基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工階段信息集成動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭 014000）

0 引言

裝配式建筑以符合市場要求、節(jié)能環(huán)保、省工省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，成為推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前在裝配式建筑領(lǐng)域中推廣應(yīng)用BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)裝配式建筑集成設(shè)計(jì)、智能制造、虛擬建造的重要手段，可以在更高層次上實(shí)現(xiàn)裝配式建筑全過程全專業(yè)的一體化集成。

1 BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者就BIM技術(shù)在裝配式建筑應(yīng)用方面進(jìn)行了一些探究。國外學(xué)者Shery等[1]利用MS Access將BIM模型和開發(fā)的PEPCON管理程序進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配式建筑進(jìn)度上的調(diào)整。而Ali等[2]則提出將RFID標(biāo)簽中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)代表BIM數(shù)據(jù)庫中的信息，從概念上設(shè)計(jì)了此方法中RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)格式。國內(nèi)學(xué)者有周文波等[3]較早地將BIM技術(shù)與預(yù)制裝配式建筑結(jié)合，指出了二者的適用性，探討了BIM模型在預(yù)制建筑中的研究方向。齊寶庫、李長福[4]則討論了BIM技術(shù)在裝配式建筑全生命周期管理中的應(yīng)用前景。常春光，白庶等[5,6]分別探討了BIM與RFID技術(shù)在裝配式建筑施工過程及運(yùn)維階段的具體運(yùn)用，對(duì)BIM-RFID系統(tǒng)推廣提出了可行性建議，并提出綠色運(yùn)維管理理念。于龍飛等[7]較有創(chuàng)新性的提出基于BIM的裝配式建筑集成建造系統(tǒng)（BIMCICS）的概念，闡述該系統(tǒng)的總體框架，為BIM技術(shù)在裝配式建筑集成建造系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

雖然已有部分學(xué)者對(duì)BIM技術(shù)在裝配式建筑施工階段的應(yīng)用做了初步研究，但大多側(cè)重于BIM技術(shù)的施工控制和RFID的材料監(jiān)管信息集成，對(duì)預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場安裝過程中產(chǎn)生的偏差如何進(jìn)行有效的糾正及提高工程質(zhì)量方面還有待更深入的研究。在推進(jìn)BIM技術(shù)與裝配式建筑深入融合的基礎(chǔ)上，將BIM與3D掃描技術(shù)集成系統(tǒng)應(yīng)用于裝配式建筑施工管理中將是未來主要研究方向。

2 “BIM信息集成動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)”在裝配式建筑施工階段應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在裝配式建筑施工階段應(yīng)用

BIM以數(shù)字形式表現(xiàn)建設(shè)過程和設(shè)施管理，同時(shí)也是以數(shù)字形式進(jìn)行建設(shè)過程以及設(shè)施管理的信息交流和相互操作[8]。BIM技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)、多方協(xié)同設(shè)計(jì)和項(xiàng)目全壽命周期信息集成等特點(diǎn)，使其可以有效地提高裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及施工的效率。

通過BIM技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場以動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)行合理布局，盡可能減少二次搬運(yùn)，提升施工效率；利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬，在模擬中發(fā)現(xiàn)問題和制定改進(jìn)方案，確保目標(biāo)實(shí)現(xiàn)；借助BIM平臺(tái)可以將施工對(duì)象與施工進(jìn)度數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的實(shí)時(shí)跟蹤與監(jiān)控，再引入資源維度，建立裝配式建筑“動(dòng)態(tài)施工規(guī)劃”，對(duì)質(zhì)量、進(jìn)度、成本實(shí)施動(dòng)態(tài)管理[9]。

BIM技術(shù)可以提高裝配式建筑工程的集成化程度和各參與方的工作效率，使項(xiàng)目各管理方快速、準(zhǔn)確的獲取工程所需的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息化管理，構(gòu)建BIM在裝配式建筑施工階段的信息平臺(tái)框架示意圖如圖1所示。

