智能建造背景下的裝配式建筑項目數(shù)字化管理課程教學改革探索

李政道，郭振超 （深圳大學，廣東深圳518061）

1 相關(guān)理論概述

1.1 裝配式建筑概述

1.1.1 裝配式建筑的概念

自二十一世紀以來，我國建筑行業(yè)進入了一個快速發(fā)展的時期，為我國國民經(jīng)濟的增長做出了重要貢獻，帶動了一系列附屬相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，隨著人口增加、環(huán)境惡化、資源短缺、人工價格升高、土地形勢日益嚴峻以及行業(yè)競爭壓力增大，以往粗放型的建筑方式已不能滿足當今建筑行業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的要求[1]。因此，為提高建筑企業(yè)的市場競爭力，推動建筑業(yè)向信息化、工業(yè)化及可持續(xù)化轉(zhuǎn)型，裝配式建筑應(yīng)運而生。

裝配式建筑是指將建筑經(jīng)過集成化、標準化設(shè)計后，將傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進行，在工廠加工制作好建筑所需的部品部件，如樓板、墻板、樓梯、陽臺等，將部品部件運輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場，然后通過可靠的連接方式在現(xiàn)場裝配安裝而成。裝配式建筑采用“五位一體”的建造方式，構(gòu)件越標準，生產(chǎn)效率越高，相應(yīng)的成本越低，整體成本最優(yōu)。裝配式建筑已成為建筑業(yè)工業(yè)化發(fā)展的趨勢[2]。

1.1.2 目前裝配式建筑的局限性

裝配式建筑的建造方式符合國內(nèi)建筑業(yè)的發(fā)展趨勢，隨著建筑工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化進程的推進，裝配式建筑的應(yīng)用落地將會越來越廣泛，但是在現(xiàn)階段，裝配式建筑還存在工藝落后、工業(yè)化程度低，數(shù)字化、智能化管理不足等問題，在這些方面尚需要進一步加大科學研究的工作，促進裝配式建筑的發(fā)展。將信息化技術(shù)應(yīng)用到裝配式建筑供應(yīng)鏈管理中將有助于這些問題的解決[3]。

1.2 數(shù)字化技術(shù)概述

1.2.1 數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用主要是借助于計算機技術(shù)，對各類信息進行分析處理，確保其能夠通過數(shù)字完成運算，實現(xiàn)運算分析的準確和高效。在這種技術(shù)的實際應(yīng)用中，涉及將各類信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字，并構(gòu)建數(shù)字化模型，這也是數(shù)字化技術(shù)在各個行業(yè)應(yīng)用的基本流程[4]。

1.2.2 數(shù)字化建造

數(shù)字化建造是指在計算機的虛擬世界中實現(xiàn)虛擬建造的過程，是指以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)建設(shè)全生命周期的信息共享，使裝配式建筑向全面物聯(lián)、充分整合、協(xié)同運作的智慧化建造方向發(fā)展。數(shù)字化建造的主要特征是機械化安裝、精密化測控、工廠化加工和信息化管理，需要集約化的管理模式做支撐[5]。

2 裝配式建筑課程教學現(xiàn)狀

裝配式建筑已經(jīng)成為建筑業(yè)發(fā)展的主要趨勢，工程管理專業(yè)作為培養(yǎng)復(fù)合型人才的綜合性專業(yè)，需要積極推廣裝配式建筑的數(shù)字化管理在專業(yè)教學中的應(yīng)用，完善人才培養(yǎng)體系，提高工程管理專業(yè)人才的綜合能力。目前，國內(nèi)部分高校已經(jīng)開始嘗試將裝配式建筑相關(guān)課程加入到工程管理專業(yè)教學中，并在此基礎(chǔ)上開展了裝配式建筑與BIM相關(guān)的工程管理專業(yè)教學工作，形成了包括裝配式與BIM課程設(shè)置、研究中心、課程設(shè)計等多種形式的建筑工業(yè)化方向人才培養(yǎng)模式[6]。

但是，現(xiàn)階段各高校對于裝配式建筑的教學多是以概念和理論知識入手。這種情況導(dǎo)致很多學生只能接受到概念的單一性教學，并且組織學生實地參觀裝配式建筑項目的機會較少，無法對裝配式建筑有全方位的認知。比如在實踐教學過程中，就存在內(nèi)容之間不相容的問題，由于學生未建立系統(tǒng)的智慧結(jié)構(gòu)，所以學生在掌握工程概念與系統(tǒng)實踐之間的關(guān)系方面也存在一定的難度[7]。因此，為了進一步推廣裝配式建筑在工程管理專業(yè)教學中的應(yīng)用，有必要對當前教學面臨的問題進行總結(jié)與思考。本文提供一種裝配式建筑數(shù)字化管理平臺，希望能夠為相關(guān)教育工作者提供一些參考。

