物联网技术在混凝土工程管理中的应用

郭青伟，李学华

（南阳师范学院，河南 南阳 473061）

0 引言

自2005 年5 月住房和城乡建设部提出“积极引进和推广国外日益普及的绿色建筑、 生态建筑和可持续建筑等新理念和新技术”以来，绿色建筑在国内开始蓬勃发展，涌现出杭州低碳科技馆、贵阳市息烽县人民医院综合住院大楼、天津大学第一教学楼、常州市武进绿色建筑研发中心维绿大厦等一大批优秀绿色建筑案例［1］。 绿色建筑强调全寿命周期内的安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居，不仅提高了人们的居住质量， 还有利于自然环境保护。 经过十余年的发展，我国绿色建筑在标准制定、材料研发、评定推广等方面取得了丰硕的成果。绿色建筑将节能环保理念与建筑业完美结合起来， 实现了人与自然和谐相处，是建筑业未来的发展方向。

混凝土工程在绿色建筑中占据重要地位， 但传统的粗放型管理模式不但不能实现混凝土施工过程的科学管理，造成资源浪费和环境污染，而且与可持续的绿色建筑理念相悖。如天津、贵州等地相继出现了在建混凝土工程因质量不合格而降低标准使用，甚至拆除重建等乱象。 这主要是因为混凝土工程质量管理滞后于市场需求。 物联网技术旨在实现人与物、物与物之间的连接，为混凝土工程施工阶段的科学管理提供了平台。自2010 年3 月5 日温家宝总理所作政府工作报告中将“加快物联网的研发应用”明确纳入重点产业振兴以来， 物联网技术已经在煤矿开采、金属铸造、农业、快递行业、教学科研等领域得到了应用［2］。 笔者试通过分析混凝土工程施工阶段常见的质量问题及其原因， 提出基于物联网技术的全过程管理方法，并从混凝土工程浇筑、养护、质量检测、构件进场安装等环节进行论证，以期为混凝土施工科学管理提供理论指导。

1 混凝土工程施工阶段常见问题

绿色建筑的快速发展使得混凝土工程从传统的水泥、石子、沙和水形成的组合体发展到功能全面的建筑主材，不仅可用于承重结构，还可用作装饰和防水等功能性材料。 混凝土工程施工阶段责任主体多，施工工序繁琐，如管理不善，将会造成不良的社会影响。 苏杨月将济南市某装配整体式高层住宅项目30份现场会议文件反映的质量问题按照设计、生产运输和现场吊装施工三个环节进行分类，结果表明，出现问题频率最高的是施工环节，其次是生产及运输环节，设计环节最少［3］。 齐宝库等根据沈阳市近年来预制装配式混凝土工程的现场调研情况，分析了施工过程常见问题，认为平板制作安装、预制构件连接、管线及预制构件埋设、 预制构件成品保护等方面均易出现质量问题［4］。

1.1 混凝土材料问题

绿色建筑强调节能环保，对材料要求高。 《绿色建筑评价标准》（GB／T 50378-2019） 明确规定：500 km 以内生产的建筑材料重量占建筑材料总重量的比例应大于60%； 现浇混凝土应采用预拌混凝土，建筑沙浆应采用预拌沙浆。 天津市河西区的粤翠名邸项目个别栋号混凝土强度不符合设计要求、 西安市的“瘦身钢筋”、河南鹿邑县志成实验学校的问题水泥等乱象，都暴露出材料强度不足，以次充好，甚至将不合格产品当合格产品出售等问题， 导致工程降低标准使用乃至拆除重建。

1.2 预制构件加工问题

构件预制具有降低施工现场劳动强度、 工厂化制作减少产品质量离散性、可缩短工期等优点。我国住房和城乡建设部陆续发布《装配式混凝土建筑技术标准》（GB／T 51231-2016）、《工厂预制混凝土构件质量管理标准》（JG／T565-2018）等标准，对预制构件进行管理。 但由于各参与方沟通不充分或施工人员操作失误等原因，导致出现构件尺寸不规整、外观质量不符合要求、预埋件位置不准确、图纸交底困难等问题，造成构件返工或降低标准使用，不仅浪费了建设资源，而且影响后续工序施工。大跨度构件和清水混凝土构件的使用要求高， 其加工过程更容易出现问题。

