BIM技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用

徐 照，占鑫奎，張 星

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BIM技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用

徐 照，占鑫奎，張 星

(東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210000)

為了能夠對BIM技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用研究現狀有較為系統(tǒng)清晰的掌握，在大量文獻閱讀的基礎上，對裝配式建筑預制構件生產過程及工藝流程進行梳理。首先結合文獻的統(tǒng)計分析，對BIM相關信息技術在預制構件生產階段的應用進行介紹，并對預制構件生產階段信息交付研究現狀進行系統(tǒng)歸納。最后對國內外相關研究存在的差距進行總結，并提出相應研究建議。通過BIM為代表的信息技術在裝配式建筑構件生產階段的應用分析總結，明確目前預制構件生產階段信息化管理領域現存的挑戰(zhàn)和瓶頸，并針對性的提出BIM技術在這方面未來的發(fā)展方向。

裝配式建筑；生產階段；構件；建筑信息模型；信息技術

裝配式建筑在構件層面可以拆分為梁、柱、樓板、窗體等部分，通過工廠預制、構件運輸和現場拼裝形成完整的裝配式結構。因此針對裝配式建筑的全過程控制中，預制構件生產階段的管理技術優(yōu)化和工藝提升具有突出作用。目前以BIM(building information modeling)為代表的信息技術與預制構件生產研究相結合是裝配式建筑相關研究領域的熱點之一，充分發(fā)揮BIM技術可視化、協同性、信息完備性等優(yōu)勢，可以有效解決構件生產階段參與方多、信息量大、信息復雜等問題[1]。在預制構件的生產過程中使用BIM相關技術，能夠實現生產過程各利益相關方或參與方的有效協同工作，并在設計、施工、運維等工作階段達到更好的綜合效益。

BIM技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用不僅指建立構件生產三維信息模型，更重要的是基于三維信息模型的生產過程協同管理[2]。以三維信息模型為載體，通過使用BIM相關信息技術實現信息的快速收集[3]，在實現信息有效交付的基礎上，對構件生產過程進行高效決策管理。

但現階段國內將BIM技術與裝配式建筑預制構件生產結合應用的研究較為分散，沒有形成較為系統(tǒng)、清晰的應用研究總結。因此本文對裝配式建筑預制構件生產過程及工藝流程進行梳理，結合相關文獻的統(tǒng)計分析，對BIM相關信息技術在預制構件生產階段的應用進行介紹，并對預制構件生產階段信息交付研究現狀進行系統(tǒng)歸納，最后對國內外相關研究存在的差距進行總結，并提出相應建議。

1 預制構件生產階段過程分析

1.1 預制構件生產過程

裝配式建筑相較于與傳統(tǒng)建筑項目工程主要增加了構件設計、構件工廠預制及構件現場吊裝等工序，其構件生產階段、設計施工階段與施工拼裝階段的工作關聯圖如圖1所示。

圖1 構件生產、設計、施工階段工作關聯圖

(1) 預制構件深化設計。為了讓構件模型所包含的生產相關信息，能夠較為有效在構件生產過程中使用，現階段裝配式建筑預制構件深化設計通常是以工廠為主體進行開展，在設計院形成的構件圖紙基礎上，結合工廠的實際生產工藝，運用BIM三維建模技術進行深化設計[4]。構件深化設計是在滿足結構力學設計的基礎上，根據多專業(yè)提出建筑需求，結合工廠自身構件生產工藝的需求以及施工吊裝過程的需求，對構件幾何尺寸及各項預埋件進行深化設計。

