徐 照，占鑫奎，張 星

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BIM技術(shù)在裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的應(yīng)用

徐 照，占鑫奎，張 星

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

為了能夠?qū)IM技術(shù)在裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的應(yīng)用研究現(xiàn)狀有較為系統(tǒng)清晰的掌握，在大量文獻(xiàn)閱讀的基礎(chǔ)上，對裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程及工藝流程進(jìn)行梳理。首先結(jié)合文獻(xiàn)的統(tǒng)計分析，對BIM相關(guān)信息技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段信息交付研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)歸納。最后對國內(nèi)外相關(guān)研究存在的差距進(jìn)行總結(jié)，并提出相應(yīng)研究建議。通過BIM為代表的信息技術(shù)在裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)階段的應(yīng)用分析總結(jié)，明確目前預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段信息化管理領(lǐng)域現(xiàn)存的挑戰(zhàn)和瓶頸，并針對性的提出BIM技術(shù)在這方面未來的發(fā)展方向。

裝配式建筑；生產(chǎn)階段；構(gòu)件；建筑信息模型；信息技術(shù)

裝配式建筑在構(gòu)件層面可以拆分為梁、柱、樓板、窗體等部分，通過工廠預(yù)制、構(gòu)件運(yùn)輸和現(xiàn)場拼裝形成完整的裝配式結(jié)構(gòu)。因此針對裝配式建筑的全過程控制中，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的管理技術(shù)優(yōu)化和工藝提升具有突出作用。目前以BIM(building information modeling)為代表的信息技術(shù)與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)研究相結(jié)合是裝配式建筑相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，充分發(fā)揮BIM技術(shù)可視化、協(xié)同性、信息完備性等優(yōu)勢，可以有效解決構(gòu)件生產(chǎn)階段參與方多、信息量大、信息復(fù)雜等問題[1]。在預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過程中使用BIM相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程各利益相關(guān)方或參與方的有效協(xié)同工作，并在設(shè)計、施工、運(yùn)維等工作階段達(dá)到更好的綜合效益。

BIM技術(shù)在裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的應(yīng)用不僅指建立構(gòu)件生產(chǎn)三維信息模型，更重要的是基于三維信息模型的生產(chǎn)過程協(xié)同管理[2]。以三維信息模型為載體，通過使用BIM相關(guān)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的快速收集[3]，在實(shí)現(xiàn)信息有效交付的基礎(chǔ)上，對構(gòu)件生產(chǎn)過程進(jìn)行高效決策管理。

但現(xiàn)階段國內(nèi)將BIM技術(shù)與裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)結(jié)合應(yīng)用的研究較為分散，沒有形成較為系統(tǒng)、清晰的應(yīng)用研究總結(jié)。因此本文對裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程及工藝流程進(jìn)行梳理，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計分析，對BIM相關(guān)信息技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段信息交付研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)歸納，最后對國內(nèi)外相關(guān)研究存在的差距進(jìn)行總結(jié)，并提出相應(yīng)建議。

1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段過程分析

1.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程

裝配式建筑相較于與傳統(tǒng)建筑項(xiàng)目工程主要增加了構(gòu)件設(shè)計、構(gòu)件工廠預(yù)制及構(gòu)件現(xiàn)場吊裝等工序，其構(gòu)件生產(chǎn)階段、設(shè)計施工階段與施工拼裝階段的工作關(guān)聯(lián)圖如圖1所示。

圖1 構(gòu)件生產(chǎn)、設(shè)計、施工階段工作關(guān)聯(lián)圖

(1) 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計。為了讓構(gòu)件模型所包含的生產(chǎn)相關(guān)信息，能夠較為有效在構(gòu)件生產(chǎn)過程中使用，現(xiàn)階段裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計通常是以工廠為主體進(jìn)行開展，在設(shè)計院形成的構(gòu)件圖紙基礎(chǔ)上，結(jié)合工廠的實(shí)際生產(chǎn)工藝，運(yùn)用BIM三維建模技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計[4]。構(gòu)件深化設(shè)計是在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)多專業(yè)提出建筑需求，結(jié)合工廠自身構(gòu)件生產(chǎn)工藝的需求以及施工吊裝過程的需求，對構(gòu)件幾何尺寸及各項(xiàng)預(yù)埋件進(jìn)行深化設(shè)計。

