1 BIM和RFID的应用分析

1) BIM应用分析BIM的含义系统划分下有2种:狭义为一种特定的数字化模型, 该模型涵盖了建筑方面的全部信息;广义即工程整体生命周期的过程中, 不断产生数据并加以管理。传统工程项目中, 项目各环节并没有完善信息传输的机制, 很难统一各环节进行的工作联系, 无法系统达成总体战略目标, 不仅如此, 还对本领域的技术进步及管理改善等产生消极影响。BIM旨在解决不良现象, 模型中存在的参数化及关联统一的数据让处于BIM工程生命周期所有环节的信息更加明晰, 不仅如此, 操作工艺也简单方便。

以往在理论规划过程中, 并未合理加入施工现场因素带来的影响, 易发生管线碰撞、工序混乱等现象, 进而在建设过程中发展成怠工、窝工的情况, 随着BIM模型的深入拓展, 设计师可以更好地协调设计规划, 并可以用模型演练之后的施工情况, 从而从根本上避免出现施工碰撞。施工单位在管线安装过程中, 也可自查管线碰撞。

2) RFID技术应用分析射频识别技术 (RFID) 以无限点技术为依托识别指定对象, 最后加以对数据的读写操作技术。RFID可在电子标签与读码器相隔一定距离的情况下进行, 即运作过程中不需要直接接触, 可以通过电磁场耦合或空间磁场交换信息。利用读码器, 读写物体对象上的RFID标签, 从而解译出有效信息。相比其他技术, RFID拥有远程读取和辨识数据的功能。

3) BIM-RFID集成技术的应用分析当施工进度出现延期时, BIM与RFID相结合可有效改变手动报告的方式, 有利于相关工作者能够及时收到反馈, 保障信息较高的可信度, 最终提升总体效率。这2种技术的结合使用也较简单, 流程如下: (1) 首先使用RFID搜集现场数据; (2) 把整理好的数据传输至BIM模型中; (3) 最后在BIM模型中进行误差评价。通过RFID对施工现场人员进行定位, 与BIM相集成, 可实现区域人员信息掌控及危险、敏感区域预警等功能。

1) 模型构建及图纸绘制修改模型中某个构件的参数信息时, 相应的所有构件信息都会随之变化, 相应的视图也会做进一步改变。以往设计中, 一般使用图纸及人工描绘的方式进行作业, 中间若有一些错误或遗漏, 都可能毁坏整个设计。而在新的模型下, 可以更方便地修改平、立、剖等图, 解决错、漏、缺信息对应不好的情况。

2) 协同工作及施工冲突检查当水电管线与结构间发生冲突时, 通过碰撞检查, 能在设计阶段找到问题, 避免后期工程变更, 增加成本和延误工期。当相关工作者修正结构图时, BIM系统会自动提示出现的错误, 在早期的设计工作中, 业主及作业员都可以依据自身的观念和经验做出更全面的认识, 然后把这种认识融至设计中, 不仅大大提高主观与客观方面的准确率, 还可及时改正由于信息闭塞带来的设计不合理等缺陷。

3) 工程量统计与造价管理使用BIM技术时, 工作人员不仅可以在模型里的数据中得到更准确的工程量, 还可以利用API接口及开源式的数据库把相关文件直接连接造价软件, 进而改良以往造价方面管理不善的局面。

1) 构件生产运输阶段的管理以现场实际工程的进展为导向, 将信息实时传输至构件生产工厂, 以利于厂家管理层及时调整总体制造工作量, 避免出现待工待料等现象。然后依照构件尺寸选择性地使用运送车辆, 有利于及时送出急需的或者大型构件;同时也能依据构件的存放方位以及工程所需原料的先后顺序合理安排车辆线路、运输。

2) 同时, 以RFID技术为使用工具, 跟踪构件储存吊装的现场进度, 并使用无线技术向中心传导有效信息。集成RFID与BIM技术, 不仅提高效率, 而且大大提升准确度。进场后, 构件接受查验时, RFID阅读器会被提前设置好, 当达到某一指定条件时, 便可收集数据。

3) 技术交底流程预备工作期间, BIM可以展现各阶段的模拟工艺, 还可立体式地展现新式工艺、科技及难题节点等, 最大程度减小误差, 不仅加深各环节的信息交流, 还可使该技术得到进一步的发展。

