随着装配式建筑的不断完善与发展,传统的建造工艺在信息化与智能化上已不能适应其发展需求,尤其是针对装配式建筑机械化程度及安装精度较高等方面要求,传统的建造模式暴露出诸多缺点,比如:(1)施工图在传统建造方式中能较好地完成施工方案的组织与实施,但在装配式建筑的施工组织中,却经常由于图纸设计深度不够导致构件节点的设计、生产、施工脱节协调困难,建设过程连续性差甚至无法顺利进行;(2)当下大部分装配式建筑施工现场以手工、湿作业为主,构件装配施工过程粗放,精细化管理难以实现;(3)建筑物建成投入使用后,所应用装配式构件及设备运营维护信息缺乏,尤其是在装配式建筑的施工现场管理上,传统施工方式无法满足装配式建筑构件快速精准定位与安装的施工要求。这些问题的出现都大大影响了装配式建筑的施工效率及未来发展。而且,与传统的施工组织方式不同,在装配式建筑的施工组织当中需要有构件生产、运输、堆放以及连接方案等,其中装配式构件的加工生产与运输都不在施工现场进行,从而需要将BIM技术应用于上述方案中,来实现信息化、智能化、可视化的施工组织管理,增加信息的流畅性及数据的使用效率,避免没有必要的返工。

近年来,将信息集成理念和工程管理实践相结合的工程项目信息集成管理模式的提出,极大促进了先进信息技术在工程项目管理全过程系统性和科学性的应用。本项研究从信息集成管理的理念出发将web patrol技术、BIM技术以及二维码技术相融合,建立针对装配式建筑构件的追踪管理平台,将BIM模型轻量化及网络平台可视化,并将模型中构件信息与二维码相链接,利用手持设备(智能手机APP或PDA设备)扫描二维码,获取及录入构件信息,从而实现构件在生产、运输、堆放及安装等过程中的信息实时共享与管理。本研究的主要目标包括:(1)应用二维条码技术,提高装配式建筑构件信息采集及传输效率;(2)融合二维条码、BIM及web portal技术构建信息集成管理平台,实现装配式建筑构件生产、建造全过程的信息集成管理;(3)基于网络平台,实现管理人员和工作现场的信息实时共享与无线通信。

Portal技术于20世纪90年代末推出,是指在Internet的环境下,整合不同数据资源、应用系统及互联网资源到通用门户之中,根据不同用户的角色和使用特点进行个性化处理,并通过事件及信息处理进行有机结合的信息技术。Portal将不同内容与应用进行集成,建立统一的协同工作环境,其优势在于对不同类型的分散异构数据进行单一门户式的访问与管理,并可实现信息集成共享与个性化定制。Portal门户网站还具有身份验证和访问控制机制,使参与者可以根据用户权限访问信息。对比来看,在传统的信息管理模式当中,诸多原因限制了参与者之间快速有效的信息交互,例如:在不同系统与标准之间的信息互换;网络中参与者间的对等关系造成管理困难;大多数系统与其他系统间无缝对接接口难以实现;以纸质文件为基础的信息传输效率低等。Web portal可有效解决上述问题,通过建立基于单个门户的标准化信息管理平台,使个体参与者能够实时获取、上传及共享最新信息。

国外对于二维码技术的研究始于20世纪80年代末,其较为常用的是QR code,其储存容量较一维码有了较大提升,储存信息内容可涵盖文本、音频乃至视频资料,当下已广泛应用于物流管理、销售管理、广告、网站等领域。具体来讲二维码优势可概括为:(1)高容量的数据内容:二维码可以记录数千个字符或数字,因为容量是一维条码的十倍。(2)各种数据类型:存储在二维码中的数据类型包括图像,声音,文字和指纹,具有多语言表达能力。(3)高容错性:凭借其纠错技术,即使破损率高达30%,仍然可以识别。(4)高可靠性:二维码解码准确程度远高于一维码。(5)易于制作:使用者通过软件及打印机可轻松获得想要尺寸及形状的二维码。(6)便利性:二维码可以通过手机或移动设备轻松识别,并且可以向任何方向读取。比较当下另外一种用于信息传输的RFID芯片技术而言二维码更为便宜实用、易于更换,且二维码通过智能手机下载APP即可读取,可不需要专用的读取设备。

BIM技术的核心理念是通过建立包含完整建筑信息的三维建筑模型构建建筑信息库,库内不仅包含建筑的物理信息,还包括时间和空间上的状态信息。借助于BIM软件及接口,可建立建筑工程项目的信息交换与共享平台,从而实现建筑项目信息的集成化管理。

在本研究项目中,应用二维码技术作为媒介,将BIM模型信息库与web portal服务器及移动、PC终端结合在一起,构建装配式建筑构件信息追踪管理平台。用户通过BIM软件建立信息模型,将模型及数据资料按照统一格式导出并上传至平台服务器,服务器读取构件信息生成相应二维码,每个二维码对应一个构件,其包含构件基本信息并可作为构件ID使用,通过移动终端扫描二维码链接数据库,可实时查看、上传构件状态信息。在网络平台上也可以转动、缩放来查看模型,也可以点击构件查看状态及信息,实现快速查看功能。

