劉占省，吳震東

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

0 引言

裝配式建筑概念起源于歐洲，泛指在工廠中預(yù)先制造的建筑構(gòu)件，通過(guò)統(tǒng)籌調(diào)度將各部分組成構(gòu)件運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后，使用拼接、焊接等方式將構(gòu)件組裝成完整建筑[1]。產(chǎn)業(yè)規(guī)模近年來(lái)不斷擴(kuò)大并迅速發(fā)展，復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越多，發(fā)達(dá)國(guó)家的裝配式建筑已成為產(chǎn)業(yè)主流，對(duì)建筑物質(zhì)量和安全要求越來(lái)越高，從而對(duì)建筑業(yè)提出更高標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。然而我國(guó)傳統(tǒng)建筑業(yè)仍延續(xù)粗獷的建造方式和管理方式，存在生產(chǎn)效率低、智能化程度低、安全風(fēng)險(xiǎn)高、預(yù)測(cè)檢測(cè)難、信息壁壘堅(jiān)固等問(wèn)題，阻礙我國(guó)建筑業(yè)高速健康發(fā)展。

起源于航天航空領(lǐng)域的數(shù)字孿生(digital twin)技術(shù)近年來(lái)受到眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授[5]在2003年提出數(shù)字孿生概念。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)提出“孿生體(twin)”概念，并于2012年給出數(shù)字孿生的明確定義[6]。該技術(shù)以模型為基礎(chǔ)，集成多物理角度、多尺度層級(jí)、多學(xué)科屬性，能實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)實(shí)世界與虛擬信息世界的實(shí)時(shí)融合與交互，模型如圖 1所示[7]。

圖1 數(shù)字孿生概念模型

PTC、達(dá)索、西門子等將數(shù)字孿生理念應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、故障預(yù)測(cè)、產(chǎn)品服務(wù)中，實(shí)現(xiàn)制造全周期數(shù)字化[8]。數(shù)字孿生概念最初被Michael Grieves教授[9]定義為三維模型，包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品及二者間的連接。陶飛等[10]闡述物理城市、虛擬城市、城市大數(shù)據(jù)、虛實(shí)交互、智能服務(wù)間的關(guān)系，搭建數(shù)字孿生城市的運(yùn)行框架。劉占省等[11-12]對(duì)裝配式建筑施工、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)張拉、超高層施工過(guò)程監(jiān)測(cè)、建筑室內(nèi)安防、大型建筑運(yùn)維管理等應(yīng)用場(chǎng)景提出實(shí)現(xiàn)智能建造的關(guān)鍵方法，并建立、分析用于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生模型，在生命周期管理方面具有可持續(xù)性好、有序高效等優(yōu)點(diǎn)。韓冬辰等[13]在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上，提出基于BIM系統(tǒng)指導(dǎo)下的裝配式建筑施工智能化改進(jìn)理論，為安裝建造過(guò)程提供科學(xué)、明晰的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

目前對(duì)裝配式建筑構(gòu)件安裝的研究分為兩類：①旨在梳理和描述裝配式構(gòu)件安裝要點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)信息化管理流程；②主要利用RFID，LoRa、三維激光掃描等技術(shù)記錄裝配構(gòu)件，并在施工過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用[14]。

劉占省等[12]以 LoRa 無(wú)線通信為支撐，將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)與建筑業(yè)進(jìn)行合理的結(jié)合與創(chuàng)新，圍繞裝配式建筑施工過(guò)程，制定信息化解決方案。Xu等[8]從裝配式建筑施工需求出發(fā)，應(yīng)用云集成技術(shù)，開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云資產(chǎn)平臺(tái)，消除信息壁壘，提高企業(yè)間信息傳輸?shù)男?。韓冬辰等[13]在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)、點(diǎn)云分析，提出獲取-對(duì)比-修正的技術(shù)策略，在建筑實(shí)體化中，逆向獲取對(duì)象建成信息，并在語(yǔ)言設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行基于BIM的自動(dòng)修正。

