基于BIM环境下装配式建筑质量管理研究

邱国林，秦镜轩

（吉林建筑大学）

1 BIM在装配式建筑虚拟仿真中的整体构想

为提高施工现场的安全管理能力，本文建立了施工现场坠落危险管理体系。该系统以计算机视觉代替传感器系统作为物理建筑工地和虚拟模型之间的信息交换桥梁。本文的主要贡献是提出了一种基于深度学习的方法实现从物理建筑工地到数字模型的双向信息交换。为了训练深度学习模型，本文构建了一个包含来自多个来源的约4000张图像的数据集，以检测现场安全风险。本文还提出了一种获取工人和风险源坐标的方法，然后基于风险源和工作人员的实时位置建立自动化安全管理框架。这个安全管理框架的有效性通过案例研究来验证，比较安全员和自动化系统之间的差异。此外，本文提出的方法将建筑信息模型与实际施工过程相结合，实现了数字层面和物理层面的双向协调，为智能施工提供了数据依据（见图1）。

图1 BIM仿真示意图

2 装配式建筑在质量管理存在的问题

在香港进行的一项装配式建筑工程的调查中，我们发现两个与能源消耗有关的主要问题，包括：①对人力和机器等资源的管理效率低下；②装配式构件的生产、运输和现场组装效率低下。这些问题主要是由信息沟通滞后和人为失误造成的。本文试图通过开发一个物理互联网支持的建筑信息建模系统(pi-BIM)提供解决方案，该系统集成自动识别技术、BIM和云计算。pi-BIM实现了生产、运输和现场装配过程中的实时信息收集、通信和可视化。通过试点原型反映了系统实现的实际问题。pi-BIM有助于提高资源配置效率，为资源分配提供实时组件信息，减少从预制工厂到施工现场的人为错误[1]。

3 BIM在装配式建筑虚拟仿真的应用

在生产、运输和现场装配过程中进行收集和沟通，以减少人为错误。建筑信息模型（BIM）和物理互联网（PI)的出现提供了解决方案。BIM是项目物理和功能特征的数字化表达，作为项目管理的共享信息资源(NIBS 2015)。PI表示一个开放的全球供应链系统(Montreuil 2011)，其中各种对象被实时跟踪(Qiu et al.2015；Zhang et al.2015)。本研究介绍了一套pi-BIM系统(pi-BIM)，通过在香港的实际案例中试行系统原型，收集和传递实时项目信息，最终提高预制建筑的能源效率。

数据采集层包括实时采集数据的智能建设对象(sco)和自动标识设备。sco指的是典型的建筑对象，如预制构件、卡车和拖车，它们通过配备自动识别标签而变得智能(Niu等人，2015年)。由工人持有或固定在增值点的自动识别阅读器，可快速追踪和收集与自动识别系统相关的信息。中间层由智能网关组成，充当一线数据收集层和能效支持层之间的桥梁。智能网关由一个硬件集线器和以“即插即用”方式工作的软件组成，有三个主要功能：①它配置和管理项目中的所有scos；②它控制自动标识设备和sco之间的数据传输；③它将收集到的信息以标准化的格式进行传播，能效支撑层是指三个基于云的平台，分别支持预制构件的生产、运输和现场组装。

PI-BIM包含三个主要模块：可跟踪性、可见性和信息交换[2]。①可追溯模块，主要是基于自动识别技术，对预制构件的个体信息以及生产、运输、现场装配等相关任务进行追溯。②可见性模块的设计是为了在图形界面中集成、可视化和探索组件的状态和相关任务。该模块不仅提供了单个组件的详细信息，还向管理人员展示了整个项目的全景图，提供了新的见解。③设计信息交换模块，实现同一云平台信息的无缝共享。由于预制装配式建筑项目往往比传统项目涉及更多的利益相关者，因此高效的信息沟通对于解决任何能源消耗问题都显得尤为重要。该模块在整个项目过程中保持信息的一致性，并确保正确的信息在正确的时间交付给正确的人（见图2）。

图2 BIM在装配式建筑虚拟仿真的应用

3.1 装配式建筑模型的建立

被建模的建筑组件的属性将允许将它们识别为基于规则的智能建筑对象。这些对象的建模主要是参数化建模。显示为模块化元素规定的各种规则，以及可用于合并模块化协调规则的选项。该系统通过辅助信息引导建模者通过选择长度、宽度、加厚、开口尺寸和这些元素的位置等可能的尺寸。组件的水平和垂直对齐以及高度可以与模块化参考框架(模块化网格和水平)相关联。可视化程序的一部分生成值并将其转换为列表。然后，查询节点从列表中收集特定的值。最后一部分将该值作为所选建模元素类型的参数值插入[3]。

