信息技术在构件生产阶段的应用与展望

周 垚 李希胜

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

引言

装配式建筑是指以混凝土构件为主要构件，在工厂采用工业化的方式预制后经现场装配、连接、部分现浇而形成的新型建筑，因其在节能环保以及生产效率方面的优势被大力推广。预制构件作为装配式建筑的基本单元，其预制生产对于整个建设项目的进度、成本和质量控制具有十分重要的意义。现阶段将BIM(building information modeling)等信息技术与预制构件生产相结合是该领域的研究热点。BIM技术具有可视化、协同性、可优化等特点，将BIM技术应用于构件生产阶段可以有效解决信息量大、协同难等问题，并在装配式建筑全生命周期达到更高的综合效益。关于BIM等信息技术在装配式建筑工程中的应用已有许多评论，但研究范围过于广泛，对于构件生产阶段的详细分析是十分有限的。因此，需要一个关键性的分析来总结研究成果、识别研究空白。本文首先对预制构件的生产过程进行分析并建立生产模型，其次根据生产模型及相关文献的回顾建立一个综合的概念框架，然后依据该框架模型对文献进行分类，通过文献评论总结各子阶段的研究现状、研究方法和研究局限，并针对这些不足提供未来的研究方向。本研究结果将有助于科研人员厘清该领域的研究趋势，提高企业信息化水平，促进产业转型升级。

1 预制构件生产过程分析

预制构件生产是指生产商根据设计方案，利用一定的生产资源组织并管理生产，最终交付构件的整个过程。对于预制构件的生产过程，已有一些学者对其进行了研究。SACKS提出了预制构件生产过程的总体框架。Dawood将生产过程分为生产设计、生产计划和制造三个阶段。由于我国装配式建筑还处于发展阶段，设计院欠缺相关设计经验，难以全面地把握生产车间、施工现场的具体情况，其提供的设计结果通常无法达到生产与装配的精度要求，生产方需要依据相关规范，结合生产、运输、施工的实际条件，进行深化设计。因此，本文根据已有研究和我国建筑行业特点将构件生产过程分为深化设计、生产计划、生产制造、存储和运输交付四个阶段，并通过实际调研对每个子阶段的主要工作内容进行了概括，从而建立预制构件生产模型，如图1所示。

2 文献统计分析

2.1 文献来源

首先对文献搜索词进行组合设计，如下表1所示，在ScienceDirect，The Web of Science 和中国知网等数据库中查找2007年以后发布的信息技术在构件生产阶段应用的相关文章，并利用文献追踪的方法增加收集量，共收集到463篇文献资料，其结果如图2所示。从图中可以发现国内外关于信息技术在预制构件生产阶段的应用研究整体发展呈现增长趋势，但国外针对信息技术在生产阶段的研究较早，同期公开的论文数量始终高于国内。自2014年以来，国内文献数量迅速增长，尤其在2016年以后，呈现高速増长态势，说明信息技术在构件生产中的应用正逐步得到国内专家学者的重视。

表1 文献搜索关键词

图2 2007～2019年国内外发文量年度分布图

2.2 研究方法

本文主要聚焦于信息技术在构件生产阶段的研究与实践，为了抓住重点，对上述论文进一步扫描、泛读，删除不符合主题的文献，最终确定60篇与本研究主题强相关的论文，并将其映射到概念框架中。该概念框架由构件生产模型及信息技术的研究热点构成。构件生产过程的各个阶段及主要任务构成该框架模型的列，而行则表示信息技术的研究热点。其中，信息技术的研究热点是根据对广泛引用的论文的回顾得出的。将上述60篇论文分配给相应的行元素与列元素的交集，如表2所示，其中有些论文可能涵盖多个研究主题。表格中灰色区域表示该研究主题不适用于某些阶段。最后通过文献评论的方法对已分类文献进行评价，这一方法有助于突出该领域当前的成就和未解决的关键问题。

3 研究内容

3.1 深化设计

深化设计是指预制企业根据生产工艺以及运输、施工吊装中的需求，对构件进行拆分设计、节点设计和其他设计，并进行构件受力验算，最后得到可实施的设计方案。深化设计后的方案应满足原方案的技术要求，符合国家及相关省市的设计、施工规范[1]。

