基于BIM與物聯網的裝配式建筑質量追溯系統研究

張 韻,邰立斌,李成發

(浙江省建筑科學設計研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 研究背景

1.1 政策要求

2016年2月,中共中央國務院發布《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》,把“發展新型建造方式”列為重點工作,提出大力推廣裝配式建筑。2016年9月,發布《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》,重點要求完善和加強裝配式建筑工程質量安全全過程監管,建立全過程質量追溯制度。2017年2月,發布《國務院辦公廳關于促進建筑業持續健康發展的意見》,再次重申推進建筑產業現代化,鼓勵信息化管理和智能化應用,加快推進BIM技術在設計、施工和運營維護全過程的集成應用,實現建設項目全生命周期數據共享。

1.2 當前裝配式建筑質量管理現狀

當前裝配式建筑部品構件的質量管理主要著眼于設計、生產和施工三個過程中。設計階段中裝配式設計企業通過控制預制構件跨度,重點解決滲漏防水等,優化預制構件工藝圖深化設計,結合深化設計BIM模型整體把控構件設計質量。生產階段中構件生產廠家根據設計企業出具的構件工藝圖紙安排生產計劃和任務,同時駐廠監理也會對構件生產的原材料進行質量檢驗,待質量合格后構件生產企業再進行模具放置、鋼筋綁扎、預埋件和洞口預留等隱蔽工程,而后澆筑混凝土,經質量管理人員和駐場監理完成隱蔽驗收和成品驗收后,形成質量滿足要求的構件成品。施工過程中由施工企業和現場監理對運至現場的預制構件進行外觀完整度等各種質量核驗,核查各項質量合格文件,合格后構件進入起吊吊裝階段,與樓棟現澆部分整體疊合[1]。

過去幾十年建筑領域的質量監管,大多是針對現澆工程,對于裝配式建筑,無論是技術還是政策方面,質量管理措施都顯得較為不足。在項目的施工許可、施工圖審查、質量檢測和竣工驗收等監管環節上,還沒有形成促進裝配式建筑加快發展的創新機制；設計、審圖、生產、物流、施工等環節質量安全監管脫節,尤其是在生產環節,存在監管盲區。再加上裝配式建筑目前技術標準體系不夠成熟,成本優勢和社會效益不夠明顯,亟需大力提升裝配式建筑質量監管水平,集成物聯網、互聯網和管理信息系統等技術,建立起多方參與高效協同的一體化服務平臺和質量追溯系統,從而有序推進建筑工業化持續健康向前發展。

2 物聯網技術

作為新一代信息技術的重要組成部分,物聯網是以互聯網為基礎,通過無線射頻技術(RFID)、識讀設備和定位系統等設備,按照預定協議,將設備與互聯網連接起來,實現物與物相連,物與人相連的識別管理過程。目前,我國已將“物聯網”明確列入《國家中長期科學技術發展規劃(2006—2020年)》和2050年國家產業路線圖。

物聯網包含四個關鍵應用技術,分別是智能技術、納米技術、傳感器和射頻識別RFID技術,其中RFID技術原理為閱讀器與標簽之間進行非接觸式的數據通信。RFID應用非常廣泛,典型應用有生產線自動化、物流管理等。

物聯網的整體架構可分為感知層、網絡層和應用層。其中感知層是由二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭和溫度濕度傳感器等各種感知設備構成。作為物聯網系統識別并采集對象信息的來源,感知層位于最底層,也是整個架構的基礎層,是整個物聯網的核心。網絡層作為物聯網的“大腦”,是由通訊網絡、信息中心、網絡管理中心和融合網絡等共同組成,是物聯網系統的神經中樞,負責信息數據傳輸與處理。應用層位于物聯網三層結構中的最頂層,主要功能是通過云計算平臺對信息進行處理和深層挖掘。物聯網系統將物品與互聯網相連接,通過信息交換和通信,實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理[2]。

3 系統整體方案

建筑工業化是建筑業的一場革命,是生產方式方面的徹底變革,必然會帶來生產力和生產關系兩方面的重大改變,與之對應的,也需要整合現代科學技術和現代化管理來適應這場變革。

