当建筑遇上物联网 智慧建筑加速落地

2016年9月，住房和城乡建设部发布《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》(以下简称《纲要》)，明确指出建筑业信息化是建筑业发展战略的重要组成部分，也是建筑业转变发展方式、提质增效、节能减排的必然要求。《纲要》提出建筑企业应积极探索“互联网+”形势下管理、生产的新模式，深入研究BIM、物联网等技术的创新应用，创新商业模式，增强核心竞争力，实现跨越式发展。

建筑行业具有周期长、参与者多、专业细等特点，这使得施工现场及时沟通协同的必要性和重要性大大增强，协同效率低下往往是造成项目失败的主要原因之一。这其中的原因往往是在错误的时间把错误的信息发送给错误的人，由此做出了错误的理解或互相矛盾的决策，而解决这些问题的核心就是更准确的创建信息、及时传递信息、快速反馈信息。

随着物联网、移动应用等新的客户端技术迅速地发展和普及，这些新技术依托于云计算和大数据等服务端技术实现了真正的协同，满足了工程现场数据和信息的实时采集、高效分析、及时分发和随时获取。这种基于网络的多方协同应用方式则可以与建筑信息模型集成应用，形成优势互补。

集成应用 颠覆传统

建筑信息模型是建筑业革命性平台和技术，它改变传统的设计、建造和运维模式；物联网则是继虚拟的互联网之后出现的无所不在、更强大的网络。建筑信息模型及物联网技术的问世，颠覆了之前传统的思维方式。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开；一方面是建筑物、公路等，而另一方面是数据中心、网络等。而将物联网技术与建筑信息模型集成应用，可以把感应器等芯片嵌入装备到铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统钢筋混凝土、管线等各种物体中，然后将“BIM+物联网”与现有的互联网整合为统一的智能基础设施，实现人类社会与物理系统的整合，达到对整合网络内的人员、机器、设备等进行实时管理和控制的目的。

建筑信息模型与物联网技术的集成应用可以在工程建设及运维阶段发挥更大的作用。建筑信息模型是物联网应用的基础数据模型，也是物联网的核心和灵魂，建筑行业的物联网应用不能脱离建筑信息模型。没有建筑信息模型，物联网的应用就会受到限制，无法深入建筑物的内核，因为许多构件和物体是隐蔽的，存在于肉眼看不见的深处，只有通过建筑信息模型才能一览无遗，进而展示构件的每一个细节及相关属性信息。

为了实现对建筑的有效管理，需要了解建筑物内部所有设备、与物体相关的足够信息。利用BIM技术创建的建筑物三维信息模型，不仅仅实现了建筑物的可视化、数字化，更可以记录工程实施过程中几乎所有的信息、数据，在运营维护阶段还可以不断增加相关设备、构件、物体的其他信息。物联网则是把建筑物及空间内各个物体标签化、可识别化，依托底层的传感网络进行监控，从而实现对建筑结构、空间和内部设备的集中监管，但它无法进一步获取物体更详细的信息，例如生产日期、生产厂家、构件尺寸等，这些信息就要从建筑信息模型中获取，建筑信息模型详细记录了建筑物及相关构件和设备从设计到施工以及运维过程中的所有信息，如此一来，BIM技术就与物联网实现了充分的互补。

有效整合 破解难题

具体而言，BIM技术与物联网的集成应用首先要制定工程项目的BIM建模规则和标准，并结合项目具体应用需求制定设计、施工、运维全过程的土建结构及风水电编码规则；其次，根据工程项目建设不同阶段建立BIM全信息化模型，并制定统一的模型及数据传输接口标准；第三，结合建设过程具体施工管理需要制定基于BIM应用需求点及相应实施策略；第四，根据BIM应用实施策略制定物联网集成应用的设计实施方案，并建立从底层物联网感知网络到顶层BIM全信息模型数据接入的软硬件系统；第五，结合具体项目特点制定BIM及物联网数据的多元异构数据仓库及数据字典；最后，基于信息管理系统或平台实现工程建设信息的集成融合和应用。

以上海虹梅南路越江隧道工程项目为例，虹梅南路—金海路通道越江段新建工程全长约5260米，浦西起点至剑川路区段为改建原有地面道路，双向4车道，剑川路匝道南侧至浦东终点为双向6车道。其中圆隧道段长3.39千米，隧道直径为14.93米，一共有16950环管片。

