基于建筑信息模型和激光掃描的裝配式建造管理與質(zhì)量控制

劉金典，張其林，張金輝

（1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.上海同磊土木工程技術(shù)有限公司，上海200092）

近年來，BIM（building information modeling）作為一種新的建筑信息化思想逐漸成為行業(yè)應(yīng)用和研究熱點，隨著行業(yè)對建筑精細化程度要求的提高，BIM的實際應(yīng)用價值也逐漸被業(yè)界認可［1］。BIM的發(fā)展使得基于互聯(lián)網(wǎng)思維的協(xié)同化、信息化和數(shù)字化的生產(chǎn)模式逐漸在建筑行業(yè)推廣。目前，國內(nèi)對BIM思想的利用主要集中在三維信息模型的生成、展示和碰撞檢查等，而基于信息協(xié)同的思路開展建造階段管理的探索依然處在起步階段。其中主要有兩方面原因，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)現(xiàn)澆體系的建造管理環(huán)節(jié)復(fù)雜，難以確立統(tǒng)一規(guī)則的建造范式；另一方面，國內(nèi)尚未出現(xiàn)配套的BIM管理方法和軟件，使得設(shè)計階段的三維信息模型無法有效地為建造管理所服務(wù)。

裝配式體系采用統(tǒng)一裝配的建造方式，這種工業(yè)化的建造體系為信息化管理提供了良好的基礎(chǔ)，也提高了BIM管理推廣和應(yīng)用的可行性。不過裝配建造的方式同時也會帶來對結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝配過程精度要求較高的問題，使得信息化建造管理模式的可靠性受到影響。目前施工中用于檢測裝配構(gòu)件和安裝效果的質(zhì)量評估方法大多依賴人工粗略測量，結(jié)果往往耗時且精度不高［2］。三維激光掃描技術(shù)近年來快速發(fā)展并擴展到很多領(lǐng)域，逐漸成為一種高效率的質(zhì)量檢測方式。在建造過程中，國外已有相關(guān)研究利用激光掃描對建造活動進行跟蹤以及進行建筑尺寸質(zhì)量控制，一般方法是獲取設(shè)計模型和現(xiàn)場掃描的3D點云模型，對兩者進行對比分析，以精細匹配并計算出建造過程產(chǎn)生的誤差。針對裝配式建筑，研究包括預(yù)制混凝土板件的加工尺寸控制和鋼筋位置估算、預(yù)制構(gòu)件平整度或缺陷評估以及預(yù)制構(gòu)件中連接件安裝定位檢查［3-6］。然而，這些研究均聚焦在質(zhì)量控制方法的細節(jié)部分，其結(jié)果并未融入整個信息化建造管理中，使得數(shù)字化質(zhì)量檢測的優(yōu)勢未能完全發(fā)揮。

利用激光掃描對裝配式建造過程進行質(zhì)量控制，并將檢測結(jié)果與整個BIM管理相融合，可以極大地提高信息化建造模式的實用性。本文將聚焦建筑生命周期中的建造過程，結(jié)合我國實際施工特點和需求，提出一套完整的基于BIM和激光掃描的裝配式體系建造管理與質(zhì)量控制方法。

