发布时间：2021-02-21所属分类：建筑师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：为了能够对 BIM 技术在装配式建筑预制构件生产阶段的应用研究现状有较为系统清晰的掌握，在大量文献阅读的基础上，对装配式建筑预制构件生产过程及工艺流程进行梳理。首先结合文献的统计分析，对 BIM 相关信息技术在预制构件生产阶段的应用进行介绍，
摘 要：为了能够对 BIM 技术在装配式建筑预制构件生产阶段的应用研究现状有较为系统清晰的掌握，在大量文献阅读的基础上，对装配式建筑预制构件生产过程及工艺流程进行梳理。首先结合文献的统计分析，对 BIM 相关信息技术在预制构件生产阶段的应用进行介绍，并对预制构件生产阶段信息交付研究现状进行系统归纳。最后对国内外相关研究存在的差距进行总结，并提出相应研究建议。通过 BIM 为代表的信息技术在装配式建筑构件生产阶段的应用分析总结，明确目前预制构件生产阶段信息化管理领域现存的挑战和瓶颈，并针对性的提出 BIM 技术在这方面未来的发展方向。
关 键 词：装配式建筑;生产阶段;构件;建筑信息模型;信息技术
装配式建筑在构件层面可以拆分为梁、柱、楼板、窗体等部分，通过工厂预制、构件运输和现场拼装形成完整的装配式结构。因此针对装配式建筑的全过程控制中，预制构件生产阶段的管理技术优化和工艺提升具有突出作用。目前以 BIM(building information modeling)为代表的信息技术与预制构件生产研究相结合是装配式建筑相关研究领域的热点之一，充分发挥 BIM 技术可视化、协同性、信息完备性等优势，可以有效解决构件生产阶段参与方多、信息量大、信息复杂等问题[1]。在预制构件的生产过程中使用 BIM 相关技术，能够实现生产过程各利益相关方或参与方的有效协同工作，并在设计、施工、运维等工作阶段达到更好的综合效益。
BIM 技术在装配式建筑预制构件生产阶段的应用不仅指建立构件生产三维信息模型，更重要的是基于三维信息模型的生产过程协同管理[2]。以三维信息模型为载体，通过使用 BIM 相关信息技术实现信息的快速收集[3]，在实现信息有效交付的基础上，对构件生产过程进行高效决策管理。
但现阶段国内将 BIM 技术与装配式建筑预制构件生产结合应用的研究较为分散，没有形成较为系统、清晰的应用研究总结。因此本文对装配式建筑预制构件生产过程及工艺流程进行梳理，结合相关文献的统计分析，对 BIM 相关信息技术在预制构件生产阶段的应用进行介绍，并对预制构件生产阶段信息交付研究现状进行系统归纳，最后对国内外相关研究存在的差距进行总结，并提出相应建议。
1 预制构件生产阶段过程分析
1.1 预制构件生产过程
装配式建筑相较于与传统建筑项目工程主要增加了构件设计、构件工厂预制及构件现场吊装等工序，其构件生产阶段、设计施工阶段与施工拼装阶段的工作关联图如图 1 所示。
(1) 预制构件深化设计。为了让构件模型所包含的生产相关信息，能够较为有效在构件生产过程中使用，现阶段装配式建筑预制构件深化设计通常是以工厂为主体进行开展，在设计院形成的构件图纸基础上，结合工厂的实际生产工艺，运用 BIM 三维建模技术进行深化设计[4]。构件深化设计是在满足结构力学设计的基础上，根据多专业提出建筑需求，结合工厂自身构件生产工艺的需求以及施工吊装过程的需求，对构件几何尺寸及各项预埋件进行深化设计。