用于檢測(cè)裝配構(gòu)件力學(xué)性能狀態(tài)和安裝效果的質(zhì)量評(píng)估方法大多依賴人工測(cè)量，耗時(shí)且精度不高[14]。建造過(guò)程中，國(guó)外已有相關(guān)研究，利用激光掃描對(duì)建造活動(dòng)進(jìn)行跟蹤，控制建筑尺寸質(zhì)量，一般方法是對(duì)比分析設(shè)計(jì)模型和現(xiàn)場(chǎng)掃描的3D點(diǎn)云模型，以精細(xì)匹配并計(jì)算建造過(guò)程產(chǎn)生的誤差。曹新穎等[15]對(duì)我國(guó)裝配式建筑構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)當(dāng)前構(gòu)件的管理現(xiàn)狀、控制要點(diǎn)及生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)裝配式構(gòu)件信息管理的流程模型。張建平等[16]結(jié)合我國(guó)裝配式建筑施工實(shí)際需求和特點(diǎn)，提出實(shí)施BIM技術(shù)的技術(shù)架構(gòu)。常春光等[17]針對(duì)裝配式建筑安裝過(guò)程特點(diǎn)，利用射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)在裝配式建筑施工中進(jìn)行 BIM 管理、制定系統(tǒng)流程和應(yīng)對(duì)措施，并自主研發(fā)相關(guān)BIM建模系統(tǒng)和4D管理軟件。闞浩鐘等[18]在大小井特大橋鋼管拱肋拼裝過(guò)程中，結(jié)合BIM與三維激光掃描技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬預(yù)拼裝。

綜上所述，無(wú)論是裝配式建筑還是數(shù)字孿生，為更快達(dá)到建筑行業(yè)智能化的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)，二者結(jié)合將對(duì)行業(yè)發(fā)展形成創(chuàng)新思路，建立具象化、細(xì)節(jié)化的安裝整體體系框架，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到裝配式建筑業(yè)，輔助裝配式構(gòu)件安裝為主體目標(biāo)，得到安裝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)施工進(jìn)展和相關(guān)人員、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，為施工計(jì)劃和實(shí)時(shí)安裝進(jìn)度提供參考和理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)裝配式構(gòu)件施工的三維可視化與數(shù)據(jù)智能化交互，遵循“十四五”期間建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要中提及的綠色施工、優(yōu)化成本、早日實(shí)現(xiàn)碳中和的要求，少人、無(wú)人化施工場(chǎng)地建設(shè)，及建立完善項(xiàng)目智能化建造方案的發(fā)展目標(biāo)，對(duì)工程建造過(guò)程和建筑全生命周期高效監(jiān)測(cè)具有推動(dòng)作用。本文融合數(shù)字孿生理念與建筑業(yè)裝配式建筑施工過(guò)程，旨在通過(guò)智能化安裝管理方法，為智能建造的研究和發(fā)展提供全新的理論基礎(chǔ)和創(chuàng)新思路。

1 數(shù)字孿生裝配式建筑安裝管理模型搭建

1.1 安裝施工要素整合及框架構(gòu)建

數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)裝配式建筑安裝過(guò)程智能化的決定性技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛擬空間和物理現(xiàn)實(shí)世界的交互融合。加之現(xiàn)代建筑場(chǎng)地對(duì)安裝施工過(guò)程智能化、少人化的要求，在要素復(fù)雜、關(guān)聯(lián)多、工序銜接緊的施工特點(diǎn)下，數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)理論模型將作為建筑產(chǎn)業(yè)的智能化革命關(guān)鍵環(huán)節(jié)[19]。本文提出基于數(shù)字孿生的裝配式建筑安裝管理多維模型，該模型基于安裝施工現(xiàn)場(chǎng)，從信息、時(shí)間、建模種類角度建立虛擬管理模型，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在建筑產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)物理模型與虛擬施工現(xiàn)場(chǎng)間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互的同時(shí)，將物理施工現(xiàn)場(chǎng)和虛擬施工模型數(shù)據(jù)上傳至云端，形成孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)。因此，本文建立基于數(shù)字孿生的裝配式構(gòu)件安裝管理框架，如圖2所示。