1 裝配式體系建造過程管控模式

1.1 裝配式建造管理與質(zhì)量控制概述

工程建設(shè)的整個生命周期一般包含多個階段，即從規(guī)劃、設(shè)計到施工建造，再到運營維護，直至拆除為止。目前我國主要的項目管理模式依然為“設(shè)計—招標(biāo)—建造”模式，包括施工方在內(nèi)的各方分別與業(yè)主簽約并履行相關(guān)合同內(nèi)容，項目各階段并無有效聯(lián)系和約束［7］。此外，裝配式建筑的規(guī)劃和指導(dǎo)意見近年來密集出臺，由于其建造生產(chǎn)方式具備短周期、高效率的優(yōu)點，逐漸成為目前研究和應(yīng)用推廣的熱點［8］。針對裝配式建筑，產(chǎn)品體系、模塊化設(shè)計和可持續(xù)設(shè)計等方面的研究較為豐富，但在應(yīng)用新型信息技術(shù)進行管理和精細化質(zhì)量管控方面，還缺乏系統(tǒng)的解決方案。本文將聚焦裝配式體系建造過程這一階段，其中管理主要針對建造流程和進度，并將其細分為生產(chǎn)、倉儲、運輸和安裝四個子階段，如圖1所示，提出了基于BIM和激光掃描的建造管理與質(zhì)量控制方法。

傳統(tǒng)的預(yù)制裝配式項目建設(shè)模式是從設(shè)計到工廠制造，再運輸至現(xiàn)場安裝的流程，但這四個階段是分離的，這種分離的工作流程缺乏較好的配合，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計的失誤直到真正施工安裝后才被發(fā)現(xiàn)。此外，數(shù)據(jù)信息的傳遞主要針對二維圖檔進行管理［9］。但是這些圖檔并不能傳輸完整的特別是有關(guān)聯(lián)的建筑信息，從而影響建造過程中信息的一致性。

圖1 本文建造過程四個階段Fig.1 Four stages in the construction process

同時，在建造過程中很多裝配構(gòu)件的質(zhì)量檢查是手動執(zhí)行的。例如，施工現(xiàn)場通常有兩種主要的檢測方法：①通過目視觀察或使用鋼卷尺進行測量，簡單地測量元件兩端之間的距離；②使用全站儀測量結(jié)構(gòu)的幾個特征點坐標(biāo)。對于一些線性構(gòu)件，這兩種方法都具有能夠直觀地獲得測試結(jié)果的優(yōu)點［10］。然而，對于很多復(fù)雜裝配式體系，這些檢查方式耗時且費力，更重要的是缺乏足夠的精度。

1.2 信息化與精細化的建造管控

BIM最大的特征在于徹底改變了傳統(tǒng)基于二維紙質(zhì)媒介進行的建筑信息傳遞的方式，其通過將管理軟件關(guān)聯(lián)裝配構(gòu)件、管理人員和技術(shù)設(shè)備，實現(xiàn)信息化的高效管理。張建平等［11］結(jié)合我國施工實際需求和特點，提出了實施BIM技術(shù)的技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)流程和應(yīng)對措施，并自主研發(fā)了相關(guān)BIM建模系統(tǒng)和4D管理軟件。常春光等［12］針對裝配式建筑的建造過程特點，研究了利用射頻識別技術(shù)（RFID）在裝配式建筑的建造過程中進行BIM管理。郭紅領(lǐng)等［13］分析了傳統(tǒng)施工管理流程中存在的問題，構(gòu)建了利用BIM技術(shù)進行施工管理的總體平臺架構(gòu)，設(shè)計了相關(guān)的系統(tǒng)實施流程。曹新穎等［14］對我國裝配式建筑構(gòu)件的生產(chǎn)過程進行了調(diào)研，總結(jié)了當(dāng)前構(gòu)件的管理現(xiàn)狀、控制要點及生產(chǎn)流程，設(shè)計了裝配式構(gòu)件信息管理的流程模型。

總體而言，BIM為裝配式建造提供了一種各方協(xié)同管理的思路，目前利用BIM進行裝配式建造管理的研究主要分為兩類，一類旨在梳理和描述裝配式構(gòu)件管理要點，進而設(shè)計信息化管理流程；另一類則主要利用RFID技術(shù)對裝配構(gòu)件進行追蹤，并在工程中進行應(yīng)用。然而對BIM平臺開發(fā)的研究目前更多集中在對IFC（industry foundation classes）的擴展和一般施工過程的邏輯整理，缺乏針對裝配式體系的優(yōu)化，這使得研究出將裝配式信息化管理和RFID追蹤與BIM平臺進行整合的系統(tǒng)方法顯得尤為重要。

