基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的裝配式建筑質(zhì)量追溯系統(tǒng)研究

張 韻,邰立斌,李成發(fā)

(浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 研究背景

1.1 政策要求

2016年2月,中共中央國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》,把“發(fā)展新型建造方式”列為重點(diǎn)工作,提出大力推廣裝配式建筑。2016年9月,發(fā)布《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》,重點(diǎn)要求完善和加強(qiáng)裝配式建筑工程質(zhì)量安全全過(guò)程監(jiān)管,建立全過(guò)程質(zhì)量追溯制度。2017年2月,發(fā)布《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見(jiàn)》,再次重申推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化,鼓勵(lì)信息化管理和智能化應(yīng)用,加快推進(jìn)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)全過(guò)程的集成應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期數(shù)據(jù)共享。

1.2 當(dāng)前裝配式建筑質(zhì)量管理現(xiàn)狀

當(dāng)前裝配式建筑部品構(gòu)件的質(zhì)量管理主要著眼于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工三個(gè)過(guò)程中。設(shè)計(jì)階段中裝配式設(shè)計(jì)企業(yè)通過(guò)控制預(yù)制構(gòu)件跨度,重點(diǎn)解決滲漏防水等,優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件工藝圖深化設(shè)計(jì),結(jié)合深化設(shè)計(jì)BIM模型整體把控構(gòu)件設(shè)計(jì)質(zhì)量。生產(chǎn)階段中構(gòu)件生產(chǎn)廠家根據(jù)設(shè)計(jì)企業(yè)出具的構(gòu)件工藝圖紙安排生產(chǎn)計(jì)劃和任務(wù),同時(shí)駐廠監(jiān)理也會(huì)對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)的原材料進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn),待質(zhì)量合格后構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)再進(jìn)行模具放置、鋼筋綁扎、預(yù)埋件和洞口預(yù)留等隱蔽工程,而后澆筑混凝土,經(jīng)質(zhì)量管理人員和駐場(chǎng)監(jiān)理完成隱蔽驗(yàn)收和成品驗(yàn)收后,形成質(zhì)量滿(mǎn)足要求的構(gòu)件成品。施工過(guò)程中由施工企業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理對(duì)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行外觀完整度等各種質(zhì)量核驗(yàn),核查各項(xiàng)質(zhì)量合格文件,合格后構(gòu)件進(jìn)入起吊吊裝階段,與樓棟現(xiàn)澆部分整體疊合[1]。

過(guò)去幾十年建筑領(lǐng)域的質(zhì)量監(jiān)管,大多是針對(duì)現(xiàn)澆工程,對(duì)于裝配式建筑,無(wú)論是技術(shù)還是政策方面,質(zhì)量管理措施都顯得較為不足。在項(xiàng)目的施工許可、施工圖審查、質(zhì)量檢測(cè)和竣工驗(yàn)收等監(jiān)管環(huán)節(jié)上,還沒(méi)有形成促進(jìn)裝配式建筑加快發(fā)展的創(chuàng)新機(jī)制；設(shè)計(jì)、審圖、生產(chǎn)、物流、施工等環(huán)節(jié)質(zhì)量安全監(jiān)管脫節(jié),尤其是在生產(chǎn)環(huán)節(jié),存在監(jiān)管盲區(qū)。再加上裝配式建筑目前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不夠成熟,成本優(yōu)勢(shì)和社會(huì)效益不夠明顯,亟需大力提升裝配式建筑質(zhì)量監(jiān)管水平,集成物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和管理信息系統(tǒng)等技術(shù),建立起多方參與高效協(xié)同的一體化服務(wù)平臺(tái)和質(zhì)量追溯系統(tǒng),從而有序推進(jìn)建筑工業(yè)化持續(xù)健康向前發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分,物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)(RFID)、識(shí)讀設(shè)備和定位系統(tǒng)等設(shè)備,按照預(yù)定協(xié)議,將設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)物與物相連,物與人相連的識(shí)別管理過(guò)程。目前,我國(guó)已將“物聯(lián)網(wǎng)”明確列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006—2020年)》和2050年國(guó)家產(chǎn)業(yè)路線(xiàn)圖。

物聯(lián)網(wǎng)包含四個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù),分別是智能技術(shù)、納米技術(shù)、傳感器和射頻識(shí)別RFID技術(shù),其中RFID技術(shù)原理為閱讀器與標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信。RFID應(yīng)用非常廣泛,典型應(yīng)用有生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化、物流管理等。

