基于BIM+RFID的超高層鋁模全生命周期應(yīng)用研究

張烈霞 ZHANG Lie-xia；程金開 CHENG Jin-kai；劉廉柏超 LIU Lian-bai-chao

（①中鐵二十局集團第六工程有限公司，西安 710032；②陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，西安 710055）

0 引言

模板工程占建筑結(jié)構(gòu)工程的60%-70%，模板系統(tǒng)的管理理念很大程度上影響著施工進度及工程預(yù)算。隨著高層建筑和大型基礎(chǔ)設(shè)施的興建，建筑模板信息化逐漸成為超高層建筑工程領(lǐng)域備受關(guān)注的問題[1-3]。傳統(tǒng)模板方案的設(shè)計與規(guī)劃方法已無法滿足超高層建筑的工程管理需求，建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)為建筑行業(yè)的模板工程優(yōu)化提供了新途徑[4-6]。通過BIM技術(shù)可優(yōu)化整體建筑設(shè)計、提高工程效率，從而實現(xiàn)智能化項目管理以促進建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

BIM技術(shù)利用計算機強大的計算能力，基于建筑工程各階段的數(shù)據(jù)信息可建立完整、高度集成化的建筑信息模型，從而實現(xiàn)對建筑工程從設(shè)計、施工、運營全生命周期的高效協(xié)同和管理[7]。Lee等[8]、易成等[9]、祝兵等[10]探討了BIM技術(shù)在模板設(shè)計流程、自動化布局及參數(shù)優(yōu)化方面的應(yīng)用。模板施工過程可基于BIM技術(shù)可視化進行立體交叉和立體檢查，從而提高模板使用效率、減低經(jīng)濟成本。Li[11]、Reto等[12]、黃奇榮等[13]基于BIM技術(shù)提出的模板自動化檢測方法實現(xiàn)了設(shè)計協(xié)調(diào)及施工可視化。另外，鄭順義等[14]、Lee等[15]將BIM三維可視化技術(shù)應(yīng)用到模板拼裝工程，實現(xiàn)了模板工程精細化施工管理。綜上所述，BIM技術(shù)在模板體系設(shè)計和布局優(yōu)化方面得到了很多應(yīng)用，使得模板工程施工更加高效。隨著超高層建筑的快速發(fā)展，BIM技術(shù)在超高層建筑模板工程中的規(guī)劃與應(yīng)用研究需進一步關(guān)注。

本文以西安市榮民科創(chuàng)園超高層建筑中的鋁模工程為研究背景，分析了鋁模技術(shù)的深化應(yīng)用及工程優(yōu)勢，基于創(chuàng)建的BIM實景優(yōu)化模型有效提高了鋁模工程的施工進度。為實現(xiàn)鋁模板的設(shè)計-生產(chǎn)-運輸-施工過程中的信息化管理，提高鋁模板工程的效率，基于“BIM+”技術(shù)將無線電子射頻識別技術(shù)（RFID）引入到超高層建筑鋁模工程中構(gòu)建了BIM-RFID鋁模板管理平臺，實現(xiàn)了復(fù)雜施工現(xiàn)場鋁模工程的智慧化和數(shù)字化管理。

1 研究工程背景

1.1 工程特點

榮民科創(chuàng)園工程位于西安高新區(qū)，總建筑面積為245850m2，工程現(xiàn)場概況，如圖1所示。建筑體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、場地狹小，現(xiàn)場平面布置與交通組織給項目管理帶來挑戰(zhàn)。2#樓屬于一類超高層公共建筑，高度為195.95m，總建筑面積114887.80m2，避難層設(shè)置于49.55~53.75、99.25~104.05、149.55~154.05m。外框架由H型鋼混凝土柱、十字型鋼混凝土柱組成。核心筒剪力墻暗柱有勁型鋼柱，設(shè)備層為鋼板墻及腰桁架。

圖1 工程現(xiàn)場概況

2#樓為榮民科創(chuàng)園的控制工程，核心筒采用型鋼混凝土+鋼筋混凝土組合形式，模板施工及管理難度大，需借助BIM技術(shù)進行規(guī)劃決策。為使模板工程的安全性和經(jīng)濟性達到最優(yōu)，工程選擇高強度的鋁合金模板，相較于傳統(tǒng)木模在安全性及成本控制方面具較大優(yōu)勢。模板從選型、設(shè)計、制作、施工及澆筑過程都采取有效控制措施，工藝流程如圖2。

圖2 施工工藝流程圖

工程項目進度控制是一個動態(tài)的管理過程，需要定期跟蹤檢查進度計劃的執(zhí)行情況。項目部利用無人機定期進行傾斜攝影，從更全面的視角收集實際進度數(shù)據(jù)，從而對進度計劃進行動態(tài)控制。BIM實景模型應(yīng)用，如圖3所示。

圖3 BIM實景模型應(yīng)用

1.2 鋁模板系統(tǒng)