基于BIM的建造管理雖然具備了傳統(tǒng)二維圖紙所不具備的高效性，但是依然缺乏對建造過程中各節(jié)點的建造狀態(tài)、構(gòu)件狀態(tài)以及安裝效果的精細化質(zhì)量控制。三維激光掃描技術(shù)由于具備數(shù)字化記錄物體外表面的能力，可以很好地與BIM流程結(jié)合。其中，Lee等［15］提出了一種利用激光掃描的檢測程序，程序分為三個步驟并最終將程序應(yīng)用在樣本案例，證明了激光掃描質(zhì)檢的適用性。Kim等［3］將從點云數(shù)據(jù)生成的模型和相應(yīng)的BIM模型相關(guān)聯(lián)，針對預(yù)制裝配式板材的尺寸控制需求研發(fā)了一種非接觸尺寸控制技術(shù)。Wang等［4］開發(fā)了一種利用彩色激光掃描數(shù)據(jù)對鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋位置進行估算的技術(shù)，包括鋼筋識別和提取算法，并在混凝土板件上進行了試驗分析。Bosché等［6］將兩種不同標(biāo)準的平整度控制技術(shù)應(yīng)用于與每層相關(guān)的點云，從而判斷混凝土板是否符合給定平整度公差。錢海等［16］為檢測建筑構(gòu)件在生產(chǎn)及運輸過程中產(chǎn)生的缺陷，基于BIM搭建構(gòu)件的三維模型，通過stl文件將模型對象轉(zhuǎn)換為期望點云評估構(gòu)件的誤差大小。

BIM技術(shù)的高效性和激光掃描的精確性為目前的裝配式體系建造提供了一種新的思路，國內(nèi)在一些工程項目中已有利用BIM和激光掃描相結(jié)合的實際應(yīng)用并取得了良好的工程效益。例如，闞浩鐘等［17］在大小井特大橋鋼管拱肋拼裝過程中，采用BIM與三維激光掃描相結(jié)合的方法對鋼結(jié)構(gòu)進行虛擬預(yù)拼裝。然而，這些探索更多的是進行應(yīng)用的組合，包括基坑掃描和地形建模、在橋梁施工中查看BIM并比對掃描模型以及利用點云數(shù)據(jù)在古建筑等項目中進行逆向模型的生成。其中僅利用了BIM技術(shù)中三維模型的優(yōu)勢，而并未真正將BIM管理思路與激光掃描進行融合。

本文針對裝配式體系，聚焦建造過程的流程管理和質(zhì)量控制，將BIM信息化思路和激光掃描數(shù)字化質(zhì)量控制進行融合，提出了詳細的基于BIM和激光掃描的建造管理方法，具體優(yōu)勢如表1所示。利用BIM和激光掃描技術(shù)，可使業(yè)主、設(shè)計、生產(chǎn)和施工各方同步更新項目進展，并跟蹤精確的項目建造質(zhì)量。

表1 傳統(tǒng)裝配式建造管控方法與本文方法對比Tab.1 Comparison between traditional prefabricated construction management methods and this study

2 BIM管理與激光掃描質(zhì)量控制

2.1 BIM裝配式建造管理系統(tǒng)

BIM建造管理的核心在于形成一個切實可落地的可視化信息管理平臺。本文結(jié)合實際企業(yè)調(diào)研和自行開發(fā)的實踐，提出了一套裝配式4D建造管理平臺框架，如圖2所示?？蚣芫唧w分為6個模塊，分別是：項目管理、模型轉(zhuǎn)換、識別（ID）管理，質(zhì)量控制、進度追蹤和實時狀態(tài)。其中，ID管理和質(zhì)量控制是整個建造過程成功管理的關(guān)鍵。

圖2 BIM裝配式建造管理系統(tǒng)主要模塊Fig.2 Main modules of the BIM construction management platform of a prefabricated building

