BIM(建筑信息模型)是建筑行业革命性的新平台,该平台在建筑实体三维几何信息的基础上,加入材料参数、构件成本、生产情况等非几何数字信息,形成完整的建筑信息库。BIM技术凭借其可视化、数字化等优势在工程设计、施工和运维管理中被广泛运用,但随着应用范围的扩大,其在感知和处理实施方面的短板也逐渐凸显,实际效能的发挥受到限制,进一步发展陷入瓶颈。将BIM与物联网结合,发挥BIM技术对上层信息集成、展示和决策处理等作用,由物联网技术承担底层信息感知、采集、监控、回馈和应用实施功能,通过对建造与运维期间建筑物全部信息的集成、融合和决策处理,构建全过程“信息流闭环”,形成虚拟信息与实体硬件之间的有机融合,最终实现智能建造。本文将针对BIM+物联网智能建造综合管理系统(以下简称“BIM+物联网综合管理系统”)展开相关研究。

2011年5月,住建部发布《2011～2015建筑业信息化发展纲要》,拉开了BIM技术在我国应用的序幕。经过近年来的发展,BIM技术无论在软件平台、工程示范、管理架构等方面,还是在标准编制和政策支持等方面都取得了长足的发展。住建部相继出台了《关于征求关于推荐BIM技术在建筑领域应用的指导意见(征求意见稿)意见的函》、《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》等一系列相关政策,大力推动BIM应用发展。在《2016～2020年建筑业信息化发展纲要》中,BIM技术被列为“十三五”建筑业重点推广的5大信息技术之一。除了在设计、施工、运维方面的应用(图1),BIM技术也逐渐向整个建筑产业的上下游拓展,许多企业有了非常强烈的BIM意识,出现了一批BIM应用的标杆项目,以BIM为代表的互联网信息技术正在成为推动建筑业转型升级的重要驱动力。

建筑设计阶段,主要包括设计方案的造型、体量及空间分析、能耗分析和建造成本分析等;扩初设计的能耗、结构、声学、热工、日照分析、干涉检查、规范检查以及工程量统计等;从BIM模型中获取施工图设计所需的各种平面、立面、剖面图纸和统计报表;借助BIM技术还可以完成诸如设计计划编制、互提资料、校对审核和专业协调等工作。

现场施工阶段,主要包括前期准备阶段碰撞检查,直观解决空间关系冲突,减少施工时可能出现的错误和返工;施工模拟,辅助施工交底,提高施工质量,减少建筑质量问题导致的返工和整改;实时对比施工计划与实际进展,有效协同各作业面;促进参建各方的沟通,及时反馈建设过程中的各种问题和情况;借助虚拟现实技术,提供更为直观的展示介绍;保存施工过程资料,积累施工技术和技能,建立施工企业的技术资源数据库等。

运维阶段,主要包括提供消防、照明等专用系统和设备空间定位的数字化信息,方便查找;提供建筑项目前期施工过程中可追溯的信息数据,实现信息的共享及重复使用,降低业主和运营商由于信息缺乏导致的成本损失;提供地下管线,如污水管、网线、电线以及管井的数字化信息,便于管网的维修、更换设备和快速定位;在突发事件的应急处理中迅速定位设施设备的位置,避免信息更新不及时酿成的责任事故;及时汇总收集能源信息,自动统计分析能源消耗情况,处理异常能耗情况。

BIM技术提高了建筑行业整体的信息化技术水平,但随着建设项目规模的扩大以及管理模式的日趋复杂,其应用也面临着巨大挑战。一方面,BIM技术的应用是一个动态连续的过程,在此过程中,传统“人工测量+报表化管理”数据采集方式的实时性和预判性较差,很难实现实时采集、感知、监督环境及状态信息监控。另一方面,传统以人力为主的施工方法效率较低,无法实现数字化的处理、决策和输出,大大降低了信息数据的实际利用率,限制了智能化、精细化施工方法的应用。

