BIM與RFID技術(shù)在裝配式綜合管廊中的應(yīng)用研究

楊志勇 ，章沛蓉，張雨杰，張文時(shí)

（成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610023）

0 引 言

為了推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級，國家決定大力發(fā)展裝配式建筑[1]。在市政基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，綜合管廊逐漸采用裝配式建造。與現(xiàn)澆施工相比，裝配式綜合管廊可使基坑留存時(shí)間縮短，降低施工對交通的影響。管廊通過工業(yè)化生產(chǎn)，確保了混凝土結(jié)構(gòu)的外觀、質(zhì)量及耐久性，配合預(yù)應(yīng)力技術(shù)，使管廊呈輕型化特點(diǎn)，節(jié)能環(huán)保[2-3]。

但是，通過多個(gè)試點(diǎn)工程反饋，裝配式綜合管廊在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題，主要體現(xiàn)在：（1）工業(yè)化廠家不能直接按設(shè)計(jì)施工圖生產(chǎn)，需對圖紙二次加工，延長了項(xiàng)目周期，工程量也與施工圖不符；（2）綜合管廊艙室種類多，預(yù)埋件因艙室類型不同，形式和位置各異，例如：某市綜合管廊工程（四艙），標(biāo)準(zhǔn)艙室類型6種，節(jié)點(diǎn)類型40種，工業(yè)化生產(chǎn)易出現(xiàn)預(yù)埋件定位錯(cuò)誤和疏漏的問題；（3）施工現(xiàn)場因管理人員技術(shù)水平不同，依靠人工記錄和現(xiàn)澆施工經(jīng)驗(yàn)，對預(yù)制構(gòu)件管理混亂，影響吊裝進(jìn)度，甚至出現(xiàn)拼接錯(cuò)誤；（4）后期產(chǎn)權(quán)單位接管管廊后，安裝艙內(nèi)附屬設(shè)施時(shí)，無法準(zhǔn)確定位預(yù)埋件。

經(jīng)綜合考慮工程實(shí)際運(yùn)用，基于Bentley平臺(tái)系列軟件，探討將BIM與RFID技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于綜合管廊全生命周期，建立BIM模型與預(yù)制管廊的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，解決了裝配式綜合管廊應(yīng)用中的系列問題，提升了綜合管廊裝配式建造的智能化水平。

1 BIM與RFID技術(shù)

BIM即建筑信息模型，是在傳統(tǒng)的三維幾何模型基礎(chǔ)上構(gòu)建面向工程全生命周期的信息模型，支持信息的交換、共享和管理[4]。與傳統(tǒng)CAD工程制圖相比，在BIM模型中，以構(gòu)件作為基本圖元，每個(gè)圖元包含了構(gòu)件所有工程屬性：幾何信息、材料、結(jié)構(gòu)型式、拓?fù)潢P(guān)系等。將BIM模型與應(yīng)用軟件、技術(shù)設(shè)備結(jié)合，可以為工程的不同階段提供信息共享平臺(tái)[5-7]。

RFID即無線射頻識(shí)別，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，掃描半徑可達(dá)25 m，一般由標(biāo)簽、閱讀器、應(yīng)用軟件組成，特點(diǎn)是標(biāo)簽與閱讀器無需接觸，通過空間磁場或電磁場耦合進(jìn)行信息交換[8]。RFID具有標(biāo)簽存儲(chǔ)容量大（可達(dá)20MPa）、穿透性好、抗污染能力強(qiáng)、耐久性好、可重復(fù)使用等特點(diǎn)[9]。

目前國內(nèi)已有學(xué)者將BIM與RFID技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于裝配式建造工程：常春光等探討了BIM-RFID的集成系統(tǒng)在構(gòu)件制造、運(yùn)輸、進(jìn)場、艙儲(chǔ)、吊裝過程中的應(yīng)用，提出BIM-RFID系統(tǒng)的推廣建議[10]；李天華等將BIM與RFID應(yīng)用于房建，解決了建設(shè)項(xiàng)目缺少將各階段關(guān)聯(lián)起來的技術(shù)問題[11]；曹新穎等將BIM-RFID技術(shù)引入構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量管理中，建立了構(gòu)件生產(chǎn)的質(zhì)量管理體系[12]；張家昌等探討了BIM-RFID技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸、現(xiàn)場施工、運(yùn)營管理階段的應(yīng)用價(jià)值[13]。上述研究主要針對房建領(lǐng)域，在市政工程領(lǐng)域，將BIM與RFID結(jié)合應(yīng)用于裝配式建造工程的較少，智能化水平較低，亟待智能化建造技術(shù)。

2 BI M與R FI D技術(shù)在裝配式綜合管廊全生命周期中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用總體流程

BIM的核心不是模型本身，而是集成信息與工作協(xié)同[14]。從綜合管廊工程立項(xiàng)至竣工驗(yàn)收，以BIM+RFID信息管理系統(tǒng)（下面簡稱管理系統(tǒng)）為核心的應(yīng)用體系將貫穿工程全生命周期，如圖1所示。設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、施工裝配、運(yùn)維管理均圍繞該管理系統(tǒng)進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的信息集成與工作協(xié)同。