（1）項目管理。項目管理模塊負責(zé)對建造過程中人員、構(gòu)件和設(shè)備等基本信息的統(tǒng)計和管理。該模塊為業(yè)主、設(shè)計方、生產(chǎn)方和施工方分配相應(yīng)權(quán)限，同時提供構(gòu)件的屬性信息和裝配修改信息，這既能便于建造人員跟蹤進度和質(zhì)量等信息，也可以提高管理人員的管理效率。

（2）模型轉(zhuǎn)換。模型轉(zhuǎn)換模塊負責(zé)設(shè)計階段模型的對接和平臺模型的管理。該模塊首先承接設(shè)計階段，接收設(shè)計模型等相關(guān)數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換為管理平臺所需格式的模型數(shù)據(jù)。接收設(shè)計文件可以通過文件方式開發(fā)接口系統(tǒng)對接現(xiàn)行不同設(shè)計軟件，也可通過進程間通信方式，或網(wǎng)絡(luò)接口通信方式實現(xiàn)。最后該系統(tǒng)將建造過程所需的模型進行三維顯示，該過程中進行模型輕量化處理將有利于增加平臺的靈活性和適用性。

（3）ID管理。ID管理模塊負責(zé)構(gòu)件的屬性與ID的管理，包括提取建造過程中的管理模型、自動分配構(gòu)件ID以及構(gòu)件標(biāo)簽的生產(chǎn)。該模塊通過向數(shù)據(jù)庫提取管理模型，基于設(shè)定算法對模型中的構(gòu)件進行自動ID分配和信息存儲。標(biāo)簽即構(gòu)件ID的物理載體，通常使用二維碼/RFID等方式，該模塊最終進行ID信息的實體化。

（4）質(zhì)量控制。質(zhì)量控制模塊負責(zé)建造過程中構(gòu)件質(zhì)量和裝配結(jié)果的檢測。該部分對接激光掃描結(jié)果，基于設(shè)定閾值對被檢測對象的質(zhì)量進行分析判斷。質(zhì)量分析結(jié)果將被反映到管理平臺的模型中，并通過系統(tǒng)內(nèi)部分發(fā)給權(quán)限指定的相關(guān)建造人員和管理人員。相關(guān)人員可以協(xié)同生成變更數(shù)據(jù)，同時管理平臺將更新項目建造計劃。

（5）進度追蹤。進度追蹤模塊負責(zé)收集構(gòu)件的位置、狀態(tài)和安裝結(jié)果等信息。管理人員首先通過該模塊對構(gòu)件建造計劃進行維護和管理，常規(guī)的建造計劃主要是建造進度中的時間節(jié)點。該模塊分別將計劃和實際建造的狀態(tài)信息添加到管理模型的屬性信息中，實現(xiàn)4D管理。如果監(jiān)測到進度異常，將自動向權(quán)限指定的相關(guān)建造人員和管理人員發(fā)送問題報告。

（6）實時狀態(tài)。實時監(jiān)控模塊負責(zé)整體進度模型的4D展示和建造狀態(tài)評估。該模塊是最主要的BIM4D展示模塊，包括整體模型中全部構(gòu)件的階段進度、安裝結(jié)果以及質(zhì)量監(jiān)測等信息。同時，該模塊還將基于設(shè)定算法對目前整體的建造狀態(tài)給出智能分析結(jié)果。

2.2 利用激光掃描進行精細化質(zhì)量控制

利用激光掃描進行質(zhì)量控制即對裝配式構(gòu)件或體系進行激光掃描，獲取被測對象的點云數(shù)據(jù)，再進行點云處理以計算不同建造節(jié)點的構(gòu)件誤差，最后再將檢測數(shù)據(jù)上傳管理平臺。總過程可以分為確定掃描策略、確定掃描系統(tǒng)和點云數(shù)據(jù)處理三個部分。

