基于PLM的建筑幕墙智能建造管理

韩 超，孙 峻，双晨晨，朱 融，周雨嫣，车志岩

（1.中国建筑装饰集团有限公司 科技创新研究院，湖北 武汉 430100，E-mail：hangineer@163.com；2.华中科技大学 土木工程学院，湖北 武汉 430074）

近年来，大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代数字化技术的快速发展，成为装饰特别是幕墙企业进行建造、管理和服务模式创新的新动力。住建部2019年9月《关于完善质量保障体系提升建筑工程品质的指导意见》中指出，要推进BIM、大数据、云计算、物联网等技术在设计、施工、运营维护的项目全生命周期管理应用。2020年，住建部联合多部委发布了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，指出智能建造与建筑工业化融合发展，对推动建筑业转型升级和高质量发展意义重大。智能建造在工业化建造和数字化建造的基础上，通过信息技术与建造技术的深度融合，结合先进的精益建造理论方法，实现工程项目的成功交付。

建筑幕墙作为成熟的建筑工业化产品，是建筑工业化高水平建造技术和建筑品质的直接体现。随着新一代数字化及智能化技术的快速普及与应用，幕墙企业应根据行业发展趋势及政策引导，大力开展数字化及智能化转型。在设计阶段，通过数字化设计实现高效协同设计，应用施工方案模拟减少设计失误，应用BIM数据库实现成本精细化管控，将可视化贯穿项目各阶段，实现“所见即所得”，提高设计效率及质量；在加工制造环节，布局幕墙智能生产线及数字化管理系统，建设幕墙智慧工厂，提高幕墙智能制造水平，通过精益制造提升并优化幕墙产品的质量和成本；在项目施工阶段，通过打造智慧工地及项目管理平台，提高施工现场作业工作效率，实现施工现场“人、机、料、法、环”各关键要素实时、全面、智能的监控和管理，提高施工质量、安全、成本和进度的控制水平，增强工程项目的精益化管理水平[1]；在项目运维阶段，基于建造阶段BIM模型，融合物联网、大数据技术，建立幕墙数字档案，通过既有幕墙智慧管理云平台，实现既有幕墙智能评估诊断、应急预警及运维管理。

1 基于PLM的建筑幕墙智能建造管理模式

1.1 建筑幕墙智能建造管理模式

产品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）是以产品为中心，以应用软件为手段的一种战略性的业务模式，它应用一系列相互一致的业务解决方案，支持产品信息在全企业和产品全生命周期内（从概念到生命周期结束）的创建、管理、分发和使用，集成了流程和信息等众多要素。PLM是对产品的全生命周期管理，基于BIM的智能建造模式是对建筑的全生命周期管理，对象不同而内涵一致[2]。

本文以建筑幕墙产品为核心，将产品全生命周期管理（PLM）与基于BIM的智能建造模式相融合，构建了基于PLM的建筑幕墙智能建造管理新模式。通过将项目及产品数据信息（质量、成本、进度、安全等），在项目及产品各阶段联通和共享，使幕墙企业能够为客户通过产品全生命周期管理实现敏捷研发、产品质量保证和持续性的后市场服务，企业价值创造过程从项目交付阶段逐渐扩展到产品全生命周期。该模式将信息技术、制造技术与建造技术深度融合，通过一体化的数字化设计、智能化制造、智能化施工、智慧化运维，结合先进的精益建造理论方法，推动工程项目的全过程、全要素、各参建方的数字化、智能化，实现全数字化虚拟建造和工业化数字孪生建造，并交付数字虚体和物理实体两个建筑产品，从而推动生产力升级和生产关系重塑。

1.2 产品全生命周期数字化协同平台

为更好实现基于PLM的建筑幕墙智能建造管理模式，应构建产品全生命周期数字化协同平台。平台通过数字化集成，以设计-制造-施工-运维全过程一体化、建筑-结构-机电-装饰全专业一体化突破产品及项目管理瓶颈，将BIM、物联网及数据分析技术结合，有助于实现产品及项目管理从“经验驱动”向“数据驱动”。平台用数字化的手段评估各种管控措施对产品及项目管理的影响，实现决策智能化[3]。同时，将BIM为核心的数字化模型应用到产品及项目全生命周期中的进度管理、成本管理、质量管理、物资管理等过程中，打通各阶段、各专业之间的数据交互链条，实现一体化的数字化设计、智能化制造、智能化施工及智慧化运维。

2 幕墙数字化设计管理

幕墙数字化设计主要是以BIM技术为基础，对幕墙产品进行全专业数字集成，整合各参与方与全要素，对工程项目的设计、采购、生产、施工和运维全生命周期进行数字化、参数化模拟仿真，解决设计—建造一致性差、变更多、成本高、进度超期等问题，形成符合需求的产品方案，质高价优的造价方案，施工和生产可行的实施方案，可维护的服务方案。

