基于物聯(lián)網(wǎng)與技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能調(diào)度管理

大型鋼結(jié)構(gòu)建筑因其建設(shè)周期短、構(gòu)件預(yù)制率高、建設(shè)廢料少等特點(diǎn)，被認(rèn)為是建造業(yè)發(fā)展新方向。但鋼結(jié)構(gòu)建筑具有體量較大、構(gòu)件數(shù)量較多、施工現(xiàn)場各工種交叉作業(yè)較多等問題，阻礙其推廣。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為形成建筑物最基礎(chǔ)組成部分，其生產(chǎn)質(zhì)量與交付時(shí)間對建筑整體質(zhì)量和施工進(jìn)度有重要影響。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，由于涉及的現(xiàn)場構(gòu)件數(shù)量、類型繁多，增加了對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的管理難度，因此有必要建立一種完善的構(gòu)件運(yùn)輸、安裝管理體系。同時(shí)為了更好地協(xié)同管理人員，應(yīng)結(jié)合信息化技術(shù)，將構(gòu)件信息進(jìn)行可視化。通過清晰的管理體系與先進(jìn)的信息化技術(shù)，達(dá)到構(gòu)件質(zhì)量管理的智能化，以提高構(gòu)件的安裝效率和構(gòu)件的質(zhì)量。BIM技術(shù)具有可視化能力強(qiáng)、多種先進(jìn)技術(shù)融合性好等特點(diǎn)，因此在應(yīng)對傳統(tǒng)施工過程難以解決的問題時(shí)，BIM技術(shù)起到了良好的效果。建立以BIM技術(shù)為中心的構(gòu)件管理體系，可為管理人員提供高保真、幾何和位置準(zhǔn)確、唯一可識別的建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)集，以及大量描述性和可操作的基本數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)具有傳感和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的互連，并通過統(tǒng)一的框架提供跨平臺(tái)共享信息的能力。物聯(lián)網(wǎng)包括傳感技術(shù)、識別和識別技術(shù)、硬件、軟件和云平臺(tái)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)、軟件和算法、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)處理解決方案、電力和能源存儲(chǔ)、安全機(jī)制等。該技術(shù)所具有特點(diǎn)使收集、傳輸施工現(xiàn)場的大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)成為可能。連接BIM和基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源是一個(gè)相對較新的發(fā)展。作為概括，BIM和IoT數(shù)據(jù)提供項(xiàng)目的補(bǔ)充視圖，共同補(bǔ)充各自局限性。BIM模型在組件級別提供項(xiàng)目高保真表示。BIM模型通過結(jié)合幾何、空間位置和一組可擴(kuò)展的元數(shù)據(jù)屬性，提供了高保真的可操作數(shù)據(jù)集，將設(shè)計(jì)的建筑對象、屬性和空間組織捕獲為一組虛擬資產(chǎn)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過提供施工和運(yùn)營中實(shí)際運(yùn)營的實(shí)時(shí)和可記錄狀態(tài)增強(qiáng)此信息集。很多學(xué)者針對BIM與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合進(jìn)行了研究。胡茗泉等采用傳感器和BIM對現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測。并通過虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)站點(diǎn)可視化。段海等通過捕捉真實(shí)環(huán)境條件的實(shí)時(shí)感官輸入與BIM模型相結(jié)合，以計(jì)算設(shè)備操作員的指令、壓實(shí)機(jī)的路徑和起重機(jī)的自動(dòng)操作。高媛等的研究表明，通過與BIM和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)通信和協(xié)作，可以加強(qiáng)施工作業(yè)。馬智亮等認(rèn)為BIM模型可與從物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽、傳感器和移動(dòng)設(shè)備捕獲的實(shí)時(shí)施工數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)各方之間的及時(shí)通信和協(xié)作。