基于裝配式建筑施工偏差預(yù)測的應(yīng)用

張愛琳， 梁 爽

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

當(dāng)前，伴隨我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展而來的環(huán)境問題日益突出。傳統(tǒng)建筑業(yè)因其資源浪費(fèi)率高、污染重、生產(chǎn)效率低下、工程質(zhì)量差、安全隱患多、建設(shè)周期長、建筑業(yè)科技含量較低、環(huán)保效益差和建筑能耗較高等一系列問題而飽受詬病[1]，與此同時(shí)，裝配式建筑由于其施工污染少、施工速度快、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)越來越受到全社會的關(guān)注[2]。

但目前在裝配式建筑中普遍存在著尺寸偏差通病，其中最為棘手的問題是其施工過程中產(chǎn)生的安裝偏差，該偏差如沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，會對后續(xù)施工的進(jìn)行產(chǎn)生一定程度的影響，甚至可能帶來嚴(yán)重的安全隱患。由于裝配式建筑施工是一個(gè)動態(tài)的，長期的過程，因此，施工過程中的安裝偏差無法僅僅通過預(yù)防措施來有效控制，偏差的產(chǎn)生與累積也是不可避免的。那么如何對整個(gè)施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)掌握偏差的發(fā)展?fàn)顩r就顯得尤為重要。

本文針對裝配式建筑施工過程中偏差的獲取及控制問題，提出BIM(Building Information Modeling)技術(shù)與3D掃描技術(shù)集成應(yīng)用思路，建立裝配式建筑施工偏差預(yù)測模型，引入工程實(shí)例，對預(yù)測的偏差進(jìn)行分析并得出相應(yīng)的結(jié)論。同時(shí)為裝配式建筑更加精細(xì)化的管理提供理論及技術(shù)支持。

對于BIM技術(shù)與3D掃描技術(shù)集成應(yīng)用，目前國內(nèi)有學(xué)者張俊等[3]針對二者的應(yīng)用基礎(chǔ)提出制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、基于BIM技術(shù)的三維激光掃描與云計(jì)算的集成、減少內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理周期。而國外已有學(xué)者提出將二者集成應(yīng)用于施工過程的監(jiān)控。Bosché等[4]討論了3D掃描和BIM技術(shù)結(jié)合在管道安裝施工監(jiān)測中應(yīng)用的價(jià)值，通過3D掃描實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)電管道的圓形橫截面的變化。

而本文在提出將BIM-3D掃描集成應(yīng)用于裝配式建筑施工過程的偏差監(jiān)測問題的同時(shí)，還提出結(jié)合MATLAB灰色預(yù)測模型對偏差的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析?；疑A(yù)測理論是1982年由我國學(xué)者鄧聚龍教授提出的，該方法主要針對數(shù)據(jù)量少，部分信息未知的小樣本數(shù)據(jù)體系的研究對象[5]?；疑A(yù)測GM(1,1)模型是灰色預(yù)測理論的核心部分，目前該系統(tǒng)在國內(nèi)已有較成熟的發(fā)展。李夢婉等[6]針對傳統(tǒng)灰色預(yù)測模型精度問題，經(jīng)過一系列驗(yàn)證，提出改進(jìn)措施。國外學(xué)者Truong等[7]提出對灰色預(yù)測模型的三個(gè)改進(jìn)，建立智能自適應(yīng)灰色模型SAGM(1,1)模型，使其更容易適用于任何預(yù)測問題。Tabaszewski等[8]主要研究了將灰色預(yù)測模型應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)工廠中風(fēng)機(jī)振動癥狀值的變化規(guī)律。

可見國內(nèi)外對灰色預(yù)測法的應(yīng)用都有較成熟的研究，但是，將其應(yīng)用于建筑施工過程的較少見。而裝配式建筑施工過程的偏差趨勢發(fā)展問題屬于灰色預(yù)測系列，因此，將灰色預(yù)測法應(yīng)用于裝配式建筑施工偏差問題中，既是文章的一大創(chuàng)新，又可以達(dá)到對施工偏差發(fā)展趨勢較準(zhǔn)確預(yù)測的效果。基于此，文章提出BIM-3D掃描集成技術(shù)的偏差獲取并結(jié)合灰色預(yù)測模型實(shí)現(xiàn)對裝配式建筑施工過程中的偏差實(shí)時(shí)監(jiān)控，對裝配式精細(xì)化管理有重要意義。

1 施工偏差獲取及預(yù)測原理

3D掃描-BIM集成原理主要是通過BIM模型的正向指導(dǎo)施工和三維激光掃描儀的逆向掃描，正逆結(jié)合，BIM模型正向指導(dǎo)施工提高效率，逆向?qū)σ呀ńㄖ镞M(jìn)行掃描，將實(shí)際施工的情況以一比一數(shù)字模型反映到BIM模型中，從而將實(shí)際施工和設(shè)計(jì)模型之間的偏差全部顯示，以此調(diào)整原來的施工方案，進(jìn)而指導(dǎo)下一階段施工。