本文從質量監管角度將項目參與各方納入統一系統平臺,抓住建造過程中部品構件這一關鍵要素,協同各關鍵環節,建立以BIM模型為基礎,集成先進的物聯網、云服務等信息化技術,實現對整個建筑全生命周期過程中的質量監管和追溯。

3.1 系統建設內容

通過信息化手段,采集建設、設計、生產、施工監理等相關參建單位工業化建筑全生命周期相關數據,搭載BIM模型,以編碼系統為基礎實現對裝配式建筑項目建設全生命周期進行質量監督與管理,建設裝配式建筑質量追溯系統,從而實現建筑質量可追溯。整體建設內容見圖1。

圖1 系統建設內容

3.2 系統設計原則

先進性：整個系統必須建設在一個先進的技術構架之上,保證整個系統的先進性。

穩定性：系統運行需要可靠穩定,關鍵在于操作系統與硬件設備的協作,從而保證系統穩定運行,故障率低。

高效性：系統的高效性主要取決于系統服務器的性能指標,具體包括系統響應速度和作業吞吐量。

易用性：系統最終要交付用戶使用及維護,不宜對使用人員和維護人員專業知識技能要求過高。在前期設計時需要充分考慮用戶在使用系統時的易操作性和易維護性,從而達到工作過程優化,操作流程順暢。

易維護性：易維護性旨在利用特定的技術和產品來提高系統的可靠性,降低系統的購買、使用、部署和支持費用。

開放性：開放性是降低開發總成本的必然要求,也是與其他系統功能對接的前提。一個開放的開發平臺,可以允許程序開發人員設計和開發出不受操作系統限制的軟件產品。

3.3 系統整體框架

整個系統采用B/S多層體系結構,分為5個層次,分別為基礎層、數據層、接入層、平臺層和應用層。標準規范體系與安全體系貫穿所有層次,支撐所有層次設計與實現。

基礎層：本次系統建設中,系統部署服務器采用政府政務云平臺或向通訊服務商IDC機房機柜租用方式,使用云平臺數據中心進行數據管理和應用發布。

數據層：主要包括本次系統建設中所有的數據資源和文檔資源。

接入層：主要包括對生產企業原有ERP系統數據接入,裝配式建筑項目施工企業管理系統接入。沒有系統平臺的企業采用手持終端、PAD等數據通過物聯網設備上傳至本系統。

平臺層：在本系統設計中,主要采用數據統一支撐平臺,包括流程管理、訪問控制、權限管理、日志管理、編碼管理、數據接口等。

應用層：包括政府各級相關管理部門、生產企業、建筑項目建設參建企業。

整體設計框架見圖2。

功能流程圖見圖3。

4 應用案例

基于BIM與物聯網的裝配式建筑質量追溯系統,目前已應用于浙江省紹興市越城區新一輪城中村改造(念畝頭組團一期二期)安置房建設工程中。

項目各參與方,建設單位(紹興市城南城中村改造建設有限公司)、 設計單位、 生產單位(紹興寶城建筑工業化制造有限公司)、施工單位(浙江寶業建設集團有限公司),將項目中關鍵環節(澆筑、質檢、入庫、出庫、施工質檢、吊裝、安裝)中的部品構件信息統一錄入到系統中,實現建造過程中的信息流運轉。