(2) 預制構件生產管理。預制構件的生產管理主要包括：構件生產計劃安排、構件生產過程中的人、材、機的管理和構件生產過程控制。構件生產計劃安排主要根據工廠實際生產能力與建筑項目構件的施工進度需求，制定科學有效的生產進度安排。根據構件生產計劃安排，對構件生產所需要的人工、材料、機械等進行管理，其次對構件生產過程進行控制，對構件生產過程中出現的問題及時調整。為了實現構件生產有效管理，信息化管理平臺逐漸應用到構件生產管理過程中，文獻[5-6]利用BIM技術設計預制構件生產管理系統(tǒng)，通過BIM數據支撐作用提升預制構件的質量水平和生產效率。其次針對預制構件生產信息的跟蹤過程研究，文獻[7-8]通過將射頻識別技術(radio frequency identification, RFID)標簽嵌入到預制構件中，并結合移動設備、互聯網和數據庫技術，實現信息采集、數據傳遞共享等功能，對構件生產進行全過程跟蹤和快速預警。

(3) 預制構件檢查及修復。針對構件生產完成之后的構件質量檢查，理論上提出通過使用激光掃描技術，對構件成品進行掃描，形成三維模型與設計模型進行對比，從而對構件的生產質量進行判斷[9]。但現階段構件工廠針對質量檢查依舊采用人工檢查的方式進行。

1.2 預制構件生產工藝流程

預制構件生產工藝通常包括模具清潔、模具組裝、涂脫模劑、綁扎鋼筋骨架、安裝預埋件、混凝土澆筑振搗、拉毛、蒸養(yǎng)、拆模、檢驗修補及堆放等階段[10-11]。其中針對具體構件生產工藝會根據構件類型和構件廠生產能力有所調整。

現階段國內外關于構件生產工藝方面的研究重點主要側重于實現構件生產自動化，提高構件的生產效率。美國、日本和德國等發(fā)達國家的預制構件生產設備已經從單獨的工藝環(huán)節(jié)自動化逐步進入整體協調的高自動水平，構件生產設備集成化和機械化水平都較高。國內自動化生產線起步較晚，現階段還處于只能對單獨的工藝環(huán)節(jié)實現自動化，其中自動化工藝主要應用包括自動布置拆除模具、自動噴涂脫模劑、鋼筋網片加工、混凝土澆筑及振搗、自動蒸養(yǎng)、墻體自動翻轉等單獨的方面，在整個生產過程中仍舊需要依靠人工協助來完成構件生產[12-15]。圖2可較為直觀地展現現階段我國預制構件各生產工藝所處生產階段及自動化程度。

圖2 預制構件生產工藝流程

其中由于不同類型構件，形狀、預埋及受力等存在差異導致各種構件在實際生產中會存在差別。預制構件通常包括預制柱、預應力疊合梁、普通疊合梁、預應力疊合板、預應力空心板、預制剪力墻、預制隔墻板、預制外掛板、預制空調板、預制陽臺、預制飄窗、預制樓梯及其他造型構件等。以預應力疊合板為例，相較于普通疊合板增加預應力筋張拉過程。

2 BIM相關信息技術應用分析

2.1 文獻統(tǒng)計分析

本文分別以“BIM”、“管理信息系統(tǒng)”、“RFID”、“3D掃描”與“裝配式建筑”或者“PC”進行組合，來源類別選擇“SCI來源期刊”、“EI來源期刊”、“核心期刊”，以此為條件對相關文章的摘要、關鍵詞等進行檢索，分別對2007年到2017年間發(fā)表的文章進行搜索，篩選與裝配式建筑預制構件生產相關的論文進行統(tǒng)計。其中共篩選出50篇文章，如圖3所示。分析發(fā)現國內關于相關信息技術的應用研究均起步較晚，近幾年隨著國家對裝配式建筑政策上大力支持，相關研究呈現逐漸上升的趨勢。其中BIM技術主要應用于設計方面，管理信息系統(tǒng)通常與RFID技術進行結合應用，而3D掃描技術在預制構件生產中的應用研究較少。