(2) 预制构件生产管理。预制构件的生产管理主要包括：构件生产计划安排、构件生产过程中的人、材、机的管理和构件生产过程控制。构件生产计划安排主要根据工厂实际生产能力与建筑项目构件的施工进度需求，制定科学有效的生产进度安排。根据构件生产计划安排，对构件生产所需要的人工、材料、机械等进行管理，其次对构件生产过程进行控制，对构件生产过程中出现的问题及时调整。为了实现构件生产有效管理，信息化管理平台逐渐应用到构件生产管理过程中，文献[5-6]利用 BIM 技术设计预制构件生产管理系统，通过 BIM 数据支撑作用提升预制构件的质量水平和生产效率。其次针对预制构件生产信息的跟踪过程研究，文献[7-8]通过将射频识别技术(radio frequency identification, RFID)标签嵌入到预制构件中，并结合移动设备、互联网和数据库技术，实现信息采集、数据传递共享等功能，对构件生产进行全过程跟踪和快速预警。
(3) 预制构件检查及修复。针对构件生产完成之后的构件质量检查，理论上提出通过使用激光扫描技术，对构件成品进行扫描，形成三维模型与设计模型进行对比，从而对构件的生产质量进行判断[9]。但现阶段构件工厂针对质量检查依旧采用人工检查的方式进行。
1.2 预制构件生产工艺流程
预制构件生产工艺通常包括模具清洁、模具组装、涂脱模剂、绑扎钢筋骨架、安装预埋件、混凝土浇筑振捣、拉毛、蒸养、拆模、检验修补及堆放等阶段[10-11]。其中针对具体构件生产工艺会根据构件类型和构件厂生产能力有所调整。
现阶段国内外关于构件生产工艺方面的研究重点主要侧重于实现构件生产自动化，提高构件的生产效率。美国、日本和德国等发达国家的预制构件生产设备已经从单独的工艺环节自动化逐步进入整体协调的高自动水平，构件生产设备集成化和机械化水平都较高。国内自动化生产线起步较晚，现阶段还处于只能对单独的工艺环节实现自动化，其中自动化工艺主要应用包括自动布置拆除模具、自动喷涂脱模剂、钢筋网片加工、混凝土浇筑及振捣、自动蒸养、墙体自动翻转等单独的方面，在整个生产过程中仍旧需要依靠人工协助来完成构件生产[12-15]。图 2 可较为直观地展现现阶段我国预制构件各生产工艺所处生产阶段及自动化程度。
其中由于不同类型构件，形状、预埋及受力等存在差异导致各种构件在实际生产中会存在差别。预制构件通常包括预制柱、预应力叠合梁、普通叠合梁、预应力叠合板、预应力空心板、预制剪力墙、预制隔墙板、预制外挂板、预制空调板、预制阳台、预制飘窗、预制楼梯及其他造型构件等。以预应力叠合板为例，相较于普通叠合板增加预应力筋张拉过程。
2 BIM 相关信息技术应用分析
2.1 文献统计分析
本文分别以“BIM”、“管理信息系统”、“RFID”、 “3D 扫描”与“装配式建筑”或者“PC”进行组合，来源类别选择“SCI 来源期刊”、“EI 来源期刊”、“核心期刊”，以此为条件对相关文章的摘要、关键词等进行检索，分别对 2007 年到 2017 年间发表的文章进行搜索，筛选与装配式建筑预制构件生产相关的论文进行统计。其中共筛选出 50 篇文章，如图 3 所示。分析发现国内关于相关信息技术的应用研究均起步较晚，近几年随着国家对装配式建筑政策上大力支持，相关研究呈现逐渐上升的趋势。其中 BIM 技术主要应用于设计方面，管理信息系统通常与 RFID 技术进行结合应用，而 3D 扫描技术在预制构件生产中的应用研究较少。
利用 Engineering Index(EI)数据库进行国外文献检索，分别以“BIM”、“management information system”、“RFID”、“3D scanning”与“prefabricated construction”或者“PC”进行组合检索。语言选择 “English”，文献类型选择“Journal article”，分别对 2007 年–2017 年间发表的文章进行检索，筛选与预制构件生产相关论文进行统计，其中共筛选出 153 篇文章(图 3)。分析发现国外针对相关信息技术在生产阶段的研究开始较早，相关的研究成果较多，且多偏向于智能化生产应用等方向，其中针对管理信息系统的研究侧重与信息传递和优化算法等方面，而对于 RFID 技术在装配式建筑生产阶段研究则较少。