圖2 裝配式建筑安裝施工數(shù)字孿生框架

該框架包括基于數(shù)字孿生的裝配式安裝施工過(guò)程時(shí)間維度建模、信息交互維度數(shù)據(jù)建模、基于不同安裝需求的種類維度建模。時(shí)間維度建模主要包括施工不同階段的數(shù)據(jù)集成；信息交互維度數(shù)據(jù)建模是在空間維度上，對(duì)物理實(shí)體、數(shù)字孿生虛體及兩大模塊的連接交互形式與運(yùn)行邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)；種類維度模型是對(duì)力學(xué)性能、可視化、場(chǎng)地信息等要素進(jìn)行全方位整合。3個(gè)角度的建模使基于數(shù)字孿生的智能施工體系邏輯更嚴(yán)密、合理。

1.2 建模實(shí)現(xiàn)方法

1.2.1多維多尺度數(shù)字孿生虛體建模

數(shù)字孿生虛體建模從信息、時(shí)間、模型種類維度，對(duì)裝配式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)中的構(gòu)件安裝要素進(jìn)行整合并建立模型，流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生建模流程

首先信息維度建模是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生與裝配式建筑施工智能化的關(guān)鍵基礎(chǔ)，組成結(jié)構(gòu)可歸納為“幾何-物理-行為-規(guī)則”4個(gè)層次，根據(jù)施工過(guò)程對(duì)各維度模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)集成，實(shí)現(xiàn)深層次、多角度、全方位模擬仿真，建模內(nèi)容如下：①幾何層面 主要針對(duì)構(gòu)件外觀、尺寸、型號(hào)等基本信息進(jìn)行建模，統(tǒng)一收集出廠信息，方便進(jìn)場(chǎng)前、進(jìn)場(chǎng)后、安裝前、安裝后的多次復(fù)核環(huán)節(jié)。通過(guò)建立高保真度的幾何模型真實(shí)映射吊裝過(guò)程的幾何特征，為物理模型分析提供基礎(chǔ)。②物理層面 主要針對(duì)構(gòu)件和吊裝設(shè)備的材料參數(shù)、力學(xué)性能、構(gòu)件幾何邊緣定位等進(jìn)行建模，應(yīng)用MIDAS，ANSYS等有限元分析軟件建立物理模型，通過(guò)物理模型實(shí)現(xiàn)吊裝過(guò)程構(gòu)件相關(guān)力學(xué)性能的運(yùn)算，可設(shè)置同安裝工況相匹配的施工流程，進(jìn)而分析構(gòu)件和設(shè)備力學(xué)性能參數(shù)及構(gòu)件自身的參數(shù)變化，由此提取的力學(xué)性能參數(shù)可直接用于施工安全狀況評(píng)估。③行為層面 通過(guò)分析物理模型，融合時(shí)間維度信息可對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，得到施工過(guò)程中力學(xué)性能、定位參數(shù)的變化。孿生虛體數(shù)據(jù)管理可細(xì)化為以下模型：基于數(shù)字孿生的裝配式建筑安裝管理數(shù)據(jù)DT-PIMD(digital twin-based prefabricated building installation management data)，即與裝配式建筑安裝管理過(guò)程相關(guān)的全要素、全流程、多尺度數(shù)據(jù)集合，主要由人員信息PI(personnel information)、機(jī)械設(shè)備信息MEI(machinery and equipment information)、材料信息MI(material information)、工法信息TI(technology information)、環(huán)境信息EI(environment information)組成，表示如下：DT-PIMD={PI,MEI,MI,TI,EI}#，其中PI指與施工人員有關(guān)的信息，如工種、負(fù)責(zé)工序、安裝作業(yè)情況等；MEI指與施工機(jī)械設(shè)備有關(guān)的信息，如設(shè)備名稱、設(shè)備類型、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備作業(yè)情況、設(shè)備定位等信息；MI指施工過(guò)程中使用的物料，如混凝土、構(gòu)件等調(diào)度情況、構(gòu)件實(shí)時(shí)力學(xué)狀態(tài)等信息；TI指與施工任務(wù)有關(guān)的信息，如安裝工法、施工工序及流程、施工環(huán)境、施工材料等信息；EI指與施工作業(yè)相關(guān)的溫度、濕度等場(chǎng)地環(huán)境信息。④規(guī)則層面 該層面是進(jìn)行質(zhì)量控制、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、決策優(yōu)化的參照標(biāo)準(zhǔn)，包括評(píng)價(jià)規(guī)則、決策規(guī)則、預(yù)測(cè)規(guī)則等，應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和具體工程設(shè)計(jì)要求對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。