(2) 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理。預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)管理主要包括：構(gòu)件生產(chǎn)計劃安排、構(gòu)件生產(chǎn)過程中的人、材、機(jī)的管理和構(gòu)件生產(chǎn)過程控制。構(gòu)件生產(chǎn)計劃安排主要根據(jù)工廠實(shí)際生產(chǎn)能力與建筑項(xiàng)目構(gòu)件的施工進(jìn)度需求，制定科學(xué)有效的生產(chǎn)進(jìn)度安排。根據(jù)構(gòu)件生產(chǎn)計劃安排，對構(gòu)件生產(chǎn)所需要的人工、材料、機(jī)械等進(jìn)行管理，其次對構(gòu)件生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，對構(gòu)件生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題及時調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)有效管理，信息化管理平臺逐漸應(yīng)用到構(gòu)件生產(chǎn)管理過程中，文獻(xiàn)[5-6]利用BIM技術(shù)設(shè)計預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理系統(tǒng)，通過BIM數(shù)據(jù)支撐作用提升預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量水平和生產(chǎn)效率。其次針對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)信息的跟蹤過程研究，文獻(xiàn)[7-8]通過將射頻識別技術(shù)(radio frequency identification, RFID)標(biāo)簽嵌入到預(yù)制構(gòu)件中，并結(jié)合移動設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)傳遞共享等功能，對構(gòu)件生產(chǎn)進(jìn)行全過程跟蹤和快速預(yù)警。

(3) 預(yù)制構(gòu)件檢查及修復(fù)。針對構(gòu)件生產(chǎn)完成之后的構(gòu)件質(zhì)量檢查，理論上提出通過使用激光掃描技術(shù)，對構(gòu)件成品進(jìn)行掃描，形成三維模型與設(shè)計模型進(jìn)行對比，從而對構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行判斷[9]。但現(xiàn)階段構(gòu)件工廠針對質(zhì)量檢查依舊采用人工檢查的方式進(jìn)行。

1.2 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝流程

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝通常包括模具清潔、模具組裝、涂脫模劑、綁扎鋼筋骨架、安裝預(yù)埋件、混凝土澆筑振搗、拉毛、蒸養(yǎng)、拆模、檢驗(yàn)修補(bǔ)及堆放等階段[10-11]。其中針對具體構(gòu)件生產(chǎn)工藝會根據(jù)構(gòu)件類型和構(gòu)件廠生產(chǎn)能力有所調(diào)整。

現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于構(gòu)件生產(chǎn)工藝方面的研究重點(diǎn)主要側(cè)重于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)自動化，提高構(gòu)件的生產(chǎn)效率。美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)從單獨(dú)的工藝環(huán)節(jié)自動化逐步進(jìn)入整體協(xié)調(diào)的高自動水平，構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)備集成化和機(jī)械化水平都較高。國內(nèi)自動化生產(chǎn)線起步較晚，現(xiàn)階段還處于只能對單獨(dú)的工藝環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動化，其中自動化工藝主要應(yīng)用包括自動布置拆除模具、自動噴涂脫模劑、鋼筋網(wǎng)片加工、混凝土澆筑及振搗、自動蒸養(yǎng)、墻體自動翻轉(zhuǎn)等單獨(dú)的方面，在整個生產(chǎn)過程中仍舊需要依靠人工協(xié)助來完成構(gòu)件生產(chǎn)[12-15]。圖2可較為直觀地展現(xiàn)現(xiàn)階段我國預(yù)制構(gòu)件各生產(chǎn)工藝所處生產(chǎn)階段及自動化程度。

圖2 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝流程

其中由于不同類型構(gòu)件，形狀、預(yù)埋及受力等存在差異導(dǎo)致各種構(gòu)件在實(shí)際生產(chǎn)中會存在差別。預(yù)制構(gòu)件通常包括預(yù)制柱、預(yù)應(yīng)力疊合梁、普通疊合梁、預(yù)應(yīng)力疊合板、預(yù)應(yīng)力空心板、預(yù)制剪力墻、預(yù)制隔墻板、預(yù)制外掛板、預(yù)制空調(diào)板、預(yù)制陽臺、預(yù)制飄窗、預(yù)制樓梯及其他造型構(gòu)件等。以預(yù)應(yīng)力疊合板為例，相較于普通疊合板增加預(yù)應(yīng)力筋張拉過程。

2 BIM相關(guān)信息技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 文獻(xiàn)統(tǒng)計分析

本文分別以“BIM”、“管理信息系統(tǒng)”、“RFID”、“3D掃描”與“裝配式建筑”或者“PC”進(jìn)行組合，來源類別選擇“SCI來源期刊”、“EI來源期刊”、“核心期刊”，以此為條件對相關(guān)文章的摘要、關(guān)鍵詞等進(jìn)行檢索，分別對2007年到2017年間發(fā)表的文章進(jìn)行搜索，篩選與裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)相關(guān)的論文進(jìn)行統(tǒng)計。其中共篩選出50篇文章，如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn)國內(nèi)關(guān)于相關(guān)信息技術(shù)的應(yīng)用研究均起步較晚，近幾年隨著國家對裝配式建筑政策上大力支持，相關(guān)研究呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。其中BIM技術(shù)主要應(yīng)用于設(shè)計方面，管理信息系統(tǒng)通常與RFID技術(shù)進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，而3D掃描技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用研究較少。

