQIM的构建在事中控制阶段有以下两方面的功能需求：一是根据时间属性提取质量需求并以清单方式罗列呈现；二是通过现场数据的实况录入，自动进行符合性判断，并反馈判断结果。

2.3 事后控制与检查验收信息模型功能需求

事后控制的重点工作是检验、分析和处置。在目前的工程实践中，工程事后验收的最小单位是检验批，检验批是由一定数量样本组成的检验体，这些样本需要根据标准或专业规范要求全数检查或按一定的比例抽查。这些全数检查或抽查的样本是质量控制过程中最小的检查对象(本文称其为检验点)，专业规范规定了检验批的具体质量要求，也规定了需要检查的项目。在实际检验过程中，无论是检验批的划分和检验点的确定，还是检查结果的判断，都存在经验主义现象且极度依赖检验人员的专业能力，这不但给事后检验工作的有效性大打折扣，还带来质量风险。

简言之，PBQIM的构建在事后控制阶段主要有以下四方面的功能需求：一是基于检验批自动生成检验点；二是根据质量需求生成检验点的检查验收清单；三是根据实况录入的现场检查数据，自动进行检验点原始记录的检验判断并返回判断结果；四是根据原始记录的判断结果，对整个检验批的检验情况自动进行判断，并返回判断结果。

3 PBQIM的实现技术

BIM技术具有可视化、协调性等众多特点， Revit系列软件作为BIM技术工具完全承继了BIM技术特性，在BIM体系所包含的众多软件平台中出类拔萃。相较于其他软件，Revit不仅自身功能强大，还提供了丰富的应用程序编程接口(Application Programming Interface，API)，使得Revit平台有能力为装配式建筑全生命周期服务[14]。因此本文选择Revit平台作为PBQIM的研究平台。

3.1 基于Revit的PBQIM数据库技术

3.1.1 基于Revit的PBQIM数据库开发

本文以瑞典MySQL AB公司开发的MySQL为数据库管理系统[15]，以Microsoft Visual Studio 2015为开发工具，通过C#语言和Revit API提供的接口、类和方法实现基于Revit平台的PBQIM搭建和应用。如图2所示，Revit平台的应用程序需在VS平台上运用C#和SQL语言配合编程，实现Revit API对应接口和方法之后，才能最终实现访问和操作MySQL数据库。

图2 基于Revit的PBQIM数据库开发示意

3.1.2Revit数据库交互方法

Revit应用程序和数据库的交互是基于ADO.NET体系建立的。ADO.NET是.NET Framework类库中用于实现和数据源进行交互的一些类的集合。Revit API能用与.NET兼容的编程语言进行编程。C#是一种面向对象且运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言。因此，上述组合能够为Revit与MySQL数据库的交互提供方法。

本文一方面引入MySql.Data.MySqlClient命名空间，然后定义并实例化MySqlConnection对象，调用MySqlConnection的Open方法打开数据库连接，创建MySqlCommand对象并利用它指定连接对象连接到数据库，接着定义命令类型和SQL命令获得数据库中的数据。另一方面，实现Revit API提供的IExternalCommand接口并重载Execute函数，完成Revit和数据库的数据交互。

3.2 Revit二次开发实现PBQIM

PBQIM应用的基础是信息关联，目的是实现装配式建筑可视化质量控制。Revit平台可通过API来执行设定的计算和分析，集成外部应用或者开发自己的应用程序操纵和访问Revit。Revit API是封装在“RevitAPI.dll”和“RevitAPIUI.dll”动态链接库中的类库，通过API可以访问模型的图形和参数，操纵模型元素，集成外部应用等[14]。除了类库，本文还安装了Revit SDK(Software Development Kit)和Revit Lookup来辅助开发。在上述工具准备齐全的基础上，就可以将PBQIM需要实现的功能形成计算包内嵌在Revit平台，实现PBQIM的单平台搭建和应用。

