与传统建筑体系相比, 装配式建筑能够体现出建筑工业化的发展趋势。装配式建筑通过在工厂中预制高质量、高精度的构件, 在工地进行装配这种方式来提高建筑施工速度。由于装配式建筑不需要进行现场浇筑, 其能够最大限度地满足绿色建筑、绿色施工等要求^[1]。但是, 装配式建筑同时存在应用的局限性: (1) 装配式建筑目前仍缺乏完善的相关标准和构件图集; (2) 与传统浇筑类建筑相比, 装配式建筑的受力性能和抗震性能较差; (3) 在工厂制造方面, 存在预制构件开发不够、形式单调、成品建筑难以呈现多样化的外观等问题^[2]。目前, 国内对装配式建筑的改进主要集中在构件生产和施工技术方面, 而缺少项目管理方面的完善。BIM和RFID技术的结合有效推动了信息系统的共享和项目的实时管理。

装配式建筑能够有效解决传统浇筑类建筑墙体裂缝、渗漏等问题, 具有保温、防火、防虫、节能等特点。这种建筑能够缩短现场施工时间且受气候环境影响小, 逐渐获得广泛应用^[3]。但是, 由于装配式建筑有构件预制、运输、组装等多个过程, 且预制构件种类繁多, 施工参与方众多, 容易产生信息传递不准确而导致返工情况。在运输过程中, 构件信息的收集和存档也会产生大量工作量, 对应性差且不易查找, 导致施工进度管理难度增加。由于各构件信息难以准确把握, 已经装配好的建筑中单一不合格或损坏的建筑难以排查, 造成整个建筑的损失。将BIM和RFID技术应用到装配式建筑项目中能够有效解决这一问题。

建筑信息模型 (building information modeling, BIM) 包含建筑项目各方面信息, 要求模型能够从工程的基本信息出发, 利用计算机数据模型模拟真实建筑物的全生命周期形态, 并且将单一建筑的构件信息合并成数据库, 实现信息共享。在BIM中可以找到构件信息、装配信息、施工管理等全部有用的信息, 且模型相关联的对象能够随着时间不断更新^[4]。无线射频技术 (radio frequency identification, RFID) 是一种非接触式、可远程读取的无线电波通信技术。由于建筑工地条件恶劣, 室外环境变化快, RFID技术鲜少应用于传统浇筑建筑中。随着技术发展以及装配式建筑这一类别的出现, RFID逐渐应用于装配式建筑的构件识别、施工数据采集、施工进度监督等多个方面^[5]。建筑施工管理最主要的目的是保障项目施工进度的正常完成。项目进度无法正常完成主要有两大原因: (1) 设计过程中没有考虑施工现场的环境、施工过程中突发状况等, 导致窝工、怠工; (2) 施工现场进度不一致后, 传统手工填报信息滞后, 管理人员无法得到实时准确的信息, 未能及时解决问题。针对第 (1) 类问题, BIM模型能够协调多方的设计方案, 预先模拟, 并且可以提供其他项目的数据参考, 尽可能规避各种突发情况, 提供备用解决方法, 改进项目进度规划。针对第 (2) 类问题, BIM与RFID的结合使得施工现场的情况能够及时传达回信息中心, 解决传统人工记录耗时长、失误率高的问题, 实现对BIM模型的实时校正, 控制项目风险, 保证施工进度计划。

装配式建筑在管理过程中的核心为BIM和RFID技术。与浇筑类建筑相比, 装配式建筑需要预先进行建筑构件制造, 这一部分也包括在建筑全生命周期内。在这一过程中, 将通过RFID技术进行标签植入, 方便整个建筑周期中对各构件的管理。在构件设计阶段, 利用BIM技术建立模型并绘制图纸, 设计建筑构件之间的空间关系。BIM软件中有构件的信息资料库, 可以利用已有的构件编辑修改材料属性、尺寸等进行深化设计, 除此之外, 已经建立的构件将存储在库中可供后续项目使用。在开始施工之前, 对方案的可实施性和施工进度进行模拟, 解决如施工碰撞、施工场地布置等问题。在工地施工时, 配合使用BIM和RFID技术, 利用RFID技术进行施工工地信息的实时采集, 实时传输至信息中心的BIM中, 更新数据, 调整模型与实际数据的偏差, 实现在施工过程中实时跟踪, 控制风险^[1]。BIM和RFID技术的使用使工作人员不需要再进行施工情况的手工填写和录入, 使信息可以及时更新反馈, 方便比较施工现场情况与施工计划的出入, 能够准确监控施工品质。在建筑施工完成后的运营维护过程中, 通过RFID技术, 建筑物使用情况、人员容量情况能够实时传输并储存至物业系统的BIM中, 能够及时发现建筑存在的问题, 及时更换有问题的构件。依靠BIM模型文件的传递, 使得建筑施工阶段和后续运营管理阶段实现无缝对接。