掃描策略是指為獲取所需全部點云數(shù)據(jù)所采取的掃描方式。一般而言，對于規(guī)則形狀梁柱等構(gòu)件，往往僅需掃描其伸展方向的一個主面即可；而對于復(fù)雜節(jié)點，則需要進行全部方向的掃描才可獲取完整數(shù)據(jù)。例如，對于厚度較小的板件，其中一個面的點云數(shù)據(jù)即可代表整個構(gòu)件，如圖3所示。裝配式體系構(gòu)件的生產(chǎn)和安裝往往是批量進行，確定和設(shè)計合適的掃描策略既可以大大節(jié)省整個質(zhì)量檢測過程的時間，同時也為點云處理程序的自動化提供基礎(chǔ)。

圖3 被檢測板件與單面點云Fig.3 Detected board and single-sided point cloud

此外，點云質(zhì)量和掃描工作復(fù)雜性也與激光掃描系統(tǒng)本身有關(guān)，例如分辨率，掃描精度和掃描范圍等等。一般而言，掃描儀的分辨率和掃描范圍不能同時增大。因此，對于既定項目，分析激光掃描的適用范圍、可行性和經(jīng)濟性是十分必要的。按照測量原理不同，本文將掃描系統(tǒng)分為兩個大類：地面激光掃描儀（terrestrial laser scanners，TLS）和手持移動掃描儀（handheld mobile scanners，HMS）。TLS基于脈沖式或相位差進行激光測距從而創(chuàng)建3D坐標(biāo)［18］，而HMS則是基于三角測距。①適用范圍：TLS通常使用三腳架在現(xiàn)場設(shè)置，由于測量距離遠，對環(huán)境光免疫程度高，故具有較廣的適用范圍；HMS可以靈活地手持和移動，但僅適用于近距離掃描。②可行性：兩者均可達到毫米級精度。對于整體建筑的掃描只可使用TLS；而對于精密預(yù)制構(gòu)件的掃描使用HMS可以獲得更高的精度，且由于不用頻繁設(shè)置站點，可行性和掃描效率均有提高。③經(jīng)濟性：使用激光掃描系統(tǒng)的經(jīng)濟性應(yīng)當(dāng)從裝配式項目整體角度考慮?？傮w而言，對于需要整體性監(jiān)控和檢測的項目，使用激光掃描可以獲得良好的經(jīng)濟效益。例如：預(yù)制構(gòu)件的形狀誤差控制、預(yù)制連接點的位置檢測和整體裝配式建筑的建造記錄等。而對于利用關(guān)鍵點進行安裝控制的項目，可以使用全站儀等成本較低的工具代替。

點云數(shù)據(jù)的處理是整個利用激光掃描進行精細化質(zhì)量管理的核心，即將掃描的點云數(shù)據(jù)和BIM管理平臺中的模型進行對比，計算出具有較高精度的比對誤差。對于幾何誤差計算，點云數(shù)據(jù)的處理分為兩步：點云對齊和誤差計算。點云對齊是指將掃描點云和BIM模型進行對齊的過程，比較流行的算法有主成分分析（principal component analysis，PCA）和迭代最近點（iterative closest point algorithm，ICP），除此之外，檢測人員可以根據(jù)被檢測構(gòu)件的特征設(shè)計對齊算法，以滿足實際工程的需求。對齊點云后，可以使用鄰近算法（k-nearest neighbours search，k-NN）來計算點云和BIM建造過程模型的誤差值，同樣，也可以根據(jù)構(gòu)件的特征改變誤差計算算法；對于結(jié)構(gòu)性能評估，點云數(shù)據(jù)則需要逆向處理，檢測人員需要根據(jù)之前擬定的掃描策略，設(shè)計相應(yīng)的點云逆向模型生成算法。逆向模型生成后，將接入結(jié)構(gòu)計算程序，分別分析逆向點云模型和BIM管理平臺中設(shè)計模型的力學(xué)性能，以自動化地評估實際裝配式構(gòu)件或體系的建造質(zhì)量。最后，點云處理和分析結(jié)果將在BIM管理平臺中顯示，各方均可實時監(jiān)控建造質(zhì)量，實現(xiàn)可靠的4D精細化管理。