首先，快速獲取目標(biāo)建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過對目標(biāo)建筑物進(jìn)行現(xiàn)場勘測，確定三維激光掃描儀掃描精度檔位、架設(shè)站點(diǎn)的位置、標(biāo)靶位置、控制網(wǎng)的布設(shè)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、稀釋、采樣等一系列工作獲取施工建筑物特定部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后，通過對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與目標(biāo)建筑物的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行偏差比對，分析其中的偏差情況，并且確定是否更新BIM模型。最后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio逆向建模軟件進(jìn)行坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)濾波、地理參考、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)分割、曲面擬合和紋理映射等處理，從而得到更新后的BIM模型，用于后續(xù)施工指導(dǎo)。具體流程[9]如表1所示。

灰色預(yù)測模型的建立，主要是將三維激光掃描儀與原BIM設(shè)計(jì)模型對比所得的各個(gè)關(guān)鍵部位施工安裝偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，通過計(jì)算發(fā)展灰數(shù)和內(nèi)生控制灰數(shù)，最后進(jìn)行累減得出偏差發(fā)展趨勢模型。最終通過殘差檢驗(yàn)，關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)以及后驗(yàn)差檢驗(yàn)，確定該預(yù)測模型的滿意度和可信度。

表1 BIM-3D掃描技術(shù)工作流程

累減后的預(yù)測方程為：

最后對灰色預(yù)測模型進(jìn)行檢驗(yàn)：

(1)殘差檢驗(yàn)。它是對模型預(yù)測還原值與實(shí)際值的殘差進(jìn)行逐點(diǎn)檢驗(yàn)。當(dāng)平均殘差<0.01，0.05，0.1時(shí)，所對應(yīng)模型分別為優(yōu)、合格、勉強(qiáng)合格。

(2)關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)。通過考察模型值曲線與建模序列曲線的相似程度進(jìn)行檢驗(yàn)。背景值λ=0.5時(shí)，關(guān)聯(lián)度大于0.9，0.8，0.7所對應(yīng)的模型分別為優(yōu)、合格、勉強(qiáng)合格，大于0.6為滿意。

(3)后驗(yàn)差檢驗(yàn)。對殘差分布統(tǒng)計(jì)特征性進(jìn)行檢驗(yàn)。方差比小于0.35，0.5，0.65所對應(yīng)模型為優(yōu)、合格、勉強(qiáng)合格。殘差概率小于0.95，0.8，0.7所對應(yīng)模型分別為優(yōu)、合格、勉強(qiáng)合格。

2 施工偏差預(yù)測的應(yīng)用案例

2.1 工程概況

某裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程，長790 m，寬130 m，總建筑面積102700 m2，高低跨部位高度20～80 m不等。如圖1所示。該工程施工周期較短，高跨部位安裝十分困難，因此施工要求安裝精度極高，以免發(fā)生偏差過大而返工的現(xiàn)象。

圖1 某裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程

2.2 施工偏差獲取

本文基于BIM-3D掃描技術(shù)集成思路，首先利用Trimble TX8掃描儀對施工現(xiàn)場進(jìn)行外業(yè)掃描，得到已安裝部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Trimble Realworks進(jìn)行配準(zhǔn)、去燥、稀釋，最終在Qualify軟件中與BIM原設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對比，從對比圖中選取41個(gè)關(guān)鍵部位點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識，表示關(guān)鍵點(diǎn)與原設(shè)計(jì)模型分別在x，y，z軸的累積偏差。其中選取高跨東側(cè)平臺梁部位，低跨西側(cè)橫向桿部位，高跨豎向桿件及低跨豎向桿件部位偏差進(jìn)行預(yù)測，其三維彩色偏差如圖2～5所示。

圖2 高跨東側(cè)平臺梁偏差對比

圖3 低跨東側(cè)橫向桿偏差對比

圖4 高跨豎向桿件偏差對比

圖5 低跨豎向桿件偏差對比

從高跨東側(cè)平臺梁偏差對比圖中，我們選取A079，A078，A077，A074，A075關(guān)鍵點(diǎn)，低跨西側(cè)橫向桿偏差對比圖中選取A033，A031，A030，A024，A019關(guān)鍵點(diǎn)，高跨豎向桿件選取A048，A047，A046，A045關(guān)鍵點(diǎn)，低跨豎向桿件選取A067，A066，A065關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。選取關(guān)鍵點(diǎn)的原則是，按照施工工序的進(jìn)行，以月為時(shí)間節(jié)點(diǎn)選取，這樣所得的偏差數(shù)據(jù)為每月累積偏差。由上圖可知，施工過程中，東側(cè)平臺梁處每月分別產(chǎn)生累積偏差數(shù)據(jù)為-34.0102，-28.7977，-35.4836，-61.8666，-82.0820。東側(cè)橫向桿處每月分別產(chǎn)生累積偏差數(shù)據(jù)為-46.3316，-82.7236，-114.2277，-130.3904，-164.8150。高跨豎向桿件每月累積偏差數(shù)據(jù)分別為-90.4040，-28.5529，-180.8528，-389.5167。低跨豎向桿件每月累積偏差數(shù)據(jù)分別為-144.7002，-85.0050，-236.1046。