利用Engineering Index(EI)數據庫進行國外文獻檢索，分別以“BIM”、“management information system”、“RFID”、“3D scanning”與“prefabricated construction”或者“PC”進行組合檢索。語言選擇“English”，文獻類型選擇“Journal article”，分別對2007年–2017年間發(fā)表的文章進行檢索，篩選與預制構件生產相關論文進行統(tǒng)計，其中共篩選出153篇文章(圖3)。分析發(fā)現國外針對相關信息技術在生產階段的研究開始較早，相關的研究成果較多，且多偏向于智能化生產應用等方向，其中針對管理信息系統(tǒng)的研究側重與信息傳遞和優(yōu)化算法等方面，而對于RFID技術在裝配式建筑生產階段研究則較少。

圖3 2007年—2017年國內外相關信息技術在預制構件生產階段應用研究發(fā)文量

對比國內外針對相關信息技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用，發(fā)現國內研究側重于RFID技術與管理信息系統(tǒng)結合，而國外側重于對自動化生產進行研究。由于我國現階段針對預制構件的實際生產施工過程中，構件生產施工管理較為粗放，進行構件管理是現階段重要問題之一，導致我國現階段研究側重于RFID技術和管理信息系統(tǒng)相結合。對于實現預制構件全自動化生產，需要在充分借鑒國外自動化、集成化生產經驗基礎上，研究適合我國的預制構件全自動生產線。

2.2 BIM相關信息技術的應用

結合多維度可視化信息模型的生產管理平臺是實現高效管理的重要方式。使用BIM技術進行預制構件深化設計，形成構件生產信息模型，與管理系統(tǒng)進行鏈接形成構件生產基礎數據庫；使用RFID及3D掃描等技術，對構件生產過程中的信息進行實時跟蹤記錄，反饋到生產管理系統(tǒng)中，從而實現生產管理者對構件生產各方面進行科學有效控制。圖4為相關信息技術在預制構件生產階段應用關聯圖。

圖4 相關信息技術在預制構件生產階段應用關聯圖

(1) 基于BIM技術建立構件生產工藝模型。充分發(fā)揮BIM技術的協同性和可視化等優(yōu)勢進行預制構件初步設計和深化設計，將裝配式建筑構件生產信息以BIM模型為載體進行存儲。對生產過程中的信息進行可視化表達，支持各參與方信息共享。根據構件實際生產過程中的需求，對構件的幾何尺寸、鋼筋位置及預埋件進行深化設計，形成構件生產工藝模型。所有與生產相關的信息均可從BIM模型中提取，讓生產管理人員對生產信息進行直觀、快捷管理。其次在與ERP系統(tǒng)進行對接時，BIM模型可作為生產管理計算交互基礎數據，顯著減少用戶在ERP管理系統(tǒng)中數據的錄入工作量[16]。

(2) 借助RFID技術對構件生產進行實時跟蹤。RFID技術的應用一般需要借助應答器、閱讀器、中間件和軟件系統(tǒng)等相關設備組件。在裝配式建筑領域，針對預制構件生產，主要用于預制構件來料檢查、生產過程跟蹤、質量檢查反饋及堆放管理等信息收集跟蹤方面[17-18]。相較于傳統(tǒng)質量管理，在自動化數據收集和信息管理方面效率更高，并且確保了整個生產環(huán)節(jié)信息的完整。

實際使用過程中存在的問題主要包括：①標簽的附著問題，采用直接粘貼容易損壞，采用預埋澆筑在構件里則存在讀取或者更換不方便；②標簽的識別問題，存在誤讀或者多讀。現階段實際生產過程中為了提高識別率，降低標簽成本，多采用二維碼的形式進行信息存儲。文獻[19]針對RFID與二維碼的作用條件及效率進行對比分析，二維碼使用成本更低，效率更高。

(3) 使用3D掃描技術對構件生產質量自動檢測。3D掃描技術即通過掃描的形式，獲取實物對象的點云信息，使用算法實現去噪和模型表面快速重建。將構件BIM模型與構件重建模型進行匹配，依據對比檢查允許誤差，從而實現對構件生產質量的自動化檢查[9]。由于工廠生產自動化程度低，及應用掃描技術成本過高，現階段針對3D掃描技術在裝配式建筑預制構件生產階段的應用研究較少。