该项目具有圆隧道距离长、盾构直径大、埋深大和地层复杂等显著特点，而作为盾构法隧道结构最为核心的构件管片，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力等多种荷载，是影响隧道质量和安全的最为关键的因素。确保隧道管片质量的最佳方式是执行以预防为主的全过程控制，把管理从运营阶段前移到施工阶段、制造阶段和设计阶段，及时解决存在的隐患，实现管片质量的积极控制。然而，管片的全寿命过程极为漫长，各阶段参与人员众多、涉及的信息种类繁多，具有复杂的空间和时间特征，很难将其有效地整合在一起，这对隧道管片未来的管理带来了极大的挑战。

面对上述难题，项目团队决定集成应用BIM技术与物联网技术，以隧道管片全寿命信息管理为主线来解决这一问题。借助RFID技术实现孤立分散的信息准确组织，实现进度信息、材料信息、工艺信息、安装信息、检查信息和维护信息的一体化管理。通过建筑信息模型承载项目设计及施工阶段全部基础信息，并可视化的反映管片在不同阶段的演变规律。通过数据挖掘工具，寻找制造工艺、施工工艺与管片质量之间的关系，并对管片的预防性维护决策提供帮助。在虹梅南路隧道建设伊始，研究人员就设计并开发了“虹梅南路隧道管片全寿命管理系统”，并用于管片的生产和施工全过程的管理与决策，也将用于后期的运维管理当中。

虹梅南路隧道管片全寿命管理系统分为五层的结构体系，最底层为信息采集层，通过RFID采集平板的移动端，完成关键数据的录入、图片采集和位置采集等工作，并通过无线接入设备与数据管理层相连。第二层是数据管理层，主要任务是数据的存储和管理，包含BIM模型库、数据库、文件库和知识库。第三层是数据交互层，利用BIM技术实现管片信息的三维直观展示和分析。项目相关人员可以了解当前管片制造和施工的进展和趋势，发现质量问题，从而快速了解管片周边环境和变化。第四层是信息分析层，主要是提供数据分析引擎，用于完成病害趋势分析、结构异常发现、病害成因分析、施工参数优化和维修方案比较等工作。第五层是应用层，针对管片设计、制造、施工和运维不同阶段，设计了专用的移动端和web端的系统，实现全寿命的管理与决策。

深度融合 管理升级

BIM技术与物联网技术集成应用实质上是建筑全过程信息的集成与融合。建筑信息模型担当上层信息集成、交互、展示和管理的作用，而物联网技术则承担底层信息感知、采集、传递、监控的作用。两者集成应用实现虚拟信息化管理与实体环境硬件之间的有机融合。

BIM技术与物联网的集成应用可以是多维度、多阶段，但无论是设计阶段、施工阶段还是运维阶段或是全过程，BIM技术与物联网均可实现软硬件、信息、管理上的深度融合。在工程建设阶段，BIM技术与物联网技术集成应用可以提高施工现场安全管理能力。在施工过程中，施工安全的隐患无处不在，这也成为各承包商和相关部门关注的头等大事，例如临边洞口和出入口防护棚防护不到位或防护不严，且未进行工具化、定型化防护；部分电梯井口防护未做到定型化和工具化；架体首层立网没有进行全封闭，从而被违规兼做通道现象较为普遍，也就造成到处都存在出入口的危险；安全网普遍存在材质较差；部分作业人员高处作业未系安全带；部分工地存在对现场不戴安全帽的治理疏散现象。

基于BIM技术的物联网应用可以大大改善这一情况，例如使用无线射频识别标识在临边洞口、出入口防护棚、电梯井口防护等防护设施上，并在标签芯片中载入对应编号、防护等级、报警装置等与管理中心的BIM系统相对应，达到实时监控的效果。还可以对高空作业人员的安全帽、安全带、身份识别牌等进行相应的无线射频识别，并在BIM系统中精确定位，当操作作业未符合相关规定时，身份识别牌与BIM系统中相关定位同时报警，使管理人员精准定位隐患位置，能够快速采取措施，避免安全事故的发生。

上海虹梅南路隧道具有大直径、大埋深的特点，管片作为盾构隧道的主要受力件，在施工和运营过程中承担着盾构机的顶推力、围岩压力、注浆压力和地下水压力等，管片可能出现空洞、裂缝、破损、错台、上浮等病害。为保证隧道施工的安全性，项目基于隧道管片全过程的信息，进行管片渗漏影响因素和趋势分析，提出了面向防渗的施工参数组合，以辅助施工人员提高工程质量。

在施工过程中，进度控制也是非常重要的一环，一份好的进度计划和合理的工序安排会显著提升项目经济效益，但实际情况是工程进度往往被变更和返工等情况拖延。目前，工程人员依据二维平面蓝图进行工程施工，施工过程中各工序依据各自的图纸独立施工，各单项工程相互间的配合并不紧密，往往在施工到达一定阶段才发现设计上的不合理或冲突而造成返工。基于BIM技术的碰撞检查和施工模拟可以在施工开始前通过对三维模型的分析，检测出施工过程中可能出现的问题，从而提前预判，并在相应的施工环节留下包含注意事项的时间节点标签，从而确保各施工工序合理有序的进行。