3 基于BIM和激光掃描的裝配式建造管理與質(zhì)量控制方法

基于BIM和激光掃描的建造管理模式本質(zhì)是一種協(xié)同的數(shù)字化管理與控制方法，該方法將業(yè)主、設(shè)計、生產(chǎn)和施工各方的信息匯總并整合，使得裝配構(gòu)件和體系的建造信息可以在各方共享和傳遞，最大化減少由于建筑信息不流暢導(dǎo)致的裝配錯誤或項目延期。根據(jù)所提出的BIM裝配式建造管理系統(tǒng)和利用激光掃描進行精細化質(zhì)量控制的方法，結(jié)合實際的建造過程，對裝配式體系建造管控方法的流程進行了梳理，如圖4所示。

圖4 基于BIM和激光掃描的裝配式體系建造流程Fig.4 Construction process of a prefabricated building based on BIM and laser scanning

3.1 生產(chǎn)階段

該階段作為建造管理的開始，首先對設(shè)計方傳來的模型進行版本和信息完整性檢查。通過后，則需要進行模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，將設(shè)計階段模型（BIM_D模型）轉(zhuǎn)換為建造管理模型（BIM_C模型），通常是一種模型輕量化操作。轉(zhuǎn)換工作主要有兩項：①結(jié)合整體項目模式確定接收BIM_D模型的方法，一般可以通過中間文件傳遞，例如IFC。如果設(shè)計可以納入建造管理環(huán)節(jié)，則可以通過設(shè)計端直接上傳平臺數(shù)據(jù)庫的方式完成，這可以極大地提高BIM平臺對數(shù)據(jù)管理的效率。②根據(jù)實際建造需求設(shè)計BIM_C模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定模型轉(zhuǎn)換接口的交付精度，管理模型信息過少或過多均會影響B(tài)IM管理系統(tǒng)的實際效率。

完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，系統(tǒng)將自動提取BIM_C模型數(shù)據(jù)信息，分析并生成裝配構(gòu)件的唯一識別號（ID）及相關(guān)屬性信息。利用裝配構(gòu)件的ID信息，系統(tǒng)將根據(jù)構(gòu)件生產(chǎn)進度或生產(chǎn)方提前錄入的順序自動生成構(gòu)件標(biāo)簽。目前，應(yīng)用較為普遍的有二維碼紙質(zhì)標(biāo)簽和RFID電子標(biāo)簽兩種，其均可以作為構(gòu)件ID的載體，區(qū)別主要在于具體的識別方式不同。這個階段的工作基本上在系統(tǒng)內(nèi)自動完成，也是實現(xiàn)后續(xù)流程的基礎(chǔ)。

3.2 倉儲階段

在構(gòu)件出廠前的倉儲階段，工作人員需要對裝配構(gòu)件進行標(biāo)簽的放置，同時還需要對構(gòu)件進行第一次激光掃描質(zhì)量檢測。結(jié)合實際的構(gòu)件形式和工程需要，設(shè)計合適的掃描策略并選取相應(yīng)的掃描設(shè)備，獲取所需的點云數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將自動對比點云數(shù)據(jù)和BIM_D模型，記錄構(gòu)件整體的大小和扭轉(zhuǎn)等誤差信息，并給出誤差較大的位置和數(shù)值。如果誤差超出最大允許值，系統(tǒng)將在質(zhì)量控制和實時狀態(tài)模塊發(fā)出提示，記錄并向建造各方提供錯誤詳情，直至各方協(xié)商并解決問題。如果誤差未超出最大允許值，則進入下一個流程。