利用Engineering Index(EI)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行國外文獻(xiàn)檢索，分別以“BIM”、“management information system”、“RFID”、“3D scanning”與“prefabricated construction”或者“PC”進(jìn)行組合檢索。語言選擇“English”，文獻(xiàn)類型選擇“Journal article”，分別對2007年–2017年間發(fā)表的文章進(jìn)行檢索，篩選與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)相關(guān)論文進(jìn)行統(tǒng)計，其中共篩選出153篇文章(圖3)。分析發(fā)現(xiàn)國外針對相關(guān)信息技術(shù)在生產(chǎn)階段的研究開始較早，相關(guān)的研究成果較多，且多偏向于智能化生產(chǎn)應(yīng)用等方向，其中針對管理信息系統(tǒng)的研究側(cè)重與信息傳遞和優(yōu)化算法等方面，而對于RFID技術(shù)在裝配式建筑生產(chǎn)階段研究則較少。

圖3 2007年—2017年國內(nèi)外相關(guān)信息技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段應(yīng)用研究發(fā)文量

對比國內(nèi)外針對相關(guān)信息技術(shù)在裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)研究側(cè)重于RFID技術(shù)與管理信息系統(tǒng)結(jié)合，而國外側(cè)重于對自動化生產(chǎn)進(jìn)行研究。由于我國現(xiàn)階段針對預(yù)制構(gòu)件的實(shí)際生產(chǎn)施工過程中，構(gòu)件生產(chǎn)施工管理較為粗放，進(jìn)行構(gòu)件管理是現(xiàn)階段重要問題之一，導(dǎo)致我國現(xiàn)階段研究側(cè)重于RFID技術(shù)和管理信息系統(tǒng)相結(jié)合。對于實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件全自動化生產(chǎn)，需要在充分借鑒國外自動化、集成化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究適合我國的預(yù)制構(gòu)件全自動生產(chǎn)線。

2.2 BIM相關(guān)信息技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)合多維度可視化信息模型的生產(chǎn)管理平臺是實(shí)現(xiàn)高效管理的重要方式。使用BIM技術(shù)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計，形成構(gòu)件生產(chǎn)信息模型，與管理系統(tǒng)進(jìn)行鏈接形成構(gòu)件生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；使用RFID及3D掃描等技術(shù)，對構(gòu)件生產(chǎn)過程中的信息進(jìn)行實(shí)時跟蹤記錄，反饋到生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理者對構(gòu)件生產(chǎn)各方面進(jìn)行科學(xué)有效控制。圖4為相關(guān)信息技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段應(yīng)用關(guān)聯(lián)圖。

圖4 相關(guān)信息技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段應(yīng)用關(guān)聯(lián)圖

(1) 基于BIM技術(shù)建立構(gòu)件生產(chǎn)工藝模型。充分發(fā)揮BIM技術(shù)的協(xié)同性和可視化等優(yōu)勢進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件初步設(shè)計和深化設(shè)計，將裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)信息以BIM模型為載體進(jìn)行存儲。對生產(chǎn)過程中的信息進(jìn)行可視化表達(dá)，支持各參與方信息共享。根據(jù)構(gòu)件實(shí)際生產(chǎn)過程中的需求，對構(gòu)件的幾何尺寸、鋼筋位置及預(yù)埋件進(jìn)行深化設(shè)計，形成構(gòu)件生產(chǎn)工藝模型。所有與生產(chǎn)相關(guān)的信息均可從BIM模型中提取，讓生產(chǎn)管理人員對生產(chǎn)信息進(jìn)行直觀、快捷管理。其次在與ERP系統(tǒng)進(jìn)行對接時，BIM模型可作為生產(chǎn)管理計算交互基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，顯著減少用戶在ERP管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的錄入工作量[16]。

(2) 借助RFID技術(shù)對構(gòu)件生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時跟蹤。RFID技術(shù)的應(yīng)用一般需要借助應(yīng)答器、閱讀器、中間件和軟件系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備組件。在裝配式建筑領(lǐng)域，針對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)，主要用于預(yù)制構(gòu)件來料檢查、生產(chǎn)過程跟蹤、質(zhì)量檢查反饋及堆放管理等信息收集跟蹤方面[17-18]。相較于傳統(tǒng)質(zhì)量管理，在自動化數(shù)據(jù)收集和信息管理方面效率更高，并且確保了整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息的完整。

