當(dāng)建筑遇上物聯(lián)網(wǎng) 智慧建筑加速落地

2016年9月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》(以下簡(jiǎn)稱《綱要》)，明確指出建筑業(yè)信息化是建筑業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，也是建筑業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、提質(zhì)增效、節(jié)能減排的必然要求?！毒V要》提出建筑企業(yè)應(yīng)積極探索“互聯(lián)網(wǎng)+”形勢(shì)下管理、生產(chǎn)的新模式，深入研究BIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，創(chuàng)新商業(yè)模式，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

建筑行業(yè)具有周期長(zhǎng)、參與者多、專業(yè)細(xì)等特點(diǎn)，這使得施工現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)溝通協(xié)同的必要性和重要性大大增強(qiáng)，協(xié)同效率低下往往是造成項(xiàng)目失敗的主要原因之一。這其中的原因往往是在錯(cuò)誤的時(shí)間把錯(cuò)誤的信息發(fā)送給錯(cuò)誤的人，由此做出了錯(cuò)誤的理解或互相矛盾的決策，而解決這些問(wèn)題的核心就是更準(zhǔn)確的創(chuàng)建信息、及時(shí)傳遞信息、快速反饋信息。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用等新的客戶端技術(shù)迅速地發(fā)展和普及，這些新技術(shù)依托于云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等服務(wù)端技術(shù)實(shí)現(xiàn)了真正的協(xié)同，滿足了工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信息的實(shí)時(shí)采集、高效分析、及時(shí)分發(fā)和隨時(shí)獲取。這種基于網(wǎng)絡(luò)的多方協(xié)同應(yīng)用方式則可以與建筑信息模型集成應(yīng)用，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

集成應(yīng)用 顛覆傳統(tǒng)

建筑信息模型是建筑業(yè)革命性平臺(tái)和技術(shù)，它改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維模式；物聯(lián)網(wǎng)則是繼虛擬的互聯(lián)網(wǎng)之后出現(xiàn)的無(wú)所不在、更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)。建筑信息模型及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問(wèn)世，顛覆了之前傳統(tǒng)的思維方式。過(guò)去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開(kāi)；一方面是建筑物、公路等，而另一方面是數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)等。而將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與建筑信息模型集成應(yīng)用，可以把感應(yīng)器等芯片嵌入裝備到鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)鋼筋混凝土、管線等各種物體中，然后將“BIM+物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合為統(tǒng)一的智能基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合，達(dá)到對(duì)整合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和控制的目的。

建筑信息模型與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用可以在工程建設(shè)及運(yùn)維階段發(fā)揮更大的作用。建筑信息模型是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，也是物聯(lián)網(wǎng)的核心和靈魂，建筑行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不能脫離建筑信息模型。沒(méi)有建筑信息模型，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用就會(huì)受到限制，無(wú)法深入建筑物的內(nèi)核，因?yàn)樵S多構(gòu)件和物體是隱蔽的，存在于肉眼看不見(jiàn)的深處，只有通過(guò)建筑信息模型才能一覽無(wú)遺，進(jìn)而展示構(gòu)件的每一個(gè)細(xì)節(jié)及相關(guān)屬性信息。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的有效管理，需要了解建筑物內(nèi)部所有設(shè)備、與物體相關(guān)的足夠信息。利用BIM技術(shù)創(chuàng)建的建筑物三維信息模型，不僅僅實(shí)現(xiàn)了建筑物的可視化、數(shù)字化，更可以記錄工程實(shí)施過(guò)程中幾乎所有的信息、數(shù)據(jù)，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段還可以不斷增加相關(guān)設(shè)備、構(gòu)件、物體的其他信息。物聯(lián)網(wǎng)則是把建筑物及空間內(nèi)各個(gè)物體標(biāo)簽化、可識(shí)別化，依托底層的傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、空間和內(nèi)部設(shè)備的集中監(jiān)管，但它無(wú)法進(jìn)一步獲取物體更詳細(xì)的信息，例如生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠家、構(gòu)件尺寸等，這些信息就要從建筑信息模型中獲取，建筑信息模型詳細(xì)記錄了建筑物及相關(guān)構(gòu)件和設(shè)備從設(shè)計(jì)到施工以及運(yùn)維過(guò)程中的所有信息，如此一來(lái)，BIM技術(shù)就與物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了充分的互補(bǔ)。