2.1 数字化设计的应用

幕墙设计两个关键环节：方案设计和系统构造。随着科技的迅速发展，幕墙系统的设计也越来越多元化，传统的图纸绘制很难满足当下的技术要求，采用数字化设计可有效避免设计冲突、不规则的信息、质量问题和缺乏实时监控等问题。

（1）以BIM技术为核心的参数化应用。在幕墙设计的各个阶段，参数化可大幅度提高方案修改工作的效率和质量。为外部数据的导入与导出、方案变更、协同等提供合理的接口，以及数据调整的联动[4]。如幕墙工程中常用的Grasshopper，是基于Rhino的一款参数化设计软件，在设计工作中能辅助实现构件批量材料下单与指导不规则的材料空间定位和安装，多专业的碰撞检测、辅助深化、结构计算、节点模拟、出施工图等[4]。

（2）可视化的多元应用。基于模型的3D特性，设计师可以从多个视角进行分析，实现更好的系统优化。结合BIM技术全系统建模和协同作业，可在前期规避碰撞问题。同时，也可以检查自身方案的合理性，通过优化模型，减少返工。同时，可基于模型降低复杂幕墙的施工难度，提高各方交流协同的效率。采用三维扫描[5]、施工模拟、AR/VR等技术可提高设计效率和质量。通过对施工现场全面采集数据构建模型，利用可视化功能实现精细化改进，与其他专业的现场反尺模型协同，在前期解决各专业的交接问题，避免自身构件的冲突和其他专业的碰撞，以此提升设计图与施工方案的合理性、可操作性。

2.2 数字化设计标准和工作流的建立

通过规范项目建造中各构件的数据信息标准，实现产品全生命周期协同平台与数字化模型的无缝关联互通互用，落实项目建造数据“数出同源、一源多用”。BIM模型包含项目实施所需的设计标准、采购加工、材料用量、工艺安装等信息数据，需要建立规范的数字化设计流程和标准。数字化设计流程为：项目启动→数字化设计标准→参数化BIM模型→BIM模型的碰撞检测→图模审核→数字化深化设计（数字化加工）→BIM施工模拟→现场BIM施工管理→项目BIM运维。

2.3 数字化设计与智能制造的融合

由于制造过程中存在着不同信息源，因此在设计阶段需尽量统一材料的规格，建立各类数据的标准化规则。根据加工数据类型和种类建立统一的数据编码规则，将建立的编码贯穿于整个制造过程中[7]。

加工中心需识别由设计提供的加工模型或二维加工详图和材料清单。其主要流程为：图纸处理→加工模型搭设→BIM-CNC→校验模块。

3 幕墙智能制造管理

幕墙智能制造管理是指在幕墙制造过程中运用机器人、物联网、数据分析等智能化技术，通过实时监控、数据分析和智能决策等手段，对生产过程进行全面、精确的管理和控制的方法。幕墙智能制造管理通过自动化生产和柔性调度，优化生产流程，不仅可以提高生产效率，还可以优化资源配置，合理配置人力和设备资源。同时通过全面监控和质量控制，及时发现和修正生产中的缺陷和问题，保证产品质量，降低成本，减少人力成本和物料浪费。幕墙智能制造管理对于幕墙企业具有重要意义[8]。智能制造是PLM建造模式中幕墙产品实体化的核心阶段，对产品品质及交付周期有着重要影响。

3.1 幕墙智能制造

幕墙智能制造由幕墙产品智能制造生产线与智慧生产管理平台构成。幕墙智能制造架构如图1所示，包括智能设备/生产线层、数据采集层、数控平台层、数据分析层和数据展示层5个核心层次。

图1 幕墙智能制造架构示意图

智能制造生产线如图2所示，主要组成包括：上料台、智能切割锯、AGV、智能加工中心、智能机械手。

图2 幕墙产品智能制造生产线组成示意图

智能切割锯适用于多种规格的铝型材、幕墙料加工，具备综合切割和铝屑收纳等多种功能。智能加工中心可用于不同型材的自动固定和钻铣，适用于各类安装孔、流水槽、锁孔、形孔等加工工序。智能机械手具备取料、设备间转运及放料功能。

3.2 幕墙智慧生产管理平台

幕墙智慧生产管理平台包括智能物料管理、智能生产计划及调度管理和智能生产过程管理等主要模块。

3.2.1 智能物料管理

智能物料管理利用物联网等技术实现实时监控和智能决策，提高物料管理效率与准确性。幕墙制造行业涉及到多种物料，不同物料的处置要求各不相同。如铝型材可以成捆堆叠存放；玻璃则需要分片倾斜存放；胶条等辅材则需要分格装箱存放。智能物料管理系统通过规格管理、物料分类、库存监控、供应链协同及预测计划等功能，解决了幕墙产品规格差异大和物料需求种类多的问题。智能物料管理系统实现了更高效、更精准的物料管理模式。其主要环节如下：