3 裝配式建筑項目數(shù)字化管理教學系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 裝配式建筑項目數(shù)字化管理教學系統(tǒng)建設(shè)的目標

裝配式建筑項目數(shù)字化管理的本質(zhì)是指在裝配式建筑項目管理的各個階段環(huán)節(jié)中，充分利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等在內(nèi)的科學方法和信息技術(shù)，有效地提高項目管理水平、降低管理成本、提高各參與方的信息交流和共享，從而增進全過程協(xié)同管理效率，保證裝配式項目按時按質(zhì)、高效經(jīng)濟、綠色持續(xù)地進行，并起到推動裝配式項目穩(wěn)定發(fā)展的目的。

因此，基于現(xiàn)階段各高校對于裝配式建筑的教學多是以概念和理論知識入手的現(xiàn)狀，裝配式建筑項目數(shù)字化管理教學系統(tǒng)的目標是讓學生以實際落地的裝配式建筑項目為例，從各個利益相關(guān)方的參與角度出發(fā)，充分利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等在內(nèi)的科學方法和信息技術(shù)，實現(xiàn)裝配式建筑項目的可視化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化和集成化管理，解決設(shè)計—生產(chǎn)—裝配脫節(jié)的問題，為項目各級管理者提供多角度、多維度、多樣本的數(shù)據(jù)信息管理與決策支持，保證項目各級管理目標的順利實現(xiàn)，增進不同管理者之間的信息溝通和共享，從而有效提高裝配式建筑項目管理水平。

另外，利用裝配式建筑數(shù)字化管理平臺作為教學工具輔助教學，運用項目教學、可視化仿真教學等手段、探索基于信息化工具和案例項目相結(jié)合的教學方法，可以解決以往裝配式建筑教學中輔助手段不足、不夠直觀等問題，可以提高學生學習興趣，改善傳統(tǒng)教學課堂沉悶的現(xiàn)象，提高教學質(zhì)量。另外，還可以減少許多需要到現(xiàn)場實踐帶來的安全隱患等困擾。

3.2 裝配式建筑項目數(shù)字化管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

裝配式建筑項目數(shù)字化管理系統(tǒng)包括裝配式建筑管理信息系統(tǒng)、裝配式建筑項目可視化展示、數(shù)據(jù)交互三大功能，功能結(jié)構(gòu)圖1如下。

圖1 裝配式建筑項目數(shù)字化管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 裝配式建筑管理信息系統(tǒng)

3.2.1.1 云平臺端

項目信息管理以項目為主線，實現(xiàn)項目基本信息、項目資料等數(shù)據(jù)的維護，以及串聯(lián)項目各階段的信息，實現(xiàn)項目全過程信息管理；BIM模型管理可對模型通過有針對性的數(shù)據(jù)壓縮及還原技術(shù)來進行輕量化，然后通過瀏覽器，以網(wǎng)頁的方式實現(xiàn)建筑模型按單體建筑、樓層、構(gòu)件類型、構(gòu)件多層次、多視角的瀏覽，并且可以查看單個構(gòu)件的詳細信息；生產(chǎn)商在生成完構(gòu)件后，對每個構(gòu)件進行二維碼的生成，做成每個構(gòu)件的唯一識別，每個二維碼關(guān)聯(lián)一個對應(yīng)的構(gòu)件，用于生產(chǎn)、倉儲、質(zhì)檢、物流運輸、手機APP等各業(yè)務(wù)功能模塊，方便用戶快速定位于構(gòu)件信息。

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)單位可以登錄數(shù)字化管理云平臺，查看和下載預(yù)制構(gòu)件清單、構(gòu)件數(shù)字模型，并生成打印二維碼并與構(gòu)件進行關(guān)聯(lián)。構(gòu)件生產(chǎn)廠商，可以通過登錄信息管理云平臺直接輸入預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)開始時間，生產(chǎn)結(jié)束時間等信息。并確定好生產(chǎn)構(gòu)件的順序與時間銜接點。通過各個階段的BIM模型直觀掌握項目整體進度，通過統(tǒng)計分析，查詢預(yù)制構(gòu)件計劃生產(chǎn)時間、實際生產(chǎn)時間、計劃安裝時間、實際安裝時間，以及構(gòu)件所在狀態(tài)。根據(jù)原先制定的項目計劃，結(jié)合各構(gòu)件實際的進度狀態(tài)信息，以圖形化的方式顯示進度情況。