2.2 BIM與RFID集成在裝配式建筑施工階段的應(yīng)用

RFID（無線電射頻識(shí)別）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息[10]。裝配式建筑因預(yù)制構(gòu)件種類繁多，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件丟失、錯(cuò)用、誤用等情況，并且會(huì)出現(xiàn)一個(gè)構(gòu)件不合格導(dǎo)致整個(gè)建筑損失，所以對(duì)預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場管理務(wù)必要嚴(yán)格。RFID閱讀器可以迅速識(shí)別并讀入施工場地的構(gòu)件，并用于裝配式建筑施工的整個(gè)過程。因此，在裝配式建筑的構(gòu)件制作過程中，工作人員可以通過RFID技術(shù)將構(gòu)件的相關(guān)信息記錄下來[11]，包含的信息內(nèi)容如表1所示。

BIM/RFID信息的集成主要將RFID技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合，將標(biāo)簽編碼中的構(gòu)件信息儲(chǔ)存在BIM信息庫中，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤控制，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件RFID信息向BIM模型的有效傳遞。BIM確保RFID芯片標(biāo)簽中數(shù)據(jù)及時(shí)儲(chǔ)存和更新。

2.3 BIM與3D掃描在裝配式建筑施工階段的應(yīng)用

3D掃描技術(shù)是利用激光測距原理，以每秒數(shù)百萬次的測量速度，快速獲取物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)、色彩信息和反射強(qiáng)度，并通過計(jì)算機(jī)加工處理，構(gòu)建出建筑物外觀幾何尺寸完全一樣的點(diǎn)云模型，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)景復(fù)制[12]。鑒于3D掃描技術(shù)可快速、高效地獲取目標(biāo)建筑物的表面信息，可以通過3D掃描技術(shù)對(duì)裝配式建筑施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)測，獲取已完工程的實(shí)測點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆蠦IM模型中，與BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行偏差比對(duì)，分析其中的偏差情況，對(duì)原BIM模型進(jìn)行調(diào)整和更新，并以此調(diào)整原來的施工方案，實(shí)現(xiàn)輔助工程質(zhì)量檢測、快速建模和減少返工，從而保證裝配式建筑下一階段施工的順利進(jìn)行。

BIM/3D掃描-信息集成主要是將BIM和3D掃描技術(shù)相結(jié)合，通過施工現(xiàn)場3D掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，對(duì)已完工程構(gòu)件的逆向糾偏。

2.4 BIM技術(shù)在裝配式建筑施工階段信息集成設(shè)計(jì)

在裝配式建筑施工階段，將BIM技術(shù)用于現(xiàn)場管理需要集成有效的技術(shù)手段作為輔助，現(xiàn)代信息管理系統(tǒng)中，BIM、RFID與3D掃描分屬三個(gè)系統(tǒng)——施工控制、材料監(jiān)管和安裝糾偏。將三者相結(jié)合，建立一個(gè)以BIM為基礎(chǔ)的信息集成平臺(tái)框架如圖2所示，為裝配式建筑施工階段的質(zhì)量管理提供信息支持。

圖1 BIM在裝配式建筑施工階段的信息平臺(tái)框架示意圖

表1 RFID標(biāo)簽記錄數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)

圖2 BIM/RFID/3D掃描在裝配式建筑施工階段的信息集成框架示意圖

3 工程應(yīng)用

某鋼結(jié)構(gòu)工程的主廠房為裝配式建筑試點(diǎn)工程，長786m，寬122.5m，建筑面積75503.5m2，如圖3所示該工程高跨部分采用的是格構(gòu)式鋼管圓柱，單根柱高75.8m，安裝十分困難。該工程處于主體結(jié)構(gòu)已完工，即將進(jìn)行彩鋼板吊裝、機(jī)電設(shè)備進(jìn)場安裝。