圖1 BIM與RFID在裝配式綜合管廊全生命周期的應(yīng)用流程圖

2.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

規(guī)劃設(shè)計(jì)階段是裝配式綜合管廊全生命周期最為關(guān)鍵的一環(huán)，該階段需完成BIM拼裝模型創(chuàng)建和RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)。

工業(yè)化廠家若直接按二維設(shè)計(jì)施工圖焊接鋼筋，會(huì)出現(xiàn)鋼筋露出混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，如圖2所示。通常工業(yè)化廠家會(huì)對設(shè)計(jì)單位提供的CAD施工圖二次加工，以達(dá)到預(yù)制生產(chǎn)的要求，這樣便延長了構(gòu)件的生產(chǎn)周期。通過引入BIM技術(shù)，采用Bentley Microstation、ProStructures對單節(jié)管廊三維正向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)精度達(dá)lod300，如圖3所示，在設(shè)計(jì)階段即可滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求，縮短構(gòu)件生產(chǎn)周期。然后通過Bentley OpenRoads Designer對單節(jié)管廊添加編號(hào)（ID）屬性，參考道路、橋梁、管線、地鐵、基坑支護(hù)等邊界條件，實(shí)施管廊現(xiàn)場裝配模擬。模擬內(nèi)容主要為構(gòu)件進(jìn)場時(shí)序、現(xiàn)場堆放方式、吊裝時(shí)序和拼接方式，最終形成BIM拼裝模型。將其導(dǎo)入BIM+RFID信息管理系統(tǒng)后，供工業(yè)化廠、施工方、管廊接管方使用。

根據(jù)BIM拼裝模型，設(shè)計(jì)RFID標(biāo)簽信息，信息內(nèi)容應(yīng)至少包含單節(jié)預(yù)制管廊編號(hào)、艙室類型、材料、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠家等。其中，管廊編號(hào)至關(guān)重要，在工程全生命周期中獨(dú)一無二，該編號(hào)與BIM管廊拼裝模型編號(hào)唯一對應(yīng)。

2.3 工業(yè)化生產(chǎn)階段

工業(yè)化廠家直接通過管理系統(tǒng)調(diào)用BIM拼裝模型，定制單節(jié)管廊模具，提取BIM拼裝模型中單節(jié)管廊數(shù)量、混凝土方量、鋼筋工程量，準(zhǔn)備預(yù)制材料。在預(yù)制實(shí)施過程中，直接按BIM模型選取預(yù)埋件形式、定位預(yù)埋件，確保預(yù)埋件位置的準(zhǔn)確無誤（見圖 4）。

預(yù)制管廊可直接根據(jù)BIM施工時(shí)序模擬按需生產(chǎn)，避免預(yù)制構(gòu)件富裕、積壓。構(gòu)件出廠前，按照BIM拼裝模型中設(shè)定的單節(jié)管廊編號(hào)，在管廊艙內(nèi)貼上RFID標(biāo)簽，經(jīng)閱讀器掃描出廠，出廠記錄直接反饋于管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化廠對產(chǎn)品的智能化管理。

2.4 施工裝配階段

圖2 按二維CAD施工圖預(yù)制管廊鋼筋導(dǎo)致出露之示意圖（單位：cm）

圖3 單節(jié)預(yù)制管廊三維正向設(shè)計(jì)示意圖

圖4 預(yù)制預(yù)埋件定位及RFID標(biāo)簽布置之圖示

施工方采用RFID閱讀器對不同時(shí)段進(jìn)入施工現(xiàn)場的預(yù)制管廊掃描記錄，按BIM施工模擬現(xiàn)場堆放預(yù)制管廊，以便吊裝進(jìn)入基坑。

綜合管廊在平面轉(zhuǎn)彎、現(xiàn)澆段連接、艙內(nèi)管線出線時(shí)，單節(jié)預(yù)制管廊內(nèi)部支墩、支吊架預(yù)埋件均與標(biāo)準(zhǔn)段不同，但外形尺寸卻完全一致。例如，某工程2 m單艙管廊一節(jié)重達(dá)21.55 t，一旦吊裝或拼接出錯(cuò)，將嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

基于BIM+RFID信息管理系統(tǒng)，在構(gòu)件吊裝前，采用RFID閱讀器掃描現(xiàn)場構(gòu)件，在管理系統(tǒng)中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)BIM拼裝模型與現(xiàn)場構(gòu)件身份比對，當(dāng)現(xiàn)場構(gòu)件與BIM拼裝模型構(gòu)件身份符合時(shí)，才能進(jìn)行吊裝、拼接，確保構(gòu)件吊裝、拼接的準(zhǔn)確無誤，其流程如圖5所示。