結(jié)合BIM模型可以查看項目各階段計劃投資、實際投資，統(tǒng)計分析項目計劃累計支付金額、實際累計支付金額，各階段計劃支付金額、實際支付金額。專業(yè)知識庫提供對裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)、安裝的工藝工法、技術(shù)標準等相關(guān)資料的收集整理、維護以及檢索功能，并能自行添加和刪除目錄，對文檔進行下載和在線預(yù)覽。通過人員信息、機構(gòu)信息、流程設(shè)置、日志管理的管理，進行人、事、權(quán)的合理分配，可以根據(jù)企業(yè)的管理模式來進行設(shè)置，并且可以完成分支機構(gòu)的管理；角色管理中可以根據(jù)不同的角色賦予不同的權(quán)限，方便了企業(yè)不同的管理模式。

3.2.1.2 移動APP端

倉儲、物流人員使用移動APP，通過掃描構(gòu)件二維碼，將預(yù)制構(gòu)件入庫、出庫、物流信息推送到云平臺，其他人員可以通過BS云平臺、APP查看預(yù)制構(gòu)件的狀態(tài)信息。

構(gòu)件運達施工現(xiàn)場，現(xiàn)場材料管理員啟動預(yù)制構(gòu)件入庫二維碼掃描功能，掃描構(gòu)件二維碼，完成預(yù)制構(gòu)件入庫操作，將入庫信息推送到云平臺，其他人員可以通過云平臺、APP查看預(yù)制構(gòu)件的狀態(tài)信息。預(yù)制構(gòu)件安裝完成后，現(xiàn)場施工監(jiān)理啟動構(gòu)件安裝完成二維碼掃描功能，掃描已安裝構(gòu)件二維碼，或通過已安裝構(gòu)件選擇錄入操作，確定構(gòu)件已安裝完成，其他人員可以通過云平臺、APP查看工程實際完工形象進度。并且可以實現(xiàn)建筑模型按單體建筑、樓層、構(gòu)件類型、構(gòu)件多層次、多視角的瀏覽，并且可查看構(gòu)件詳細信息。

圖2 裝配式建筑項目數(shù)字化管理系統(tǒng)移動APP端管理

3.2.2 裝配式項目可視化展示

系統(tǒng)通過多個大屏幕模擬不同的角色的賬號與密碼登錄系統(tǒng)，來進行相應(yīng)的操作，根據(jù)每個角色在系統(tǒng)中的操作產(chǎn)生數(shù)據(jù)之后，按業(yè)務(wù)流程往下走，實現(xiàn)各方之間的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)協(xié)同工作。角色共分為設(shè)計單位、建設(shè)單位、構(gòu)件生產(chǎn)廠商、運輸單位、施工單位，不同的角色登錄系統(tǒng)后，進行相應(yīng)的操作。利用百度地圖，隨機選擇路徑，動態(tài)變化坐標點的數(shù)據(jù)，直接達到目的地。系統(tǒng)通過GPS導(dǎo)航設(shè)備，結(jié)合地圖來實現(xiàn)物流運輸狀態(tài)跟蹤模擬功能。

3.2.3 裝配式建筑項目數(shù)字化管理數(shù)據(jù)交互

3.2.3.1 云平臺與APP端數(shù)據(jù)交換

裝配式建筑項目數(shù)字化管理系統(tǒng)云平臺與移動APP端的數(shù)據(jù)交互方式，采用Web service的方法進行調(diào)用與數(shù)據(jù)傳遞，傳遞過程中的數(shù)據(jù)，采用DES對稱加密算法進行數(shù)據(jù)加密保護，以防數(shù)據(jù)直接被截取，具體交互的內(nèi)容有生產(chǎn)進度數(shù)據(jù)、物流運輸數(shù)據(jù)、裝配式檢驗結(jié)果數(shù)據(jù)。

3.2.3.2 Revit模型與云平臺移動APP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

Revit模型與云平臺、移動App數(shù)據(jù)傳導(dǎo)通過特殊的格式轉(zhuǎn)換，將模型進行輕量化之后，把數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)后臺提供給用戶在云平臺或移動APP上展示，方便用戶隨時隨地辦公，各文件進入系統(tǒng)的格式為*.IFC文件（Revit模型文件）、*.SFC文件（模型輕量化文件）、*.SC文件（模型瀏覽文件）。

4 裝配式建筑項目數(shù)字化管理系統(tǒng)功能

裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)和信息化管理主要內(nèi)容應(yīng)包括信息化設(shè)計階段、工業(yè)化生產(chǎn)階段、智能化物流運輸階段、數(shù)字化裝配施工階段、后期運維階段等。

借助該系統(tǒng)，可為業(yè)主提供解決方案，使用系統(tǒng)可以查看構(gòu)件從設(shè)計到安裝的全過程的信息，為其后續(xù)過程管控、運維提供可視化的幫助。為企業(yè)管理者提供解決方案，使用系統(tǒng)可以查看任意時刻合同的執(zhí)行情況，了解制造、建造等細節(jié)。