實(shí)際使用過程中存在的問題主要包括：①標(biāo)簽的附著問題，采用直接粘貼容易損壞，采用預(yù)埋澆筑在構(gòu)件里則存在讀取或者更換不方便；②標(biāo)簽的識別問題，存在誤讀或者多讀?，F(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)過程中為了提高識別率，降低標(biāo)簽成本，多采用二維碼的形式進(jìn)行信息存儲。文獻(xiàn)[19]針對RFID與二維碼的作用條件及效率進(jìn)行對比分析，二維碼使用成本更低，效率更高。

(3) 使用3D掃描技術(shù)對構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量自動檢測。3D掃描技術(shù)即通過掃描的形式，獲取實(shí)物對象的點(diǎn)云信息，使用算法實(shí)現(xiàn)去噪和模型表面快速重建。將構(gòu)件BIM模型與構(gòu)件重建模型進(jìn)行匹配，依據(jù)對比檢查允許誤差，從而實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量的自動化檢查[9]。由于工廠生產(chǎn)自動化程度低，及應(yīng)用掃描技術(shù)成本過高，現(xiàn)階段針對3D掃描技術(shù)在裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的應(yīng)用研究較少。

(4) 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)。通過BIM和ERP相結(jié)合，建立一體化數(shù)據(jù)化的裝配式建筑信息交互平臺，對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程進(jìn)行信息化集成管理與預(yù)制構(gòu)件跟蹤管理，提高管理效率和效益[20]。其中生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要包括車間信息、訂單、生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)質(zhì)量、庫存、車間報告和工序生產(chǎn)等管理模塊[16]。利用生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以進(jìn)行包括：構(gòu)件生產(chǎn)計劃管理；構(gòu)件生產(chǎn)人工、材料及機(jī)械管理；構(gòu)件生產(chǎn)成本管理；構(gòu)件生產(chǎn)進(jìn)度管理；構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量管理；構(gòu)件庫存管理和構(gòu)件出廠管理[5,21]。

3 裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段BIM信息交付

BIM相關(guān)信息技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是信息的有效交付，為了保證信息在項(xiàng)目參與方之間實(shí)現(xiàn)有效傳遞，需要對各項(xiàng)信息交付行為進(jìn)行充分明確。其中所涉及內(nèi)容包括統(tǒng)一的信息的格式、構(gòu)件模型編碼和信息交付標(biāo)準(zhǔn)等三個方面[22]。

3.1 預(yù)制構(gòu)件三維模型信息格式及擴(kuò)展方法

現(xiàn)階段針對三維信息模型交付通常采用IFC (industry foundation classes)標(biāo)準(zhǔn)，IFC標(biāo)準(zhǔn)是BIM的一個數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，其對建筑全生命周期的各種對象與類進(jìn)行定義。但現(xiàn)階段IFC標(biāo)準(zhǔn)難以滿足裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的幾何類型和生產(chǎn)相關(guān)屬性信息的要求，需要在IFC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。

IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展機(jī)制主要包括基于IfcProxy實(shí)體的擴(kuò)展、基于屬性集的擴(kuò)展和基于增加實(shí)體定義的擴(kuò)展。由于前兩種方式無法產(chǎn)生新的實(shí)體，只能在原有IFC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上采用關(guān)聯(lián)屬性的形式來增加對實(shí)體描述屬性的種類，難以對裝配式建筑構(gòu)件所包含的信息進(jìn)行較為全面的描述，且部分裝配式建筑特有構(gòu)件或零件不存在于原有的IFC標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致在信息交互過程中無法識別或錯誤識別，因此針對實(shí)現(xiàn)基于IFC的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的描述，其主要手段為在增加實(shí)體的前提下補(bǔ)充相應(yīng)的構(gòu)件屬性信息。而且為了保證此方法擴(kuò)展的新實(shí)體類型能跟IFC模型融合，新實(shí)體一定要跟原有的實(shí)體建立派生和關(guān)聯(lián)關(guān)系，避免引起模型體系的歧義和沖突[23]。

現(xiàn)階段對于實(shí)現(xiàn)基于IFC裝配式建筑構(gòu)件實(shí)體的擴(kuò)展，國內(nèi)外研究主要側(cè)重于解決以下兩方面關(guān)鍵問題：