1.3 混凝土运输问题

商品混凝土有利于产品工业化、标准化，但出现了运输问题。混凝土不仅要满足强度和耐久性要求，还必须保证其可泵性。在混凝土拌制过程中，应严格按照设计配合比进行， 以保证其和易性等指标满足要求。在混凝土运输过程中，易出现因搅拌不均匀而造成的产品板结、 因运输时间过长造成的产品坍落度损失、因水分流失造成的实际配合比改变等问题。这需要生产单位和运输单位及时沟通， 提前制订运输方案，选定运输路线及应对措施，并与施工现场无缝对接。

1.4 预制构件运输问题

预制构件往往尺寸较大， 需要通过运输车辆或吊车完成运输。如果构件尺寸过大，则需对运输车辆进行改装。这不仅增加了运输成本，而且在遇到转弯半径过小的路段时，车辆也无法正常通过。若分段加工、现场拼接会产生施工缝，且增加拼接处混凝土的养护时间。 运输环节易出现构件内部损伤和固定处损坏等问题， 需要提前做好各项准备工作， 对预埋件、吊装点、受力极值点和构件薄弱点等关键部位进行有效保护。 在运输过程中，需控制车速，及时观察路况，遇到突发情况时，应及时上报并妥善处理。 运至施工现场后，应根据现场人员要求，完成构件质量检验和进场。

1.5 预制构件安装问题

预制构件现场安装过程复杂且繁琐， 易出现连接处空间小、钢筋绑扎和混凝土振捣困难、连接件位置不当、施工难度大、安全事故多发等问题。 施工单位应根据相关规范要求，提前编制专项施工方案，必要时，进行专家论证。 在安装施工前，应进行技术交底，做到“定责任人、定机械设备、定措施”。在安装施工过程中，做到“定时观测、及时纠偏”。 在安装施工结束后，应及时进行总结，形成施工资料。 预制构件连接处的施工和预制构件安装应同步进行， 并进行有效保护。叠合构件施工应严格遵守施工方案，确保各组成部分共同受力，共同变形。在济南万科金域国际工程中，经过多次研究论证，采用“汽车吊+抱柱式旋臂起重机+塔吊+屋面吊” 结合的吊装方式，解决了高层建筑的装配式大型清水混凝土预制构件的安装难题［5］。

2 物联网技术在混凝土工程施工过程中的应用

自1999 年提出物联网（Internet of Things）概念以来， 物联网技术引起了工业界和学术界的持续关注。物联网技术是通过综合运用计算机技术、现代管理技术等，有效监控并整合人力、物力、资金等资源，将物与物、人与物进行有序组合，最终实现既定目标。 无线传感器网络极大地丰富了物联网技术的信息获取途径，当前可被使用的数据类型从静态的网页、文档、音频、视频扩展到人和物的动态多维数据［6］。 混凝土工程施工管理难度大，原因是施工工序繁琐且环环相扣，责任主体多且沟通有限，技术要求高且缺乏有效理论指导。 利用物联网技术可以对混凝土全寿命周期进行监控及预测， 将各个阶段的监测结果以数据的形式保存， 形成由建设单位牵头， 施工单位、 监理单位等单位参与的公共管理平台，通过局域网进行资源共享，及时发现问题，为科学决策提供依据。 无线传感器节点监测和人工监测相结合形成数据源，以材料供应单位、监理单位、施工单位等参与方共同作为数据节点， 以质量监管部门和建设单位为数据终端，以物联网技术为基础，对混凝土工程进行全过程、全方位管理。

2.1 混凝土拌制阶段

现代混凝土工程原材料包括水泥、水、石子、沙、各种功能性添加剂等，拌制过程往往在工厂完成，但由于各种原材料到场时间不一致， 既增加了原材料保管费用，又容易造成二次搬运。利用物联网技术建立信息共享平台，以混凝土需求单位（施工单位或建设单位）为管理者进行平台管理和信息传递，原材料供应商和混凝土生产单位为参与单位， 要提供原始数据并对原始数据负责。 通过该平台能实时了解原材料动态，指导各方合理调配资源，实现及时采购（Just in Time）。 原材料进场后，仍继续追踪材料使用情况，为原材料台账式管理提供依据。 在拌制过程中，详细记录施工环境、配合比、取样情况等，一旦出现质量问题，进行预警，为决策者提供基础信息。 该阶段结束后，将平台数据进行整理，可作为施工资料进行保存。

