工业化建筑将建筑划分为多个部品和构件单元, 在工厂加工生产然后运输到施工现场进行吊装, 是集成了节能、环保、全生命周期价值最大化等优点的一种绿色可持续化建筑^[1]。预制构件作为工业化建筑的基本单元, 构件的管理水平是工程能否顺利完工的决定性因素。

目前国内对工业化建筑构件的研究主要集中在技术层面, 如构件的生产工艺、建造技术、施工工法、构件间的连接等, 但针对构件管理方面的研究相对不够成熟^[2], 数量庞大的预制构件管理, 尤其是构件的进度追踪与控制成为工业化建筑顺利实施的关键因素^[3]。引入BIM和RFID, 可以基于BIM将计划进度与实际进度进行集成对比, 通过构件信息集成化、信息采集智能化、构件识别精确化、构件定位可视化实现进度的可视化过程管理。因此, 基于建筑信息模型 (building information modeling, BIM) 技术和无线射频识别 (radio frequency identification, RFID) 技术的工业化建筑构件进度管理具有非常重要的现实意义。

美国国家对BIM标准 (national building information modeling standard, NBIMS) 的定义:“BIM是设施物理和功能特性的数字表达;BIM是一个共享的知识资源, 是一个分享有关这个设施的信息, 为该设施从概念到拆除的全寿命周期中的所有决策提供可靠依据的过程”^[4]。BIM是一个透明的、可复制的、可核查的、可持续的协同工作环境, 在这个环境中, 各参与方在建筑项目全生命周期中都可以及时沟通, 共享项目信息, 并通过分析信息, 做出决策和改善建筑工程项目的交付过程, 使项目得到有效管理^[5]。

而RFID技术是目前应用于物联网的一项新兴通信技术, 可通过无线电信号识别产品电子标签内的EPC码来识别特定目标, 而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触^[6]。

在深入分析工业化建筑施工工艺和施工流程的基础上, 结合BIM技术在工程建设中的应用现状及其技术优势, 归纳BIM在工业化建筑构件管理中有以下应用。

1) 构件信息集成化基于BIM平台设计的工业化建筑构件不仅三维可视, 而且可以作为预制构件的数据库, 能够存储构件全部的属性信息及进度信息, 解决了传统管理方式中的信息共享不畅与信息丢失等问题。

2) 构件识别精确化在BIM中, 每个构件依据虚拟施工中的吊装顺序自动生成构件ID, 构件ID等相关信息通过构件标签在生产时附着在每个实际构件中, 实现构件BIM和实际单体的精准匹配。可以扫描实际构件的标签查看构件在BIM中的位置及相关属性信息, 也可以通过单击BIM中的构件查看构件的实际进度、位置等信息, 保证构件计划进度、实际进度等信息的集成、提取与利用, 避免构件信息录入、传递中的信息错乱问题。

3) 构件定位可视化通过构件信息筛选, 查看某时段内计划或实际处于生产、运输、库存、吊装、就位中的构件及其在BIM中的对应位置, 提高构件的管理效率。

将RFID技术应用于构件的进度管理中, 可实现构件的快速识别与信息采集, 以及构件信息的存储与传递。

1) 构件识别与信息采集RFID技术的数据采集模块主要由RFID标签、RFID读写器以及天线3部分组成, 读写器扫描标签时, 由读写器的天线发射无线电波, 标签的天线接收传来的无线电波激活标签采集其中已有构件信息, 如构件ID。

2) 构件信息存储及传递RFID读写器实时获取构件实际进度信息后, 可以将信息写入标签, 并将其解码后借以GPS或无线网络传输至RFID后台数据库中存储, 或直接传输至PDA数据采集终端, 如图1所示。

RFID标签信息编码用于识别具有唯一性的目标构件, 因此编码内容应具有一定的可区分性和可识别性, 通过各种条件筛选后, 能够识别对应的目标构件。

本文依据现阶段使用较多的产品电子编码标准EPC (electronic product code) 对工业化建筑构件进行进度管理的编码。电子标签的数据区分为保留区、EPC分区、TID分区以及用户分区, 在4个分区中, 用户分区包括标头、识别对象ID、记录段等, 由用户根据自身需求进行设计和管理。