BIM技术是该阶段的应用重点，充分发挥 BIM 技术的协同性、参数化等优势进行预制构件深化设计，有效解决了装配式建筑设计效率低及错漏碰缺等问题[2-5]。构件的自动拆分是该课题目前的研究热点。构件拆分是指把设计结果中不利于实现的单个构件按照一定规则拆分为满足模数协调以及生产、运输、施工要求的多个预制构件的过程。针对目前费时费力的手动拆分，冯青等人利用 BIM 二次开发技术，实现了装配式框架结构中部分构件的自动拆分。但是该方法只能实现有限的组合，没有综合考虑构件的标准化以及经济性。构件生产单元组合程度较低、生产效率不高[6-7]。针对此不足，

表2 关于信息技术在构件生产阶段研究的框架模型

Khalili提出相连接的多个构件应该组合形成一个预制单元，并基于IFC(工业基础类的简称)实现构件拆分的自动化，节约了生产成本并便于构件运输[8]。

虽然已有一些预制构件自动化拆分的研究成果，但研究尚不成熟，构件拆分仍不能完全实现自动化。且研究多集中于基于约束的预制构件的自动化拆分，如生产、运输设施对构件长度的限制等，拆分规则过于单一，缺少对基于成本、工程结构特点、规模等知识的构件自动拆分研究。

3.2 生产计划

预制构件投产之前需要根据交付日期编制生产计划，合理的生产计划应在满足建设项目施工进度的前提下综合考量生产能力与库存成本，以实现最大化效益。信息技术在该阶段的研究议题主要集中在生产调度。

生产调度可以看作是一个传统的流水车间序列问题，其求解十分复杂，现阶段模型优化求解主要以遗传算法为主。在早期，生产调度优化的首要目标是尽量减少生产时间，这忽略了提前交付造成构件成本和损坏概率的增加。为此，一些学者对目标函数进行了修正，以准时交付和最低生产成本作为优化目标[9]。但是这些研究都假设了丰富的生产资源，这与实际生产是不一致的。因此，Hu等人从资源角度优化生产调度，其基本思路是将这些生产资源的限制条件作为函数的一部分，如模具、劳动力、库存空间、工作站之间缓冲大小等，通过不断过滤超出产能条件的计划，以保证所得结果的可实现性[10-12]。但尚未发现在各类型资源约束下， 同时满足交付期和最低生产成本的方法。除此之外，上述研究主要集中在理论上的优化，以实现一个单一的目标，并有限地考虑到现实世界的生产环境。为了解决这一问题，Chen、Wang等专家学者采用仿真模拟的方法再现预制构件生产的真实场景，为求解复杂的数学模型提供了支持[13-14]。

在前人文献综述的基础上，本课题总结了现有生产计划研究的不足：

(1)构件生产过程中的不确定性因素较多，如机器故障、需求变化、产品质量、抢修订单等。但现有研究主要集中在静态规划或对单个扰动的响应上，以实现一个单一的目标与简单的假设，缺少对如何优化重新调度以响应多个干扰的研究。

(2)由于我国仍处于手工生产、半自动化生产的阶段，因此人的不确定性较大，但大部分研究固定化工人操作时间，没有考虑到工人生产效率的影响。

3.3 生产制造

生产制造是指依据生产计划进行预制构件生产并管理的过程。信息技术在该阶段的研究主题集中于自动化生产、质量控制和生产管理。

我国现阶段仍处于手工生产、半自动化生产阶段，只有个别工艺环节能够实现自动化，在整个构件生产过程中仍旧离不开人工协助，图3明确展示了现阶段我国构件生产自动化程度[15]。预制构件的全自动流水线生产是该课题的研究热点，欧美和日本等发达国家针对自动化生产研究开始较早，构件生产设备智能化、集成化水平都较高[16]。国内对集成构件的自动化生产线也做了一些研究，虽然这些研究提高了构件的生产率，但在设计自动化生产设备，集成自动化流水线方面仍有许多工作要做[17-18]。