3.3 運輸階段

裝配構(gòu)件的運輸往往批量進行，需要結(jié)合施工現(xiàn)場的位置情況和裝配進度實時調(diào)整。BIM管理平臺在進度追蹤模塊將給出構(gòu)件的位置和狀態(tài)信息，這可以為各方協(xié)調(diào)生產(chǎn)加工、運輸車次以及實際裝配進度提供動態(tài)的管理依據(jù)。

3.4 安裝階段

構(gòu)件到達裝配現(xiàn)場后，工人通過讀取裝配構(gòu)件上的標(biāo)簽在系統(tǒng)內(nèi)確認構(gòu)件進場。在現(xiàn)場存儲和擺放管理中，將基于RFID對構(gòu)件進行區(qū)域定位和系統(tǒng)追蹤，在場地內(nèi)按照施工計劃對構(gòu)件進行規(guī)劃并通過RFID快速存??；在安裝過程中，工人將通過標(biāo)簽在BIM管理平臺上核對安裝的位置信息，這可以為很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的裝配過程提供輔助。

如果安裝發(fā)現(xiàn)問題，例如構(gòu)件無法按照預(yù)期安裝或安裝后發(fā)現(xiàn)有較大偏差，則需再次激光掃描。獲取點云數(shù)據(jù)后，此次系統(tǒng)將分別比對點云數(shù)據(jù)和BIM_C模型、逆向點云模型和BIM_D模型，以對該裝配構(gòu)件或節(jié)點的實際尺寸誤差和結(jié)構(gòu)性能偏差進行評估，記錄并向建造各方提供問題信息。

如果構(gòu)件安裝順利，工人將通過構(gòu)件標(biāo)簽在系統(tǒng)中確認該構(gòu)件最終安裝狀態(tài)。同時，利用激光掃描定期記錄安裝后關(guān)鍵構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測其垂直度和縫隙變化，可以在整個建造階段對裝配質(zhì)量進行控制。整個安裝階段將在進度追蹤和實時狀態(tài)模塊中顯示，至此，基于BIM和激光掃描的一套協(xié)同的數(shù)字化建造管理流程完成。

4 工程案例

本工程為一個位于福州市的裝配式自由曲面建筑，三座喇叭花狀自由曲面殼彼此連接并覆蓋直徑為25 m的商業(yè)廣場，其喇叭花狀外殼由大量GFRP板［19］安裝在內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)檁條上拼接而成。該項目的建造管理有兩個難點：①組成外殼的GFRP板（如圖3所示）數(shù)量較多且無形狀相同板件；②該項目外殼形狀復(fù)雜，故對板件的安裝精度要求極高，傳統(tǒng)的質(zhì)量控制方法無法順利完成該裝配項目。因此該項目采用了本文提出的基于BIM和激光掃描的裝配式體系建造管控方法，同時由于目前尚未有商品化的建造管理軟件，故使用了本課題組基于所提出建造方法研發(fā)的BIM4D建造管理軟件，如圖5所示。

圖5 BIM軟件界面示意圖Fig.5 Sketch of the BIM software interface

通過4D協(xié)同管理，項目實現(xiàn)了板材生產(chǎn)方、業(yè)主和施工方的統(tǒng)一管理和變更，同時利用激光掃描技術(shù)，有效控制了板件的安裝精度。

圖6展示了本工程中板件信息記錄和具體操作過程。圖6中為一塊貼有二維碼標(biāo)簽的GFRP板件，標(biāo)簽上有構(gòu)件的編號、尺寸以及材性等關(guān)鍵信息。這些信息由管理平臺提取設(shè)計模型后存入數(shù)據(jù)庫并自動生成打印。操作人員參考標(biāo)簽上的構(gòu)件信息通過掃描二維碼訪問管理平臺，對構(gòu)件的狀態(tài)進行維護，各方均可實時查看構(gòu)件進度和質(zhì)量狀態(tài)，實現(xiàn)了4D管理模式。其中，二維碼標(biāo)簽作為本工程中板件的ID載體，工廠、業(yè)主和現(xiàn)場建造人員均可以使用普通移動便攜設(shè)備操作，提高了系統(tǒng)的運行效率。