4) 混凝土成型稳定性监测利用RFID技术实时监测混凝土内部温度, 难免出现裂缝, 是因为浇筑混凝土时, 水温变化使混凝土外面受热部分与里面部分的温差超过某个阈值所致, 若及时监控该期间的温度, 可以将占地较大混凝土的放热速率控制在可控范围内。另外, 混凝土易变形、强度较小、转变能力较大, 所以需控制固化温度, 若控制不好, 温度超过设定的阈值, 收缩应力必然加大、强度下降及结构老化, 为了让固化时间控制在一定范围内, 生产力得到质的提升, 可以采取一定办法让新浇筑混凝土逐渐升温。

1) 物业管理RFID技术更多在物业中发挥作用, 如门禁卡、设施建设方面等。将电子标签安装在各种管线的阀门上, 标签中存储有阀门的信息, 如最后维护时间、维修次数等, 工作人员可以使用阅读器方便地找到设施位置, 对设施进行相关操作后, RFID标签中写入相应记录, 将信息存入集成BIM物业管理系统中。面对突发情况时可实时启动相应机制, 改善出现的缺失, 如在水管损毁时及时关闭相应的阀门, 更大程度上保障电梯的安全性等。

2) 建筑设施的规模扩大及拆除针对指定的建筑设施, 在保障安全性的基础上, 进行内部改造 (如往墙壁中添加电线、水管等) 。通过RFID和BIM数据库, 能准确地将填充体构件安装于对应的房间中。当建筑物进入拆除阶段时, 比对RFID及BIM数据库中原有的数据, 然后通过科学的方法进行计算, 最终决定一些构件的使用程度, 不仅减少支出, 还节约自然资源。

RFID系统在多种要求及实际环境下, 其组成也有相应的差异。依据RFID系统的运行机理, 标准下的RFID系统通常由电子标签、阅读器、中间件及软件系统等组成。

不同的应用场景, 对应不同的RFID系统组成, 而系统成本与其能达到的功能要求, 则是在施工应用中选用RFID系统需要考虑的因素。

本文针对施工现场的劳务资源管理、预制构件管理以及混凝土稳定性监测3种应用场景, 对RFID技术体系进行改进, 并应用于实际工程项目。

施工人员进出的情况非常复杂, 存在大流量进出、逗留、折返等行为, 且涉及人员考勤和安全管理, 对精度要求高。施工现场的人员管理可结合学生进出校园的RFID技术体系, 并加以改进, 使之符合施工现场管理要求, 达到成本低和性能高的双要求。在兼顾卡片成本的情况下, 解决2.4G RFID技术远距离人员识别与进出管理应用场景漏读或误读的问题, 是施工现场利用RFID进行人员管理的重点与方向。

当前RFID进出管理系统主要采用单频RFID技术, 存在识读率不高、漏读、误读等原理性缺陷, 因为2.4G RFID信号无法实现精确地覆盖区域控制。而125K低频信号具有较好的覆盖区域控制能力, 精度可控制在30cm, 且受人体与环境的影响较小, 但覆盖范围小。结合低频与高频的优点, 可实现100%的识读率。

改进后的技术方案, 主要包括双频RFID卡片、3D低频触发器、2.4G阅读器、通信网关及中间件产品。双频RFID卡片包括125kHz低频唤醒部分, 2.4GHz远距离通信部分以及13.56M近距离应用及安全单元部分;多频RFID识读点设备包括125kHz 3D低频触发器、2.4G阅读器及通信网关。

双频RFID卡片进过125K 3D频触发器覆盖区域, 卡片125K唤醒单元被触发后判断触发器ID, 若合法, 则将卡片ID信息发送给2.4G RFID阅读器单元。2.4G RFID阅读器单元接收卡片信息, 将卡片信息转发给通信网关。通信网关处理接收的卡片数据信息, 判断出进出行为状态, 将卡片信息以及进出状态通过中间件发送给系统平台。

该技术方案采用3D立体低频触发器设计, 减少RFID卡片的成本与体积;优化出入判断算法, 适应工地应用场景, 无漏读、无误判、兼顾实时性;设计空中无线接口, 克服卡片与识读基站间的同频干扰及卡片密集发送环境下数据因空间冲突而导致失败等问题;通过采用大容量锂锰电池、应用模型的硬件休眠算法, 增加RFID卡片使用寿命;3D低频触发器、阅读器、通信网关采用免调试设计, 现场施工只需布线, 大大降低施工难度, 减少施工成本。