图3 预制构件生产工艺自动化程度

在质量控制方面，由于手工检查和基于纸质的质量数据管理效率低下，一些学者提出利用BIM和激光扫描技术对成品构件进行质量检测，自动地评估全尺寸预制混凝土构件的关键质量标准，并通过BIM存储和传递质量检验数据[19]。但这些研究集中于对成品构件的几何尺寸和表面质量缺陷的自动评价，尚不能实现对构件中钢筋、预埋件等质量标准的自动检测。因此，yin等人借助 RFID、移动设备及互联网技术开发预制构件质量管理系统，对构件生产过程进行跟踪记录，包括来料检验、生产过程检验、模具检验，样品检验等，解决了数据记录和存储的困难，防止数据的重复输入，并方便信息即时反馈[20]。相较于基于纸张的传统质量管理，增强了自动化数据收集和信息管理的能力。一旦出现质量问题可进行质量追溯，查明质量原因并对质量责任人进行追责。

信息化的生产管理系统也是该阶段的研究热点，一个完备的生产管理系统应该包括：生产计划管理； 资源管理； 设备管理； 进度管理； 质量管理； 成本管理； 库存管理等。目前大部分学者围绕BIM和企业资源计划系统(ERP)进行构件的生产管理系统的研究，该系统将生产预制过程与施工现场活动进行集成，实现对构件在生产及施工过程中相关信息的跟踪与管理，并且管理人员可直接提取BIM 模型中相关生产信息，减少在 ERP系统中二次输入，提高信息流的有效性和灵活性[21]。但这些研究有一定的局限性，忽视了构件生产过程信息的实时反馈。针对此不足，董娜对构件可视化过程管理进行了研究，开发了基于BIM-RFID的构件进度管理系统[22]。

本研究课题的局限性可归纳于以下三部分：

(1)目前对RFID的应用集中于对构件信息跟踪和记录，缺少对生产设备、进度、工人等元素的实时监控，以监测每一次作业是否在计划时间内使用合适的资源进行。特别是缺乏实际生产过程与生产计划的比较，因此很难发现生产干扰的发生，无法实时反映构件生产过程状态。

(2)对构件自动质量检测的研究主要集中于成品构件，缺少对构件生产过程质量的自动化检测。

(3)对多维度信息化生产管理系统的研究较少，如图4所示，尚缺乏对RFID、ERP、BIM三者有效集成的研究。

图4 构件信息化生产管理系统

3.4 库存和运输交付

由于预制构件堆放场地较大，库存货物数量较多，很容易发生存取货物混乱，交付不及时等问题。该课题将从以下三个角度进行研究以解决上述问题：(1)库存水平； (2)库位布局； (3)识别、跟踪、定位。

在建筑供应链中，由于对预制构件识别、跟踪和定位不当，会导致构件延迟交付、构件错位等问题。因此，识别、跟踪和定位构件是库存和运输管理的关键。一些研究表明RFID和条形码技术使人们能够识别构件并记录操作信息； 全球定位系统(简称GPS)、地理信息系统(GIS)能显著提高构件的定位跟踪效率[23-24]。这些研究改进了供应链管理的可视化，为预制供应链的智能运输管理提供了启示。除此之外，库位布局和库存水平也是该课题的关注点。过剩的库存将增加预制供应链的成本，IM为了控制构件的库存水平，试图通过模拟需求变化、预计提前期和生产调度优化来识别库存水平[25]。Hong通过智能化算法开发库位分配系统，对堆场库位进行合理布局，有效提高了堆场利用率[26]。