物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中感知層是由二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭和溫度濕度傳感器等各種感知設(shè)備構(gòu)成。作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)識(shí)別并采集對(duì)象信息的來(lái)源,感知層位于最底層,也是整個(gè)架構(gòu)的基礎(chǔ)層,是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的核心。網(wǎng)絡(luò)層作為物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”,是由通訊網(wǎng)絡(luò)、信息中心、網(wǎng)絡(luò)管理中心和融合網(wǎng)絡(luò)等共同組成,是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞,負(fù)責(zé)信息數(shù)據(jù)傳輸與處理。應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最頂層,主要功能是通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)對(duì)信息進(jìn)行處理和深層挖掘。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,通過(guò)信息交換和通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[2]。

3 系統(tǒng)整體方案

建筑工業(yè)化是建筑業(yè)的一場(chǎng)革命,是生產(chǎn)方式方面的徹底變革,必然會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系兩方面的重大改變,與之對(duì)應(yīng)的,也需要整合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化管理來(lái)適應(yīng)這場(chǎng)變革。

本文從質(zhì)量監(jiān)管角度將項(xiàng)目參與各方納入統(tǒng)一系統(tǒng)平臺(tái),抓住建造過(guò)程中部品構(gòu)件這一關(guān)鍵要素,協(xié)同各關(guān)鍵環(huán)節(jié),建立以BIM模型為基礎(chǔ),集成先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等信息化技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)建筑全生命周期過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)管和追溯。

3.1 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

通過(guò)信息化手段,采集建設(shè)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工監(jiān)理等相關(guān)參建單位工業(yè)化建筑全生命周期相關(guān)數(shù)據(jù),搭載BIM模型,以編碼系統(tǒng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式建筑項(xiàng)目建設(shè)全生命周期進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督與管理,建設(shè)裝配式建筑質(zhì)量追溯系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)建筑質(zhì)量可追溯。整體建設(shè)內(nèi)容見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

先進(jìn)性：整個(gè)系統(tǒng)必須建設(shè)在一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)構(gòu)架之上,保證整個(gè)系統(tǒng)的先進(jìn)性。

穩(wěn)定性：系統(tǒng)運(yùn)行需要可靠穩(wěn)定,關(guān)鍵在于操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備的協(xié)作,從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,故障率低。

高效性：系統(tǒng)的高效性主要取決于系統(tǒng)服務(wù)器的性能指標(biāo),具體包括系統(tǒng)響應(yīng)速度和作業(yè)吞吐量。

易用性：系統(tǒng)最終要交付用戶(hù)使用及維護(hù),不宜對(duì)使用人員和維護(hù)人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能要求過(guò)高。在前期設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮用戶(hù)在使用系統(tǒng)時(shí)的易操作性和易維護(hù)性,從而達(dá)到工作過(guò)程優(yōu)化,操作流程順暢。

易維護(hù)性：易維護(hù)性旨在利用特定的技術(shù)和產(chǎn)品來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性,降低系統(tǒng)的購(gòu)買(mǎi)、使用、部署和支持費(fèi)用。

開(kāi)放性：開(kāi)放性是降低開(kāi)發(fā)總成本的必然要求,也是與其他系統(tǒng)功能對(duì)接的前提。一個(gè)開(kāi)放的開(kāi)發(fā)平臺(tái),可以允許程序開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出不受操作系統(tǒng)限制的軟件產(chǎn)品。

3.3 系統(tǒng)整體框架

整個(gè)系統(tǒng)采用B/S多層體系結(jié)構(gòu),分為5個(gè)層次,分別為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、接入層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系與安全體系貫穿所有層次,支撐所有層次設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

基礎(chǔ)層：本次系統(tǒng)建設(shè)中,系統(tǒng)部署服務(wù)器采用政府政務(wù)云平臺(tái)或向通訊服務(wù)商IDC機(jī)房機(jī)柜租用方式,使用云平臺(tái)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用發(fā)布。

數(shù)據(jù)層：主要包括本次系統(tǒng)建設(shè)中所有的數(shù)據(jù)資源和文檔資源。

接入層：主要包括對(duì)生產(chǎn)企業(yè)原有ERP系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入,裝配式建筑項(xiàng)目施工企業(yè)管理系統(tǒng)接入。沒(méi)有系統(tǒng)平臺(tái)的企業(yè)采用手持終端、PAD等數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上傳至本系統(tǒng)。