有效整合 破解難題

具體而言，BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的集成應(yīng)用首先要制定工程項(xiàng)目的BIM建模規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合項(xiàng)目具體應(yīng)用需求制定設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全過(guò)程的土建結(jié)構(gòu)及風(fēng)水電編碼規(guī)則；其次，根據(jù)工程項(xiàng)目建設(shè)不同階段建立BIM全信息化模型，并制定統(tǒng)一的模型及數(shù)據(jù)傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)；第三，結(jié)合建設(shè)過(guò)程具體施工管理需要制定基于BIM應(yīng)用需求點(diǎn)及相應(yīng)實(shí)施策略；第四，根據(jù)BIM應(yīng)用實(shí)施策略制定物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用的設(shè)計(jì)實(shí)施方案，并建立從底層物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)到頂層BIM全信息模型數(shù)據(jù)接入的軟硬件系統(tǒng)；第五，結(jié)合具體項(xiàng)目特點(diǎn)制定BIM及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)及數(shù)據(jù)字典；最后，基于信息管理系統(tǒng)或平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)信息的集成融合和應(yīng)用。

以上海虹梅南路越江隧道工程項(xiàng)目為例，虹梅南路—金海路通道越江段新建工程全長(zhǎng)約5260米，浦西起點(diǎn)至劍川路區(qū)段為改建原有地面道路，雙向4車(chē)道，劍川路匝道南側(cè)至浦東終點(diǎn)為雙向6車(chē)道。其中圓隧道段長(zhǎng)3.39千米，隧道直徑為14.93米，一共有16950環(huán)管片。

該項(xiàng)目具有圓隧道距離長(zhǎng)、盾構(gòu)直徑大、埋深大和地層復(fù)雜等顯著特點(diǎn)，而作為盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)最為核心的構(gòu)件管片，是隧道的最外層屏障，承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力等多種荷載，是影響隧道質(zhì)量和安全的最為關(guān)鍵的因素。確保隧道管片質(zhì)量的最佳方式是執(zhí)行以預(yù)防為主的全過(guò)程控制，把管理從運(yùn)營(yíng)階段前移到施工階段、制造階段和設(shè)計(jì)階段，及時(shí)解決存在的隱患，實(shí)現(xiàn)管片質(zhì)量的積極控制。然而，管片的全壽命過(guò)程極為漫長(zhǎng)，各階段參與人員眾多、涉及的信息種類(lèi)繁多，具有復(fù)雜的空間和時(shí)間特征，很難將其有效地整合在一起，這對(duì)隧道管片未來(lái)的管理帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

面對(duì)上述難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定集成應(yīng)用BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以隧道管片全壽命信息管理為主線來(lái)解決這一問(wèn)題。借助RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)孤立分散的信息準(zhǔn)確組織，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度信息、材料信息、工藝信息、安裝信息、檢查信息和維護(hù)信息的一體化管理。通過(guò)建筑信息模型承載項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工階段全部基礎(chǔ)信息，并可視化的反映管片在不同階段的演變規(guī)律。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘工具，尋找制造工藝、施工工藝與管片質(zhì)量之間的關(guān)系，并對(duì)管片的預(yù)防性維護(hù)決策提供幫助。在虹梅南路隧道建設(shè)伊始，研究人員就設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了“虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)”，并用于管片的生產(chǎn)和施工全過(guò)程的管理與決策，也將用于后期的運(yùn)維管理當(dāng)中。

虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)分為五層的結(jié)構(gòu)體系，最底層為信息采集層，通過(guò)RFID采集平板的移動(dòng)端，完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的錄入、圖片采集和位置采集等工作，并通過(guò)無(wú)線接入設(shè)備與數(shù)據(jù)管理層相連。第二層是數(shù)據(jù)管理層，主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，包含BIM模型庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件庫(kù)和知識(shí)庫(kù)。第三層是數(shù)據(jù)交互層，利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)管片信息的三維直觀展示和分析。項(xiàng)目相關(guān)人員可以了解當(dāng)前管片制造和施工的進(jìn)展和趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，從而快速了解管片周邊環(huán)境和變化。第四層是信息分析層，主要是提供數(shù)據(jù)分析引擎，用于完成病害趨勢(shì)分析、結(jié)構(gòu)異常發(fā)現(xiàn)、病害成因分析、施工參數(shù)優(yōu)化和維修方案比較等工作。第五層是應(yīng)用層，針對(duì)管片設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)維不同階段，設(shè)計(jì)了專用的移動(dòng)端和web端的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全壽命的管理與決策。

深度融合 管理升級(jí)

BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用實(shí)質(zhì)上是建筑全過(guò)程信息的集成與融合。建筑信息模型擔(dān)當(dāng)上層信息集成、交互、展示和管理的作用，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則承擔(dān)底層信息感知、采集、傳遞、監(jiān)控的作用。兩者集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)虛擬信息化管理與實(shí)體環(huán)境硬件之間的有機(jī)融合。

BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的集成應(yīng)用可以是多維度、多階段，但無(wú)論是設(shè)計(jì)階段、施工階段還是運(yùn)維階段或是全過(guò)程，BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)均可實(shí)現(xiàn)軟硬件、信息、管理上的深度融合。在工程建設(shè)階段，BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用可以提高施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理能力。在施工過(guò)程中，施工安全的隱患無(wú)處不在，這也成為各承包商和相關(guān)部門(mén)關(guān)注的頭等大事，例如臨邊洞口和出入口防護(hù)棚防護(hù)不到位或防護(hù)不嚴(yán)，且未進(jìn)行工具化、定型化防護(hù)；部分電梯井口防護(hù)未做到定型化和工具化；架體首層立網(wǎng)沒(méi)有進(jìn)行全封閉，從而被違規(guī)兼做通道現(xiàn)象較為普遍，也就造成到處都存在出入口的危險(xiǎn)；安全網(wǎng)普遍存在材質(zhì)較差；部分作業(yè)人員高處作業(yè)未系安全帶；部分工地存在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不戴安全帽的治理疏散現(xiàn)象。

基于BIM技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以大大改善這一情況，例如使用無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)識(shí)在臨邊洞口、出入口防護(hù)棚、電梯井口防護(hù)等防護(hù)設(shè)施上，并在標(biāo)簽芯片中載入對(duì)應(yīng)編號(hào)、防護(hù)等級(jí)、報(bào)警裝置等與管理中心的BIM系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。還可以對(duì)高空作業(yè)人員的安全帽、安全帶、身份識(shí)別牌等進(jìn)行相應(yīng)的無(wú)線射頻識(shí)別，并在BIM系統(tǒng)中精確定位，當(dāng)操作作業(yè)未符合相關(guān)規(guī)定時(shí)，身份識(shí)別牌與BIM系統(tǒng)中相關(guān)定位同時(shí)報(bào)警，使管理人員精準(zhǔn)定位隱患位置，能夠快速采取措施，避免安全事故的發(fā)生。

上海虹梅南路隧道具有大直徑、大埋深的特點(diǎn)，管片作為盾構(gòu)隧道的主要受力件，在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中承擔(dān)著盾構(gòu)機(jī)的頂推力、圍巖壓力、注漿壓力和地下水壓力等，管片可能出現(xiàn)空洞、裂縫、破損、錯(cuò)臺(tái)、上浮等病害。為保證隧道施工的安全性，項(xiàng)目基于隧道管片全過(guò)程的信息，進(jìn)行管片滲漏影響因素和趨勢(shì)分析，提出了面向防滲的施工參數(shù)組合，以輔助施工人員提高工程質(zhì)量。

在施工過(guò)程中，進(jìn)度控制也是非常重要的一環(huán)，一份好的進(jìn)度計(jì)劃和合理的工序安排會(huì)顯著提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，但實(shí)際情況是工程進(jìn)度往往被變更和返工等情況拖延。目前，工程人員依據(jù)二維平面藍(lán)圖進(jìn)行工程施工，施工過(guò)程中各工序依據(jù)各自的圖紙獨(dú)立施工，各單項(xiàng)工程相互間的配合并不緊密，往往在施工到達(dá)一定階段才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的不合理或沖突而造成返工?；贐IM技術(shù)的碰撞檢查和施工模擬可以在施工開(kāi)始前通過(guò)對(duì)三維模型的分析，檢測(cè)出施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，從而提前預(yù)判，并在相應(yīng)的施工環(huán)節(jié)留下包含注意事項(xiàng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，從而確保各施工工序合理有序的進(jìn)行。

可以說(shuō)在工程施工過(guò)程中發(fā)生額外工程量及工程返工是造成工程成本變化的重要因素。利用BIM技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合可以根據(jù)時(shí)間、樓層、工序等維度進(jìn)行條件統(tǒng)計(jì)，制定詳細(xì)的材料采購(gòu)計(jì)劃，并對(duì)材料批次標(biāo)注無(wú)線射頻標(biāo)簽來(lái)控制材料的進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間和質(zhì)量狀況。避免出現(xiàn)因管理不善造成的材料損耗增加和因材料短缺造成的停工、誤工。

同時(shí)，隨著工程技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工程已越來(lái)越多的應(yīng)用于實(shí)際施工，但相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工藝流程給鋼結(jié)構(gòu)裝配工作帶來(lái)了巨大的工作量。BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用可有效解決這一問(wèn)題，通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)將芯片分類(lèi)別和編號(hào)安裝在每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，再將對(duì)應(yīng)的讀取器設(shè)置在BIM三維信息模型中與之對(duì)應(yīng)，在裝配過(guò)程中保證所有的構(gòu)件必須與BIM三維信息模型中的對(duì)應(yīng)代碼相匹配，否則以警報(bào)的形式提醒工程技術(shù)人員，從而避免裝配錯(cuò)誤的情況發(fā)生。