4.1 構(gòu)件的設(shè)計管理

依據(jù)設(shè)置的排版規(guī)則，在系統(tǒng)中實現(xiàn)構(gòu)件的標準化自動設(shè)計。該系統(tǒng)可為圖紙設(shè)計、預(yù)算部門提供解決方案，可以通過識別CAD設(shè)計圖紙，或使用Revit三維模型，計算輸出預(yù)制構(gòu)件BIM模型、預(yù)制構(gòu)件工程量清單，裝配順序和裝配時間要求。

系統(tǒng)可以自動進行模型輕量化處理，通過自己特有的模型輕量化算法，可以將模型大小減少85%左右。模型輕量化主要通過有針對性的數(shù)據(jù)壓縮及還原技術(shù)來實現(xiàn)。渲染展示輕量化之后，模型的細節(jié)基本都得以保留，并不影響后續(xù)應(yīng)用。模型輕量化后效果細節(jié)展示如圖3所示。

圖3 模型輕量化后效果細節(jié)展示

4.2 構(gòu)件的生產(chǎn)管理

基于BIM技術(shù)進行構(gòu)件生產(chǎn)進度的可視化展示。利用二維碼標簽對構(gòu)件生產(chǎn)進行跟蹤管理，全面記錄構(gòu)件的生產(chǎn)信息、當前狀態(tài)（未排期、待生產(chǎn)、正在生產(chǎn)、生產(chǎn)完成）等情況。

為生產(chǎn)部門提供解決方案，通過信息管理云平臺，可以按項目得到預(yù)制構(gòu)件工程量清單和預(yù)制構(gòu)件BIM模型，以便安排生產(chǎn)，同時可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)輸入信息管理云平臺。構(gòu)件生產(chǎn)廠商，可以通過登錄信息管理云平臺直接輸入預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)開始時間、生產(chǎn)結(jié)束時間等信息。生產(chǎn)進度管理如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)進度管理的計劃設(shè)置

4.3 構(gòu)件的運輸管理

根據(jù)施工進度合理制定預(yù)制構(gòu)件的運輸計劃，避免構(gòu)件運輸不及時延誤現(xiàn)場施工或施工現(xiàn)場構(gòu)件堆放過多的問題；基于GPS對車輛進行實時定位和運輸線路規(guī)劃，實現(xiàn)構(gòu)件運輸?shù)目梢暬悄苷{(diào)度；基于二維碼技術(shù)和數(shù)字化管理云平臺，建立預(yù)制構(gòu)件的跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集和實時物流信息的傳遞共享。

圖5 物流運輸管理的狀態(tài)設(shè)置界面

為倉儲物流部門提供解決方案，通過信息管理云平臺可以按項目得到預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及預(yù)制構(gòu)件裝配順序和時間要求等信息，以便安排倉儲、配送。倉儲和物流部門，可以通過以下方式輸入預(yù)制構(gòu)件入庫、出庫、發(fā)貨、到貨時間信息：登錄信息管理云平臺改變運輸狀態(tài)，或使用移動設(shè)備掃描構(gòu)件二維碼的方式輸入。

4.4 構(gòu)件的裝配管理

將構(gòu)件安裝進度在BIM模型中實時展示，并自動校驗施工工序的合理性；基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)厘米級的安裝定位，輔助構(gòu)件吊裝就位，提高安裝效率。

為施工部門提供解決方案，使用系統(tǒng)可以導(dǎo)入、模擬、分析、驗證、調(diào)整施工進度，可以現(xiàn)場查找包裝信息或者待安裝位置等信息，可以快速記錄、反饋、跟進施工現(xiàn)場實際狀況。構(gòu)件安裝部門，可以通過登錄信息管理云平臺直接輸入預(yù)制構(gòu)件計劃安裝時間、安裝結(jié)束時間等信息。裝配進度管理如圖6所示。

圖6 裝配進度管理

另外，針對生產(chǎn)單位、運輸單位、施工單位，站在不同的視角會有不同的進度情況，提供個性化的著色模式模型瀏覽功能。通過統(tǒng)計分析，查詢預(yù)制構(gòu)件計劃生產(chǎn)時間、實際生產(chǎn)時間、計劃安裝時間、實際安裝時間，以及構(gòu)件所在狀態(tài)（比如：加工、運輸、進場、已安裝等）。

5 結(jié)論

利用裝配式建筑數(shù)字化管理平臺作為教學工具輔助教學，可以解決以往裝配式建筑教學中輔助手段不足、不夠直觀等問題，可以提高學生學習興趣，改善傳統(tǒng)教學課堂沉悶的現(xiàn)象，提高教學質(zhì)量。另外，還可以減少許多需要到現(xiàn)場實踐帶來的安全隱患等困擾。希望通過本文介紹的數(shù)字化管理平臺和理念，可以幫助各相關(guān)院?？朔b配式建筑教學所面臨的難題與困境，為教學改革的開展提供一定的參考。