時(shí)間維建?？蓞⒖际┕ぐ惭b進(jìn)度整體邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，依次為設(shè)計(jì)規(guī)劃階段、安裝施工階段、運(yùn)維反饋階段。設(shè)計(jì)階段的BIM模型、有限元軟件建模是項(xiàng)目建設(shè)的基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，構(gòu)建修正體系；安裝階段應(yīng)緊密結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用RFID、傳感器、三維激光掃描技術(shù)建立構(gòu)件物理信息集合模型，實(shí)時(shí)比對(duì)前期修正模型后，形成施工階段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型，監(jiān)測(cè)模型可作為場(chǎng)地內(nèi)建筑安裝進(jìn)程的實(shí)時(shí)映射。在運(yùn)維反饋階段，通過(guò)物理實(shí)體點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM模型中，提取構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息并修正后，可得到修正后的有限元模型，進(jìn)一步消除施工實(shí)際誤差，使模型更接近物理實(shí)體。

模型種類維建模指孿生體從構(gòu)件力學(xué)性能、施工進(jìn)度可視化、場(chǎng)地相關(guān)信息等角度出發(fā)，由有限元模型、BIM模型、三維激光掃描模型等共同建立的模型。有限元模型為裝配式建筑安裝提供構(gòu)件位移數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)力學(xué)仿真分析數(shù)據(jù)，三維點(diǎn)云掃描模型提供建造過(guò)程的實(shí)時(shí)位形數(shù)據(jù)，以確保幾何模型與物理對(duì)象高度一致。BIM 模型為孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)提供可視化功能，將物理建造活動(dòng)進(jìn)行模擬與展示，并提供人、機(jī)、料、法、環(huán)全要素信息，為其他種類的模型提供數(shù)據(jù)支持。

1.2.2物理實(shí)體模型數(shù)據(jù)獲取及管理方法

為實(shí)現(xiàn)物理空間、虛擬空間、孿生虛擬空間間的數(shù)據(jù)傳輸與交換，保證信息實(shí)時(shí)互聯(lián)互通，打破信息孤島的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，需建立完整的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信是利用通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)有線數(shù)據(jù)通信或無(wú)線數(shù)據(jù)通信，以連接數(shù)據(jù)終端與計(jì)算機(jī)。隨著物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和普及，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備建筑物間的智慧互聯(lián)，通過(guò)監(jiān)控和跟蹤的方式共享數(shù)據(jù)，提高建造效率。未來(lái)，隨著5G技術(shù)的普及和傳感器向高度集成與成本控制發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在智能建造中的應(yīng)用將更廣泛。數(shù)據(jù)是連接物理世界與虛擬世界的橋梁，如何采集與獲取數(shù)據(jù)是應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)需解決的首要問(wèn)題。安裝過(guò)程中，材料性能變化與人員參與都可能影響建造結(jié)果，因此，要盡可能全面采集構(gòu)件安裝過(guò)程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，同時(shí)需保證數(shù)據(jù)全面性與準(zhǔn)確性，才能最大限度在虛擬空間中還原物理空間。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)衍生出的智能構(gòu)件為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取提供實(shí)操性，智能構(gòu)件是由構(gòu)件本體、主動(dòng)RFID標(biāo)簽、各類傳感器、嵌入式終端等組件構(gòu)成的整體，如圖4所示，其中，構(gòu)件主要包括疊合板、樓梯、墻體、陽(yáng)臺(tái)等預(yù)制構(gòu)件。在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中，主動(dòng)RFID標(biāo)簽和嵌入式終端緊密附著在構(gòu)件內(nèi)。RFID標(biāo)簽是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)場(chǎng)景里的實(shí)際應(yīng)用，承擔(dān)構(gòu)件識(shí)別和信息寫入任務(wù)。

圖4 智能構(gòu)件組成結(jié)構(gòu)