为了准确识别每个预制构件并追踪其在不同状态时的进度信息, 需对预制构件与RFID读写器分别给予唯一的标识码, 即预制构件ID和RFID读写器编号。其中, 以RFID读写器的编号作为预制构件到达某一状态临界点的标志, 经扫描后存入标签中, 具体格式及含义如图2所示。例如, A₁取411, 表示该预制构件在入库处的1号仓库的区域1处位置;A₂取160309, 表示该构件在入库处的实际时间是2016年3月9日;A₃取11, 表示负责人的编号;B₁取0001, 表示该构件的ID号为0001;B₂取B, 表示该构件类型为梁, “F”为板, “W”为墙;B₃取OY, 表示为奥运项目;B₄取03, 表示该构件在3号楼;B₅取12, 表示该构件在12层;C₁表示主筋保护层厚度, 取25, 表示实测值;C₂表示侧向弯曲, 取10, 表示实测值;C₃表示对角线差, 取03, 表示实测值与计划值的差值。

RFID读写器由天线、耦合元件和芯片组成^[7]。对工业化建筑中的预制构件进行全过程进度管理, 需实时记录预制构件的重要状态节点及对应时间等信息, 利用RFID读写器可以将构件的实时状态信息写入RFID标签中储存, 避免人工录入导致的信息不完整、遗漏等问题。

RFID读写器分为手持式和固定式2种类型, 根据预制构件的状态、特点及信息采集内容, 应采用不同类型的RFID读写器作为信息采集器, 如利用RFID对构件进行库存管理时, 其目的在于快速、精确地寻找目标构件的库存位置, 可采用手持式读写器;若构件在出厂处采用RFID, 目的在于对大量的构件进行批量扫描, 将构件信息记录并传输至后台数据库, 可采用固定式读写器。具体RFID读写器分类及适用情况如表1所示。

根据BIM与RFID的特点, 结合工业化建筑的生产工艺和施工要求, 基于BIM和RFID的工业化建筑构件进度管理系统的功能需求如下。

1) 数据采集及存储实时跟踪预制构件实际状态, 利用RFID读写器采集构件的最新状态信息, 并将其传递存储至BIM。

2) 构件自动识别通过构件ID, 将BIM构件和实际构件一一匹配, 基于BIM查看实际构件, 通过实际构件RFID标签查看对应的模型构件。

3) 数据自动分析基于BIM中的构件计划状态信息和实际状态信息, 能够实现数据的自动对比与分析, 判断构件实际进展处于提前、滞后或正常。

4) 筛选与统计精确筛选并统计某时段内按照计划或实际进度分别处于生产、库存、运输、现场、吊装、就位状态的构件, 统计特定时点进度处于提前或滞后的所有构件并在BIM中可视化展示。

5) 构件可视化定位能快速直观地在BIM中定位构件的具体空间位置, 并查看构件的所有信息。

在上述系统功能需求分析的基础上进行详细的信息需求分析, 基于BIM与RFID的工业化建筑构件进度管理系统所需的具体信息如下。

1) 属性信息构件的基本属性信息包括构件ID、构件类型、构件所属项目、单项工程以及楼层、施工段等信息。

2) 状态信息在项目实施过程中, 预制构件从设计到吊装就位分别历经生产、库存、运输、现场、吊装等阶段, 为进行有效的进度管理, 需要采集每个状态临界点的实际进度和计划进度、相应负责人及联系方式等信息。

预制构件进度管理主要涉及设计、生产、库存、运输、现场及吊装6大阶段, 各阶段的工作内容及信息采集与存储如图3所示。

1) 设计阶段在BIM中确定每个预制构件的属性信息及计划进度, 并将其录入BIM的构件数据库中, 为后期的数据分析提供参照。

2) 生产阶段根据BIM中构件的属性信息和计划进度, 形成构件的基本信息数据库, 为每个构件配置标签并将信息录入标签, 生产时将标签植入预制构件中。在预制构件厂为生产人员配置专用固定式RFID读写器, 构件生产完进行首次扫描获取构件实际生产完成时间以及生产负责人信息。

3) 库存阶段为库存管理人员配置专用手持式RFID读写器, 入库时通过扫描录入构件的库存位置、保管人员等信息。

4) 运输阶段在构件库存堆场出口处设置专用RFID读写器, 获取构件的实际出厂运输时间以及对应运输车辆和运输负责人等相关信息, 确定重要的运输节点, 输入构件到达重要节点的实际时间。

5) 现场阶段为现场管理人员配置专用手持式读写器, 进场后扫描录入堆场区域及保管人员等信息。

6) 吊装阶段为构件领用人员配置专用固定式RFID读写器, 记录构件实际领用时间及负责人信息, 构件吊装完毕后, 录入构件实际吊装完成时间及吊装管理人员信息。

基于BIM与RFID的进度管理系统是以BIM构件数据库为信息载体, RFID数据库作为中间信息存储空间, 以设计阶段编制的计划信息和RFID技术实时采集的实际信息为信息来源, 对工业化建筑构件进行实时动态的进度管理, 根据构件进度管理的功能需求和信息需求, 提出进度管理系统的框架结构, 如图4所示。