对比国内外针对相关信息技术在装配式建筑预制构件生产阶段的应用，发现国内研究侧重于 RFID 技术与管理信息系统结合，而国外侧重于对自动化生产进行研究。由于我国现阶段针对预制构件的实际生产施工过程中，构件生产施工管理较为粗放，进行构件管理是现阶段重要问题之一，导致我国现阶段研究侧重于 RFID 技术和管理信息系统相结合。对于实现预制构件全自动化生产，需要在充分借鉴国外自动化、集成化生产经验基础上，研究适合我国的预制构件全自动生产线。
2.2 BIM 相关信息技术的应用
结合多维度可视化信息模型的生产管理平台是实现高效管理的重要方式。使用 BIM 技术进行预制构件深化设计，形成构件生产信息模型，与管理系统进行链接形成构件生产基础数据库;使用 RFID 及 3D 扫描等技术，对构件生产过程中的信息进行实时跟踪记录，反馈到生产管理系统中，从而实现生产管理者对构件生产各方面进行科学有效控制。图 4 为相关信息技术在预制构件生产阶段应用关联图。
(1) 基于 BIM 技术建立构件生产工艺模型。充分发挥 BIM 技术的协同性和可视化等优势进行预制构件初步设计和深化设计，将装配式建筑构件生产信息以 BIM 模型为载体进行存储。对生产过程中的信息进行可视化表达，支持各参与方信息共享。根据构件实际生产过程中的需求，对构件的几何尺寸、钢筋位置及预埋件进行深化设计，形成构件生产工艺模型。所有与生产相关的信息均可从 BIM 模型中提取，让生产管理人员对生产信息进行直观、快捷管理。其次在与 ERP 系统进行对接时，BIM 模型可作为生产管理计算交互基础数据，显著减少用户在 ERP 管理系统中数据的录入工作量[16]。
(2) 借助 RFID 技术对构件生产进行实时跟踪。 RFID 技术的应用一般需要借助应答器、阅读器、中间件和软件系统等相关设备组件。在装配式建筑领域，针对预制构件生产，主要用于预制构件来料检查、生产过程跟踪、质量检查反馈及堆放管理等信息收集跟踪方面[17-18]。相较于传统质量管理，在自动化数据收集和信息管理方面效率更高，并且确保了整个生产环节信息的完整。
实际使用过程中存在的问题主要包括：①标签的附着问题，采用直接粘贴容易损坏，采用预埋浇筑在构件里则存在读取或者更换不方便;②标签的识别问题，存在误读或者多读。现阶段实际生产过程中为了提高识别率，降低标签成本，多采用二维码的形式进行信息存储。文献[19]针对 RFID 与二维码的作用条件及效率进行对比分析，二维码使用成本更低，效率更高。
(3) 使用 3D 扫描技术对构件生产质量自动检测。3D 扫描技术即通过扫描的形式，获取实物对象的点云信息，使用算法实现去噪和模型表面快速重建。将构件 BIM 模型与构件重建模型进行匹配，依据对比检查允许误差，从而实现对构件生产质量的自动化检查[9]。由于工厂生产自动化程度低，及应用扫描技术成本过高，现阶段针对 3D 扫描技术在装配式建筑预制构件生产阶段的应用研究较少。
(4) 预制构件生产管理信息系统。通过 BIM 和 ERP 相结合，建立一体化数据化的装配式建筑信息交互平台，对预制构件生产过程进行信息化集成管理与预制构件跟踪管理，提高管理效率和效益[20]。其中生产管理系统主要包括车间信息、订单、生产进度、生产质量、库存、车间报告和工序生产等管理模块[16]。利用生产管理系统可以进行包括：构件生产计划管理;构件生产人工、材料及机械管理;构件生产成本管理;构件生产进度管理;构件生产质量管理;构件库存管理和构件出厂管理[5,21]。——论文作者：徐 照， 占鑫奎， 张 星
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