3.2 施工场地的布置

利用BIM技术可以模拟施工现场的环境，在界面管理中，可以识别和跟踪界面，让所有参与者参与进来，以改善操作管理，减少有害变化，促进有益的变化，可以迅速建立模型，大大减少了现场因不可抗拒的因素造成的损失，一切都按照现场实景搭建，在虚拟环境下构想机械布置、机电布置、线路布置，可以让技术人员更直观看到施工现场的情况，对装配式建筑前期的流程有更加清晰的认识，工程师可以通过点击3D界面地图中的地图单元直接访问相关界面。此外，所有接口都存储在中央数据库中，以避免冗余。

3.3 装配式建筑施工模拟

施工模拟是在三维模型的基础上添加时间轴，随时间的变化，模拟建筑物从开工到竣工的施工过程。将整理好的图纸导入SOLIDWORKSZ中，附上施工进度，施工流程，通过BIM技术更快速地让工程师与施工人员了解施工现场的情况（见图3）。

图3 装配式建筑施工模拟

4 BIM技术在装配式建筑中的优势

许多业主已经开始要求采用BIM，并修改合同条款以实现这一目标。2007年初的一项调查发现，74%的美国建筑公司已经在使用3D建模和BIM工具，尽管其中只有34%的公司将其用于智能建模。BIM和4D CAD工具在建筑工地办公室中越来越普遍。目前普遍实施的瓶颈是缺乏经过适当训练的专业人员，而不是技术本身[4]。

技术趋势包括使用建筑信息模型自动检查代码一致性和可构造性的发展。一些供应商已经扩展了他们的BIM工具范围，而另一些供应商则提供了更多专业特定的功能，如施工管理功能。BIM是一项正在进行中的工作。随着它的发展和使用变得越来越广泛，它对建筑建造方式的影响程度将变得越来越明显。

在本章中，我们首先从这些趋势推断出：在接下来的五年里，基本的BIM工具可能会得到更广泛的应用。BIM将有助于更高程度的预制、更大的灵活性和多样性的建筑方法和类型、更少的文件、更少的错误、更少的浪费、更高的生产力，甚至更好地分析和探索更多的替代方案，更少的索赔，以及更少的预算和进度超支，项目也将被执行得更好。这些都是对现有施工流程的改进，众多的社会、技术和经济驱动力将决定BIM在未来中期(10年～12年)的发展。

本章的后半部分确定了2020年之前的时间框架内的驱动因素和障碍。我们思考了驱动因素对BIM技术、设计专业、建筑合同的性质、BIM与精益建造之间的协同作用、教育和就业，以及法律和监管程序可能产生的影响。BIM技术已经跨越了研究概念和可行商业工具之间的界限，它将成为建筑设计和施工中不可缺少的工具。然而，从计算机辅助绘图（CAD）到BIM的转变并不是一个自然的过程。它涉及了从绘图到建模的范式转换，并且它促进了从传统的竞争性项目交付模型到设计和建设中更多协作实践的同步转换。

正在考虑在实践中采用BIM工具的读者，以及教育未来建筑师、土木工程师、承包商、建筑业主和专业人士的教育者，不仅应该了解当前BIM的能力，还应该了解未来的趋势及其对建筑行业的潜在影响。使用建筑信息模型自动检查代码一致性和可构造性已经成为可能。在新加坡，建筑许可证所要求的建筑规范符合性的部分设计检查已经自动化。创新公司，如Solibri和EPM，已经开发了模型检查软件(Jotne 2007；Solibri 2007)使用IFCfiles，并打算扩展其功能。使用叠加的3D模型协调复杂的建筑系统变得越来越普遍[5]。

总的来说，BIM将促进项目设计和施工团队的早期整合，使更紧密的合作成为可能。这将有助于使整个建设交付过程更快、成本更低、更可靠、更不容易出现错误和风险。

5 结语

装配式建筑是未来数据技术快速发展的关键，而计算机技术在建筑行业的应用尤为重要。虚拟化是一种模拟和展示施工过程的新技术，它能有效地为建筑单位减少实际开销，并按照图纸去建模，发现错误，并得出结论，由技术人员向上层领导反映，领导决策，为企业在接下来的工作做好充足的准备。领导根据模拟的结果，指定相应的管理规范，只有好的管理才能使工程顺利交工。