5G商用化的逐渐推广将推动生产组织方式、资源配置途径和管理服务模式的深刻变革,加快基础设施建设向全面数字化发展的速度。大带宽、低时延、差异化服务的5G技术,将全面开启“万物互联”时代,实现连接与交易的泛在能力,将更多终端设备接入网络并进行共享交互操作,从而实现智能建造设备全要素连接。将BIM技术与物联网相互融合,构建基于BIM+物联网的综合管理系统,可以克服目前BIM技术应用的诸多瓶颈,充分发挥物联网在前端感知和终端执行方面的优势,以及BIM技术在信息处理和辅助决策方面的作用,打通虚拟和现实、数据和实体间的接口,实施数字化的现场操作和管理行为,最终实现真正的智能化建造。

综合管理系统将实现以下三方面的功能需求,一是实现建造过程的全面感知,利用传感器、RFID和二维码等采集技术,实时获取并汇总施工现场所有人员、材料和机械数据;二是实现管理决策的智能处理,基于BIM数据信息,利用云计算、大数据和人工智能等智能计算技术对海量数据进行分析处理,提取有用信息,实现智能决策与控制;三是实现施工和运维管理的数字化实施,借助5G网络的快速传输途径,对相关无人化建造设备实施实时的现场远程操作控制,完成时间与空间的精确统一,高效、及时、精确的进行现场施工及运维管理。

综合管理系统由感知层、控制处理层、应用层三层结构组成,层间利用网络进行数据信息的传输。感知层由物联网内的定位装置、视频前端、智能传感器、二维码、RFID标签等信息传感设备构成,通过在施工现场安装信息传感设备,可以实时化、不间断地采集、感知、监督、控制建筑“环境及状态信息的变化”,相关参数通过网络汇集至数据库系统中,能够形成连续、可追溯的动态监测记录,这些参数和记录为“静态的BIM模型”提供实时化的数据信息源。控制处理层由集合大数据、云计算和人工智能技术的BIM综合管理平台组成,对感知层传递过来的数据信息继续实时分析、计算和辅助决策,并向应用层的设备发送控制信息。应用层由配备智能穿戴设备的施工人员、数字化智能施工机械和建造机器人等组成,按照控制处理层传来的控制指令信息执行具体施工任务,并将实施状态实时反馈回感知层设备,完成数据信息流的闭环。

为实现综合管理系统的功能需求,基于系统的基本架构,将重点搭建以下3个平台系统。

以前端感知设备和终端应用设备为数据载体,利用物联网信息通道,按照统一的模型标准,搭建各阶段、不同专业的信息交互通道,将感知层的定位装置、视频前端、智能传感器、二维码、RFID标签等传感设备按照功能划分分别接入不同的信息通道,最终汇入统一的数据平台,建立基于信息模型的标准化数据,为后续处理提供“可插拔式”的信息数据交互、集成平台。

作为BIM+物联网综合管理系统的核心部分,在控制处理层,借助于人工智能、大数据和云处理等先进技术对BIM信息数据以及感知层上传的数据信息进行判断、鉴别、分析、判断和决策处理,并将处理方案由物联网推送至智能终端实施。平台的数据处理并不局限在核心计算模块中,而是向感知层和处理层延伸,在感知层,通过植入人工智能训练过的智能算法,对现场实时变化进行预判断和预处理,筛选更加精确有效的信息流上传至数据处理中心;在应用层,同样对相关操作设备植入智能算法,使其在具体实施过程中实时判断现场情况,及时调整工作状态。

受人工成本增加和技能工人缺失等因素影响,建筑产业向智能化、无人化发展是大势所趋。建造机器人适应性强,操作空间大,可以在各种极端严酷的环境下长时间工作,替代人类执行简单重复的劳动力,工作质量稳定高效,避免了人工操作的安全隐患,这些特征都使得建造机器人拥有比人类更大的优势。在综合管理系统的应用层,构建以建造机器人为代表的、基于数字化运行的智能操作终端体系,按照控制处理层发出的时空信息和指令信息,完成相应的实施过程。

基于BIM技术与物联网技术的综合管理系统,通过在施工管理和运维管理的相关技术领域开展应用,可以大幅提升技术水平,提高工作效率,克服目前单一BIM技术应用中存在的诸多问题,最终实现智能化、精细化管理。