2.2 混凝土浇筑阶段

混凝土浇筑过程是混凝土工程质量控制的关键步骤。目前，混凝土浇筑过程的监测方式主要有人防和机防两种。 三阶段管理（事前管理、事中管理和事后管理）和PDCA（计划、实施、检查和纠偏）管理是当前监理单位应用比较广泛的两种管理方式， 但这两种方式都存在工作量大、 信息来源容易受到施工现场条件制约的问题。引入物联网技术后，在商品混凝土浇筑过程中， 通过在现场安装多角度高清监测设备及程序化设计， 记录并指导商品混凝土到场后的配合比监测、补救措施制订；混凝土浇筑时，通过在构件中预埋无线传感器节点，实时记录密实度、振捣效果等指标，可以降低劳动强度，提高检测精度且做到连续监测， 极大地提高了混凝土浇筑阶段管理的绿色化程度。

2.3 预制混凝土构件的现场施工

绿色建筑建设工期长，预制构件需求量大，运输和现场施工都对管理者提出了很高的要求。利用物联网技术不仅可以实现物与物的联系，还可以实现人与物的联系，建立以预制构件为管理对象，以施工单位为主导的管理平台，将构件运输人员、监理人员、施工人员、安全人员和机械操作人员等纳入管理系统。 在构件运输前，制订运输方案，布设关键控制点，通过感应器进行管理，追踪运输路线。在运输过程中，重点观测应力集中情况。在现场施工时，对人员与人员、人员与构件、构件与构件的交底情况进行记录。 在安装过程中，对关键岗位定人定责，通过技术手段实现非现场监管，保证预制构件现场施工的有序进行。

2.4 混凝土工程质量检测阶段

混凝土工程质量检测方法很多， 工程资料报备和现场取样抽检是常用的手段， 但不少问题工程项目暴露出工程资料不规范、弄虚作假，取样员和施工单位沆瀣一气导致检测结果失真、 工程出现质量问题等乱象。 梁贵荣利用物联网技术建立了混凝土质量追踪及动态监管系统，将建设单位、施工单位、监理单位、混凝土生产单位、建设工程质量监督单位等联系起来，通过在混凝土中预埋电子芯片（即RFID射频识别技术）全程追踪混凝土试件的流转，实现了视频监督和现场监督相结合， 有效规避了传统手段人为因素影响过大的弊端， 保证了混凝土工程质量检测的科学性和严谨性［7］。

2.5 混凝土工程运行维护阶段

混凝土工程交付使用后， 就进入运行维护阶段，责任主体发生了变化，建筑工程项目升级改造、撞击等突发事件等都会影响混凝土工程的使用状态。目前，这一阶段的混凝土工程管理研究基本处于空白状态，绿色建筑虽然强化了这一阶段的管理， 但并没有明确给出管理方法。 物联网技术以单体建筑物或建筑群为研究对象，通过设置信号收集源、数据传输网、数据处理中心等形成完整的数据链，改变了建筑使用人申报、管理部门备案的传统管理模式。采用数据节点采集数据、局域网传输数据、 管理部门分析处理数据的立体化管理模式，变被动为主动，实现了混凝土工程运行维护阶段的全天候、全过程管理，既能提高混凝土工程运行状态，又为混凝土工程二次开发提供了参考。

3 结语

综上所述， 混凝土工程在绿色建筑中长期占据较大比重，但资源消耗量大，劳动强度高，工程质量难以保证，重大安全事故时有发生，施工管理方法急需创新。针对混凝土工程材料、预制构件加工、运输及安装等方面存在的常见问题，笔者提出基于物联网技术的现代管理方法，并运用到混凝土工程全寿命周期内的各个阶段。 实践证明，该方法能够有效提高管理效率，减少人为因素影响，杜绝施工资料弄虚作假，在混凝土工程管理中具有较好的实践应用前景。