可以说在工程施工过程中发生额外工程量及工程返工是造成工程成本变化的重要因素。利用BIM技术和物联网技术的结合可以根据时间、楼层、工序等维度进行条件统计，制定详细的材料采购计划，并对材料批次标注无线射频标签来控制材料的进出场时间和质量状况。避免出现因管理不善造成的材料损耗增加和因材料短缺造成的停工、误工。

同时，随着工程技术的发展，钢结构工程已越来越多的应用于实际施工，但相对复杂的结构和工艺流程给钢结构装配工作带来了巨大的工作量。BIM技术与物联网技术集成应用可有效解决这一问题，通过无线射频识别技术将芯片分类别和编号安装在每一个钢结构构件中，再将对应的读取器设置在BIM三维信息模型中与之对应，在装配过程中保证所有的构件必须与BIM三维信息模型中的对应代码相匹配，否则以警报的形式提醒工程技术人员，从而避免装配错误的情况发生。

此外，在施工过程中还需要对隐蔽工程进行抽样检验以确保工程质量，但相关人员并不可能全面的检测所有隐蔽工程；部分隐蔽工程的检测通常采取的是破坏性检测，这对质量本身就会造成比较大的影响；一些关键部位的施工节点在施工过程中也会因某种原因未按设计或不合理的设计受力而发生相应的形变，对工程质量造成严重的破坏，甚至构成安全隐患。利用物联网技术可以对隐蔽工程部位放置反映质量参数的感应器，再结合BIM系统的三维信息技术可以精准定位到每个隐蔽工程的关键部位，进一步检测质量状况是否达到相应要求；一套关键部位的感应器采集系统加上BIM系统的三维信息技术的报警系统，也可以使工程技术人员及时得到质量问题反馈，将工程质量的损失降到最低。

上海虹梅南路越江隧道工程项目在施工阶段围绕施工工序，利用虹梅南路隧道管片全寿命管理系统记录管片的检查和安装信息，并通过建立与实时采集系统的转换接口，记录盾构机推进工艺参数、环境监测信息、止水涂料信息等关联信息。由于管片信息均与RFID标签实现了绑定，因此，根据RFID编码，相关人员可以轻松地查询到管片从生产到施工过程中的基本信息，一旦管片发生严重的结构损伤或病害，就可以形成管片的追溯机制，从而实现管片的全生命周期管理。

由于隧道管片建设过程中报表繁多，原有的数据记录方式是纸质表格手写和独立电子文件输入两种方式完成，这导致了报表查询困难、数据准确度低、信息集成难度高等问题，不仅影响了正常的建设管理工作，而且对项目竣工验收的资料整理带来极大的困难，并为未来的隧道养护埋下隐患。虹梅南路隧道管片全寿命管理系统内置了管片建设过程中所有的表单，采用移动端进行实时输入和摄影，并通过数据的条件校核和互校核提高了数据的准确度和完整性，并为后期资料的整理和查询提供了基础。

虹梅南路隧道管片全寿命管理系统运用BIM技术将管片、测点、周边环境等基础数据自动整合到同一模型，形成具有集成信息的BIM模型，用不同的颜色和方案直接显示隧道工程进度、管片状态、周边环境及施工进度，通过动态漫游方式实现了盾构机、周边建筑的准确定位和辅助巡检，帮助工程人员进行及时有效的工程项目管理和决策。

该系统在虹梅南路隧道工程中得到了全线应用，以便捷的输入、直观的显示和智能的分析功能帮助工程管理人员随时把握管片全过程动态，实现辅助决策。解决了原有管理模式中信息采集集成困难的问题。系统充分利用物联网技术，设计了隧道专用的RFID标签，能够满足管片设计需求和隧道内部强干扰的环境，从钢筋绑扎开始即进行管片的全程跟踪，把材料信息、人员信息、位置信息、检测信息、施工信息和环境信息等高维时空信息有机的连接在一起，提升了隧道监管的能力，实现了问题管片的全程追溯，也为未来管片的维护和保养提供了条件。

BIM技术与物联网技术的集成应用代表着先进的信息化管理手段，在建筑行业大革新的趋势下，BIM技术与物联网技术的集成应用也将是未来建设行业信息化发展的重要方向之一。BIM技术与物联网的深度融合与应用，势必将智能建造提升到智慧建造的新高度，开创智慧建筑新时代，BIM技术与物联网技术也将会对智能建造产生变革性的深远影响。