RFID技术具有信息自动识别、信息传输快且准确的特点, 而BIM具有强大的存储空间, BIM与RFID技术的结合能够更好地实现信息接收与传递以及反馈功能。

1) 属性信息设计阶段将构件基本信息以.xls格式储存起来, 在BIM中对每个构件分配ID编码, 通过程序开发和构件ID的自动识别与匹配, 将计划信息自动录入BIM, 构件交付生产前, 将设计阶段确定的构件属性信息和计划进度自动录入RFID标签。

2) 状态信息由配置在各重要节点的RFID读写器扫描构件RFID标签, 将构件状态、实时进度以及相关管理人员等信息录入RFID标签, 同时RFID数据库中的信息和BIM数据库中的信息进行实时交互。

信息提取和分析是管理系统的关键模块。BIM集成了每个预制构件的计划信息与实际信息, 通过计划进度与实际进度的对比, 可以分析构件的实际进展状态, 并通过设定条件的查询, 统计处于各阶段的构件信息或某一时点各构件的真实状态, 并对延误状态的构件发出延误预警通知。

功能层模块是将采集到的信息进行集成与处理后的具体应用模块, 主要通过良好的信息界面和高效的人机交互实现。

1) 信息查询功能在BIM上查询每个预制构件基本属性信息、计划进度与实际进度信息, 实时掌控构件的实施情况。

2) 信息分析功能提取BIM中构件的计划信息与实际信息, 自动进行不同状态点的进度分析, 判断构件是否延误以及延误天数。

3) 延迟记录功能系统自动计算所有预制构件在各状态临界点的计划时间与实际时间差值, 将延迟构件的ID、延迟时间、负责人等相关信息显示给监控人员。

4) 构件统计功能根据相关统计条件筛选出符合要求的预制构件, 包括构件ID、类型、所属项目、构件状态等基本信息。

目前, 平台开发语言包括Visual Basic.NET, C#, C/C++, F#等, 鉴于C#操作能力强大、通用性强、高效运行的特点, 最终选择C#作为本系统的开发语言。

输入待查询构件的ID号或在BIM中点选构件, 将该构件对应的计划或实际进度从外部数据库表中读取到datagridview1中, 便可获取该构件在各节点的计划或实际时间。

输入构件的ID号, 系统根据构件的计划时间、实际时间、当前时间自动对比分析, 判断构件是否延迟以及延迟天数。

每隔2h系统对延迟记录表进行刷新, 核心代码为:timer1.Interval=7200000;延迟天数的计算以构件的计划时间、实际时间以及系统当前时间为依据, 系统自动进行三者之间的差值运算, 进而得到构件的延迟天数, 实现的核心代码为 (c-b) .Days。

1) 构件的进度信息以及相关属性信息均存储在RFID数据库中, 系统进行条件筛选时, 通过定位相关数据表并检索用户输入的条件, 应同时满足构件的状态、状态点、时间类型3个检索条件, 核心代码为:combo Box.Text, radio Button.Checked。

2) 满足条件的所有构件都可以通过单击“在模型上显示”功能键, 使BIM中对应的预制构件高亮显示, 主要技术是系统自动将获取的所有预制构件ID号匹配到BIM中, 将所有ID号添加到“被选中”文档中, 功能运行后, 预制构件亮显在模型中, 核心代码为:selected Ids.Add () 。

3) “导出Excel”需将用户界面上的datagridview控件和本地系统Excel控件进行绑定, 导出所需要的构件信息。

以成都市公办幼儿园标准化建设提升工程 (第3批次) 2标段———双流西航港星月幼儿园工程项目的地上2层楼为例, 进行各功能模块的应用展示, 2层BIM模型如图5所示。

以ID号为1181107的构件为例, 两种方式分别查询构件计划和实际时间的所得结果如图6所示。

以ID号为1209429的构件为例, 对该构件进行进度分析, 图7所示为该系统分析后的结果。执行“延迟记录”功能后, 每隔2h对进度数据进行刷新, 获取最新时间的进度延误构件信息, 图8所示为当前时间的延迟记录数据表。

以“计划时间”“进场时间”按时间段分别进行筛选与统计, 导出Excel结果及构件高亮显示。

BIM与RFID两者的集成改善了手工记录与纸质存档的不足之处, 减少人工工作量以及人为因素产生的误差, 保证了构件信息快速准确采集、传输和分析利用。将BIM与RFID运用于工业化建筑构件的进度管理, 通过功能需求分析和信息需求分析、系统框架构建以及信息流程设计, 在Revit平台上开发工业化建筑构件进度管理系统, 并通过工程实例进行验证, 对未来工业化建筑的构件管理提供了理论指导和实践平台。