BIM应用过程中信息数据采集、感知方面的问题在传统施工方式中是比较突出的,针对这一类问题,可以采用BIM+物联网技术手段对传统管理模式进行数字化升级加以解决,具体应用包括:

钢结构施工中,对所有钢构件进行统一编码,利用二维码技术进行现场定位,通过移动端扫码填报信息的方式,集成到BIM平台中进行统一管控;通过RFID射频技术实时对预制构件进行定位,并传输到BIM平台中进行监控;结合虚拟现实(VR)技术对施工项目的进度进行远程管理;通过物联网技术对施工现场的有害气体进行集成监控,保证施工安全。

通过前端传感设备对建筑内的机电设备进行实时监测,并将其与BIM模型中的设备进行绑定,在BIM平台中进行动态的可视化查询与管理;通过传感采集设备对能耗、环境信息进行监测,与相应的建筑空间数据进行绑定,结合大数据、云计算和人工智能技术对建筑能耗进行实时管理和优化。

要彻底解决目前BIM技术应用中存在的输出端问题,必须要突破传统以人工为主的施工方法,打造以无人化施工设备为载体的、基于BIM+物联网的无人化数字施工系统,真正实现在整个施工过程全数字化运行,最大程度的提高工作效率。下面以砌筑机器人和无人驾驶工程机械为例,简单介绍一下BIM+物联网无人化施工系统的应用。

砌筑工程一直是房建工程施工过程中自动化水平较低的一个工种,存在大量重复性劳动,消耗不必要的人工和时间,工程质量也很难保证。传统施工由于完全靠工人进行砌筑,BIM技术基本上没有发挥作用的空间。将BIM技术与物联网技术结合,搭建无人化智能砌筑系统,由砌筑机器人作为输出终端,可以充分发挥BIM技术数字化信息的作用,实现无人化施工。系统通过WSN、Zigbee、RFID等传输技术建立砌筑机器人的实时定位和其他数据信息的采集和上传,在BIM数据处理中心将周边环境的BIM数据与施工过程中的其他相关数据信息综合起来进行分析、判断、指引,实时准确地发布砌筑信息,指导施工机械启动相应施工工序及步骤。目前已经初步得到验证的砌筑机器人包括美国Construction Robotics公司的SAM(semi-automated mason)系统、ETH Zurich公司的In-situ Fabricator系统,以及澳大利亚Fast brick Robotics公司的Hadrian109砌筑机器人系统。详见图2。

土方工程同样是目前现场施工中量大、耗时、自动化程度较低的工种。依靠BIM+物联网综合管理系统,采用基于BIM技术的综合控制平台,连接基于物联网架构的遥控操作或无人驾驶技术,可以实现对于推土机、挖掘机、装载机等设备的机器人化改造,大大提高现场施工的工作效率和工程质量。系统借助旋翼无人机携带的3D激光扫描设备作为“眼睛”提供精准的包括标高、土方类型、形状、方量等环境信息利用物联网传输技术将信息数据实时传送给智能建设系统,在处理中心结合场地BIM模型信息,由经过AI训练完成学习任务的智能控制系统,自主操控挖掘机、推土机等工程设备协作完成施工任务。目前已经初步得到推广应用的无人驾驶工程机械包括日本工程机械巨头小松株式会社所研发的“智能建设”(Smart Construction)系统等,系统已经成功集成了无人驾驶挖掘机、无人驾驶推土机和无人驾驶装载机等工程设备,详见图3。

未来的建筑业将逐步由技术密集型代替劳动密集型,依靠信息技术、智能设备实现建筑全生命期的动态化管控、可视化交互、集成化数据传输和集约型智能建造。基于BIM+物联网技术的智能建造综合管理系统,将建筑全生命周期过程中所有人、材、机、环境等相关信息要素进行集成、融合,由基于AI、云处理和大数据的BIM综合应用技术对上层信息进行展示、处理和决策,由物联网技术承担底层信息感知、采集、监控、回馈和应用实施功能,形成虚拟信息与实体硬件之间的有机融合,最终实现全智能化建造方式。融合AI人工智能、大数据、云处理、机器人等先进技术的BIM+物联网智能建造综合管理系统,将会改变整个建筑行业科技水平较为落后的现状,引领开创建筑行业未来发展的新方向。