(1) 明確擴(kuò)展實(shí)體。明確IFC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有實(shí)體的描述方式，及裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件相對于傳統(tǒng)建筑有待新增的構(gòu)件類型。參照IFC實(shí)體關(guān)聯(lián)架構(gòu)規(guī)則，對新增實(shí)體與已有實(shí)體的幾何關(guān)系進(jìn)行明確。構(gòu)件實(shí)體的識別取決于構(gòu)件的形狀(3D geometry)、材料、機(jī)械性能(mechanical properties)、構(gòu)件的功能分類、拓?fù)浜途酆详P(guān)系(Topological and aggregation relationship with other objects)、領(lǐng)域特征(domain context)[24]。其中實(shí)體與實(shí)體之間空間關(guān)聯(lián)關(guān)系在構(gòu)件的識別中起到關(guān)鍵作用。文獻(xiàn)[25]通過分析新增構(gòu)件的空間關(guān)系，建立推理規(guī)則集，形成新增構(gòu)件實(shí)體組合空間拓?fù)潢P(guān)系矩陣，通過相應(yīng)的計算程序(spatial and topological relationships and operators)對構(gòu)件的類型進(jìn)行識別。但存在作用于任意領(lǐng)域規(guī)則集的產(chǎn)生效率較低和規(guī)則集過于冗雜等問題。簡化實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)規(guī)則集的精細(xì)化，也是重點(diǎn)研究方向。

對于實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)信息的獲取分為：對于構(gòu)件實(shí)體的幾何特征，使用空間幾何運(yùn)算器(geometry operators)對構(gòu)件實(shí)體的重心、表面、體積、方向及各種形狀所占比例進(jìn)行確定(centroid operators、face operators、volume operators、orientation、proportion as a shape characteristic)；對于構(gòu)件實(shí)體的空間拓?fù)潢P(guān)系使用空間拓?fù)潢P(guān)系運(yùn)算器(spatial topology operators)對實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行確定，其中包括相鄰、相連、包含、重疊4種關(guān)系(adjacent、contact、contained、overlapping)。

(2) 定義新增構(gòu)件實(shí)體屬性。IFC標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)體的屬性通過繼承關(guān)系進(jìn)行描述，IFC標(biāo)準(zhǔn)對于實(shí)體的描述包含7級，其中包括ifcRoot、ifcObjectDefintion、ifcObject、ifcProduct、ifcElement、ifcBuildingElement、ifcBeam(本文以beam為例)。IFC實(shí)體的屬性一部分是通過繼承關(guān)系獲得的，一部分則是根據(jù)實(shí)體的類型或功能對其進(jìn)行定義的屬性，新定義的屬性則被下一級實(shí)體繼承。其中對于屬性描述方式將屬性分為直接屬性、導(dǎo)出屬性和反屬性。

IFC標(biāo)準(zhǔn)對于構(gòu)件屬性信息的完整表達(dá)包含構(gòu)件與空間的關(guān)系、構(gòu)件的位置信息、構(gòu)件的幾何表現(xiàn)信息、構(gòu)件的材料信息、構(gòu)件的其他屬性信息[26]。其中構(gòu)件與空間的關(guān)系需要明確構(gòu)件與工程項(xiàng)目的關(guān)系及構(gòu)件與構(gòu)件之間的依附關(guān)系；構(gòu)件的位置信息需要以空間所在的坐標(biāo)系為參考對構(gòu)件進(jìn)行定位；構(gòu)件的幾何表現(xiàn)信息屬性由Representation進(jìn)行描述；構(gòu)件的材料信息屬性屬于反屬性，通過關(guān)聯(lián)實(shí)體IfcRelAssociateMaterial引用IfcMaterial實(shí)體；構(gòu)件的其他屬性可以通過關(guān)聯(lián)實(shí)體IfcRelDefinesByProperties對所需要描述的屬性進(jìn)行定義。

IFC標(biāo)準(zhǔn)通常采用增加實(shí)體類型的方法進(jìn)行版本更新，對于新增實(shí)體的屬性定義的具體實(shí)現(xiàn)需要對IFC標(biāo)準(zhǔn)的框架進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)難度較大。因此為了提高效率，文獻(xiàn)[27]通過對IFC標(biāo)準(zhǔn)的EXPRESS-G視圖進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)在IFC標(biāo)準(zhǔn)框架中快速添加新實(shí)體圖5為基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的新增構(gòu)件實(shí)體擴(kuò)展內(nèi)容。

圖5 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的新增構(gòu)件實(shí)體擴(kuò)展內(nèi)容

