装配式建筑部品部件数字化管理系统构建

丁晓欣，段 靖，王 群

1 吉林建筑大学 经济管理学院,长春 130118 2 深圳职业技术学院 建筑与环境工程学院,广东深圳 518055

装配式建筑由预制部品部件装配而成,一般采用标准化设计、工厂化生产、装配化施工.装配式建筑与传统的建筑在建设模式上有很大区别,装配式建筑的建造模式可以有效地减少施工现场的劳务消耗,加速建设进度,十分符合现代建筑发展的需求,因此装配式建筑得到了我国政府的大力支持和推广.但是装配式建筑在施工阶段相比传统建筑要面对更大量不同类型的信息,部品部件的二次深化协同设计信息、更多的参与方的多方协同施工以及由此带来的海量协同信息,这样直接导致工程成本攀升,工程质量、工期甚至安全难以按预定计划控制,施工管理难度因而大幅提升.因此,如何有效地整合处理这些海量信息且被各参与方高效利用,是装配式建筑部品部件管理亟待解决的问题.

通过新兴技术建立一个装配式部品部件管理平台,实现包括设计、生产、运输、现场拼装以及维护与更新在内的装配式部品部件全流程信息优化,对装配式建筑的推广具有现实意义.

1 数字化管理系统的研究现状

1.1 数字化管理系统的研究概括

目前有关数字化管理平台的各类研究仍然处于初级阶段.主要的研究都集中于以BIM三维建模技术为依托,研究开发出智慧建造系统平台,利用该平台对项目进度、质量、安全、劳务、材料、和资料等工程项目内容全面实行智能化管控和服务,可以实现建造全生命过程的智能化管理[1].同时,研究者将BIM技术的IPD模式应用到装配式建筑中,为装配式建筑构建了一个可行的管理平台[2].研究发现新兴的BIM技术能够有利于IPD项目全生命周期内的信息传输,并且能够为项目工作信息的集成提供一个更加便捷的平台,这样的平台能提升建设项目团队的整体性和团队意识[3].多数研究者探讨了智慧工地和智慧建造的含义和关系,从理念、框架、功能、实行流程等方面对智慧工地进行了理论与实践方面的探讨[4],并提出了智慧建造的概念,从现场定位、施工现场布局、信息化管理、动态监测等方面分析目前国内智慧建造技术的突破与实际应用情况[5],从而使用劳务实名制管理子系统、VR安全教育体验、塔机安全监控子系统、扬尘噪音可视化监控等技术来建设智慧工地云平台[6].然而，数字化管理平台在项目全生命周期的信息管理方面的研究涉及较少,在数字化管理平台如何存储和处理海量的项目信息,项目各方如何通过平台有效的使用这些信息方面尚需进一步研究.目前的数字化管理系统能为项目在多个阶段提供帮助,例如三维信息建模平台和参数化编程技术能在设计阶段提供三维信息建模、建筑形体逻辑加工、结构设计等功能,为复杂和宏大的项目提供设计的技术支持.与BIM相结合和兼容的工程仿真分析软件可以进行工程性能仿真和工程管理仿真.工程性能仿真包括工程结构性能仿真、工程环境影响仿真、交通人流仿真、工程环境美学性能仿真等,可以测试工程项目是否满足舒适、节能、环保等性能要求.工程管理仿真可以做到工程进度计划仿真,成本计划仿真,质量管理仿真,安全管理仿真[7].

在施工场地数字化管理系统可以提供大型设备自动化监测与监控,对工地现场的大型设备实时监测报警,及时获取其运行的状态等数据信息,减少人员事故的发生.工地视频监控与视频AI识别,结合GIS & BIM空间信息系统,实现对项目工区和事件的全方位、全时段的可视化监控管理.视频AI识别则运用于人脸识别门禁出入、车辆识别道闸出入、现场安全隐患识别和工程进度识别.数字化管理系统还可以实现人员实名制管理,通过智能卡对场地人员进行精细化管理.通过质量安全巡检APP,实时管理各项工序质量验收、材料进场验收、安全文明验收及安全月检,全方面对施工现场和施工进度进行把控[8].目前管理系统应用丰富和多样,但是所起到的作用对于装配式建筑的需求而言仍显不足.首先系统之间的信息是各自独立的,而且目前的系统对于所得到的信息也未进行有效整理,缺少对信息的总体规划和设计,尚需进一步的研究.

