基于BIM与物联网的装配式建筑质量追溯系统研究

张 韵,邰立斌,李成发

(浙江省建筑科学设计研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 研究背景

1.1 政策要求

2016年2月,中共中央国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》,把“发展新型建造方式”列为重点工作,提出大力推广装配式建筑。2016年9月,发布《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》,重点要求完善和加强装配式建筑工程质量安全全过程监管,建立全过程质量追溯制度。2017年2月,发布《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》,再次重申推进建筑产业现代化,鼓励信息化管理和智能化应用,加快推进BIM技术在设计、施工和运营维护全过程的集成应用,实现建设项目全生命周期数据共享。

1.2 当前装配式建筑质量管理现状

当前装配式建筑部品构件的质量管理主要着眼于设计、生产和施工三个过程中。设计阶段中装配式设计企业通过控制预制构件跨度,重点解决渗漏防水等,优化预制构件工艺图深化设计,结合深化设计BIM模型整体把控构件设计质量。生产阶段中构件生产厂家根据设计企业出具的构件工艺图纸安排生产计划和任务,同时驻厂监理也会对构件生产的原材料进行质量检验,待质量合格后构件生产企业再进行模具放置、钢筋绑扎、预埋件和洞口预留等隐蔽工程,而后浇筑混凝土,经质量管理人员和驻场监理完成隐蔽验收和成品验收后,形成质量满足要求的构件成品。施工过程中由施工企业和现场监理对运至现场的预制构件进行外观完整度等各种质量核验,核查各项质量合格文件,合格后构件进入起吊吊装阶段,与楼栋现浇部分整体叠合[1]。

过去几十年建筑领域的质量监管,大多是针对现浇工程,对于装配式建筑,无论是技术还是政策方面,质量管理措施都显得较为不足。在项目的施工许可、施工图审查、质量检测和竣工验收等监管环节上,还没有形成促进装配式建筑加快发展的创新机制；设计、审图、生产、物流、施工等环节质量安全监管脱节,尤其是在生产环节,存在监管盲区。再加上装配式建筑目前技术标准体系不够成熟,成本优势和社会效益不够明显,亟需大力提升装配式建筑质量监管水平,集成物联网、互联网和管理信息系统等技术,建立起多方参与高效协同的一体化服务平台和质量追溯系统,从而有序推进建筑工业化持续健康向前发展。

2 物联网技术

作为新一代信息技术的重要组成部分,物联网是以互联网为基础,通过无线射频技术(RFID)、识读设备和定位系统等设备,按照预定协议,将设备与互联网连接起来,实现物与物相连,物与人相连的识别管理过程。目前,我国已将“物联网”明确列入《国家中长期科学技术发展规划(2006—2020年)》和2050年国家产业路线图。

物联网包含四个关键应用技术,分别是智能技术、纳米技术、传感器和射频识别RFID技术,其中RFID技术原理为阅读器与标签之间进行非接触式的数据通信。RFID应用非常广泛,典型应用有生产线自动化、物流管理等。

物联网的整体架构可分为感知层、网络层和应用层。其中感知层是由二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头和温度湿度传感器等各种感知设备构成。作为物联网系统识别并采集对象信息的来源,感知层位于最底层,也是整个架构的基础层,是整个物联网的核心。网络层作为物联网的“大脑”,是由通讯网络、信息中心、网络管理中心和融合网络等共同组成,是物联网系统的神经中枢,负责信息数据传输与处理。应用层位于物联网三层结构中的最顶层,主要功能是通过云计算平台对信息进行处理和深层挖掘。物联网系统将物品与互联网相连接,通过信息交换和通信,实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理[2]。

3 系统整体方案

建筑工业化是建筑业的一场革命,是生产方式方面的彻底变革,必然会带来生产力和生产关系两方面的重大改变,与之对应的,也需要整合现代科学技术和现代化管理来适应这场变革。