圖6 板件記錄信息流Fig.6 Information flow for board information recording

板件加工完成后在出廠前需要進行激光掃描質(zhì)量檢測，且結(jié)果同步在建造管理平臺以便各方可以實時掌握板件狀態(tài)。圖7為板件在倉儲階段出廠前的質(zhì)量檢測結(jié)果。其中，圖7a展示了板件的邊緣誤差，邊緣誤差是指掃描點云邊緣和設(shè)計模型邊緣的誤差，可以用來描述板件邊緣一周的重合程度；圖7b展示了板件的厚度誤差，厚度誤差用來描述單面點云和設(shè)計曲面在厚度方向上的誤差。本工程給予板件的邊緣和厚度最大允許誤差分別為15 mm和10 mm，該板件四周最大誤差為14.31 mm和6.62 mm。掃描完成后，板件質(zhì)量檢測結(jié)果被上傳至管理平臺。

每個板件在加工完成后都會被用二維碼標(biāo)簽標(biāo)記并錄入BIM管理系統(tǒng)中。板件從工廠出發(fā)后，BIM管理系統(tǒng)將會接入GPS系統(tǒng)，在實時監(jiān)控模塊顯示每批板件的位置狀態(tài)，如圖8a所示，這可以幫助現(xiàn)場管理人員安排板件的進場以及預(yù)測建造流程是否有延遲。

此外，由于本工程建筑造型復(fù)雜，故板件需要在安裝位置進行試裝，如圖8b所示。如果板件可以安裝，則建造人員將通過二維碼標(biāo)簽在系統(tǒng)中確認，如圖8c所示。如果試裝不成功，則需要進行現(xiàn)場激光掃描檢測，包括板件目前的質(zhì)量是否有變化以及主體結(jié)構(gòu)的建造精度是否符合要求，將各方需要的錯誤信息及時上傳BIM管理平臺。

圖7 板件激光掃描檢測結(jié)果示意圖Fig.7 Sketch of the laser-scan detection result

本工程中，業(yè)主、設(shè)計、生產(chǎn)和建造人員可以在BIM管理系統(tǒng)上查看構(gòu)件的具體問題和位置狀態(tài)，及時協(xié)商修改建造方案。最終，管理系統(tǒng)順利應(yīng)用，工程得以高效準時完工，所提出的基于BIM和激光掃描的裝配式建造管理與質(zhì)量控制方法也得到了各方一致好評。

5 結(jié)語

本文利用BIM思想和三維激光掃描技術(shù)為裝配式體系提出了一種新的建造管控方法，改善了傳統(tǒng)裝配式體系建造管理中信息傳遞不流暢、管理模式效率不高以及裝配質(zhì)量難以把控的問題，并通過實際工程案例的應(yīng)用，證明了所提出的建造管控方法的實用性和可靠性。與傳統(tǒng)模式相比，本文所提出的方法主要有兩點優(yōu)勢：①實現(xiàn)了整個建造過程的4D協(xié)同管理，對于建造過程的問題處理不再是單方解決而是各方協(xié)商。通過統(tǒng)一的BIM管理平臺，降低了整個工程項目的總體成本。②在建造質(zhì)量控制方面，融合了更加精準且高效率的激光掃描檢測方法，降低了整個建造過程的質(zhì)量檢測時間，避免了現(xiàn)場返工，同時也可以為建造問題的產(chǎn)生和問責(zé)提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。隨著行業(yè)信息化水平的不斷提高以及項目管理模式的不斷革新，本方法將通過增加控制元素和擴展管理階段，在項目的全生命周期中發(fā)揮出更大價值。