1.2 数字化管理系统运用于装配式建筑中存在的问题分析

目前,数字化管理平台在装配式建筑的应用中存在以下问题:

(1) 研究主要着重于施工的过程,实际应用都集中在施工现场的设备、人员以及施工工地的安全管理,研究也多数集中在系统框架的搭建,针对材料信息的收集和储存,材料可追溯性的研究涉及较少.

(2) 装配式建筑整个生命周期所含信息量巨大,现有管理平台无法系统的管理,在项目参与方需要数据信息时会发生信息交叉混淆的问题.

针对装配式建筑整个工程生命周期的管理而言,部品部件信息的规划和处理对于装配式建筑尤为重要,目前数字化系统的相关研究无法满足这些需求,因此搭建一个可以满足装配式建筑全生命周期管理的数字化管理系统十分必要.

2 装配式建筑部品部件全生命周期及数字信息构成

2.1 装配式建筑部品部件全生命周期过程

整个装配式建筑部品部件全生命周期是十分系统化的，其流程如图1所示.

图1 装配式建筑部品部件的生命周期流程Fig.1 Life cycle process of assembly building parts

2.2 全生命周期数据信息构成

装配式建筑部品部件的整个生命周期内所产生信息具有量大且重要性程度高的特点,不同的信息针对于不同的管理过程其作用也不同,因此这些信息数据的采集、储存和有效整理利用,对于整个项目的进行起着至关重要的作用.

根据目前国内及对深圳市大多数预制装配式混凝土结构、钢结构、预制隔墙等工程实例经验，以及新兴的装配式装饰工程、集成厨房、集成卫生间等更为复杂综合的部品部件的管理要求,可以总结出装配式建筑部品部件全生命周期中必要的数据信息(见表1).

表1 装配式建筑部品部件全生命周期数据信息Table 1 Data information about the whole life cycle of assembly building parts

然而不同的建设参与方在管理过程中对这些信息的需求各不相同,搭建一个适应其全生命周期管理的装配式部品部件信息系统,将所有信息进行采集储存并有效利用显得十分必要.

3 装配式建筑部品部件数字化管理系统构成

3.1 数字化管理系统的运行

数字化管理系统由BIM技术、区块链技术和物联网等新兴技术构成,IPD模式作为管理的理论模式,通过物联网技术将建筑工程中的各类信息进行提取和收集,并传输到BIM系统中,由BIM进行信息的整合和模型的建立,实时管理整个工程的全生命周期,保证项目健康顺利运营；区块链技术加入,为物联网技术收集的信息提供可靠性保证,保证每一个部件信息的源头和责任方是明确和可追溯的,能确保所有的信息都是公开、透明,并且不可篡改的；特殊加密和解密方式的加入,能保证信息的安全性.IPD模式可以保证项目各参与方都能以整个项目的利益为中心,为信息的收集和共享提供了前提条件.

3.2 数字化管理系统的网络拓扑架构

SCPIMM网络结构模式是基于物联网、BIM、区块链、可视化等新兴技术的应用与集成,SCPIMM网络结构划分为6个层次,即SCPIMM数据中心、服务器、网络引擎、信息控制节点、网络接入网关以及终端服务器[9].根据SCPIMM网络结构思路构建数字化管理系统的网络拓扑图(如图2所示).