3.3 质量需求信息模型功能算法

3.3.1 自动编码器设计

一个装配式建筑工程往往涉及很多检验批，每个检验批又涉及同类型的诸多构件，因而需要通过扩展的质量属性将每个构件和具体检验批相匹配[12]。质量单元自动编码是PBQIM用于质量控制的第一步。本文提出基于Revit的质量单元自动编码实现方式，通过PBQIM自动编码器实现质量单元自动批量编码，同时检查数据输入的合法性和构件类别的统一性。

用户在确认需要编码的对象都处于选中状态时运行自动编码器，按照具体要求选择相应的分部分项、构件类别、划分方式以及建造过程，图3为检验批自动编码算法流程。当运行“生成编码”命令时，编码器会自动判断所选构件类别是否和选择的构件类别一致，若判断结果为不一致，则会弹出警示“所选构件检验类别错误”，并高亮显示不一致的构件；若判断构件类别一致，则返回编码结果。当运行“插入编码”命令时，编码结果会自动赋予选择集中所有构件。

图3 检验批自动编码算法流程

3.3.2 需求信息可视化管理

质量需求定义了目标、准则、责任，是PBQIM的基本要素。通过前文分析，需求信息可以通过工作分解结构将信息落实到构件和检验批这样的质量单元，为信息可视化管理提供条件。

为了将需求信息和质量单元关联，本文提出基于Revit的需求信息绑定质量单元的方法。图4分别从用户和程序两个角度阐述PBQIM质量需求信息的录入流程。选择需要录入信息的构件后，运行“需求录入”窗口程序，根据提示选择录入信息的关联对象，关联对象有两个选项：一个是所选构件对应的检验批，另一个是所选构件本身。若选择检验批，则录入信息会与检验批关联并保存至数据库，检验批内所有构件均被关联该质量需求信息，否则，录入信息只会关联选中构件并存储在数据库中，与其他构件不发生关系。

图4 PBQIM质量需求信息录入流程

3.4 质量监控信息模型功能算法

为解决前文提出的装配式建筑质量控制过程中的各种问题，本文提出如图5所示的算法流程，试图将繁琐的质量要求、检查内容和检查步骤等化繁为简，实现清单式质量监控，运行“监控清单”程序后，选择时间区间，程序自动将属性为所选区间的质量单元返回到选择集，同时搜索数据库内对应的质量控制需求，将对应质量单元相关的建造过程需求以清单的形式罗列出来。质量清单既是技术交底资料，也是施工过程监管的依据。对于具体的建造情况可以随时记录并上传到数据库。通过这种方式，对预制构件本体质量监管的同时，也将以构件为基础的建造过程纳入质量控制对象的行列。

图5 质量监控信息模型运行流程

重要质量控制点的施工实施情况可以现场记录并以文档、图片、影像等多种方式上传到数据库，并保持上述资料全生命周期内和质量单元保持关联。

3.5 质量检查验收信息模型功能算法

3.5.1 检验点自动生成方法

为了实现自动化、信息化的检查验收，本文提出基于检验批自动生成检验点的方法，可以避免前文指出的检查验收环节存在的各种问题。

图6是自动生成检验点的方法，首先需要识别出检验批。识别检验批可采用两种方法：一是选中需要检验的某一构件后运行检验批识别程序，程序会自动提取所选构件的检验批编码，然后遍历所有与该编码关联的构件并返回检验批选择集；二是根据输入的检验批编码，程序自动搜索与之匹配的构件返回检验批选择集。

图6 自动生成检验点算法流程

检验批生成后，程序会根据检查项目类型自动返回检验点集合。若要求全数检查，程序返回检验批所有构件到检查集，若要求按比例抽查，则程序自动计算抽样数量并判断是否符合最低要求，若符合最低要求，则创建对象并利用Random随机类生成随机检验点，若不符合最低要求，则按不低于最低要求返回检查集。