目前將BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的研究較多，然而對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過程中融合BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究較少。本研究提出了BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合驅(qū)動(dòng)的構(gòu)件調(diào)配方法，使用BIM技術(shù)可視化構(gòu)件的基本信息和調(diào)配信息，通過構(gòu)件信息可視化、信息采集智能化、識別精確化、定位可視化調(diào)配構(gòu)件智能化過程管理。1?鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件調(diào)配過程中的需求分析在構(gòu)件調(diào)配過程中，施工人員要檢查構(gòu)件質(zhì)量是否符合要求，再根據(jù)管理人員的要求協(xié)調(diào)起重機(jī)工作人員，將構(gòu)件在有限時(shí)間內(nèi)調(diào)配至需求的位置。在整個(gè)過程中，需調(diào)配構(gòu)件的位置信息、基礎(chǔ)信息眾多，依靠人力匹配、協(xié)調(diào)，極大增加管理難度和施工效率，因此對構(gòu)件基礎(chǔ)信息和調(diào)配信息兩個(gè)方面進(jìn)行分析。1.1?基本信息在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件調(diào)配過程中，構(gòu)件信息應(yīng)包括構(gòu)基本屬性信息和調(diào)配過程中產(chǎn)生信息。綜合這兩方面的信息可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件調(diào)配過程的智能化和高效性管理。構(gòu)件的基本屬性信息包括構(gòu)件型號、尺寸、出場時(shí)間及使用編號等。構(gòu)件的基本屬性信息是構(gòu)件具有的固有屬性，是由工程設(shè)計(jì)和需要所決定的，在BIM軟件中按照設(shè)計(jì)圖建立之后賦予其基本屬性確定，具有固有獨(dú)立性。構(gòu)件的基本屬性以銘牌的形式嵌入在構(gòu)件表面。構(gòu)件的基本屬性信息如圖1所示。圖1?構(gòu)件的基本屬性信息1.2?調(diào)配信息構(gòu)件調(diào)配信息在其施工過程中是不斷更新，也是構(gòu)件調(diào)度管理的工作重點(diǎn)。在調(diào)度階段，從構(gòu)件運(yùn)輸進(jìn)場到構(gòu)件現(xiàn)場布置，最終安裝成形的環(huán)節(jié)主要包括構(gòu)件的到場信息、位置信息、安裝工藝、質(zhì)量控制等方面信息。構(gòu)件調(diào)配過程信息管理，由BIM創(chuàng)建的模型中添加構(gòu)件信息附著于RFID標(biāo)簽上，由讀寫器進(jìn)行讀取，同時(shí)通過BIM模型建立施工指導(dǎo)動(dòng)畫，再通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳遞給管理人員，進(jìn)行現(xiàn)場施工指導(dǎo)。與此同時(shí)，將變更后構(gòu)件信息反饋到BIM模型，實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件調(diào)配過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理及虛實(shí)交互。2?BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成2.1?集成機(jī)制BIM技術(shù)是一種在建筑施工階段映射現(xiàn)實(shí)場景的方法，該數(shù)據(jù)為施工項(xiàng)目提供足夠詳細(xì)虛擬模型，便于管理人員進(jìn)行信息可視化和二次處理的方法。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是連接現(xiàn)實(shí)施工場景和虛擬場景必要橋梁。BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成時(shí)，有以下3個(gè)組成部分。第一部分BIM中建立了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫，包括建筑幾何、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備描述、靜態(tài)信息和其他建筑信息。上述信息以Revit模型或IFC格式存在。第二部分是記錄傳感器輸出數(shù)據(jù)的按時(shí)間分布數(shù)據(jù)。時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，可使用結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）進(jìn)行有效查詢。第三部分是通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行上下文信息和時(shí)間序列數(shù)據(jù)之間的傳輸方法。BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合方式如圖2所示。圖2?BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合方式2.2?