(4) 預制構件生產管理信息系統(tǒng)。通過BIM和ERP相結合，建立一體化數據化的裝配式建筑信息交互平臺，對預制構件生產過程進行信息化集成管理與預制構件跟蹤管理，提高管理效率和效益[20]。其中生產管理系統(tǒng)主要包括車間信息、訂單、生產進度、生產質量、庫存、車間報告和工序生產等管理模塊[16]。利用生產管理系統(tǒng)可以進行包括：構件生產計劃管理；構件生產人工、材料及機械管理；構件生產成本管理；構件生產進度管理；構件生產質量管理；構件庫存管理和構件出廠管理[5,21]。

3 裝配式建筑預制構件生產階段BIM信息交付

BIM相關信息技術的應用實現基礎是信息的有效交付，為了保證信息在項目參與方之間實現有效傳遞，需要對各項信息交付行為進行充分明確。其中所涉及內容包括統(tǒng)一的信息的格式、構件模型編碼和信息交付標準等三個方面[22]。

3.1 預制構件三維模型信息格式及擴展方法

現階段針對三維信息模型交付通常采用IFC (industry foundation classes)標準，IFC標準是BIM的一個數據存儲標準，其對建筑全生命周期的各種對象與類進行定義。但現階段IFC標準難以滿足裝配式建筑預制構件的幾何類型和生產相關屬性信息的要求，需要在IFC標準的基礎上進行擴展。

IFC標準擴展機制主要包括基于IfcProxy實體的擴展、基于屬性集的擴展和基于增加實體定義的擴展。由于前兩種方式無法產生新的實體，只能在原有IFC標準的基礎上采用關聯屬性的形式來增加對實體描述屬性的種類，難以對裝配式建筑構件所包含的信息進行較為全面的描述，且部分裝配式建筑特有構件或零件不存在于原有的IFC標準，導致在信息交互過程中無法識別或錯誤識別，因此針對實現基于IFC的裝配式建筑預制構件的描述，其主要手段為在增加實體的前提下補充相應的構件屬性信息。而且為了保證此方法擴展的新實體類型能跟IFC模型融合，新實體一定要跟原有的實體建立派生和關聯關系，避免引起模型體系的歧義和沖突[23]。

現階段對于實現基于IFC裝配式建筑構件實體的擴展，國內外研究主要側重于解決以下兩方面關鍵問題：

(1) 明確擴展實體。明確IFC標準現有實體的描述方式，及裝配式建筑預制構件相對于傳統(tǒng)建筑有待新增的構件類型。參照IFC實體關聯架構規(guī)則，對新增實體與已有實體的幾何關系進行明確。構件實體的識別取決于構件的形狀(3D geometry)、材料、機械性能(mechanical properties)、構件的功能分類、拓撲和聚合關系(Topological and aggregation relationship with other objects)、領域特征(domain context)[24]。其中實體與實體之間空間關聯關系在構件的識別中起到關鍵作用。文獻[25]通過分析新增構件的空間關系，建立推理規(guī)則集，形成新增構件實體組合空間拓撲關系矩陣，通過相應的計算程序(spatial and topological relationships and operators)對構件的類型進行識別。但存在作用于任意領域規(guī)則集的產生效率較低和規(guī)則集過于冗雜等問題。簡化實體之間的關聯關系，實現規(guī)則集的精細化，也是重點研究方向。

對于實體之間的關聯信息的獲取分為：對于構件實體的幾何特征，使用空間幾何運算器(geometry operators)對構件實體的重心、表面、體積、方向及各種形狀所占比例進行確定(centroid operators、face operators、volume operators、orientation、proportion as a shape characteristic)；對于構件實體的空間拓撲關系使用空間拓撲關系運算器(spatial topology operators)對實體之間的拓撲關系進行確定，其中包括相鄰、相連、包含、重疊4種關系(adjacent、contact、contained、overlapping)。