圖5 施工裝配流程圖

2.5 運(yùn)營管理階段

產(chǎn)權(quán)單位接管管廊后，直接利用手持閱讀器在艙內(nèi)掃描RFID標(biāo)簽，對應(yīng)編號(hào)調(diào)取BIM拼裝模型即可實(shí)時(shí)查詢管廊預(yù)埋件位置，實(shí)現(xiàn)管道支墩、電力和通信支架、照明、消防設(shè)施安裝位置的精確定位，避免管廊建成后艙內(nèi)預(yù)埋件無法定位的問題。

待附屬設(shè)施安裝完成后，將管廊艙內(nèi)視頻監(jiān)控、氣體監(jiān)測、溫度監(jiān)測、氣壓監(jiān)測、自動(dòng)消防系統(tǒng)接入BIM+RFID信息管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對綜合管廊日常運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

3 工程實(shí)例

某試點(diǎn)綜合管廊工程為現(xiàn)狀道路新建管廊工程，全長約5.3 km，總投資約5.8億元。入廊管線包括：110 kV（220 kV）電力、DN1 400和 DN600輸水管道、DN500高壓和DN 273中壓燃?xì)夤艿?、通信、d 00～d 1 200污水管。該綜合管廊共設(shè)置6種艙型，分別為：四艙A型（綜合艙+高壓電力艙+輸水艙+燃?xì)馀摚?、三艙B型（污水艙+綜合艙+高壓電力艙）、三艙C型（污水艙+輸水艙+燃?xì)馀摚㈦p艙E型（綜合艙+高壓電力艙）、雙艙F型（輸水艙+燃?xì)馀摚闻揇型（高壓電力艙）。

新建綜合管廊位于現(xiàn)狀城市主干道，車流量大，道路兩側(cè)房屋距離近，現(xiàn)狀管線密集，施工期要求保證雙向6車道通行能力，施工作業(yè)面極為有限。為了降低施工對交通的影響，經(jīng)反復(fù)研究，部分標(biāo)段（總長1.51 km）采用裝配式建造?，F(xiàn)以道路南側(cè)K1+71.5～K3+05.3 C型三艙裝配式管廊為例，對比人工管理為主的裝配式建造和基于BIM+RFID的裝配式建造的時(shí)間成本。假設(shè)時(shí)間成本基數(shù)為X，以現(xiàn)階段人工管理為主所花費(fèi)的時(shí)間作為基數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場反饋施工進(jìn)度表統(tǒng)計(jì)，如表1所列。

表1 BIM+RFID技術(shù)應(yīng)用與人工管理為主的裝配式建造時(shí)間成本統(tǒng)計(jì)表

該段綜合管廊基坑南側(cè)為現(xiàn)狀房屋，距離為1.3～12.8 m，北側(cè)為現(xiàn)狀道路，新建綜合管廊位于輔道與人行道下方，現(xiàn)狀管線密集，BIM現(xiàn)場拼裝模擬結(jié)果如圖6所示。如表1所列，在工業(yè)化生產(chǎn)階段、施工裝配階段及運(yùn)營管理階段，基于BIM+RFID的裝配式建造均比現(xiàn)階段人工管理為主的裝配式建造節(jié)省時(shí)間。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段時(shí)間成本增加的原因在于，該階段需要增加對設(shè)計(jì)人員新技術(shù)的培訓(xùn)時(shí)間，但是軟件使用熟練后，效率會(huì)提升，甚至高于現(xiàn)階段二維設(shè)計(jì)。

圖6 BIM現(xiàn)場裝配式綜合管廊構(gòu)件堆放與拼接模擬圖示

工程投資方面，由于新增了BIM+RFID系統(tǒng)搭建，管廊出廠配置RFID標(biāo)簽、閱讀器等硬件設(shè)備，項(xiàng)目前期投資較現(xiàn)階段增加。但是通過新技術(shù)運(yùn)用，避免了構(gòu)件生產(chǎn)和吊裝拼接錯(cuò)誤，其規(guī)避損失與增加投資相當(dāng)，關(guān)鍵在于，通過BIM與RFID技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，縮短了項(xiàng)目建設(shè)周期，保證了建設(shè)質(zhì)量。

4 結(jié) 語

將BIM與RFID技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于裝配式綜合管廊建設(shè)全生命周期，確定了以BIM+RFID拼接模型為核心的信息管理系統(tǒng)作為工程全生命周期協(xié)作平臺(tái)，使其貫穿于項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、施工裝配、運(yùn)營管理四個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制管廊的三維正向設(shè)計(jì)、工業(yè)化高質(zhì)量生產(chǎn)、智能化管理、構(gòu)件科學(xué)堆放、精準(zhǔn)吊裝拼接、艙內(nèi)預(yù)埋件準(zhǔn)確定位，提升了裝配式綜合管廊建設(shè)的智能化水平。工程實(shí)例證明，BIM與RFID技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于裝配式綜合管廊建設(shè)能夠縮短項(xiàng)目建設(shè)周期，是值得推廣的，也為市政裝配式橋梁和下穿隧道工程提供了借鑒。