圖2 系統整體框架

圖3 系統功能流程

各部品構件以BIM模型為載體,在設計階段、施工階段和運維階段,通過RFID技術采集各個階段的構件質量數據,形成完整信息流,納入到項目全生命周期質量管理過程中。

4.1 工程概況

建設地點：紹興市越城區城南街道念畝頭村。

建設規模：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。

系統應用的6#、8#單體(作為試點)為裝配整體式混凝土結構,預制率不低于20%。

4.2 工程應用

2019年1月,系統整體需求梳理完成,開始系統概要設計和軟件開發工作；

2019年3月,試點項目協調,明確念畝頭住宅項目作為試點；

2019年5月,系統研發工作完成,念畝頭項目試點相關方對接完成；

2019年7月,念畝頭項目BIM模型端梳理導入,完成預制構件的生產、質檢、運輸和安裝施工跟蹤；

2019年11月,試點工作完成,系統提交試運行。

4.3 信息流基礎：BIM模型

BIM是創建包含建筑基本組件幾何信息和狀態信息,同時包含非組件對象空間動態等信息的三維建筑信息模型的過程和結果的總稱。本工程使用Autodesk Revit軟件建立的模型,經過基于webGL的BIM輕量化引擎處理后,可實現web端和手持端實時顯示。試點樓棟6#和8#處理后模型見圖4。

圖4 試點單體輕量化模型

模型導入處理成功后，系統會按模型預先設定編碼規則讀取部品構件相關信息,生成構件清單,見圖5。

圖5 構件清單

4.4 部品構件生產質量信息流

4.4.1 生產材料信息錄入

生產廠家在確定構件清單之后,編排生產計劃,采購水泥鋼筋等原材料。在準備階段,錄入部品構件生產材料批次、合格證明等信息,自動上傳到服務器。

4.4.2 隱蔽驗收

按深化設計工藝圖紙綁扎好鋼筋后由生產質量管理人員自檢合格后,報駐場監理驗收,對預制部品構件的鋼筋連接、保護層、預留孔道和埋件數量位置等數據進行核對驗收,驗收合格后方可澆筑混凝土,在固定位置放置RFID芯片,并完成與構件關聯工作。構件編碼與RFID芯片一一對應,不可編輯修改。

4.4.3 成品驗收

構件養護完成后,通過RFID手持機設備,自動讀取構件相關信息,質檢人員目測檢查部品構件外觀質量(包括平整度等),檢查構件外形尺寸、預留洞口、鋼筋預留長度等信息,完成構件生產成品驗收信息記錄,并上傳至系統服務器。

4.4.4 堆場管理

構件按生產計劃批次堆放,通過RFID手持機設備掃描,錄入堆放場地區域和堆放責任管理人員等信息,上傳到系統服務器,等待出廠運輸。

4.5 部品構件施工質量信息流

4.5.1 進場質檢

構件進場后,通過RFID手持機設備,質檢人員目測檢查部品構件外觀質量(包括平整度等),檢查構件外形尺寸、預留洞口、鋼筋預留長度等信息,完成構件進場質檢信息記錄,并上傳至系統服務器。

4.5.2 吊裝驗收

構件進入起吊階段,由現場施工人員手持RFID讀取器,讀取構件編號信息,錄入構件型號和安裝位置、標高、現澆層澆筑等質量信息,完成信息記錄,上傳至系統服務器。

5 結 語

基于BIM與物聯網的裝配式建筑質量追溯系統創新點主要包括：

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

2)通過信息化手段,采集建設、設計、生產、施工監理等相關參建單位工業化建筑全生命周期相關數據,搭載BIM模型,以編碼系統為基礎實現對裝配式建筑項目建設全生命周期進行質量監督與管理,建設裝配式建筑質量追溯系統；

3)采用RFID芯片記錄部品構件生命周期內信息流轉過程,相較于傳統的紙質二維碼標簽,具有防丟失、防竄改、防水耐腐蝕等優勢,保證質量可追溯。

總的來說,目前我國建筑工業化仍處于初級階段,依然存在著諸多需要完善的地方,如監管機制的創新和建設等。本系統在念畝頭安置房項目進行的實際應用表明,以BIM技術和物聯網技術(RFID)為基礎的質量追溯系統,對部品構件的生產、出廠、進場、吊裝等各環節進行質量跟蹤管理,能夠實現建設過程信息共享,項目過程質量信息管控和部品構件全生命周期質量追溯。同時系統中存儲的部品構件質量數據也能為后期建筑智能化運維提供數據支撐。在探索裝配式建筑質量追溯體系建設和推動建筑業轉型升級方面,本文的研究具有一定的推廣價值和現實意義。