本课题在前人相关研究的基础上，归纳了以下不足：

(1)对构件的自动识别、跟踪和定位的研究大多集中在数据收集上，并没有彻底解决信息传递、共享问题，实时跟踪信息很难为所有利益攸关方所访问。

(2)现有文献中对构件跟踪的研究主要是为了追求从业人员获取实时过程和位置信息的可达性。缺少对获取数据的分析，形成基于规则的知识，以提高预制供应链的运作绩效。

3.5 系统级活动

深化设计、生产计划等多个阶段都可共同受益于一些基础性研究，如信息的互用等，此类研究被归类于系统级活动。目前装配式建筑项目各阶段、各参与方的信息往往自成体系，“信息孤岛”现象突出，其直接影响就是重复的工作和信息的大量流失。BIM环境下实现信息互用的方式有多种，其中IFC(Industry Foundation Classes)是目前建筑业广泛认可的国际性公共数据格式标准，它能够使不同的应用软件通过标准的数据接口，进行数据交换和共享[27]。但现有的 IFC 标准难以满足装配式建筑领域全寿命周期的数据需求，需要对IFC标准缺失部分进行扩展。IFC 扩展机制包括基于 Ifc Proxy 实体的扩展、基于属性集的扩展和基于增加实体定义的扩展。从扩展的难易程度来看，基于属性集的扩展方式较为简单，只需根据扩展规则增加属性种类并关联已有属性集； 基于IfcProxy实体的扩展方式次之，该方法目前使用较少； 基于增加实体定义的扩展难度最大，IFC标准历次版本升级即是基于该种机制进行扩展[28]。除了需要对新增实体自身进行定义外，还需跟原有的实体建立派生关系，避免当前版本中的实体存在冲突。目前，相关学者就构件的几何类型、质量信息、新型技术(如RFID、传感器)等对象的扩展进行了丰富的研究并取得了一定成果[29]。

但是正是由于IFC标准内容丰富，在针对不同的项目阶段和项目角色之间特定的信息交换需求时表达不够精确，因此需要充分明确各项信息的交付标准[28]。信息交付手册(IDM)就是用来实现这一目的的标准。它通过对建设项目分阶段按一定流程和目的，精确定义每一数据交换模块，包括信息格式、信息交付流程、信息分类及信息深度实现特定需求信息的交互，见图5。其中具体的信息交换内容通过模型视图定义(MVD)来表达，MVD是IFC的子集，每一个特定的MVD 都与 IFC 标准中的实体和关系对象形成了映射。通过IDM、MVD、IFC三大数据标准，保证信息交互的准确性、完整性。

图5 预制构件信息交付手册内容

我国装配式建筑领域的信息交付手册尚处于初步研究阶段。在信息分类方面，为了实现信息有效传递与共享，推动BIM技术在实际建设项目中的应用。国内于2014 年、2017年发布《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》以及《建筑信息模型分类和编码标准》等国家编码标准。但少有标准提及到装配式建筑构件的信息分类编码，目前已知的仅有土木工程学会颁发的《装配式建筑部品部件分类和编码标准》以及各省制定的地方标准，国家编码标准尚处于缺失阶段。预制构件标准化程度较低，大大增加了各参与方协同工作的难度。因此制定装配式建筑构件国家编码标准，形成符合我国标准的装配式建筑构件信息交付手册将是未来的研究重点。

4 总结

为了促进预制企业信息化技术的发展，更好地实现建筑转型升级。本文在分析上述子课题研究空白的基础上，进一步得出未来的研究方向，以期为该领域学者提供参考。

(1)基于BIM和本体进行构件拆分研究。本体论是一个源于哲学的知识框架，它将复杂的领域知识抽象为一组概念、属性、关系和规则，为复杂规则的表达提供了良好的基础并便于计算机识别。将本体与BIM相结合有利于实现构件的自动拆分。

(2)未来应致力于预制供应链中的动态平衡管理，而不是简单的静态优化。应从评估扰动的优先级、响应优化等方面进行系统的扰动管理机制研究。

(3)智能供应链将是未来研究的趋势。首先，需要解决如何在构件生产全过程中为多个利益攸关方实时提供跟踪信息。第二，最大限度地利用信息，通过数据建模和信息分析将信息转换为知识，实现管理人员科学决策，提高供应链的运作效率。

(4)基于BIM、RFID和ERP的生产管理系统的开发研究。该生产管理系统可支持管理人员对生产过程的实时监测，并为工人提供设计，生产计划相关信息，对构件生产计划的实时执行控制可进行广泛的分析，更好地指导生产实践。

(5)制定装配式建筑国家编码标准，形成我国装配式建筑构件信息交付手册。