通過(guò)標(biāo)簽中儲(chǔ)存的構(gòu)件ID、種類、材料、幾何尺寸、存放位置、生產(chǎn)信息，采用索引構(gòu)件ID可在云端數(shù)據(jù)庫(kù)查詢構(gòu)件施工工藝，以及各施工過(guò)程質(zhì)量要求的全部信息。傳感器包括力學(xué)傳感器、位移、應(yīng)變傳感器、定位傳感器，可實(shí)時(shí)感應(yīng)構(gòu)件力學(xué)性能和場(chǎng)地內(nèi)位置的變化，并與嵌入式終端相連。嵌入式終端具有數(shù)據(jù)采集、傳輸功能，可將傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至虛擬模型和處理器。嵌入式終端是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下構(gòu)件中最重要的組成部分，起上傳、接收數(shù)據(jù)的作用。場(chǎng)地中，施工設(shè)備應(yīng)配套對(duì)應(yīng)裝配式智能化構(gòu)件，除設(shè)備本身，由嵌入式終端、RFID讀寫器、異構(gòu)傳感器、執(zhí)行器及控制器組成。RFID讀寫器可與智能構(gòu)件RFID標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信，記錄構(gòu)件狀態(tài)，并寫入標(biāo)簽中。異構(gòu)傳感器承擔(dān)采集不同種類傳感器的任務(wù)，主要感知并收集位置數(shù)據(jù)、應(yīng)力數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等。執(zhí)行器和控制器接收?qǐng)?zhí)行指令并執(zhí)行控制命令。嵌入式終端具有數(shù)據(jù)采集、傳輸功能，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，同時(shí)收集云端傳來(lái)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，向執(zhí)行器發(fā)送指令，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。該嵌入式終端與智能構(gòu)件的嵌入式終端一致，具有一定數(shù)據(jù)處理運(yùn)算功能，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備自我感知、自我決策、自我執(zhí)行。以上物聯(lián)網(wǎng)體系配件的建造設(shè)備或結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通過(guò)讀取場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)件信息，既可以實(shí)時(shí)獲取對(duì)象力學(xué)狀態(tài)、生產(chǎn)信息、位置信息等，也能將實(shí)體對(duì)象進(jìn)行虛擬空間的數(shù)字化表達(dá)。通過(guò)在智能建造活動(dòng)中部署多類型傳感器，采集環(huán)境、構(gòu)件物理屬性(應(yīng)力、應(yīng)變、荷載、位移、實(shí)時(shí)位形數(shù)據(jù)等)模擬信號(hào)，再利用信號(hào)采集儀將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳輸給上層系統(tǒng)。采集流程如圖5所示。

圖5 信息采集流程結(jié)構(gòu)

先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集與信息感知技術(shù)使管理者從設(shè)備端獲取海量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，并且隨時(shí)間推移數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。面對(duì)龐大的數(shù)據(jù)規(guī)模，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理水平成為重中之重。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理業(yè)務(wù)范圍需要橫跨建造過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)。其次，面對(duì)持續(xù)增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)，需要引入分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以滿足可靠性與可擴(kuò)展性需求，為保證建筑工程運(yùn)維階段需求，應(yīng)在成本可控的情況下持續(xù)維護(hù)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上形成的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理平臺(tái)可篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并為物理空間、虛擬空間及智能建造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用和分析提供驅(qū)動(dòng)力與支撐。因此，在數(shù)據(jù)管理中應(yīng)采用平均加權(quán)法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯法、昌盛式規(guī)則、模糊邏輯理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)融合算法實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合。同時(shí)以深度信念網(wǎng)絡(luò)、馬爾科夫、決策森林、專家系統(tǒng)等算法為驅(qū)動(dòng)，結(jié)合具體項(xiàng)目的專家知識(shí)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則約束、推理理論等數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)安裝進(jìn)度成本控制、施工過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、節(jié)點(diǎn)質(zhì)量控制等安裝過(guò)程中的高效服務(wù)?；谝陨戏绞降臄?shù)據(jù)管理模式，決策人員可更清晰高效地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)變動(dòng)。通過(guò)提高裝配式建筑安裝過(guò)程中的信息化水平，加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程的控制，提高施工效率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證質(zhì)量。