改进后的技术方案, 成本节约30%, 进出判断成功率100%, 密集识读卡片数量>200张, 卡片使用寿命>5年。

为提高效率, 生产、物流、安装环节需采用RFID有源电子标签, 才可实现远距离批量识读, 而溯源管理需要将RFID电子标签永久内置于混凝土内。有源RFID成本较高, 一次性使用对预制件成本压力较大。如何解决物流管理要求的批量远距离识读性能与溯源要求一次性使用成本的矛盾是本项目的主要难点。

为解决上述问题, 考虑电子标签需要内嵌混凝土, 且需批量远距离识读, 提出有源2.45G+915M RFID复合电子标签。采用有源RFID电子标签复合125K低频电子标签的方式, 其中有源RFID电子标签采用可回收方式, 在完成生产管理、物流管理、施工管理流程后回收, 125K低频电子标签部分埋置于预制件, 用于20年寿命期的溯源管理。

1) 复合RFID电子标签安装安装底盒用于固定复合RFID电子标签, 规范RFID电子标签的安装位置。根据不同预制件类型, 调整安装底盒的高度, 使无源电子标签埋置于混凝土下1cm。利于后期溯源识读效果与识读设备的成本。无源125K电子标签粘贴于底盒表面, 用于溯源管理。有源RFID电子标签置于无源电子标签之上, 其高度为现场混凝土覆盖厚度。完成物流管理后, 剪掉系绳, 重复使用。有源RFID电子标签采用软包电池, 使用寿命>6年。

2) 复合RFID电子标签数据一致性管理125K低频读卡模块读取低频RFID电子标签数据, 有源RFID读卡部分读取RFID电子标签数据, 采用大数原理, 过滤其他RFID电子标签的干扰数据, 将低频电子标签数据写入有源电子标签单元, 实现有源无源电子标签数据绑定一致性。优化预制件批量进出判断算法, 实现无误判、无漏读。

体积超过某阙值的混凝土内结构在水合热效应的作用下, 放出较大的热能量, 此时需要利用冷却水体积控制系统减小内外温差产生的温度应力, 理论水流量为:

式中:T为混凝土温度;τ为时间变量;T_w为冷却水温度;θ₀为混凝土的最终绝热温升;m为水化热的放热系数;ρ_w, c_w, q_w分别为密度、比热容和管内的水流量;ρ_c, c_c, V_c分别为密度、比热容和单位混凝土体积;T_w-in和T_w-out分别为进水管和排水管温度。

由式 (1) 可得, 管控温度大小的程序: (1) 首先运算出T_w-in值、T_w-out值以及均温值; (2) 其次判断温度测量值与预想值是否相等; (3) 接着依据水体积的值, 传输控制命令至工作地; (4) 不断重复开展上述动作, 直到步骤 (2) 达到相等的理想状态。

实现温度监控的RFID技术拥有唯一的识别码 (ID) , 且使用无电源、无线路的传感器标签, 可有效定位, 尤其在混凝土内, 传感器会在温度过度改变的情况下, 作用更加明显。传感器标签由天线、匹配网络、射频模拟前端、存储器、温度传感器和数字基带等组成。除天线及匹配网络, 其余组成成分都汇集于标签芯片中。当电磁波被RFID阅读器发射后, 很快由天线锁定, 在天线及标签芯片两者之中, 匹配网格可以找到最好的匹配点。然后在射频模拟前端的处理下, 射频信号被转变为位于传感器标签上的电压, 该电压的稳定性有保障, 接着收发信号, 把复位信号传送至数字基带上, 完成时钟的作用。数字基带本身具备解码功能, 可对信号进行解调操作, 严格执行指令, 并且还具有编码数据的产生功能, 进而调整传感器。

深圳市哈尔滨工业大学深圳校区改扩建项目引入BIM-RFID (建筑信息模型-无线射频识别) 技术, 对RFID技术体系进行改进, 进行施工现场的劳务资源管理、预制件全生命周期的管理及混凝土稳定性监测, 并开发施工现场集成管理平台。