（1）物料进/出库的自动化管理。通过AIDC（数据采集及自动识别）技术，利用二维码和RFID标签等技术对仓储货架和托盘进行标识。利用工业相机采集托盘中的物料图片，并智能识别存储物品的种类、数量等信息。仓储区的出入口设置了自动识别门，可以自动识别托盘信息、产品或者物料信息，实现物料进出库的自动化管理。

（2）智能货架管理。智能货架根据存储状况和物料种类自动生成最佳货位，并使用定位系统和数字孪生技术生成仓库的3D模型可视化看板。在取货时，可辅助工人快速找到库位并完成捡配出货物的工作。

（3）智能转运设备管理。智能转运设备可以实现物料的自动化运输，并通过电子地图、传感器等技术对货物进行实时监测。

（4）自动化数据采集。系统通过物联网和视觉识别等技术手段，对物料流转、库存变化和物料去向数据进行自动采集。

（5）智能化协同。通过给物料配备RFID标签，并使用手持设备或工位RFID读写器进行识别和读取，实时更新物料状态和库存信息。

3.2.2 智能生产计划及调度管理

智能生产计划及调度管理通过数据分析、机器学习和优化算法等方法，对生产过程中的各种参数和约束进行建模和仿真。该管理方式基于设备反馈的数据信息，智能的分析和预测需求、生产及物流情况，并负责设计和规划生产计划，有效组织生产资源的利用和分配。根据产品种类、数量、时间和加工工艺等信息，制定合理的生产计划，确保生产的顺利进行。同时，及时追踪和评估生产计划的执行情况，并根据需求进行适时调整，以保证生产计划的准确性和及时性[9]，如图3所示。

图3 智能生产计划及调度系统

智能生产计划及调度管理的实施步骤包括数据收集和准备、需求计划、资源分配、排程计划、优化调整及反馈和监控。通过这些步骤，智能生产计划及调度管理能够最大限度地提高生产效率，优化资源利用和分配，并实现高效、准确、及时的生产计划执行。

3.2.3 智能生产过程管理

幕墙制造的特点使得智能生产过程管理需要更多的定制化。幕墙制造涉及到设计细节和实际场地情况的考虑，因此生产过程都需要根据具体情况进行调整。此外，幕墙产品的规格差异也较大，通常需要按照具体建筑需求进行定制制造。

为了满足这些需求，智能生产过程管理需要具备柔性生产的能力，并结合信息技术和自动化技术。通过实时监控和跟踪生产制造过程中的各个环节数据和参数可辅助人工操作，并实现生产过程的数字化和智能化管理[10]。幕墙制造可以分为型材机加工和板块组装两个主要环节。在不同的生产环节中，生产过程管理的侧重点有所不同。在型材机加工环节，管理主要侧重于机台控制和加工监控。而在板块组装环节，管理主要侧重于组件运输和拼装组合。生产过程管理可以根据智能生产计划及调度提供的生产计划，随时动态调整执行参数，实现智能柔性生产[11]。在工程实践过程中，设计与制造过程的协同可有效提高整体工作效率，通过采用深化模型+数据流转的形式，有效地将设计数据正向依次传递到下游，过程包括图纸处理、加工模型搭设、BIM-CNC转换及应用前的校核。

最终使用BIM-CNC集成模块，将加工信息自动转换为满足智能加工组装设备运行的加工程序。转换后的加工程序，储存于智能生产过程管理模块的数据库中，设备可自动识别型材信息以匹配对应的加工组装程序[12]。

4 幕墙智能施工管理

幕墙智能施工是在信息化基础上，对人、机、料、法、环，进行全面感知、施工技术全面智能、工作互通互联、信息协同共享、决策科学分析、风险智慧预控的新型信息化属性与管理模式。如图4所示，智能施工平台由感知层、网络层、应用层和决策分析层构成。感知层能够为整个工地的信息提供保障；网络层承担着信息传输和信息共享的作用；应用层能够解决工程施工中存在的一些问题，给出相应的解决方案；决策分析层为管理层提供决策支持及管理协作。

图4 智能施工总体框架图

（1）人员管理。人员智能管理以建筑工人实名制管理平台为基础，进行现场工人施工管理服务，打造建筑工人的一体化服务平台。

（2）设备管理。智能辅助施工设备应用，无人机辅助放线设备[14]，利用无人机技术实现对幕墙平面、立柱、分格及转角基准线的快速辅助测绘放线；单元式幕墙辅助安装机器人，基本功能包括：自由移位、三维调节和吸附抓取。