3.5.2 检查验收清单

检验批的检查项目对应的检查内容条目数量和内容都参差不齐，比如GB/T 51231-2016《装配式混凝土建筑技术标准》规定的预制墙板类构件外形尺寸检查验收项目就有二十余项检查内容，通常会因检验人员个人能力和经验的差异产生差异化的检查结果，不能真实反应当前阶段装配式建筑质量状况。

PBQIM能根据检查部位调用相应检查项目的检查清单，使得检查内容清晰、直观、可视。检查人员只需根据清单按照具体条目进行现场检查、量测就可以完成工作，解决因检查人员的偶然因素而带来的质量风险。

当用户选择了检验点和检验项目后，程序会自动检索质量数据库内关于检验点所对应构件类型和检查项目的检查清单，并以可视化方式呈现。

3.5.3 检查验收结果

根据GB 50204-2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定，检验批质量是否合格取决于主控项目和一般项目。当主控项目全部合格，一般项目合格率β达到要求合格率φ以上且一般项目的不合格检验点的误差实际偏离程度θ不超过一定范围，该检验批才算合格，如式(1)～(3)所示.

(γ=100%)∩(β≥φ)∩(θ≤ω)

(1)

(γ<100%)∪(β<φ)∪(θ>ω)

(2)

(3)

式中：γ为主控项合格率；M为实际检验数据；N为标准值；P为允许偏差值；ω为标准规定的θ的界限值。若式(1)所表示的事件为真则检验批合格；若式(2)所表示的事件为真则检验批不合格。

PBQIM能结合现场检查数据自动根据上述要求进行计算和判断并返回结果，分两步进行：一是检验批原始记录检验判断，二是检验批验收记录检验判断。

图7(图中的ED和ID分别表示实体标准数据和检查数据；y表示误差，是ED和ID的函数)解释了检验批原始记录检验判断算法流程，同一检验点的不同检验项目会有定性和定量的判断结果，定性的判断由检查员根据要求检验并录入结果。对于定量的检验，PBQIM会根据输入的检验数据和标准数据进行对比计算并返回结果，然后将计算结果和要求限值进行比较，判断结果是否满足限值要求，若满足要求，程序会返回合格结果，若不满足要求，PBQIM会抛出整改方案提示，用户根据提示生成相应的处理方案，根据方案进行质量改进。

图7 PBQIM检验点原始记录检验判断算法

按照图7算法检验后，程序会自动搜索对应检验批的原始记录数据表。图8解释了检验批验收记录检验判断算法流程。

图8 PBQIM检验批验收记录检验算法

首先遍历所有主控项目相关的原始记录并计算和判断主控项目合格率γ，当程序遍历到主控项目不合格项则停止运行，返回检验批不合格结果，保存不合格记录，提醒用户生成返工报告用以质量改进；若主控项目全部合格，则程序遍历所有一般项目的检查结果并计算合格率β，自动判断β是否大于φ，若β<φ，程序停止执行，保存不合格记录，返回检验批不合格结果，提醒生成返工报告用以质量改进；若β≥φ，则程序继续计算误差实际偏离程度θ，若检索到有θ值超出合理范围，则返回检验批不合格结果，保存不合格记录，提醒用户生成返工报告用以质量改进；若所有θ值都在合理范围，则程序返回检验批合格结果，保存检验批合格记录。

对于工序交接检验，若下一检验批开始时没有检测到上一检验批的合格结果记录，则程序会拒绝执行相应程序，并提醒质量管理者核实上一检验批的检验工作是否完善。这样的环节设置可以有效避免实际施工中检验漏检情况，对于提升整个项目质量检验有重要的意义。

4 PBQIM的实例应用

为了验证PBQIM的质量控制效果，PBQIM的相关功能在西安市未央区某装配式公租房项目实现了开发应用。本文结合Revit二次开发技术，利用Revit平台和MySQL数据库实现了公租房项目PBQIM的部分功能，如图9所示，将PBQIM需要实现的功能形成计算包内嵌在Revit平台，实现PBQIM的单平台搭建和应用。