平臺(tái)層：在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,主要采用數(shù)據(jù)統(tǒng)一支撐平臺(tái),包括流程管理、訪(fǎng)問(wèn)控制、權(quán)限管理、日志管理、編碼管理、數(shù)據(jù)接口等。

應(yīng)用層：包括政府各級(jí)相關(guān)管理部門(mén)、生產(chǎn)企業(yè)、建筑項(xiàng)目建設(shè)參建企業(yè)。

整體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖2。

功能流程圖見(jiàn)圖3。

4 應(yīng)用案例

基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的裝配式建筑質(zhì)量追溯系統(tǒng),目前已應(yīng)用于浙江省紹興市越城區(qū)新一輪城中村改造(念畝頭組團(tuán)一期二期)安置房建設(shè)工程中。

項(xiàng)目各參與方,建設(shè)單位(紹興市城南城中村改造建設(shè)有限公司)、 設(shè)計(jì)單位、 生產(chǎn)單位(紹興寶城建筑工業(yè)化制造有限公司)、施工單位(浙江寶業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司),將項(xiàng)目中關(guān)鍵環(huán)節(jié)(澆筑、質(zhì)檢、入庫(kù)、出庫(kù)、施工質(zhì)檢、吊裝、安裝)中的部品構(gòu)件信息統(tǒng)一錄入到系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程中的信息流運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 系統(tǒng)整體框架

圖3 系統(tǒng)功能流程

各部品構(gòu)件以BIM模型為載體,在設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)維階段,通過(guò)RFID技術(shù)采集各個(gè)階段的構(gòu)件質(zhì)量數(shù)據(jù),形成完整信息流,納入到項(xiàng)目全生命周期質(zhì)量管理過(guò)程中。

4.1 工程概況

建設(shè)地點(diǎn)：紹興市越城區(qū)城南街道念畝頭村。

建設(shè)規(guī)模：建筑面積約59 056.29 m2,其中地上建筑面積約46 175 m2,包括3層公建2幢,6層住宅3幢,9層住宅4幢,10層住宅2幢,13層住宅1幢,14層住宅1幢等；地下建筑面積約12 881.29 m2,地下1層。

系統(tǒng)應(yīng)用的6#、8#單體(作為試點(diǎn))為裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu),預(yù)制率不低于20%。

4.2 工程應(yīng)用

2019年1月,系統(tǒng)整體需求梳理完成,開(kāi)始系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)工作；

2019年3月,試點(diǎn)項(xiàng)目協(xié)調(diào),明確念畝頭住宅項(xiàng)目作為試點(diǎn)；

2019年5月,系統(tǒng)研發(fā)工作完成,念畝頭項(xiàng)目試點(diǎn)相關(guān)方對(duì)接完成；

2019年7月,念畝頭項(xiàng)目BIM模型端梳理導(dǎo)入,完成預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、質(zhì)檢、運(yùn)輸和安裝施工跟蹤；

2019年11月,試點(diǎn)工作完成,系統(tǒng)提交試運(yùn)行。

4.3 信息流基礎(chǔ)：BIM模型

BIM是創(chuàng)建包含建筑基本組件幾何信息和狀態(tài)信息,同時(shí)包含非組件對(duì)象空間動(dòng)態(tài)等信息的三維建筑信息模型的過(guò)程和結(jié)果的總稱(chēng)。本工程使用Autodesk Revit軟件建立的模型,經(jīng)過(guò)基于webGL的BIM輕量化引擎處理后,可實(shí)現(xiàn)web端和手持端實(shí)時(shí)顯示。試點(diǎn)樓棟6#和8#處理后模型見(jiàn)圖4。

圖4 試點(diǎn)單體輕量化模型

模型導(dǎo)入處理成功后，系統(tǒng)會(huì)按模型預(yù)先設(shè)定編碼規(guī)則讀取部品構(gòu)件相關(guān)信息,生成構(gòu)件清單,見(jiàn)圖5。

圖5 構(gòu)件清單

4.4 部品構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量信息流

4.4.1 生產(chǎn)材料信息錄入

生產(chǎn)廠家在確定構(gòu)件清單之后,編排生產(chǎn)計(jì)劃,采購(gòu)水泥鋼筋等原材料。在準(zhǔn)備階段,錄入部品構(gòu)件生產(chǎn)材料批次、合格證明等信息,自動(dòng)上傳到服務(wù)器。