在施工人员的安全帽内粘贴RFID电子标签且结合软、硬件系统, 实现工地现场作业人员识别与进出管理、考勤管理、总人数及区域人员定位管理。RFID电子标签对应唯一的人员身份信息, 包含姓名、性别等个人基本信息以及工作班组、工作职责等身份信息。

现场总承包单位项目管理人员40人, 分包单位600人, 人员数量庞大, 管理难度大。BIM-RFID在项目劳务资源管理中的应用减少了人员管理成本, 提高了管理效率。

1) 考勤和人员进出管理通过将RFID定标阅读器安装于出入口上空, 控制RFID识别距离为60cm, 人员通过闸机时将自动识别身份, 判断该人员是否有进出工地现场的权限, 同时精确定位对应闸机通道, 将人员信息发送至相应的闸机控制系统, 自动开闸。

2) 关键区域人员进出管理结合BIM技术, 当作业人员进入A, B1, B2, C, D楼内作业时, 自动记录该人员的进、出时间, 定位人员区域位置并可查看。设定敏感区域可以进出人员名单, 显示敏感区域人员进出信息、显示非授权进出警告信息。工作区域划分如图1所示。

电子标签记录其所在预制构件的尺寸、位置等信息, 与BIM模型中的构件信息相对应。当识读预制构件中的电子标签时, 对应的质检、运输、进场、安装等信息记录在电子标签中, 且同步至云端。在预制构件管理系统和BIM模型中, 均可看到对应编号预制构件的信息。预制构件信息同步到预制件管理平台, 通过管理平台, 可查询对应时间段、对应构件编号的预制件信息。

混凝土预制件RFID云管理平台记录预制件的生产、出厂、工厂库存、工地库存、吊装等信息, 并能进行溯源管理。各阶段记录的信息及通过管理平台可查询的信息如表1所示。

1) 生产运输管理当开展首层施工作业时, 其余地方的构件无需运输。BIM-RFID技术可及时对构件的需要状况进行分析, 从而加强信息交流, 避免出现延期。按照施工进度, 需要使用的预制构件, 会提前通知厂商生产, 在需要使用的当天送达, 减少施工现场的构件堆积。该项目现场仅堆有预制楼梯。

2) 施工阶段构件存储吊装管理有效利用施工现场的场地条件, 根据构件施工时间顺利情况及数量等, 找到合适的预制构件存放点。通过电子信息读取, 便于在构件吊装时快速找到相应的预制件。BIM和RFID的结合减少了人工方式填写报告易产生的信息错误和耗时, 提高了效率。

混凝土结构若最小断面>1m², 无法有效控制温差, 须介入相关技术, 不仅可以改善温差缺失, 还可避免裂缝扩大。该项目需进行大体积混凝土浇筑的部位, 包含片筏基础、桩基础、塔式起重机承台等。

塔式起重机承台尺寸4m×4m×5m, 属于重点监测对象。浇筑混凝土时, 温度传感器监测到温度较大, 通过冷却水流量控制系统及时增加冷却水的供应量, 使混凝土内部温度保持在合理范围内。最终混凝土一次浇筑成型, 未出现裂缝等质量问题, 满足正常使用要求。

基于RFID和BIM技术开发施工现场管理平台, 将人员、设备、构件等相关信息录入统一的信息管理平台, 以BIM技术为载体, 统一RFID对应的多项功能, 实现系统对多项功能的高效管理。

1) 软件平台逻辑结构 (见图2)

2) 平台功能该平台将人员、设备、构件等相关信息的管理集于一身, 实现动静态管理相结合, 简化传统人工管理流程, 提高项目管理人员的管理效率。

作为促进建筑业未来发展的一项重要技术, BIM技术已上升成为一种新的建筑理念。装配式建筑中, BIM和RFID技术的应用受到了越来越多的重视, 而BIM和RFID技术在应用过程中仍面临许多困难。本文针对RFID系统在实际应用中的技术缺陷进行了改进, 提高其性价比。但当前针对BIM和RFID的研究, 仍较多停留在理论阶段, 在实际项目应用中的技术问题和效益问题, 未得到足够关注。随着技术的日渐完善以及人们对技术研究的不断加深, BIM和RFID技术在装配式建筑中的应用会逐步走向成熟。