2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的構(gòu)件安裝監(jiān)測(cè)方法

利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝配式構(gòu)件的安裝智能化管理過(guò)程中，施工現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)要素集中于構(gòu)件完成吊裝后的宏觀定位、構(gòu)件間拼接精準(zhǔn)定位及構(gòu)件連接牢固度監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)。

2.1 構(gòu)件宏觀定位方法

2.1.1定位方法研究

宏觀定位環(huán)節(jié)要求構(gòu)件上的定位模塊能提供精準(zhǔn)的場(chǎng)地定位，并且要求定位系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件傳出的信號(hào)有準(zhǔn)確、快速的捕捉效率。如美國(guó)GPS、我國(guó)的北斗定位系統(tǒng)、歐盟伽利略定位體系等已廣泛應(yīng)用于日常生活中，以上體系對(duì)開(kāi)闊場(chǎng)地下個(gè)體的定位相對(duì)準(zhǔn)確，但在施工場(chǎng)地精確到建筑構(gòu)件的程度上，傳統(tǒng)定位系統(tǒng)涉及的技術(shù)精度無(wú)法達(dá)到構(gòu)建數(shù)字孿生體，并精準(zhǔn)管理構(gòu)件安裝過(guò)程的程度。針對(duì)裝配式構(gòu)件安裝智能化管理需求，以超帶寬技術(shù)為代表，擁有復(fù)雜環(huán)境下精準(zhǔn)定位的無(wú)線通信技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)該機(jī)制的關(guān)鍵。超帶寬技術(shù)以高帶寬占用率、高信號(hào)傳輸速度、大系統(tǒng)容量、低運(yùn)營(yíng)成本、低功率譜密度等特點(diǎn)，成為復(fù)雜環(huán)境下精準(zhǔn)定位的首選。以UWB業(yè)界的代表性系統(tǒng)——Localizers 為例，通過(guò)UWB信號(hào)的偽碼延時(shí)技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)定位測(cè)量。該系統(tǒng)具有低功耗和相對(duì)微型的硬件結(jié)構(gòu)，可在高噪聲環(huán)境下有近30m的定位范圍，定位精度可達(dá)5cm。超帶寬與定位技術(shù)的結(jié)合取得電氣與電子工程師協(xié)會(huì)高度關(guān)注和認(rèn)可，采用TOA定位法(time of arrival)記錄附帶超帶寬系統(tǒng)標(biāo)簽的發(fā)射信號(hào)到達(dá)基站所需的時(shí)間，利用物理公式求得發(fā)射標(biāo)簽到接收基站間的精準(zhǔn)距離。

依據(jù)相同原理設(shè)置多個(gè)基站，以3個(gè)基站為圓心，標(biāo)簽到基站距離為半徑做圓，3個(gè)圓交點(diǎn)即標(biāo)簽所在位置。定位原理可理解為將3個(gè)基站設(shè)置在同一高度，在確認(rèn)相關(guān)UWB模塊硬件系統(tǒng)安裝完畢后，以基站A作為定位坐標(biāo)原點(diǎn)，以基站A，B間的連線為定位坐標(biāo)系x軸，垂直底面為z軸。根據(jù)右手坐標(biāo)系確定y軸方向后，建立UWB傳輸定位坐標(biāo)系，以基站A為中心，以基站C與基站A的相對(duì)距離為半徑繪制圓。然后以基站B為圓心，基站C到基站B的距離為圓半徑。2個(gè)圓相交于兩點(diǎn)，y軸坐標(biāo)為正的點(diǎn)設(shè)為基站C，即得到3個(gè)定位基站在UWB定位坐標(biāo)系中的位置。在確定定位坐標(biāo)系后，可通過(guò)3個(gè)基站的位置定位WB標(biāo)簽。以基站A為原點(diǎn)和基站A到標(biāo)簽的距離為半徑可確定一球，同理可套用至基站B，C，擬出的兩球相交可得一圓，該圓與第3個(gè)球相交可得兩點(diǎn)，默認(rèn)UWB信號(hào)傳輸網(wǎng)中標(biāo)簽位置低于三基站平面，如圖6所示。