4.4.2 隱蔽驗(yàn)收

按深化設(shè)計(jì)工藝圖紙綁扎好鋼筋后由生產(chǎn)質(zhì)量管理人員自檢合格后,報(bào)駐場(chǎng)監(jiān)理驗(yàn)收,對(duì)預(yù)制部品構(gòu)件的鋼筋連接、保護(hù)層、預(yù)留孔道和埋件數(shù)量位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)驗(yàn)收,驗(yàn)收合格后方可澆筑混凝土,在固定位置放置RFID芯片,并完成與構(gòu)件關(guān)聯(lián)工作。構(gòu)件編碼與RFID芯片一一對(duì)應(yīng),不可編輯修改。

4.4.3 成品驗(yàn)收

構(gòu)件養(yǎng)護(hù)完成后,通過(guò)RFID手持機(jī)設(shè)備,自動(dòng)讀取構(gòu)件相關(guān)信息,質(zhì)檢人員目測(cè)檢查部品構(gòu)件外觀質(zhì)量(包括平整度等),檢查構(gòu)件外形尺寸、預(yù)留洞口、鋼筋預(yù)留長(zhǎng)度等信息,完成構(gòu)件生產(chǎn)成品驗(yàn)收信息記錄,并上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。

4.4.4 堆場(chǎng)管理

構(gòu)件按生產(chǎn)計(jì)劃批次堆放,通過(guò)RFID手持機(jī)設(shè)備掃描,錄入堆放場(chǎng)地區(qū)域和堆放責(zé)任管理人員等信息,上傳到系統(tǒng)服務(wù)器,等待出廠運(yùn)輸。

4.5 部品構(gòu)件施工質(zhì)量信息流

4.5.1 進(jìn)場(chǎng)質(zhì)檢

構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)后,通過(guò)RFID手持機(jī)設(shè)備,質(zhì)檢人員目測(cè)檢查部品構(gòu)件外觀質(zhì)量(包括平整度等),檢查構(gòu)件外形尺寸、預(yù)留洞口、鋼筋預(yù)留長(zhǎng)度等信息,完成構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)質(zhì)檢信息記錄,并上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。

4.5.2 吊裝驗(yàn)收

構(gòu)件進(jìn)入起吊階段,由現(xiàn)場(chǎng)施工人員手持RFID讀取器,讀取構(gòu)件編號(hào)信息,錄入構(gòu)件型號(hào)和安裝位置、標(biāo)高、現(xiàn)澆層澆筑等質(zhì)量信息,完成信息記錄,上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的裝配式建筑質(zhì)量追溯系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：

1)采用基于webGL的BIM輕量化引擎,模型瀏覽無(wú)須下載任何插件,模型的縮放、旋轉(zhuǎn)、隱藏、透明、漫游、視點(diǎn)、模型組裝和坐標(biāo)定位等功能齊全；

2)通過(guò)信息化手段,采集建設(shè)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工監(jiān)理等相關(guān)參建單位工業(yè)化建筑全生命周期相關(guān)數(shù)據(jù),搭載BIM模型,以編碼系統(tǒng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式建筑項(xiàng)目建設(shè)全生命周期進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督與管理,建設(shè)裝配式建筑質(zhì)量追溯系統(tǒng)；

3)采用RFID芯片記錄部品構(gòu)件生命周期內(nèi)信息流轉(zhuǎn)過(guò)程,相較于傳統(tǒng)的紙質(zhì)二維碼標(biāo)簽,具有防丟失、防竄改、防水耐腐蝕等優(yōu)勢(shì),保證質(zhì)量可追溯。

總的來(lái)說(shuō),目前我國(guó)建筑工業(yè)化仍處于初級(jí)階段,依然存在著諸多需要完善的地方,如監(jiān)管機(jī)制的創(chuàng)新和建設(shè)等。本系統(tǒng)在念畝頭安置房項(xiàng)目進(jìn)行的實(shí)際應(yīng)用表明,以BIM技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(RFID)為基礎(chǔ)的質(zhì)量追溯系統(tǒng),對(duì)部品構(gòu)件的生產(chǎn)、出廠、進(jìn)場(chǎng)、吊裝等各環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量跟蹤管理,能夠?qū)崿F(xiàn)建設(shè)過(guò)程信息共享,項(xiàng)目過(guò)程質(zhì)量信息管控和部品構(gòu)件全生命周期質(zhì)量追溯。同時(shí)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的部品構(gòu)件質(zhì)量數(shù)據(jù)也能為后期建筑智能化運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支撐。在探索裝配式建筑質(zhì)量追溯體系建設(shè)和推動(dòng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)方面,本文的研究具有一定的推廣價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。