3.2 預(yù)制構(gòu)件編碼

Omniclass編碼體系是目前建筑信息領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟和廣泛的標(biāo)準(zhǔn)體系，包括NBIMS標(biāo)準(zhǔn)也采用Ominiclass分類編碼標(biāo)準(zhǔn)[28]。Omniclass編碼體系包括15張分類表，每張表針對指定類型的建筑信息分別描述，同時相關(guān)子類表格之間也可以相互結(jié)合使用，形成多層級分類，實(shí)現(xiàn)信息精確化目標(biāo)。由于Omniclass分類標(biāo)準(zhǔn)較為成熟，在對裝配式建筑構(gòu)件編碼中很多學(xué)者也將其作為重要參照對象，結(jié)合預(yù)制構(gòu)件的具體特點(diǎn)，形成構(gòu)件編碼總體設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件編碼。

其中使用較多且實(shí)際操作性較強(qiáng)的編碼方式為基于同一信息組織的柔性代碼結(jié)構(gòu)，單一構(gòu)件編碼由剛性碼段、柔性碼段和流水碼段組成[29]。在不同項(xiàng)目中，參與對象對構(gòu)件的信息需求有所差異，因此裝配式建筑構(gòu)件編碼分為基礎(chǔ)的構(gòu)件編碼、構(gòu)件生產(chǎn)材料編碼及構(gòu)件安裝位置編碼(圖6)。

圖6 構(gòu)件編碼類型與用戶對應(yīng)關(guān)系

構(gòu)件基礎(chǔ)編碼是根據(jù)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的分類進(jìn)行系統(tǒng)的編碼，其重點(diǎn)是保證構(gòu)件分類編碼的完整性。構(gòu)件位置編碼側(cè)重于對構(gòu)件在樓層中所在的具體位置信息進(jìn)行說明，構(gòu)件的生產(chǎn)材料編碼則是對構(gòu)件生產(chǎn)過程中涉及到的材料進(jìn)行編碼，方便構(gòu)件工廠對于生產(chǎn)材料的信息化管理(圖7)。

圖7 構(gòu)件編碼總體設(shè)計

現(xiàn)階段針對不同類型建筑構(gòu)件編碼的研究都較為深入細(xì)致，編碼的方式也較為成熟。但在實(shí)際操作中由于各研究單位或應(yīng)用企業(yè)存在分類偏好，導(dǎo)致對于構(gòu)件的編碼總體設(shè)計存在差別，從而一定程度上阻礙了各單位之間的信息交付。為了實(shí)現(xiàn)信息有效傳遞，NBIMs在IFC標(biāo)準(zhǔn)格式的基礎(chǔ)上結(jié)合Omniclass分類體系形成裝配式建筑構(gòu)件分類標(biāo)準(zhǔn)。我國為了有效推動BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，在2014年發(fā)布《建筑工程設(shè)計信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，2017年底發(fā)布《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，為了實(shí)現(xiàn)BIM與裝配式的有效結(jié)合，多省已經(jīng)在此基礎(chǔ)上形成相應(yīng)的裝配式建筑構(gòu)件編碼標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)階段針對裝配式建筑領(lǐng)域國家編碼標(biāo)準(zhǔn)仍處于空缺階段。

3.3 預(yù)制構(gòu)件信息交付標(biāo)準(zhǔn)

在交付前需要根據(jù)交付對象、工程階段及任務(wù)類型對交付內(nèi)容進(jìn)行明確，按照統(tǒng)一的信息交付標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交付。其中信息交付標(biāo)準(zhǔn)除了預(yù)制裝配式建筑的BIM設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還涉及到信息的格式、信息的分類標(biāo)準(zhǔn)、信息的范圍與信息的深度要求(圖8)。

圖8 裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)信息交付內(nèi)容

IDM (information delivery manuals)信息交付手冊可以實(shí)現(xiàn)在建設(shè)項(xiàng)目全生命周期中多參與方之間、多項(xiàng)目之間以及多業(yè)務(wù)流程之間特定需求信息及非完整IFC信息的交互和共享，從而達(dá)到針對特定階段的信息需求和表達(dá)模式的標(biāo)準(zhǔn)化，并與IFC標(biāo)準(zhǔn)形成映射關(guān)系，為多源異構(gòu)BIM模型和軟件工具之間的協(xié)同工作提供信息標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)[30]。IDM在傳統(tǒng)項(xiàng)目全生命周期中的信息交付標(biāo)準(zhǔn)較為系統(tǒng)，并在近幾年根據(jù)不同專業(yè)需要逐步向特殊領(lǐng)域形成相應(yīng)的信息交付標(biāo)準(zhǔn)，目前IDM已經(jīng)在預(yù)制混凝土領(lǐng)域有所應(yīng)用。但針對裝配式建筑全過程信息交付的信息深度和信息范圍仍然處于研究階段，其中就構(gòu)件生產(chǎn)階段，需要針對信息交付的不同對象和不同階段對交付信息的范圍和深度進(jìn)行明確的定義。