(2) 定義新增構件實體屬性。IFC標準中實體的屬性通過繼承關系進行描述，IFC標準對于實體的描述包含7級，其中包括ifcRoot、ifcObjectDefintion、ifcObject、ifcProduct、ifcElement、ifcBuildingElement、ifcBeam(本文以beam為例)。IFC實體的屬性一部分是通過繼承關系獲得的，一部分則是根據實體的類型或功能對其進行定義的屬性，新定義的屬性則被下一級實體繼承。其中對于屬性描述方式將屬性分為直接屬性、導出屬性和反屬性。

IFC標準對于構件屬性信息的完整表達包含構件與空間的關系、構件的位置信息、構件的幾何表現信息、構件的材料信息、構件的其他屬性信息[26]。其中構件與空間的關系需要明確構件與工程項目的關系及構件與構件之間的依附關系；構件的位置信息需要以空間所在的坐標系為參考對構件進行定位；構件的幾何表現信息屬性由Representation進行描述；構件的材料信息屬性屬于反屬性，通過關聯實體IfcRelAssociateMaterial引用IfcMaterial實體；構件的其他屬性可以通過關聯實體IfcRelDefinesByProperties對所需要描述的屬性進行定義。

IFC標準通常采用增加實體類型的方法進行版本更新，對于新增實體的屬性定義的具體實現需要對IFC標準的框架進行填充，實現難度較大。因此為了提高效率，文獻[27]通過對IFC標準的EXPRESS-G視圖進行修改，實現在IFC標準框架中快速添加新實體圖5為基于IFC標準的新增構件實體擴展內容。

圖5 基于IFC標準的新增構件實體擴展內容

3.2 預制構件編碼

Omniclass編碼體系是目前建筑信息領域應用較為成熟和廣泛的標準體系，包括NBIMS標準也采用Ominiclass分類編碼標準[28]。Omniclass編碼體系包括15張分類表，每張表針對指定類型的建筑信息分別描述，同時相關子類表格之間也可以相互結合使用，形成多層級分類，實現信息精確化目標。由于Omniclass分類標準較為成熟，在對裝配式建筑構件編碼中很多學者也將其作為重要參照對象，結合預制構件的具體特點，形成構件編碼總體設計，實現對裝配式建筑預制構件編碼。

其中使用較多且實際操作性較強的編碼方式為基于同一信息組織的柔性代碼結構，單一構件編碼由剛性碼段、柔性碼段和流水碼段組成[29]。在不同項目中，參與對象對構件的信息需求有所差異，因此裝配式建筑構件編碼分為基礎的構件編碼、構件生產材料編碼及構件安裝位置編碼(圖6)。

圖6 構件編碼類型與用戶對應關系

構件基礎編碼是根據裝配式建筑預制構件的分類進行系統(tǒng)的編碼，其重點是保證構件分類編碼的完整性。構件位置編碼側重于對構件在樓層中所在的具體位置信息進行說明，構件的生產材料編碼則是對構件生產過程中涉及到的材料進行編碼，方便構件工廠對于生產材料的信息化管理(圖7)。

圖7 構件編碼總體設計

現階段針對不同類型建筑構件編碼的研究都較為深入細致，編碼的方式也較為成熟。但在實際操作中由于各研究單位或應用企業(yè)存在分類偏好，導致對于構件的編碼總體設計存在差別，從而一定程度上阻礙了各單位之間的信息交付。為了實現信息有效傳遞，NBIMs在IFC標準格式的基礎上結合Omniclass分類體系形成裝配式建筑構件分類標準。我國為了有效推動BIM技術在工程項目中的應用，在2014年發(fā)布《建筑工程設計信息模型分類和編碼標準》，2017年底發(fā)布《建筑信息模型分類和編碼標準》，為了實現BIM與裝配式的有效結合，多省已經在此基礎上形成相應的裝配式建筑構件編碼標準，但現階段針對裝配式建筑領域國家編碼標準仍處于空缺階段。

3.3 預制構件信息交付標準

在交付前需要根據交付對象、工程階段及任務類型對交付內容進行明確，按照統(tǒng)一的信息交付標準進行交付。其中信息交付標準除了預制裝配式建筑的BIM設計標準，還涉及到信息的格式、信息的分類標準、信息的范圍與信息的深度要求(圖8)。

