基于BIM+RFID的超高层铝模全生命周期应用研究

张烈霞 ZHANG Lie-xia；程金开 CHENG Jin-kai；刘廉柏超 LIU Lian-bai-chao

（①中铁二十局集团第六工程有限公司，西安 710032；②陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，西安 710055）

0 引言

模板工程占建筑结构工程的60%-70%，模板系统的管理理念很大程度上影响着施工进度及工程预算。随着高层建筑和大型基础设施的兴建，建筑模板信息化逐渐成为超高层建筑工程领域备受关注的问题[1-3]。传统模板方案的设计与规划方法已无法满足超高层建筑的工程管理需求，建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）技术为建筑行业的模板工程优化提供了新途径[4-6]。通过BIM技术可优化整体建筑设计、提高工程效率，从而实现智能化项目管理以促进建筑业的可持续发展[4]。

BIM技术利用计算机强大的计算能力，基于建筑工程各阶段的数据信息可建立完整、高度集成化的建筑信息模型，从而实现对建筑工程从设计、施工、运营全生命周期的高效协同和管理[7]。Lee等[8]、易成等[9]、祝兵等[10]探讨了BIM技术在模板设计流程、自动化布局及参数优化方面的应用。模板施工过程可基于BIM技术可视化进行立体交叉和立体检查，从而提高模板使用效率、减低经济成本。Li[11]、Reto等[12]、黄奇荣等[13]基于BIM技术提出的模板自动化检测方法实现了设计协调及施工可视化。另外，郑顺义等[14]、Lee等[15]将BIM三维可视化技术应用到模板拼装工程，实现了模板工程精细化施工管理。综上所述，BIM技术在模板体系设计和布局优化方面得到了很多应用，使得模板工程施工更加高效。随着超高层建筑的快速发展，BIM技术在超高层建筑模板工程中的规划与应用研究需进一步关注。

本文以西安市荣民科创园超高层建筑中的铝模工程为研究背景，分析了铝模技术的深化应用及工程优势，基于创建的BIM实景优化模型有效提高了铝模工程的施工进度。为实现铝模板的设计-生产-运输-施工过程中的信息化管理，提高铝模板工程的效率，基于“BIM+”技术将无线电子射频识别技术（RFID）引入到超高层建筑铝模工程中构建了BIM-RFID铝模板管理平台，实现了复杂施工现场铝模工程的智慧化和数字化管理。

1 研究工程背景

1.1 工程特点

荣民科创园工程位于西安高新区，总建筑面积为245850m2，工程现场概况，如图1所示。建筑体量大、结构复杂、场地狭小，现场平面布置与交通组织给项目管理带来挑战。2#楼属于一类超高层公共建筑，高度为195.95m，总建筑面积114887.80m2，避难层设置于49.55~53.75、99.25~104.05、149.55~154.05m。外框架由H型钢混凝土柱、十字型钢混凝土柱组成。核心筒剪力墙暗柱有劲型钢柱，设备层为钢板墙及腰桁架。

图1 工程现场概况

2#楼为荣民科创园的控制工程，核心筒采用型钢混凝土+钢筋混凝土组合形式，模板施工及管理难度大，需借助BIM技术进行规划决策。为使模板工程的安全性和经济性达到最优，工程选择高强度的铝合金模板，相较于传统木模在安全性及成本控制方面具较大优势。模板从选型、设计、制作、施工及浇筑过程都采取有效控制措施，工艺流程如图2。

图2 施工工艺流程图

工程项目进度控制是一个动态的管理过程，需要定期跟踪检查进度计划的执行情况。项目部利用无人机定期进行倾斜摄影，从更全面的视角收集实际进度数据，从而对进度计划进行动态控制。BIM实景模型应用，如图3所示。

图3 BIM实景模型应用

1.2 铝模板系统

铝模板全称为建筑用铝合金模板，用来代替传统木模板、钢模板的新型模板，通常使用6061硬铝合金在热处理后由专用设备挤压成型[15]。铝模板系统主要包括：①占据主要的面板系统；②连结各个面板的紧固系统；③起到支撑作用的支撑系统；④其余零部件系统。随着高层建筑的快速崛起，常规模板已无法满足实际工程需求，铝模板逐步取代传统的钢模及木模，提高了施工进度并节约施工成本。

建筑模板优劣性对比（表1）表明，铝模板因具有施工灵活、施工效率较高、脱模效果较好、可重复使用的优点而倍受施工企业青睐。不可否认的是，铝合金模板设计合理性也直接影响施工安全，模板强度不够往往是造成事故的主要原因。随着超高层建筑施工复杂程度的增加，传统二维图纸设计暴露出了诸如模板构件设计信息缺失、深化设计成果表达不直观、参建单位沟通不畅的弊端[2，4]，这对BIM技术在超高层建筑模板工程中的规划与应用研究提出了更高要求。

2 基于BIM+RFID的铝模工程管理平台构建

BIM技术的三维建模和数字化表达能力及协同工作功能能提高设计生产效率，使铝模板的设计更加精确合理，减少铝模设计的时间成本。“BIM+”技术的快速发展为工程可视化管理提供了新途径，研究将无线电子射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）引入到超高层铝模工程。尽管RIFD技术前期投入大，但作为一种可进行无接触信息存储和无线信息传递的新技术，其具备不可替代的作用且可以大幅度提高超高层建筑的工作效率。