2.3 灰色預(yù)測模型的建立

本文利用MATLAB灰色預(yù)測編程，分別對上述累積偏差進(jìn)行預(yù)測，得出結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 高跨東側(cè)平臺梁偏差預(yù)測

圖7 低跨東側(cè)橫向桿偏差預(yù)測

圖8 高跨豎向桿件偏差預(yù)測

圖9 低跨豎向桿件偏差預(yù)測

由MATLAB程序計(jì)算過程可得偏差預(yù)測模型。圖6～9依次對應(yīng)下列模型1～4。

經(jīng)計(jì)算得知，選取的四個(gè)模型中殘差序列全部小于0.5，因此模型全部合格。當(dāng)權(quán)重系數(shù)λ為0.5時(shí)，四個(gè)模型的關(guān)聯(lián)度都大于0.6，因此模型的關(guān)聯(lián)度全部為滿意。四個(gè)模型殘差概率都為1>0.95，方差比全部小于0.35，模型全部為優(yōu)。因此，本文建立的4個(gè)模型是可信的。具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 灰色預(yù)測模型MATLAB計(jì)算結(jié)果

根據(jù)建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB 50205-2002《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定，對于多層及高層鋼結(jié)構(gòu)安裝工程主控項(xiàng)目規(guī)定，底層柱底與定位軸線偏差不得超過3 mm，柱子定位軸線偏差不得超過1 mm，單截柱子安裝的垂直度偏差最大不允許超過10 mm。而主體結(jié)構(gòu)垂直度偏差不得超過50 mm。而對于主體結(jié)構(gòu)總高度的允許偏差不得超過30 mm。本文選取的41個(gè)偏差對比關(guān)鍵點(diǎn)中，有20%的關(guān)鍵點(diǎn)是在定位軸線偏差允許范圍內(nèi)的，將其初始值帶入模型中，在第二個(gè)月將出現(xiàn)累積偏差超出偏差允許的范圍。從偏差預(yù)測圖可知，施工過程中的偏差累積會越來越大。而根據(jù)后續(xù)跟蹤監(jiān)測，偏差的累積最終對后續(xù)彩鋼板安裝產(chǎn)生了直接影響，彩鋼板出現(xiàn)錯(cuò)縫現(xiàn)象，施工過程需暫時(shí)停頓，并對偏差進(jìn)行修正，嚴(yán)重拖后了施工工期，造成材料浪費(fèi)，人員及機(jī)械閑置等影響。

因此，在后續(xù)施工中，通過Geomagic Studio軟件對原BIM模型進(jìn)行更新后，重新計(jì)算實(shí)際彩鋼板吊裝尺寸，若原設(shè)計(jì)尺寸比實(shí)際需求尺寸大，實(shí)則進(jìn)行裁剪即可，反之，若設(shè)計(jì)尺寸小于實(shí)際尺寸，該彩鋼板將全部浪費(fèi)掉。經(jīng)計(jì)算，有3塊彩鋼板若按照原設(shè)計(jì)尺寸下料，將全部浪費(fèi)，面積約1600 m2。本文通過對施工前期偏差數(shù)據(jù)的預(yù)測以及后期跟蹤檢測結(jié)果對應(yīng)分析，一方面驗(yàn)證了預(yù)測模型的可靠性，另一方面通過預(yù)測分析結(jié)果，提前得知偏差的影響程度，提出對BIM模型進(jìn)行更新，并對彩鋼板下料尺寸重新計(jì)算，避免了材料的浪費(fèi)以及人員閑置，為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確的施工指導(dǎo)。

3 結(jié) 語

由于偏差的存在而導(dǎo)致的施工延誤、返工及后續(xù)使用階段的檢修問題，原因主要在于裝配式建筑整體施工技術(shù)人員對偏差的忽視，產(chǎn)生偏差后驗(yàn)收人員檢測不精確以及獲取偏差不夠及時(shí)造成的。本文通過對裝配式建筑施工過程中的偏差進(jìn)行了預(yù)測研究，利用BIM-3D掃描集成技術(shù)以及相關(guān)配套軟件實(shí)現(xiàn)裝配式建筑施工偏差快速而準(zhǔn)確的獲取，為裝配式建筑施工過程監(jiān)測提供一種高效的方法。最終通過灰色預(yù)測模型對偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析，并結(jié)合工程實(shí)際施工現(xiàn)狀和施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范，為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確指導(dǎo)，有效地控制了裝配式建筑安裝偏差對施工過程的影響。

本文提出的裝配式建筑偏差獲取及預(yù)測方法，主要針對裝配式建筑施工過程中的安裝偏差問題，而實(shí)際施工中，偏差的產(chǎn)生是多方面的，在未來的研究中，應(yīng)在本文研究的基礎(chǔ)上，擬實(shí)現(xiàn)結(jié)合RFID(Radio Frequency Identification)，物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)，將裝配式建筑從設(shè)計(jì)階段、構(gòu)件生產(chǎn)、吊裝到安裝全生命周期聯(lián)系起來，以實(shí)現(xiàn)裝配式建筑更精細(xì)化、更高效率的現(xiàn)代化管理。