圖8 裝配式建筑預制構件生產信息交付內容

IDM (information delivery manuals)信息交付手冊可以實現在建設項目全生命周期中多參與方之間、多項目之間以及多業(yè)務流程之間特定需求信息及非完整IFC信息的交互和共享，從而達到針對特定階段的信息需求和表達模式的標準化，并與IFC標準形成映射關系，為多源異構BIM模型和軟件工具之間的協同工作提供信息標準基礎[30]。IDM在傳統(tǒng)項目全生命周期中的信息交付標準較為系統(tǒng)，并在近幾年根據不同專業(yè)需要逐步向特殊領域形成相應的信息交付標準，目前IDM已經在預制混凝土領域有所應用。但針對裝配式建筑全過程信息交付的信息深度和信息范圍仍然處于研究階段，其中就構件生產階段，需要針對信息交付的不同對象和不同階段對交付信息的范圍和深度進行明確的定義。

4 結束語

近幾年國內外對于BIM技術在裝配式建筑預制構件生產階段應用研究均呈逐漸增多的趨勢，但國外對于相關信息技術在構件生產過程中的實際應用遠提前于國內。其中：

(1) BIM相關信息技術應用方面。國外已經能夠實現利用相關信息技術實現構件生產自動化工藝流程及構件生產信息化管理，而國內對于相關信息技術的應用研究主要側重于RFID技術和管理信息系統(tǒng)，只能實現構件生產管理的初步信息化，對于實現構件自動化生產仍然是后續(xù)重點研究方向。

(2) 生產信息交付方面。國外針對基于IFC的預制構件的拓展及描述方法研究早于國內，并已經形成較為完善的擴展機制，國內對于基于IFC的擴展機制研究較少，且多為直接使用擴展機制進行IFC擴展。對于建筑構件編碼現階段國內研究較為成熟，但對于統(tǒng)一的裝配式領域國家編碼標準仍處于空缺階段。對于信息交付標準方面，國際上IDM信息交付手冊對于裝配式建筑全過程信息交付的信息深度和信息范圍仍處于研究階段，對形成適合我國建筑行業(yè)標準的裝配式建筑構件信息交付標準相關研究仍處于空白階段。

針對以上兩方面國內研究機構雖已經形成較多研究成果，但在實際生產過程中仍然面臨生產管理雜亂、生產自動化程度低、信息傳遞效率低及BIM模型利用不充分等問題。因此在面對理論研究與實際應用脫節(jié)的情況下，除了進一步完善相關理論研究之外，如何有效的將各項研究應用到實際的構件生產過程中，提高各環(huán)節(jié)的效率，也是現階段各研究單位和企業(yè)應該重點思考的問題。

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Application of BIM Technology in the Manufacturing Stage of Precast Elements of Prefabricated Construction

XU Zhao, ZHAN Xinkui, ZHANG Xing

(Department of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210000, China)

In order to have a systematic and clear understanding of the application of BIM technology in the production stage of prefabricated building components, based on a large number of literature, we reviewed the production process and process flow of prefabricated components. Combined with the statistical analysis of the literature, the application of BIM related information technology in the production stage of prefabricated components is introduced, and the research status of information delivery in the production stage of prefabricated components is systematically concluded. Finally, this paper summarizes the gap of related researches between home and abroad, and puts forward the corresponding research suggestions. By reviewing the previous study on the application of BIM and information technologies, the paper also discusses the challenges and bottlenecks for information management in the manufacturing stage of precast elements, as well as future orientation of BIM technology application.

prefabricated construction; production stages; components; building information modeling; information technology

TU 201.4

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061148

A

2095-302X(2018)06-1148-08

2018-04-03；

2018-06-01

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0702001-06)

徐 照(1982-)，男，江蘇徐州人，副教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為BIM、工程管理等。E-mail：bernardos@163.com