该构件信息追踪管理平台基于web portal建立,将信息集成管理与二维码技术相结合,所有构件信息在系统中都是基于BIM技术进行储存与分类,平台中所涉及的软件功能通过门户网站提供给参与者,参与者可以通过账户与密码登陆从而获取或上传相关信息,平台还为参与者提供实时信息传送与邮件通信功能。参与方经过授权可实时共享或下载相关信息及资料数据,当一方信息更新时,会通过智能手机APP信息以及电邮的方式通知相关其他各方。

整个构件追踪管理系统有三个组件:扫描设备、二维码以及网络平台。扫描设备和二维码属于客户端而网络平台在服务器端,构件的生产以及建造过程信息会录入平台服务器数据库中,以BIM模型形式展现,并建立相应构件信息数据库,参与各方可根据权限登陆进行访问并获取。整个构件追踪管理系统整合了生产商、运输方、施工方、相关控制室及管理人员,构成了一个集成的、统一的、实时的信息管理协作平台(图1)。

系统中所用的二维码为QR code,其优势在于读取速度快,360度全方位可读,且对汉字有较好的表达能力;扫描设备有两种,一种是智能手机APP,另外一种是PDA二维码读取设备,两种系统均用Android编写,采用开源代码,开发成本低,二次开发资源多,与触摸屏技术、4G通信技术、无线通讯技术以及GPS定位技术等相关工业应用贴合度高;Center portal是系统的信息中心,允许参与者登陆到个人账户获取或上传信息,其基于Microsoft Windows 7操作系统,Internet Information Server(IIS)7.5作为web服务器,采用Java Server Pages(JSP)开发,与HTML和JavaScript技术相结合,将Internet浏览器转换为用户友好的界面,Center portal会根据不同用户角色规定其不同级别的信息访问权限,并为其制定数据库及功能系统链接。

构件的追踪流程涵盖了设计、生产、运输及吊装的整个过程,相关构件信息通过移动端扫描二维码链接平台模型及数据库来完成录入及修改,具体来讲追踪流程可包括如下几项:

(1)设计阶段,用Revite软件建立方案信息模型,将模型导入平台,并将相应构件的构件名称、加工图纸、材料、位置、尺寸等信息录入平台系统,系统将针对每个构件自动生成二维码并打印。

(2)加工阶段,机台工作人员扫描二维码查看核对信息,并对构件进行加工制作,加工完成以后,再次扫描二维码,通过移动设备录入加工过程及完成信息,构件出加工车间。此时工厂控制室PC端会接收到此构件信息,对信息进行核对及修改,补充入厂时间、出厂时间、加工人员及机床信息等内容,对平台构件加工信息进行更新。

(3)运输阶段,构件装车,运输人员扫描二维码并对构件信息进行核对,构件出厂进入运输阶段,此时车辆GPS定位信息会实时上传平台,用户可登陆查看,构件运达施工现场以后,由场地施工人员扫描二维码根据信息进行验收,并更新平台构件运送信息状态。

(4)堆放阶段,构件入场前,施工人员会根据施工顺序决定构件的堆放位置及堆放次序并绘制相应图表录入平台,构件运达现场之后会扫码查看位置信息,并根据预先设定的位置进行摆放,构件摆放完成以后扫描二维码,在平台更新构件堆放信息。

(5)吊装阶段,吊装时施工人员会扫描二维码查看核对构件安装位置信息,对于复杂节点,系统还会预存安装指导信息,施工人员可根据信息进行安装,吊装完成以后再次扫码在平台更新构件安装信息,并在BIM模型中显示构件安装完成。

(6)构件安装完成,系统向相关用户发送信息及邮件,告知进度。

应用BIM及二维码技术对构件进行追踪的核心在于对信息的实时收集、编辑与传输,并以此实现信息化、智能化与可视化的操作与管理。追踪过程中首先要明确所追踪信息内容,进行预制构件追踪管理信息流分析,并基于构件全寿命周期管理活动中所涉及的数据和信息,建立预制构件追踪管理系统的信息流模型(图2)。该管理流程信息流内容较为复杂,主要可分为两部分:

一部分来自于构件生产及运输过程的信息,涉及构件的质量与安全,这部分信息流主要在构件的生产以及运输过程中产生,包括生产信息、库存信息与运输信息三部分。在构件生产过程中,生产商负责将信息录入,施工单位将通过系统了解构件的质量、安全信息以及生产统计情况。在构件的运输过程中,负责运输的单位将通过定位系统实时更新构件的位置及在途信息,实现对构件的实时定位。到达施工现场以后,验收人员可通过扫码验收,并更新构件在场地当中的堆放以及储存信息。上述信息可实时更新到施工计划中形成其与生产计划的信息流。