圖6 基于UWB的場(chǎng)地內(nèi)定位方法

2.1.2超帶寬定位與數(shù)字孿生融合方法

隨著工業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)，在可預(yù)見(jiàn)的10年內(nèi)，制造業(yè)對(duì)硬件系統(tǒng)的高度集成將達(dá)到更高水平。由于超寬帶低功率、高速率、傳輸距離相對(duì)較短的性能，為保證傳輸給基站的超寬頻率高斯脈沖信號(hào)，需在裝配式建筑構(gòu)件上安裝相應(yīng)的集成信號(hào)傳輸模塊。信號(hào)傳輸模塊硬件構(gòu)成整體設(shè)計(jì)思路如下：以完整的超帶寬信號(hào)傳輸模塊為單位，組成部分應(yīng)包括數(shù)據(jù)處理器模塊、無(wú)線通信信號(hào)傳輸模塊及電源管理模塊。數(shù)據(jù)處理器模塊及無(wú)線通信信號(hào)傳輸模塊可選用半導(dǎo)體及芯片供應(yīng)商提供的處理器和無(wú)線電芯片方案，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，電源管理模塊主要任務(wù)是保證傳輸速率和模塊正常工作時(shí)間，可通過(guò)大容量獨(dú)立鋰電池供電。同時(shí)考慮綠色施工理念，各構(gòu)件的定位硬件模塊安裝和拆卸需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)和及時(shí)拆卸重裝。利用TOA定位法獲取的施工現(xiàn)場(chǎng)超帶寬信號(hào)，可第一時(shí)間返回分基站，并通過(guò)基站內(nèi)部的處理器復(fù)核定位信號(hào)后，將各標(biāo)簽位置統(tǒng)一返給總基站，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體中的構(gòu)件定位信息采集。利用高精度定位信息，可幫助決策者在安裝管理平臺(tái)上實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)施工流程中的構(gòu)件，在宏觀層面第一時(shí)間調(diào)控場(chǎng)地內(nèi)的構(gòu)件位置。

2.2 構(gòu)件拼接精確定位監(jiān)測(cè)

目前，剪力墻和疊合板的安裝量比其他構(gòu)件安裝量龐大。以剪力墻安裝工藝為例，分析拼接環(huán)節(jié)如何對(duì)構(gòu)件間相對(duì)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整。剪力墻安裝工藝流程可歸納為吊裝器械將構(gòu)件懸置于地面上12～15cm處，依靠工人經(jīng)驗(yàn)和孔洞附近的鏡子進(jìn)行粗略對(duì)齊，當(dāng)鋼筋和孔洞對(duì)齊后，安裝長(zhǎng)、短斜支撐調(diào)整橫向位置及垂直度。以剪力墻為例，在基礎(chǔ)構(gòu)建完畢的情況下，剪力墻間存在預(yù)留凸出鋼筋和預(yù)留孔洞的拼接精度，是數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)裝配式建筑構(gòu)件安裝管理應(yīng)提升的核心環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)預(yù)留孔洞和鋼筋標(biāo)齊定位，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)機(jī)制如下：在構(gòu)件伸出鋼筋處配備紅外激光傳感器、預(yù)留孔洞處同步配備紅外激光接收器，結(jié)合構(gòu)件內(nèi)嵌入式終端，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件實(shí)時(shí)反饋安裝狀態(tài)。構(gòu)件上的集成終端通過(guò)控制凸出鋼筋的紅外裝置，發(fā)射調(diào)制好的紅外射線，對(duì)應(yīng)相鄰構(gòu)件上的光學(xué)傳感器進(jìn)行接收定位。由于場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)件間沒(méi)有額外的結(jié)構(gòu)遮擋，紅外線傳感技術(shù)對(duì)構(gòu)件拼接時(shí)的監(jiān)控有相對(duì)高的契合度，能實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間的實(shí)時(shí)拼接定位監(jiān)控，及時(shí)管理施工現(xiàn)場(chǎng)安裝流程。裝配機(jī)制如圖 7所示。