装配式建筑主要由预制墙、楼梯、叠合楼板等预制构件装配而成。建筑本身像是由多种零件构成的, 这一过程与制造业生产模式非常相似。在目前我国的工业生产中, BIM技术发展程度已经很高。我国建筑行业发展迅速, 建筑耗能占比很高, 环境污染程度也相对较高, 节能减排迫在眉睫。由于装配式建筑能够大大缩短项目周期, 降低能耗的同时减少污染排放, 被我国建筑行业大力推广。BIM技术应用于建筑行业的设计、施工、运营管理之中, 为装配式建筑的高效施工提供支持。与传统建筑相比, 装配式建筑的构件多, 且同种构件可能有多个, 难以进行人工记录和实时管理。RFID技术为繁杂的构件信息的实时反馈提供了技术支持。在构件制作和运输阶段, BIM提供了模型数据基础, RFID实时反馈施工的工地情况和工程进度信息, 与模型进行匹配, 精准预测构件能否按时进入施工工地, 对比施工情况与预期方案, 调整进度计划。在构件生产阶段, 对构件植入RFID编码, 构件编码包括项目代码、构件代码、位置属性、数量编号和扩充区等信息。构件单元的编码具有唯一性, 有效保障在整个施工过程中构件信息准确无误, 避免因混淆导致的返工, 同时方便日后管理和维修。同种类构件的多个个体编码之间是有联系且可阅读的, 位置属性和扩展区提供了构件的相关信息, 这样便于制定构件的分配和运输计划。整个过程不需要工作人员进行信息的人工录入, 这样可以避免人员失误同时降低运营成本。构件入场时, BIM模拟构件安放位置, 模拟分配运输车次和运输路线, 并且根据施工进度计划模拟构件的运输顺序, 使得运输高效且及时, 降低成本。运输车辆进入现场后, RFID阅读器将构件基本信息和构件所处位置传输至BIM中, 做到施工区域与模型对点放置, 位置属性明确, 避免二次搬运, 使建造“零缺陷, 零库存”成为可能。现场施工阶段, BIM指导安装并且实时更新, 控制机械的使用和吊装线路。施工现场预制构件的存放和吊装过程会通过无线媒介实时传送至控制中心, 中心利用4D BIM (与施工进度结合) 综合管理施工情况。在构件从生产到吊装整个过程中都能够做到零人工信息录入, 通过在进场位置设置RFID阅读器等方式, 采集即时数据, 实时调整计划, 方便运营管理。整个施工过程中的构件管理情况会被BIM软件的数据库收录, 用于信息交流共享, 为后续工程施工提供数据支持^[4,6,7]。

目前我国处于高速发展阶段, 各城市的基础建设规模历史空前, 其中建筑行业相关企业近8万家。建筑从业人员安全有效的管理能够降低施工工程项目的安全风险, 通过BIM和RFID技术能够在整个建筑工程施工中对建筑从业人员进行最直观的了解和掌控。BIM模型中可以直观地标注各施工地段风险类别, 对施工过程进行风险评价, 并且能够结合以往工程案例和相关规范提出行之有效的解决办法。RFID技术实时采集的数据可以实现施工监测的自动化, 解放人力。而BIM自动生成准确的安全评估报告能够正确指导应对安全隐患, 大幅度提高工作效率^[8]。

基于BIM技术和RFID技术建立安全管理模型具有以下特点: (1) 准确性数据的准确性是首要条件, 在此基础上, 数据传递的高效和完整才能够保证安全监管和预警工作的高质量; (2) 模块化将安全管理系统根据检测对象、监测手段等的不同分为多个相互关联的模块, 便于各部分的单独调控和整体综合管理; (3) 动态性施工现场的情况复杂多变, 模型的实时更新非常重要, 需要RFID技术收集人员、材料、机械信息, 不断调整对项目进行安全管理。基于以上要求, 安全管理系统的整体构架为: (1) 数据采集利用RFID技术采集实时数据, BIM比对数据库相似案例; (2) 数据处理RFID中间件负责传递阅读件收集的数据, 同时进行数据的过滤和分组, RFID技术与BIM进行交互, 生成符合BIM要求的数据, 上传至BIM数据库; (3) 模型层BIM是整个安全管理模型的核心部分, 它提供了一个动态三维可视化平台, 并且可以进行信息查询、实时更新等操作; (4) 应用层针对模型层提供信息, 设计具体的应用系统, 包括安全教育培训系统、安全风险预警系统等; (5) 用户层为安全管理模型提供人机交互界面, 便于管理人员了解项目安全信息, 用户在施工过程中不断完善BIM, 实现安全管理的及时性和准确性。

下面对安全管理模型的实际应用进行简要介绍。首先, 在施工过程中可以进行工人定位。传统管理系统中, 常常通过GPS系统、摄像监控、无线电通话等方式进行人员管理。而RFID系统的投入使用能够进行多目标同时定位, 减小地域局限性。工人信息由工人编号、所处位置横坐标、纵坐标、楼层数进行定位 (假3D, 由楼层数编号定位) 。除了工人位置的获得, RFID系统还可以进行工人类别的区分, 以及对施工区域进行安全性划分。在某些危险的施工区域, 如需要检修的设备、高压电缆等, 不允许普通工人靠近, 而危险区域检查人员需要接近进行调试。这部分系统的中枢技术是数据处理模块和危险区域的划分情况。对于不同的危险区域, 如洞口、临边、塔式起重机、机械等, 已有相关研究给出了危险区域划分的计算规则。RFID系统同时配置有预警模块, 模块包括信号的接收、反馈、发射和违规统计4个部分。当工作人员违规接近危险区域时, RFID阅读器发射信号, 信息中心会接收到工作人员编号和所处位置, 然后反馈给工人警报信号, 当工人离开危险区域后警报解除, 警报持续一段时间仍未停止时, 管理者将派出安全检查人员前往现场查看情况。如果工作人员收到预警信号后没有立即离开警示区域, 就会记录违规1次, 依据违规统计情况判断工作人员的安全意识高低, 便于管理者对工作人员进行有针对性的安全培训, 保障施工工地的人员安全^[9]。

装配式建筑这种类似工业生产的建筑模式急需高效的可视化、自动化的监管模式, 以保证施工高速、高质量完成。BIM和RFID技术在装配式建筑施工过程中的应用能够实时监测构件信息和施工人员安全情况, 使建筑施工信息得以实时反馈, 修改BIM使其更加符合现场施工需求, 提高建筑施工规划的完成度, 保障了施工人员和设备安全。建筑设计阶段的构件信息库和模型信息库能够同时推动建筑行业信息共享的发展。