图2 数字化管理系统的SPICMM网络拓扑图Fig.2 SPICMM network topology of digital management system

数据中心以REVIT软件作为图形显示平台,物联网技术实现数据信息分析,区块链技术和BIM技术提供信息的处理和存储功能,工期成本优化系统满足工期成本优化的处理需求.4类引擎提供信息的有效处理,面向不同的服务和业务需求,提供特定的信息模型处理和适配.信息控制节点的传感器可以实现信息模型的有效双向传输和鉴别,信息模型通过智慧网关,自动鉴别和适配到指定的终端服务器中,通过服务器传输到手机和电脑等设备特定的APP应用中,项目参与各方通过这些终端设备下载特定的APP应用,实现信息的获取利用和共享.

3.3 数字化管理系统的体系架构

3.3.1 数据采集层

数据采集层(如图3所示)是进行项目信息采集的一层,使用物联网技术收集部品部件设计图信息,部件在工厂加工时,给每个部件装上一个RFID智能芯片,作为每个部品部件的身份证,通过芯片记录部件的本身原材料、构造等自身属性,以及流水线、操作人员、质量检查记录等信息.

图3 数据采集层Fig.3 Data acquisition layer

构件加工完毕按计划运输到施工现场的过程中,芯片可以记录发出的日期、出场记录,还可以通过全球定位技术跟踪芯片位置,从而确定构件是否按时到场,对到场时间进行有效规划,构件运输起点和终点信息亦可记录和显示.部件到场入库时,可以扫描其自带的芯片,利用雷达检测、太赫兹探伤进行质量检测,核对其信息是否与要求标准一致,质检更加方便高效,方便质检记录的采集.现场施工安装阶段可以通过RFID技术和红外感应技术,对整个安装过程的信息全程收集,智能芯片记录出库时间等信息,每个部件施工时操作人员信息、安装完毕后的质检信息,以及部件所安装的位置、施工记录和后期维护记录等信息[10],数据收集层是整个系统的眼睛.

3.3.2 网络层

数据收集层在收集到数据信息后,借助网络层进行信息传输,实现信息存储和信息共享,并利用区块链技术的网络层实现信息的真实、可追溯、不可篡改性,具体区块链技术的运用如区块链层所示.网络层由物联网络、卫星网络、互联网等技术组成,项目参与各方基于P2P网络传输协议搭建一个去中心化的区块链网络信息层(如图4所示),该层主要用来实现信息从实体到网络平台之间的传输.

图4 网络层Fig.4 Network layer

3.3.3 区块链层

信息通过网络层后到达区块链层进行处理,区块链层是信息传输,记录到储存过程中非常重要的一层(如图5所示).在该层每个阶段的信息收集方通过执行区块链技术的特殊加密算法,将信息数据以区块的形式记录到区块链上,并在区块链网络上进行广播,每个阶段所产生的信息出现了信息数据并且需要记录在案的,都将存储在各自的区块内;由于数据是随着项目时间进程变成了数据区块,每一个区块可以代表装配式项目该阶段中各个时期不同的信息数据变化,区块依据阶段和时间轴首尾相连,从而组成了整个大的区块链[11].以加工阶段为例,部件材料信息、流水线等信息只要发现变化且需要记录,按信息发生的时间写入当前的时间区块中,便可再次形成一个小的数据块,小的区块组成一个大的区块,其他阶段也同样如此;由于是以链条形式连接,每一个数据块都包含了之前数据块的信息,故可以使用区块链技术对每一个块进行特殊加密,信息不能随意篡改,且因区块链的特性,信息还能在受到保护的情况下进行共享.

图5 区块链层Fig.5 Block chain layer

3.3.4 存储处理层

经过区块链层的链状加密处理后,信息将到达存储处理层,存储处理层是信息集成的中心层(如图6所示),该层主要将收集到的装配式全生命周期的必要信息进行存储,BIM技术和云计算提供海量信息高效存储的技术支持.

图6 存储处理层Fig.6 Storage processing layer

3.3.5 模型层与管理应用层

模型层是服务于管理应用层的,同时模型层与管理应用层依托于存储处理层,通过提取数据存储层的信息,并根据管理应用层的需求而生成相应的模型传输到相应的APP中,模型包括:工期成本优化信息模型、质量进度控制模型、施工安全模型等(如图7所示).