鋁模板全稱為建筑用鋁合金模板，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)木模板、鋼模板的新型模板，通常使用6061硬鋁合金在熱處理后由專用設(shè)備擠壓成型[15]。鋁模板系統(tǒng)主要包括：①占據(jù)主要的面板系統(tǒng)；②連結(jié)各個面板的緊固系統(tǒng)；③起到支撐作用的支撐系統(tǒng)；④其余零部件系統(tǒng)。隨著高層建筑的快速崛起，常規(guī)模板已無法滿足實際工程需求，鋁模板逐步取代傳統(tǒng)的鋼模及木模，提高了施工進度并節(jié)約施工成本。

建筑模板優(yōu)劣性對比（表1）表明，鋁模板因具有施工靈活、施工效率較高、脫模效果較好、可重復(fù)使用的優(yōu)點而倍受施工企業(yè)青睞。不可否認的是，鋁合金模板設(shè)計合理性也直接影響施工安全，模板強度不夠往往是造成事故的主要原因。隨著超高層建筑施工復(fù)雜程度的增加，傳統(tǒng)二維圖紙設(shè)計暴露出了諸如模板構(gòu)件設(shè)計信息缺失、深化設(shè)計成果表達不直觀、參建單位溝通不暢的弊端[2，4]，這對BIM技術(shù)在超高層建筑模板工程中的規(guī)劃與應(yīng)用研究提出了更高要求。

2 基于BIM+RFID的鋁模工程管理平臺構(gòu)建

BIM技術(shù)的三維建模和數(shù)字化表達能力及協(xié)同工作功能能提高設(shè)計生產(chǎn)效率，使鋁模板的設(shè)計更加精確合理，減少鋁模設(shè)計的時間成本?！癇IM+”技術(shù)的快速發(fā)展為工程可視化管理提供了新途徑，研究將無線電子射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）引入到超高層鋁模工程。盡管RIFD技術(shù)前期投入大，但作為一種可進行無接觸信息存儲和無線信息傳遞的新技術(shù)，其具備不可替代的作用且可以大幅度提高超高層建筑的工作效率。

2.1 建立鋁模BIM模型族庫

鋁模體系由多種構(gòu)件組成，包括面板系統(tǒng)、緊固系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、附件系統(tǒng)四個主要部分。標準層較多的高層或超高層建筑，鋁模體系能夠發(fā)揮鋁模板周轉(zhuǎn)次數(shù)多、總體造價低的優(yōu)勢。既有研究[16]表明，每個標準層間使用的鋁模板基本相同，鋁模設(shè)計通常會采用80%標準尺寸模板和20%非標準模板。基于此，建立BIM模型時需要提前建立鋁模板構(gòu)件集，具體方式是建立構(gòu)件的族模型，主要是將鋁模板所有構(gòu)件族文件以及構(gòu)件信息建立成一個數(shù)據(jù)庫，在深化設(shè)計時直接在構(gòu)件集中找到所需的構(gòu)件模型插入，進而提高設(shè)計效率[4]。

超高層建筑模板方案設(shè)計復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：①工程算量難；②設(shè)計信息內(nèi)部無關(guān)聯(lián)[5]，設(shè)計方案易出現(xiàn)錯誤。結(jié)合BIM技術(shù)的超高層建筑鋁模板方案規(guī)劃需滿足要求：①符合設(shè)計規(guī)范：嚴格按照規(guī)范建立算法；②智能輔助決策要求：通過設(shè)定評價指標，對設(shè)計方案進行優(yōu)選以獲得最優(yōu)方案；③參數(shù)化方案布置要求[15]：實現(xiàn)模板構(gòu)建的可視化自動布置；④信息交互[12]：與管理平臺進行信息交流互動，保證有效信息流通。

為此，利用Revit可實現(xiàn)標準層的模板方案設(shè)計，BIM系統(tǒng)會自動根據(jù)每一區(qū)域的形狀、面積優(yōu)先將創(chuàng)建模板模型，從而實現(xiàn)設(shè)定準則下的最優(yōu)方案，如圖4所示。鋁模板模型的校核是施工前必須進行的環(huán)節(jié)，鋁模板復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征要求達到緊密結(jié)合，體現(xiàn)了整體性特點。另外，利用Revit建立鋁模BIM模型族庫時需要選擇新建公制常規(guī)模型，利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作將一套鋁模板中所有的構(gòu)件建模以族文件的格式保存。鋁模板的族主要包括板底模、梁底模、陽角模、墻側(cè)模、早拆頭及墻柱陰角，如圖5所示。