本文从质量监管角度将项目参与各方纳入统一系统平台,抓住建造过程中部品构件这一关键要素,协同各关键环节,建立以BIM模型为基础,集成先进的物联网、云服务等信息化技术,实现对整个建筑全生命周期过程中的质量监管和追溯。

3.1 系统建设内容

通过信息化手段,采集建设、设计、生产、施工监理等相关参建单位工业化建筑全生命周期相关数据,搭载BIM模型,以编码系统为基础实现对装配式建筑项目建设全生命周期进行质量监督与管理,建设装配式建筑质量追溯系统,从而实现建筑质量可追溯。整体建设内容见图1。

图1 系统建设内容

3.2 系统设计原则

先进性：整个系统必须建设在一个先进的技术构架之上,保证整个系统的先进性。

稳定性：系统运行需要可靠稳定,关键在于操作系统与硬件设备的协作,从而保证系统稳定运行,故障率低。

高效性：系统的高效性主要取决于系统服务器的性能指标,具体包括系统响应速度和作业吞吐量。

易用性：系统最终要交付用户使用及维护,不宜对使用人员和维护人员专业知识技能要求过高。在前期设计时需要充分考虑用户在使用系统时的易操作性和易维护性,从而达到工作过程优化,操作流程顺畅。

易维护性：易维护性旨在利用特定的技术和产品来提高系统的可靠性,降低系统的购买、使用、部署和支持费用。

开放性：开放性是降低开发总成本的必然要求,也是与其他系统功能对接的前提。一个开放的开发平台,可以允许程序开发人员设计和开发出不受操作系统限制的软件产品。

3.3 系统整体框架

整个系统采用B/S多层体系结构,分为5个层次,分别为基础层、数据层、接入层、平台层和应用层。标准规范体系与安全体系贯穿所有层次,支撑所有层次设计与实现。

基础层：本次系统建设中,系统部署服务器采用政府政务云平台或向通讯服务商IDC机房机柜租用方式,使用云平台数据中心进行数据管理和应用发布。

数据层：主要包括本次系统建设中所有的数据资源和文档资源。

接入层：主要包括对生产企业原有ERP系统数据接入,装配式建筑项目施工企业管理系统接入。没有系统平台的企业采用手持终端、PAD等数据通过物联网设备上传至本系统。

平台层：在本系统设计中,主要采用数据统一支撑平台,包括流程管理、访问控制、权限管理、日志管理、编码管理、数据接口等。

应用层：包括政府各级相关管理部门、生产企业、建筑项目建设参建企业。

整体设计框架见图2。

功能流程图见图3。

4 应用案例

基于BIM与物联网的装配式建筑质量追溯系统,目前已应用于浙江省绍兴市越城区新一轮城中村改造(念亩头组团一期二期)安置房建设工程中。

项目各参与方,建设单位(绍兴市城南城中村改造建设有限公司)、 设计单位、 生产单位(绍兴宝城建筑工业化制造有限公司)、施工单位(浙江宝业建设集团有限公司),将项目中关键环节(浇筑、质检、入库、出库、施工质检、吊装、安装)中的部品构件信息统一录入到系统中,实现建造过程中的信息流运转。

图2 系统整体框架

图3 系统功能流程

各部品构件以BIM模型为载体,在设计阶段、施工阶段和运维阶段,通过RFID技术采集各个阶段的构件质量数据,形成完整信息流,纳入到项目全生命周期质量管理过程中。

4.1 工程概况

建设地点：绍兴市越城区城南街道念亩头村。

建设规模：建筑面积约59 056.29 m2,其中地上建筑面积约46 175 m2,包括3层公建2幢,6层住宅3幢,9层住宅4幢,10层住宅2幢,13层住宅1幢,14层住宅1幢等；地下建筑面积约12 881.29 m2,地下1层。