图7 模型层与管理应用层Fig.7 Model layer and management layer

IPD模式下,项目参与各方的利益与项目整体利益挂钩,这使得项目各参与方更加注重合作共赢,信息共享意愿更强,且在项目进行中能够舍弃一部分权利,共同参与和服务整个项目,并为签订IPD多方关系合同提供保障[2].不同的参与方在不同时期对信息的需求不同,管理应用层建立各类的服务应用和APP,项目各参与方可以随时提取需要的信息,实现数据共享(如图7所示).以监理方为例,在工程建设中监理方不仅需要把控工程的质量和进度,监理人员通过监理APP生成质量进度控制模型,提取构件质量标准信息及构件生产信息,并对构件质量进行检验,而且还可以提取施工操作标准等信息,把控施工的流程是否符合标准,竣工验收后提取分部分项工程验收报告,从而记录质量验收的信息.当项目各方在使用APP时,发现平台中缺少自己需求的信息,或者信息与自己当时的需求不适配,一旦使用方的信息需求发现变化,使用方可及时向平台反馈,平台收到反馈后调整原有的数据库,及时适应使用方的需求,各方通过专属的APP系统获取所需要的信息,避免信息搜集造成时间资源的浪费,使各方可以真正有效地共同参与到项目建设中.

4 系统平台在工期-成本优化过程中的应用

4.1 工期成本优化系统的优化模型

以装配式构件各个工序所持续时间为自变量,施工总费用C为因变量,工期与费用间的数学关系模型如式(1)所示.

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Cdi′为工序i的直接费用,元;ΔCfi为间接费用率;di为施工活动i的持续时间,h;ti为施工活动i的开始时间;Cni为工序i在正常作业时间下的直接费用,元;Csi为工序i在赶工作业时间下的直接费用,元;tni为工序i的正常作业时间，天;tsi为工序i的极限作业时间，天.

4.2 工期成本优化应用过程

装配式部品部件数字化管理平台通过数据收集层的传感器收集部品部件各阶段的进度时间和成本费用,经过区块链层分阶段以链状存储在数据中心,保证了信息的完整和不可修改性.当参与方有工期成本优化需求时,通过成本优化APP向数据中心发出请求信号,平台接到请求后从数据存储中心提取各阶段必要的持续时间和费用信息,并通过BIM软件的4D施工模拟技术和本平台的工期成本优化系统对项目进行工期和成本的优化,系统通过4D施工模拟系统对模型进行反复试验模拟,提前发现存在的问题并进行反馈修改,做出初步的工期成本优化,运用初步优化得到的模型和数据[12],通过工期优化系统得到最优的工期和成本关系,以便用于实际的项目施工运营,满足项目参与方的工期成本优化需求.

工期成本优化系统采用的是量子遗传算法,该算法迭代次数较少、收敛速度较快、种群多样性好,适用于装配式建筑的工期成本模型建立[13].装配式部品部件工期成本优化的量子遗传算法优化程序如图8所示.

图8 优化程序Fig.8 Optimization procedure

5 结论

目前BIM技术、区块链技术、物联网技术等已得到广泛关注及应用,各技术之间交互融合的研究也越发重要.装配式建筑的普及和发展符合现阶段我国建筑业发展的整体需求和走势,区块链、物联网、BIM等技术也是近年来建筑业中十分热门的方面,合理运用这些技术建立数字化管理平台可以为装配式建筑的发展提供很大的帮助和支持,从而推动装配式项目各方都能积极地参与到项目的全生命周期中,使BIM技术、物联网技术及区块链技术能够相辅相成，互相弥补,发挥各自的优势，同时又避免各自短板,从而解决目前装配式建筑存在的信息处理难题.

以上是基于各技术特点进行智慧平台搭建的研究构想,如要充分发挥其应用价值和作用的实际效果,就应着手完善相关设计.各技术的结合设计需要从多角度出发,不断完善,研发更好的技术匹配这个系统，以达到最佳效果.