另一部分信息流来自于施工现场的信息,主要包括:场地堆放信息、构件位置信息、吊装进度信息、施工质量信息四部分。在施工过程中,施工计划决定了整个信息管理流程,通过施工过程信息采集实时掌握构件的安装进度,这些信息将直接反馈到整个施工进度的管理活动当中,整个施工进度和建造计划也将跟随信息的更新适时调整,并将进一步继续反馈到施工现场,对现场情况进行指导。

上文分析了构件追踪管理的主要内容、关键技术及追踪流程,在实际的案例操作中,构件追踪管理技术的应用可分为:生产信息与二维码关联、运输过程实时定位、构件场地内堆放以及吊装过程进度模拟四部分内容。

在构件生产前,平台会预存方案信息模型,并将构件信息自动生成二维码打印。构件加工时,机台工作人员扫码查看信息并根据信息加工构件。构件出厂时粘贴二维码标签,并将构件质量以及加工信息再次扫码录入到平台数据库中,出厂构件的相关信息可包括:制造商名称、生产时间、材料、尺寸、设计图纸、构件BIM模型中的位置信息及安装方式等,采用统一格式录入,信息录入后便可在PC及移动端通过软件扫描进行查看。

二维码作为构件在数据库中的识别标志,当信息量较小时,可将信息直接转为二维码,当构件信息量较大时,可将信息编辑成页面的形式,再将链接转化为二维码。系统中二维码的扫描设备采用PDA读写器或智能手机APP,其可直接读取构件数据信息,也可打开到相应网页,通过录入编辑实现信息的实时共享与管理。

在构件出厂和转运过程中,通过扫码可实时查看与录入构件的运输状态信息。具体工作流程为(图3):

①构件生产完成以后,生产商将构件的信息录入,承运公司以及施工单位将收到相关构件信息,并安排运送时间及工期;

②出厂时,运送人员通过扫描二维码核对检查构件,并将构件录入为运送状态,承运车辆在运输过程中通过车载GPS定位系统实时上传位置信息,对构件的运送状态进行更新,管理人员可在PC或手机端查看构件运输进度信息,从而及时调整工期,避免因构件未及时送达对施工进度产生影响;

③构件运送到现场以后,验收人员通过扫码核对构件信息,并对照信息对构件进行验收。验收完毕,可根据预先录入的场地位置信息定位构件的摆放位置,并将构件状态更新为堆放状态。

施工现场往往由于场地过于窄小,会导致预制构件摆放密集、秩序混乱问题,且在传统施工过程中构件堆放多由现场工人根据经验确定位置,缺乏科学合理指导,经常出现位置二次调整等问题,对施工效率有较大影响。针对这些问题,平台在数据库中预存构件堆放位置及堆放次序的BIM模型,根据施工现场需求对堆放场地进行科学合理划分,并对堆放构件的数量和位置进行合理规划。

构件到达现场以后,通过扫码确定其在场地平面中的位置信息,并放置到指定位置,根据构件的吊装要求还会确定塔吊位置以及构件的堆放次序(图4),以保证构件吊装能够实现一次到位,避免二次运输以及堆放,从而大大降低堆放运输费用以及构件运输过程中的风险。科学合理的构件位置划分与堆放,可满足构件承载力的要求,避免开裂、损伤等情况发生,确保构件质量。

装配式建筑构件安装与连接的质量会对建筑整体的安全性、稳定性以及耐久性等问题产生很大影响,而且装配式建筑构件的节点复杂,传统的纸质二维图纸较难满足对现场操作人员的指导需求,如发生问题可能会影响到工程的施工进度,造成构件连接错误甚至影响整个建筑的安全性。针对这些问题,平台会在数据库中预存节点BIM模型、图纸、参数信息以及节点安装视频动画等,技术工人通过扫码查看并按照指导进行构件安装,提高安装工作的快速性以及准确性。在构件安装完成以后,再次扫码将构件的安装情况信息通过读写器录入,信息上传至网络平台数据库中,并实时更新BIM模型,这样施工管理人员便可登陆平台实时查看每个构件的吊装就位情况(图5)。

平台中还会预存项目的施工进度计划信息,构件吊装完成以后,通过扫码录入系统,项目的实际施工进度信息将生成进度横道图,与原有的施工计划进行比较,管理人员可据此判断安装过程和项目是否顺利进行,并可跟据现场的进度对原有的施工计划进行调整(图6)。

随着建筑产业化的不断发展,预制装配式建筑构件将会越来越广泛地应用到建筑行业当中,这也符合我国未来的生产模式,代表着我国建筑业的发展方向。而智慧化、信息化的装配式构件生产运输及安装流程将会为装配式建筑的发展提供有力的技术支持,也将极大地改善现有的建造模式和施工条件。本文中的装配式建筑构件信息追踪管理平台系统可实现装配式建筑构件设计、生产、运输、施工吊装全过程信息管理与监控,并可通过信息共享及实时监测,对施工工序、工期计划、资源安排、成本预算等施工组织过程进行集成管理,其工作流程将通过信息化、智慧化的手段,来提高施工质量、加快施工进度、降低建设成本,并进一步实现社会效益和经济效益的提高,有着很广泛的应用前景。