圖4 鋁合金模板系統(tǒng)部分構(gòu)件

圖5 鋁模板系統(tǒng)部分構(gòu)件族

2.2 建立BIM+RFID管理平臺數(shù)據(jù)庫

預(yù)拼裝是鋁模工程的必要步驟，即在工廠加工制造完成后隨即拼裝。預(yù)拼裝的目的包括：①檢查模板數(shù)量是否足夠；②檢查設(shè)計尺寸是否合理、能否按照要求拼裝完成。預(yù)拼裝時若發(fā)現(xiàn)問題，需進行鋁模再加工。由此可見，這種傳統(tǒng)預(yù)拼裝方式效率低下且間接提高了鋁模造價。為此，鋁模BIM模型族庫建立后，運用BIM技術(shù)建立的信息化工程管理模型進行虛擬拼裝，打通模板全生命期數(shù)據(jù)的交互途徑，全面提升階段管理水平，從而提高工程建設(shè)質(zhì)量和效率、降低工程建設(shè)成本和施工風險。

基于BIM+RFID的鋁模工程管理平臺要求預(yù)拼裝過程必須放在設(shè)計階段，主要原因：①BIM技術(shù)完全可以實現(xiàn)鋁模板構(gòu)件的虛擬拼裝（如圖6），及時進行預(yù)拼檢錯，減少工程造價；②利用BIM參數(shù)化、信息化功能，對所有鋁模構(gòu)件進行編號及信息賦予。虛擬拼裝的前提是建立完備的鋁模構(gòu)件庫。利用Revit系統(tǒng)建立鋁模模型的步驟：①根據(jù)設(shè)計圖紙，建立全套鋁模構(gòu)件的族文件，包括頂板模板、墻模板、連接角鋁、K板、龍骨、樓面轉(zhuǎn)角等構(gòu)件；②創(chuàng)建樓層的BIM結(jié)構(gòu)模型，即使用過濾功能勾選剪力墻、樓板、梁等（輔助配模作用）；③相應(yīng)BIM結(jié)構(gòu)模型中對鋁模族進行拼裝，主要檢查鋁模拼裝是否合理、是否出現(xiàn)碰撞沖突、設(shè)計尺寸是否滿足要求；④輸出數(shù)據(jù)（設(shè)計錯誤報表、材料清單等），根據(jù)錯誤報表對模板進行優(yōu)化；⑤預(yù)拼裝完成且對出現(xiàn)的問題進行解決后，在BIM模型中對鋁模板構(gòu)件編號、賦予模型屬性。出廠前需將鋁模類型、編號、屬性、生產(chǎn)日期等寫入RFID芯片并預(yù)制到鋁合金模板上。

圖6 鋁合金模板拼裝俯視圖

2.3 BIM+RFID平臺輔助施工管理與應(yīng)用

BIM模型具有可視化特點，通過旋轉(zhuǎn)觀察模板組裝節(jié)點[4，17]。對于不易拼裝的細部節(jié)點，可利用BIM FILM生成施工動畫實現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點可視化交底。鋁模板的拆模、拼裝易導(dǎo)致模板損壞，可通過BIM協(xié)同平臺與工廠溝通、修復(fù)進而避免延誤工期。

圖7為BIM+RFID系統(tǒng)輔助鋁模板施工流程，鋁模運至場地后，BIM-RFID處理系統(tǒng)開始啟用，將RFID信息利用通信系統(tǒng)同步到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫并將位置、進度信息與模型相匹配。開啟RFID無線定位系統(tǒng)后，施工人員手持讀寫設(shè)備依次在鋁模板電子標簽中添加模板到達的信息。此時，RFID信息處理系統(tǒng)對接BIM模型，RFID電子標簽中包含的信息可以實時同步上傳BIM模型。鋁模板施工時，BIM+RFID信息系統(tǒng)可對鋁模板位置信息進行自動追蹤，進而識別已完成模板和未完成模板。三維BIM模型中，已完成裝配的模板呈高亮顯示，管理人員可依此指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

圖7 BIM+RFID信息系統(tǒng)輔助鋁模板施工流程

同時，利用BIM技術(shù)對模板配板方案進行自動化設(shè)計可獲得最優(yōu)設(shè)計方案，人機可視化交互可實現(xiàn)設(shè)計人員從全局角度審視設(shè)計成果。為此，可以通過Revit平臺建立模板設(shè)計系統(tǒng)模塊，并結(jié)合3D可視化顯示復(fù)雜節(jié)點矩陣并配合部件的實時修正、糾正?；贐IM的模板設(shè)計系統(tǒng)框架設(shè)計，如圖8所示，既方便信息共享又可實時監(jiān)控工程進度。

圖8 基于BIM的模板設(shè)計系統(tǒng)框架設(shè)計

3 結(jié)語

以榮民科創(chuàng)園超高層建筑中的鋁模工程為研究背景，分析了鋁模技術(shù)的深化應(yīng)用及工程優(yōu)勢，基于創(chuàng)建的BIM實景優(yōu)化模型有效提高了鋁模工程的施工進度?！癇IM+”技術(shù)的快速發(fā)展為工程可視化管理提供新途徑，將RFID技術(shù)引入到超高層建筑鋁模工程中構(gòu)建了基于BIMRFID技術(shù)的鋁模板管理平臺，實現(xiàn)了復(fù)雜施工現(xiàn)場鋁模工程的智慧化和數(shù)字化管理。