圖3 某裝配式工程施工現(xiàn)場

本工程在RFID技術(shù)實(shí)施的同時(shí)，使BIM與3D掃描技術(shù)的集成得到了應(yīng)用。為精確制導(dǎo)下一步彩鋼板吊裝，對(duì)高跨部分進(jìn)行掃描，將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行比對(duì)如圖4所示，為了更為直觀的看出各個(gè)部位偏差量的不同，選擇了柱與柱、梁與梁等之間安裝部分的節(jié)點(diǎn)，定位軸線點(diǎn)，重點(diǎn)分析了安裝節(jié)點(diǎn)處的偏移情況，因?yàn)檫@些點(diǎn)在安裝的時(shí)候非常不容易控制，出現(xiàn)偏差的可能性比較大，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖4 點(diǎn)云模型與BIM模型比對(duì)過程

本研究主要選取了該鋼結(jié)構(gòu)中一些梁柱、梁板等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，由Qualify軟件模擬分析上述節(jié)點(diǎn)。通過比對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，分析得出這些點(diǎn)中X軸最大偏移量的絕對(duì)值為136.5797mm，Y軸最大偏移量的絕對(duì)值為75.3669mm，Z軸最大偏移量的絕對(duì)值為150.3561mm。選取比對(duì)的每個(gè)點(diǎn)在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)不同方向上均有不同程度的偏差，平均偏差在80mm～90mm之間。其中這83個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中43.7%的點(diǎn)不符合企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，56.3%的點(diǎn)雖然符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是偏差量的平均值仍然在50mm以上，且這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)后續(xù)彩鋼板吊裝、機(jī)電安裝工程有直接影響，所以很有必要對(duì)BIM模型進(jìn)行更新。在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)偏差分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)逆向建模的原理如圖6所示，針對(duì)該工程施工特點(diǎn)并結(jié)合Geomagic逆向建模軟件，從點(diǎn)階段、多邊形階段、形狀階段三個(gè)方面，對(duì)該工程高跨部分進(jìn)行逆向建模如圖7所示。

對(duì)比分析得出BIM設(shè)計(jì)模型存在較大偏差，為確定下一步的彩鋼板下料尺寸。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，屋面板和側(cè)向端部板的安裝最為重要，結(jié)合該工程的施工特點(diǎn)，本文選擇了四塊不同的部位，即側(cè)向端部的A1、A2板，屋面段部的B1、B2板，進(jìn)行的彩鋼板安裝進(jìn)行下料尺寸的確定，并且與原來的BIM模型進(jìn)行比對(duì)如圖8所示。

1）BIM模型彩鋼板尺寸：

A1：33.26m×19.00m=631.94m2A2：28.07m×16.00m=449.12m2

B1：34.41m×18.10m=622.82m2B2：22.58m×15.10m=340.96m2

2）更新后的BIM模型彩鋼板尺寸：

A1：33.31m×19.07m=635.22m2A2：28.48m×16.06m=457.39m2

B1：34.68m×18.23m=632.22m2B2：22.51m×14.97m=336.97m2

圖5 選取的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

圖6 Geomagic逆向建模流程

圖7 Geomagic逆向建模示意圖

圖8 彩鋼板吊裝方案選取截圖

通過對(duì)上述彩鋼板下料尺寸的分析可以看出，A1、A2、B1三塊彩鋼板實(shí)際尺寸比設(shè)計(jì)模型中的尺寸大，如若按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行下料，將會(huì)造成返工，直接造成了1707.87m2的彩鋼板材料浪費(fèi)，間接造成了人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)等費(fèi)用的增加。

4 結(jié)論

本文針對(duì)在裝配式建筑施工階段的質(zhì)量管理這一問題，引入現(xiàn)代信息技術(shù)集成理念，以BIM為平臺(tái)分別建立BIM與RFID、3D掃描集成管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑施工階段的全過程動(dòng)態(tài)管理，為提升裝配式建筑整體建造及管理水平提供一種思路。以期解決裝配式建筑工業(yè)化施工過程中出現(xiàn)的“錯(cuò)漏碰缺”、施工管理過程中信息不對(duì)稱等問題，進(jìn)而促進(jìn)裝配式建筑這一新型建筑形式更好更快地推廣，但要達(dá)到裝配式建筑信息集成無縫結(jié)合，還需在實(shí)踐中進(jìn)一步完善。

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