2.1 建立铝模BIM模型族库

铝模体系由多种构件组成，包括面板系统、紧固系统、支撑系统、附件系统四个主要部分。标准层较多的高层或超高层建筑，铝模体系能够发挥铝模板周转次数多、总体造价低的优势。既有研究[16]表明，每个标准层间使用的铝模板基本相同，铝模设计通常会采用80%标准尺寸模板和20%非标准模板。基于此，建立BIM模型时需要提前建立铝模板构件集，具体方式是建立构件的族模型，主要是将铝模板所有构件族文件以及构件信息建立成一个数据库，在深化设计时直接在构件集中找到所需的构件模型插入，进而提高设计效率[4]。

超高层建筑模板方案设计复杂，主要表现在：①工程算量难；②设计信息内部无关联[5]，设计方案易出现错误。结合BIM技术的超高层建筑铝模板方案规划需满足要求：①符合设计规范：严格按照规范建立算法；②智能辅助决策要求：通过设定评价指标，对设计方案进行优选以获得最优方案；③参数化方案布置要求[15]：实现模板构建的可视化自动布置；④信息交互[12]：与管理平台进行信息交流互动，保证有效信息流通。

为此，利用Revit可实现标准层的模板方案设计，BIM系统会自动根据每一区域的形状、面积优先将创建模板模型，从而实现设定准则下的最优方案，如图4所示。铝模板模型的校核是施工前必须进行的环节，铝模板复杂的结构特征要求达到紧密结合，体现了整体性特点。另外，利用Revit建立铝模BIM模型族库时需要选择新建公制常规模型，利用拉伸、旋转、镜像等操作将一套铝模板中所有的构件建模以族文件的格式保存。铝模板的族主要包括板底模、梁底模、阳角模、墙侧模、早拆头及墙柱阴角，如图5所示。

图4 铝合金模板系统部分构件

图5 铝模板系统部分构件族

2.2 建立BIM+RFID管理平台数据库

预拼装是铝模工程的必要步骤，即在工厂加工制造完成后随即拼装。预拼装的目的包括：①检查模板数量是否足够；②检查设计尺寸是否合理、能否按照要求拼装完成。预拼装时若发现问题，需进行铝模再加工。由此可见，这种传统预拼装方式效率低下且间接提高了铝模造价。为此，铝模BIM模型族库建立后，运用BIM技术建立的信息化工程管理模型进行虚拟拼装，打通模板全生命期数据的交互途径，全面提升阶段管理水平，从而提高工程建设质量和效率、降低工程建设成本和施工风险。

基于BIM+RFID的铝模工程管理平台要求预拼装过程必须放在设计阶段，主要原因：①BIM技术完全可以实现铝模板构件的虚拟拼装（如图6），及时进行预拼检错，减少工程造价；②利用BIM参数化、信息化功能，对所有铝模构件进行编号及信息赋予。虚拟拼装的前提是建立完备的铝模构件库。利用Revit系统建立铝模模型的步骤：①根据设计图纸，建立全套铝模构件的族文件，包括顶板模板、墙模板、连接角铝、K板、龙骨、楼面转角等构件；②创建楼层的BIM结构模型，即使用过滤功能勾选剪力墙、楼板、梁等（辅助配模作用）；③相应BIM结构模型中对铝模族进行拼装，主要检查铝模拼装是否合理、是否出现碰撞冲突、设计尺寸是否满足要求；④输出数据（设计错误报表、材料清单等），根据错误报表对模板进行优化；⑤预拼装完成且对出现的问题进行解决后，在BIM模型中对铝模板构件编号、赋予模型属性。出厂前需将铝模类型、编号、属性、生产日期等写入RFID芯片并预制到铝合金模板上。

图6 铝合金模板拼装俯视图

2.3 BIM+RFID平台辅助施工管理与应用

BIM模型具有可视化特点，通过旋转观察模板组装节点[4，17]。对于不易拼装的细部节点，可利用BIM FILM生成施工动画实现复杂节点可视化交底。铝模板的拆模、拼装易导致模板损坏，可通过BIM协同平台与工厂沟通、修复进而避免延误工期。

图7为BIM+RFID系统辅助铝模板施工流程，铝模运至场地后，BIM-RFID处理系统开始启用，将RFID信息利用通信系统同步到基础数据库并将位置、进度信息与模型相匹配。开启RFID无线定位系统后，施工人员手持读写设备依次在铝模板电子标签中添加模板到达的信息。此时，RFID信息处理系统对接BIM模型，RFID电子标签中包含的信息可以实时同步上传BIM模型。铝模板施工时，BIM+RFID信息系统可对铝模板位置信息进行自动追踪，进而识别已完成模板和未完成模板。三维BIM模型中，已完成装配的模板呈高亮显示，管理人员可依此指导现场施工。

图7 BIM+RFID信息系统辅助铝模板施工流程

同时，利用BIM技术对模板配板方案进行自动化设计可获得最优设计方案，人机可视化交互可实现设计人员从全局角度审视设计成果。为此，可以通过Revit平台建立模板设计系统模块，并结合3D可视化显示复杂节点矩阵并配合部件的实时修正、纠正。基于BIM的模板设计系统框架设计，如图8所示，既方便信息共享又可实时监控工程进度。

图8 基于BIM的模板设计系统框架设计

3 结语

以荣民科创园超高层建筑中的铝模工程为研究背景，分析了铝模技术的深化应用及工程优势，基于创建的BIM实景优化模型有效提高了铝模工程的施工进度。“BIM+”技术的快速发展为工程可视化管理提供新途径，将RFID技术引入到超高层建筑铝模工程中构建了基于BIMRFID技术的铝模板管理平台，实现了复杂施工现场铝模工程的智慧化和数字化管理。