（3）材料管理。建立幕墙统一编码规则，基于RFID或二维码、智能识别等AIDC技术，对材料进行统一编码，实现物资从下单、加工、运输、安装全过程实时动态管理。利用产品全生命周期管理平台，对单元板块的全生命周期管理活动进行标准化、信息化管理[15]。

（4）进度管理。在产品全生命周期管理平台中，通过单元板块的RFID及二维码标签采集数据，标识板块状态的变更，实时更新项目进度，在幕墙立面图（或BIM模型）中进行直观展示。数据分析与报告，根据幕墙项目实际安装进度和预期节点进行对比，分析进度滞后的原因，采取针对性的措施。

（5）质量管理。在幕墙工程施工的过程中，通过二维码或者RFID标签进行标识，安装完成后工人扫码提交质量验收申请，安装人员信息、安装日期等内容可通过扫码快速进行质量问题溯源，查找分析影响工程质量的具体原因。做到施工过程可追溯、可查询[16]。

（6）安全管理。通过定位、图像识别、AI人工智能、红外识别、自动传感等技术，现场自动采集安全隐患数据。利用视频监控搭载AI智能模块，识别和捕捉人的不安全行为和物的不安全状态，提供视频监控联动预警功能。当吊篮作业人数不符合安全标准，或人员安全防护措施不到位时及时反馈。通过智能分析服务系统对一些可能存在的危险因素及时检测和预警。在幕墙安装工人的安全帽，植入具有物联网传输功能的芯片，实时掌控幕墙安装工人位置，了解其行动轨迹。如果工作人员长时间逗留在危险区域，会自动发出警报声，避免出现安全事故[17]。

5 幕墙智慧运维管理

幕墙智慧运维管理是基于项目竣工后交付的BIM模型，通过集成物联网、数据分析等技术的既有幕墙智慧管理云平台，建立幕墙数字档案，实时掌控幕墙运营状态，为政府及业主提供报检报修，预防预警功能。幕墙智慧运维管理在PLM建造模式中占比较大，周期最长，是PLM建造模式价值实现的核心内容。

6 幕墙智能建造项目案例

（1）项目基本情况。埃及新行政首都中区酒店项目位于开罗东部地区“新行政中心”的核心地带，是国家推行“一带一路”战略的重点工程，代表意义重大。中区酒店建筑面积约14万m2，地上10层，地下2层建筑，建筑高度54.8 m。幕墙面积60247 m2，单元板块4367块，项目效果图如图5所示。该项目是埃及现代建筑中高端的代表，智能建造理念贯穿该项目的全生命周期。该项目作为“十四五”国家重点研发计划海外示范项目，全面应用数字化设计、智能制造、智能施工管理等技术。

图5 埃及新首都CBD项目、中区酒店幕墙效果图

（2）数字化设计应用。该项目通过统一接口，统一规则，统一深化区域，提升BIM协同设计效率。最终交付的BIM模型，满足可视化设计要求，实现与结构、机电等各专业碰撞检查（见图6），解决设计中的细节问题，能方便快速统计构件工程量，体现材质信息，辅助方案设计及重难点位置提前预判，对繁杂单元体采用模型导出加工图，实现零误差，有效提升加工及安装的精确性。

图6 利用BIM模型实现技术碰撞检查

（3）智能化制造应用。该项目的单元板块分别在武汉幕墙加工厂和惠州加工厂完成加工组装工作。通过将BIM模型导入加工中心形成数控加工程序，加工设备根据程序自动完成型材加工，实现无图纸化加工。

（4）智能施工技术应用。该项目幕墙板块全部在国内完成加工，以海运方式运输至项目。项目应用产品全生命周期管理平台，对部品部件（幕墙单元板块、隔音百叶、粘副框玻璃等形式）进行产品编码、标识、信息采集、物流跟踪、现场安装等，提高了项目管理全流程从设计、加工、运输、安装等的精细化管理程度。

7 结语

本文基于建筑幕墙的工业化产品特征，通过引入大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代数字化技术，将幕墙产品全生命周期管理（PLM）与基于BIM的智能建造模式相融合，提出了基于产品全生命周期管理（PLM）的建筑幕墙智能建造管理思路和方法。该管理思路以产品及系统思维为核心，通过将信息技术、制造技术与建造技术深度融合，将工业化建造的设计、生产、施工、交付等各环节的管理及数据打通，有效提升了工业化产品及项目的数字化管理水平，降低了综合成本，提高了建造效率，保证了质量和安全。该管理思路使企业价值创造过程从项目交付阶段逐渐扩展到产品全生命周期，对未来幕墙企业构建新的竞争优势，实现可持续发展至关重要，并将进一步推动建筑装饰行业以及建筑业向工业化、数字化、智能化高质量发展。