图9 公租房项目PBQIM的功能界面

本文以预制墙质量控制为对象，分别实现QRIM、QMIM、QAIM三大基础信息模型的应用功能。首先，利用PBQIM的自动编码功能进行质量单元自动编码。根据国家标准GB 5024-2015的规定，预制墙安装属于主体结构分部工程，混凝土结构子分部工程，装配式结构分项工程。以六层预制墙构件进场检验批为例，其编码为020106-006-QB-01。其中前面六位代表分部分项，02表示主体分部工程，01表示混凝土子分部工程，06表示装配式结构分项工程；006代表划分方式为按楼层划分，且所属楼层为6层；QB代表预制墙板构件；01代表进场检验。因此，将该检验批信息在图10所示的自动编码器中录入后，编码器自动生成相应编码，如图11所示。

图10 PBQIM自动编码器

然后，运用PBQIM自动生成监控清单。根据时间和质量属性，自动提取指定时间范围内预制墙构件安装过程的监控信息，并将这些信息以质量监控清单的形式呈现，如图12所示，管理人员将过程监控的情况实时反馈。

图11 预制墙质量单元的自动编码示意

图12 PBQIM自动生成现场质量管控清单

接着，运用PBQIM自动生成检验点。生成检验点有两种方法：一是根据检查验收要求，选中需要检验的某一构件后运行“检验批识别”，另一种方法是输入检验批编码，程序会自动将对应检验批内容高亮显示。启动“生成检验点”功能后，PBQIM会将检验点单独显示出来，并隐藏其他非检验点构件，如图13所示。

图13 PBQIM自动生成检验点

最后，对检验点逐个进行检查验收。根据检验点和具体的检验项目，PBQIM自动生成检查验收内容清单，图14为预制墙体构件类型的外形尺寸偏差项目的检验，检查人员只需根据清单输入检查结果就能完成检查工作，PBQIM能将检查数据自动保存至数据库。

图14 预制墙构件外形尺寸偏差检验清单

PBQIM包含的质量信息与标准BIM模型关联性存储在数据库内，为快速提取数据创造了条件，如图15所示，可以实现质量信息数据的快速综合查询和提取。

图15 质量信息数据的快速综合查询和提取

5 PBQIM的应用内涵

PBQIM由QRIM，QMIM，QAIM三大基础信息模型构成，分别对应质量控制的三个基本环节。QRIM是在明确质量目标并形成质量计划的基础上建立起来的，是PBQIM的基础，是质量控制过程得以准确进行的保障，为QMIM和QAIM提供基础信息，包括具体的质量监控内容，检验批划分及检查验收方法。QMIM和QAIM是PBQIM的核心，是PBQIM能否顺利运行的关键，体现了过程控制和动态控制的质量控制原理。

PBQIM所包含的三大基础信息模型并不是截然分开和彼此孤立的，而是相互作用共同构成有机的系统，系统运行的内涵其实就是质量管理PDCA(Plan，Do，Check，Act)循环的思想体现，在每次动态循环中不断提高，使得装配式建筑质量持续提升。

三大基础信息模型按照质量控制基本环节依次构建和应用行为的实质是PDCA的一个小环的闭合，而质量控制是一个动态的过程，对QMIM和QAIM应用过程中产生的丰富质量数据分析处理后能够不断修正QRIM，为后续质量控制工作的提高提供保障，实现质量控制能力的循环上升。

6 结 语

本文在装配式建筑质量控制现状分析的基础上提出PBQIM概念，然后分析了PBQIM的构建过程，基于过程又提出与质量控制基本环节相匹配的QRIM、QMIM、QAIM三大基础信息模型及其功能需求，紧接着研究PBQIM实现技术和方法。QRIM实现质量单元自动编码和质量需求可视化管理；QMIM实现过程质量清单式监管和质量控制点资料全生命周期关联；QAIM实现检验点和检验内容自动生成，自动计算判断并反馈检验结果。PBQIM构建和应用拓宽了装配式建筑质量控制信息化道路，对于提高装配式建筑质量控制的准确性和完整性具有重要意义。