圖7 安裝精準(zhǔn)定位示意

由于場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)件數(shù)量大、拼接過(guò)程多，若大量采用構(gòu)件間的紅外定位技術(shù)會(huì)產(chǎn)生較大功耗，仍需調(diào)整實(shí)用性。結(jié)合紅外傳感技術(shù)與超聲波技術(shù)可實(shí)現(xiàn)定位和標(biāo)定功能，由紅外線觸發(fā)校準(zhǔn)信號(hào)，使信號(hào)接收參考點(diǎn)的超聲波發(fā)射器向被測(cè)點(diǎn)發(fā)射校準(zhǔn)超聲波。同樣，采用TOA傳輸算法，通過(guò)定時(shí)器等設(shè)備進(jìn)行測(cè)距定位，針對(duì)性地降低功耗，使紅外技術(shù)與超聲波技術(shù)相輔相成。精細(xì)校準(zhǔn)構(gòu)件后，構(gòu)件上的嵌入式終端獲取相關(guān)信息，并傳輸給上層數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整不同構(gòu)件間的安裝精度。

2.3 安裝階段的構(gòu)件連接牢固性監(jiān)測(cè)方法

目前，裝配式構(gòu)件安裝缺乏高效統(tǒng)計(jì)場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)件實(shí)時(shí)連接牢固程度的方法。以剪力墻拼接施工過(guò)程的噴漿加固工序?yàn)槔?，?dāng)前置工序中的伸出鋼筋和預(yù)留孔洞對(duì)齊并拼裝完成后，噴漿管將從構(gòu)件下部噴漿孔洞伸入，開(kāi)始噴漿作業(yè)。

通常采用壓漿法從下口灌注混凝土漿，當(dāng)混凝土漿液從構(gòu)件上部的出漿口流出后，應(yīng)及時(shí)封堵出漿口。由于現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件數(shù)量多、噴漿作業(yè)工程需求量大，為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，應(yīng)在出漿口附近的構(gòu)件出口處配置紅外傳感裝置，利用出漿口的冒漿探測(cè)，構(gòu)件嵌入式終端實(shí)時(shí)將洞口數(shù)據(jù)傳至上層數(shù)據(jù)整合平臺(tái)，并通過(guò)數(shù)字孿生體的交互機(jī)制，實(shí)時(shí)反饋到?jīng)Q策者的移動(dòng)設(shè)備中，監(jiān)測(cè)場(chǎng)地內(nèi)各構(gòu)件連接。構(gòu)件連接牢固度監(jiān)測(cè)如圖 8所示。

圖8 構(gòu)件連接牢固度監(jiān)測(cè)

3 結(jié)語(yǔ)

1)本文利用文獻(xiàn)調(diào)研的方式體系化地分析數(shù)字孿生技術(shù)與裝配式建筑技術(shù)的發(fā)展、研究與應(yīng)用情況，闡述智能建造與新興技術(shù)的緊密聯(lián)系與技術(shù)突破，并對(duì)智能建造發(fā)展痛點(diǎn)提出解決方案，為管理模型的搭建和實(shí)現(xiàn)方法奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2)針對(duì)數(shù)據(jù)采集與融合、數(shù)據(jù)建模、智能決策體系、模型運(yùn)行機(jī)制等問(wèn)題，深入研究數(shù)字孿生在施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施方法，即實(shí)現(xiàn)全要素信息采集與傳輸、構(gòu)建多維多尺度數(shù)字孿生模型并運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，為今后的相關(guān)研究應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3)從宏觀定位、精準(zhǔn)定位、牢固度監(jiān)測(cè)等層面對(duì)裝配式構(gòu)件安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行基于數(shù)字孿生技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)，對(duì)安裝過(guò)程的智能化提升給出具體的實(shí)操性理論。

本文對(duì)基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的整體系統(tǒng)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，但并未到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的階段。未來(lái)仍需規(guī)范對(duì)裝配式建筑施工過(guò)程中各項(xiàng)構(gòu)件的使用狀態(tài)、檢測(cè)設(shè)備硬件配備、設(shè)備安裝位置、操作的規(guī)定。目前在調(diào)試和探索階段，在單學(xué)科探索下無(wú)法短期成型，仍需在取得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度上做大量嘗試，并且在基于試驗(yàn)的基礎(chǔ)上做系統(tǒng)性研究后再次整合。本文研究的管理模型基于裝配式建筑施工過(guò)程，在數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)集成使用的背景下，仍需要進(jìn)一步研究基于數(shù)字孿生的裝配式建筑全生命周期的智慧管理系統(tǒng)。