此外，在施工過(guò)程中還需要對(duì)隱蔽工程進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)以確保工程質(zhì)量，但相關(guān)人員并不可能全面的檢測(cè)所有隱蔽工程；部分隱蔽工程的檢測(cè)通常采取的是破壞性檢測(cè)，這對(duì)質(zhì)量本身就會(huì)造成比較大的影響；一些關(guān)鍵部位的施工節(jié)點(diǎn)在施工過(guò)程中也會(huì)因某種原因未按設(shè)計(jì)或不合理的設(shè)計(jì)受力而發(fā)生相應(yīng)的形變，對(duì)工程質(zhì)量造成嚴(yán)重的破壞，甚至構(gòu)成安全隱患。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對(duì)隱蔽工程部位放置反映質(zhì)量參數(shù)的感應(yīng)器，再結(jié)合BIM系統(tǒng)的三維信息技術(shù)可以精準(zhǔn)定位到每個(gè)隱蔽工程的關(guān)鍵部位，進(jìn)一步檢測(cè)質(zhì)量狀況是否達(dá)到相應(yīng)要求；一套關(guān)鍵部位的感應(yīng)器采集系統(tǒng)加上BIM系統(tǒng)的三維信息技術(shù)的報(bào)警系統(tǒng)，也可以使工程技術(shù)人員及時(shí)得到質(zhì)量問(wèn)題反饋，將工程質(zhì)量的損失降到最低。

上海虹梅南路越江隧道工程項(xiàng)目在施工階段圍繞施工工序，利用虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)記錄管片的檢查和安裝信息，并通過(guò)建立與實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換接口，記錄盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)工藝參數(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)信息、止水涂料信息等關(guān)聯(lián)信息。由于管片信息均與RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了綁定，因此，根據(jù)RFID編碼，相關(guān)人員可以輕松地查詢到管片從生產(chǎn)到施工過(guò)程中的基本信息，一旦管片發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷或病害，就可以形成管片的追溯機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)管片的全生命周期管理。

由于隧道管片建設(shè)過(guò)程中報(bào)表繁多，原有的數(shù)據(jù)記錄方式是紙質(zhì)表格手寫(xiě)和獨(dú)立電子文件輸入兩種方式完成，這導(dǎo)致了報(bào)表查詢困難、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低、信息集成難度高等問(wèn)題，不僅影響了正常的建設(shè)管理工作，而且對(duì)項(xiàng)目竣工驗(yàn)收的資料整理帶來(lái)極大的困難，并為未來(lái)的隧道養(yǎng)護(hù)埋下隱患。虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)內(nèi)置了管片建設(shè)過(guò)程中所有的表單，采用移動(dòng)端進(jìn)行實(shí)時(shí)輸入和攝影，并通過(guò)數(shù)據(jù)的條件校核和互校核提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和完整性，并為后期資料的整理和查詢提供了基礎(chǔ)。

虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)運(yùn)用BIM技術(shù)將管片、測(cè)點(diǎn)、周邊環(huán)境等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)整合到同一模型，形成具有集成信息的BIM模型，用不同的顏色和方案直接顯示隧道工程進(jìn)度、管片狀態(tài)、周邊環(huán)境及施工進(jìn)度，通過(guò)動(dòng)態(tài)漫游方式實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)、周邊建筑的準(zhǔn)確定位和輔助巡檢，幫助工程人員進(jìn)行及時(shí)有效的工程項(xiàng)目管理和決策。

該系統(tǒng)在虹梅南路隧道工程中得到了全線應(yīng)用，以便捷的輸入、直觀的顯示和智能的分析功能幫助工程管理人員隨時(shí)把握管片全過(guò)程動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)輔助決策。解決了原有管理模式中信息采集集成困難的問(wèn)題。系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了隧道專用的RFID標(biāo)簽，能夠滿足管片設(shè)計(jì)需求和隧道內(nèi)部強(qiáng)干擾的環(huán)境，從鋼筋綁扎開(kāi)始即進(jìn)行管片的全程跟蹤，把材料信息、人員信息、位置信息、檢測(cè)信息、施工信息和環(huán)境信息等高維時(shí)空信息有機(jī)的連接在一起，提升了隧道監(jiān)管的能力，實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題管片的全程追溯，也為未來(lái)管片的維護(hù)和保養(yǎng)提供了條件。

BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用代表著先進(jìn)的信息化管理手段，在建筑行業(yè)大革新的趨勢(shì)下，BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用也將是未來(lái)建設(shè)行業(yè)信息化發(fā)展的重要方向之一。BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的深度融合與應(yīng)用，勢(shì)必將智能建造提升到智慧建造的新高度，開(kāi)創(chuàng)智慧建筑新時(shí)代，BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將會(huì)對(duì)智能建造產(chǎn)生變革性的深遠(yuǎn)影響。