系统应用的6#、8#单体(作为试点)为装配整体式混凝土结构,预制率不低于20%。

4.2 工程应用

2019年1月,系统整体需求梳理完成,开始系统概要设计和软件开发工作；

2019年3月,试点项目协调,明确念亩头住宅项目作为试点；

2019年5月,系统研发工作完成,念亩头项目试点相关方对接完成；

2019年7月,念亩头项目BIM模型端梳理导入,完成预制构件的生产、质检、运输和安装施工跟踪；

2019年11月,试点工作完成,系统提交试运行。

4.3 信息流基础：BIM模型

BIM是创建包含建筑基本组件几何信息和状态信息,同时包含非组件对象空间动态等信息的三维建筑信息模型的过程和结果的总称。本工程使用Autodesk Revit软件建立的模型,经过基于webGL的BIM轻量化引擎处理后,可实现web端和手持端实时显示。试点楼栋6#和8#处理后模型见图4。

图4 试点单体轻量化模型

模型导入处理成功后，系统会按模型预先设定编码规则读取部品构件相关信息,生成构件清单,见图5。

图5 构件清单

4.4 部品构件生产质量信息流

4.4.1 生产材料信息录入

生产厂家在确定构件清单之后,编排生产计划,采购水泥钢筋等原材料。在准备阶段,录入部品构件生产材料批次、合格证明等信息,自动上传到服务器。

4.4.2 隐蔽验收

按深化设计工艺图纸绑扎好钢筋后由生产质量管理人员自检合格后,报驻场监理验收,对预制部品构件的钢筋连接、保护层、预留孔道和埋件数量位置等数据进行核对验收,验收合格后方可浇筑混凝土,在固定位置放置RFID芯片,并完成与构件关联工作。构件编码与RFID芯片一一对应,不可编辑修改。

4.4.3 成品验收

构件养护完成后,通过RFID手持机设备,自动读取构件相关信息,质检人员目测检查部品构件外观质量(包括平整度等),检查构件外形尺寸、预留洞口、钢筋预留长度等信息,完成构件生产成品验收信息记录,并上传至系统服务器。

4.4.4 堆场管理

构件按生产计划批次堆放,通过RFID手持机设备扫描,录入堆放场地区域和堆放责任管理人员等信息,上传到系统服务器,等待出厂运输。

4.5 部品构件施工质量信息流

4.5.1 进场质检

构件进场后,通过RFID手持机设备,质检人员目测检查部品构件外观质量(包括平整度等),检查构件外形尺寸、预留洞口、钢筋预留长度等信息,完成构件进场质检信息记录,并上传至系统服务器。

4.5.2 吊装验收

构件进入起吊阶段,由现场施工人员手持RFID读取器,读取构件编号信息,录入构件型号和安装位置、标高、现浇层浇筑等质量信息,完成信息记录,上传至系统服务器。

5 结 语

基于BIM与物联网的装配式建筑质量追溯系统创新点主要包括：

1)采用基于webGL的BIM轻量化引擎,模型浏览无须下载任何插件,模型的缩放、旋转、隐藏、透明、漫游、视点、模型组装和坐标定位等功能齐全；

2)通过信息化手段,采集建设、设计、生产、施工监理等相关参建单位工业化建筑全生命周期相关数据,搭载BIM模型,以编码系统为基础实现对装配式建筑项目建设全生命周期进行质量监督与管理,建设装配式建筑质量追溯系统；

3)采用RFID芯片记录部品构件生命周期内信息流转过程,相较于传统的纸质二维码标签,具有防丢失、防窜改、防水耐腐蚀等优势,保证质量可追溯。

总的来说,目前我国建筑工业化仍处于初级阶段,依然存在着诸多需要完善的地方,如监管机制的创新和建设等。本系统在念亩头安置房项目进行的实际应用表明,以BIM技术和物联网技术(RFID)为基础的质量追溯系统,对部品构件的生产、出厂、进场、吊装等各环节进行质量跟踪管理,能够实现建设过程信息共享,项目过程质量信息管控和部品构件全生命周期质量追溯。同时系统中存储的部品构件质量数据也能为后期建筑智能化运维提供数据支撑。在探索装配式建筑质量追溯体系建设和推动建筑业转型升级方面,本文的研究具有一定的推广价值和现实意义。