4 結(jié)束語

近幾年國內(nèi)外對于BIM技術(shù)在裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段應(yīng)用研究均呈逐漸增多的趨勢，但國外對于相關(guān)信息技術(shù)在構(gòu)件生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用遠(yuǎn)提前于國內(nèi)。其中：

(1) BIM相關(guān)信息技術(shù)應(yīng)用方面。國外已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)利用相關(guān)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)自動化工藝流程及構(gòu)件生產(chǎn)信息化管理，而國內(nèi)對于相關(guān)信息技術(shù)的應(yīng)用研究主要側(cè)重于RFID技術(shù)和管理信息系統(tǒng)，只能實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)管理的初步信息化，對于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件自動化生產(chǎn)仍然是后續(xù)重點(diǎn)研究方向。

(2) 生產(chǎn)信息交付方面。國外針對基于IFC的預(yù)制構(gòu)件的拓展及描述方法研究早于國內(nèi)，并已經(jīng)形成較為完善的擴(kuò)展機(jī)制，國內(nèi)對于基于IFC的擴(kuò)展機(jī)制研究較少，且多為直接使用擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行IFC擴(kuò)展。對于建筑構(gòu)件編碼現(xiàn)階段國內(nèi)研究較為成熟，但對于統(tǒng)一的裝配式領(lǐng)域國家編碼標(biāo)準(zhǔn)仍處于空缺階段。對于信息交付標(biāo)準(zhǔn)方面，國際上IDM信息交付手冊對于裝配式建筑全過程信息交付的信息深度和信息范圍仍處于研究階段，對形成適合我國建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的裝配式建筑構(gòu)件信息交付標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)研究仍處于空白階段。

針對以上兩方面國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)雖已經(jīng)形成較多研究成果，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中仍然面臨生產(chǎn)管理雜亂、生產(chǎn)自動化程度低、信息傳遞效率低及BIM模型利用不充分等問題。因此在面對理論研究與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的情況下，除了進(jìn)一步完善相關(guān)理論研究之外，如何有效的將各項(xiàng)研究應(yīng)用到實(shí)際的構(gòu)件生產(chǎn)過程中，提高各環(huán)節(jié)的效率，也是現(xiàn)階段各研究單位和企業(yè)應(yīng)該重點(diǎn)思考的問題。

[1] NATH T, ATTARZADEH M, TIONG R L K, et al. Productivity improvement of precast shop drawings generation through BIM-based process re-engineering [J]. Automation in Construction, 2015, 53: 54-68.

[2] LI Z D, XUE F, LI X, et al. An internet of things-enabled BIM platform for on-site assembly services in prefabricated construction [J]. Automation in Construction, 2018, 89: 146-161.

[3] KIM M K, WANG Q, PARK J W, et al. Automated dimensional quality assurance of full-scale precast concrete elements using laser scanning and BIM [J]. Automation in Construction, 2016, 72: 102-114.

[4] 李浩, 李永敢. 工業(yè)化住宅預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計流程及深化設(shè)計要點(diǎn)分析[J]. 上海建設(shè)科技, 2014(1): 1-5.

[5] 胡振中, 陳祥祥, 王亮, 等. 基于BIM的管道預(yù)制構(gòu)件設(shè)計技術(shù)與系統(tǒng)研發(fā)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2015, 55(12): 1269-1275.

[6] 馬智亮, 楊之恬. 基于BIM技術(shù)的智能化住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計劃與控制系統(tǒng)功能需求分析[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2015, 7(1): 1-7.

[7] 胡珉, 陸俊宇. 基于RFID的預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2013, 5(3): 50-56.

[8] 安然, 周東明, 張彥歡, 等. 基于BIM和RFID技術(shù)的PC建筑全生命周期應(yīng)用研究[J]. 工程建設(shè), 2017, 49(11): 24-27.

[9] 蘇楊月, 趙錦鍇, 徐友全, 等. 裝配式建筑生產(chǎn)施工質(zhì)量問題與改進(jìn)研究[J]. 建筑經(jīng)濟(jì), 2016, 37(11): 43-48.

[10] 靳華中, 鄒貽權(quán), 朱振帆, 等. 面向生產(chǎn)線級的PC構(gòu)件排產(chǎn)模式研究[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2018, 10(2): 88-93.

[11] 任成傳, 楊思忠, 王愛蘭, 等. 裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝研究[J]. 建筑技術(shù), 2015, 46(3): 208-211.

[12] 謝思聰, 陳小波. 基于多層編碼遺傳算法的兩階段裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化[J]. 工程管理學(xué)報, 2018, 32(1): 18-22.

[13] 孫紅, 孫健, 吳玉厚, 等. 大型智能PC構(gòu)件自動化生產(chǎn)線簡介[J]. 混凝土與水泥制品, 2015(3): 35-38.

[14] 倪雪峰. 預(yù)制混凝土構(gòu)件自動化流水線研究[J]. 綠色建筑, 2017(1): 62-64.

[15] 李永敢. 裝配式建筑預(yù)制混凝土構(gòu)件自動化生產(chǎn)線設(shè)計配置技術(shù)[J]. 施工技術(shù), 2018, 47(4): 47-51.

[16] 葉浩文, 周沖, 樊則森, 等. 裝配式建筑一體化數(shù)字化建造的思考與應(yīng)用[J]. 工程管理學(xué)報, 2017, 31(5): 85-89.

[17] VALERO E, ADáN A, CERRADA C. Evolution of RFID applications in construction: Aaliterature review [J]. Sensors, 2014, 15(7): 15988-16008.

[18] ALTAF M S, LIU H X, Al-HUSSEIN M, et al. Online simulation modeling of prefabricated wall panel production using RFID system [C]//Winter Simulation Conference. New York: IEEE Press, 2016: 3379-3390.

[19] 常春光, 吳飛飛. 基于BIM和RFID技術(shù)的裝配式建筑施工過程管理[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報: 社會科學(xué)版, 2015, 17(2): 170-174.

[20] WANG G B, SONG J L. The relation of perceived benefits and organizational supports to user satisfaction with building information model (BIM) [J]. Computers in Human Behavior, 2017, 68: 493-500.

[21] 陳峰. 裝配式構(gòu)件信息管理系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)踐[J]. 預(yù)制混凝土, 2017(2): 80-83.

[22] 陳超. 預(yù)制裝配式建筑的BIM設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)分析[J]. 建筑技術(shù)開發(fā), 2017, 44(18): 8-9.

[23] 王勇, 張建平, 胡振中. 建筑施工IFC數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)的研究[J]. 土木建筑工程信息技術(shù). 2011, 3(4): 9-14.

[24] BLOCH T, SACKS R. Comparing machine learning and rule-based inferencing for semantic enrichment of BIM models [J]. Automation in Construction, 2018, 91: 256-272.

[25] SACKS R, MA L, YOSEF R, et al. Semantic enrichment for building information modeling: procedure for compiling inference rules and operators for complex geometry [EP/OL]. [2018-03-05]. https://ascelibrary. org/doi/10.1061/%28ASCE%29CP.1943-5487.0000705

[26] 施平望, 林良帆, 鄧雪原, 等. 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑構(gòu)件表達(dá)與管理方法研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2016, 37(2): 249-256.

[27] 陳立春, 賴華輝, 鄧雪原, 等. IFC標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)訉?shí)體擴(kuò)展方法研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2015, 36(2): 282-288.

[28] 朱純瑤, 楊緒坤. 建筑信息分類編碼體系對鐵路BIM的借鑒作用[J]. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新, 2014(5): 35-38.

[29] 張志偉, 王珩瑋, 林佳瑞, 等. 面向全生命期管理的水電工程信息分類編碼研究[J]. 工程管理學(xué)報, 2017, 31(4): 131-136.

[30] 明星, 周成, 姚毅榮, 等. 基于IDM的建筑工程設(shè)計階段流程圖描述方法研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2014, 35(1): 138-144.

Application of BIM Technology in the Manufacturing Stage of Precast Elements of Prefabricated Construction

XU Zhao, ZHAN Xinkui, ZHANG Xing

(Department of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210000, China)

In order to have a systematic and clear understanding of the application of BIM technology in the production stage of prefabricated building components, based on a large number of literature, we reviewed the production process and process flow of prefabricated components. Combined with the statistical analysis of the literature, the application of BIM related information technology in the production stage of prefabricated components is introduced, and the research status of information delivery in the production stage of prefabricated components is systematically concluded. Finally, this paper summarizes the gap of related researches between home and abroad, and puts forward the corresponding research suggestions. By reviewing the previous study on the application of BIM and information technologies, the paper also discusses the challenges and bottlenecks for information management in the manufacturing stage of precast elements, as well as future orientation of BIM technology application.

prefabricated construction; production stages; components; building information modeling; information technology

TU 201.4

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061148

A

2095-302X(2018)06-1148-08

2018-04-03；

2018-06-01

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目(2016YFC0702001-06)

徐 照(1982-)，男，江蘇徐州人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)锽IM、工程管理等。E-mail：bernardos@163.com