應(yīng)用價(jià)值根據(jù)構(gòu)件調(diào)配過程中BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合機(jī)理，基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的構(gòu)件智能調(diào)度方法應(yīng)具有信息集成與信息查詢功能。3?構(gòu)件的智能吊裝通過分析鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件調(diào)配過程中需求，結(jié)合BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢提出BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合驅(qū)動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件調(diào)度方法，主要步驟包括構(gòu)建模型、數(shù)據(jù)交互、調(diào)度管理，旨在提高構(gòu)件調(diào)度的智能化和高效化管理，智能調(diào)度的流程如圖3所示。圖3?構(gòu)件的智能調(diào)度流程3.1?構(gòu)建模型構(gòu)件智能調(diào)度過程中模型的建立是所有工作的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)階段由Revit進(jìn)行模型創(chuàng)建。建模內(nèi)容包括構(gòu)件的類型、尺寸、型號、放置位置等參數(shù)。在構(gòu)件的調(diào)配過程中，管理人員或施工人員通過讀寫器對預(yù)存信息進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和閱讀，目的是幫助管理人員明確預(yù)使用信息，以利于施工現(xiàn)場高效、智能化管理。3.2?數(shù)據(jù)交互構(gòu)件進(jìn)場后，由讀寫器直接提取RFID標(biāo)簽中的基礎(chǔ)信息，用以指導(dǎo)現(xiàn)場構(gòu)件管理和構(gòu)件調(diào)度。構(gòu)件堆放在指點(diǎn)區(qū)域，按施工場地要求進(jìn)行構(gòu)件分類，節(jié)省管理時(shí)間，結(jié)合BIM模型和物聯(lián)網(wǎng)工具，這些數(shù)據(jù)可用于監(jiān)控施工過程和更新施工進(jìn)度表。傳感器還用于檢測質(zhì)量控制的進(jìn)度數(shù)據(jù)，如射頻識別（RFID）和GPS傳感器，用于收集建筑構(gòu)件的位置數(shù)據(jù)，以便與BIM模型進(jìn)行比較。傳感器可捕獲真實(shí)數(shù)據(jù)，包括項(xiàng)目狀態(tài)（如激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)）、施工活動(dòng)和物理環(huán)境以及其他實(shí)時(shí)項(xiàng)目信息。3.3?調(diào)度管理在構(gòu)件的調(diào)度過程中，由BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，呈現(xiàn)預(yù)使用構(gòu)件的基本屬性信息和調(diào)度信息，對構(gòu)件的堆放位置進(jìn)行合理規(guī)劃，再利用BIM模型中建立的構(gòu)件模型制作調(diào)度動(dòng)畫，模擬構(gòu)件調(diào)度的整體施工流程為管理人員進(jìn)行技術(shù)交底，指導(dǎo)調(diào)度的施工過程，降低調(diào)度管理難度。在由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸記錄現(xiàn)場構(gòu)件信息的同時(shí)，將構(gòu)件的實(shí)時(shí)信息導(dǎo)入BIM模型，對構(gòu)件模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理。4?工程案例宿遷市激光小鎮(zhèn)孵化器項(xiàng)目為高層鋼結(jié)構(gòu)，其中1號樓為雙子樓，中間10層–屋面層空中整體連接，跨度為26?m，高度為40.5?m，鋼結(jié)構(gòu)高空整體連接施工安裝，施工難度大，構(gòu)件種類多，對調(diào)度工作要求高。4.1?構(gòu)件調(diào)度難點(diǎn)（1）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量多、種類多。本項(xiàng)目為高層鋼結(jié)構(gòu)，施工場地資源分配緊張。同時(shí)，建筑物形態(tài)為雙子樓，各部位構(gòu)件功能差異大，因此所需構(gòu)件的種類和數(shù)量大，現(xiàn)場構(gòu)件管理難度大。（2）施工工期緊張，構(gòu)件調(diào)度精準(zhǔn)化程度要求高。構(gòu)件調(diào)度歷經(jīng)建筑的整個(gè)生命周期，在保證工期的要求下，亟需智能化的構(gòu)件管理方法提高調(diào)度管理效率。（3）構(gòu)件管理難度大。施工現(xiàn)場多工種協(xié)調(diào)工作，需要保證各工種之間互不影響，且保證構(gòu)件調(diào)度有序進(jìn)行，因此施工現(xiàn)場構(gòu)件管理難度大。4.2?構(gòu)件智能調(diào)度4.2.1?構(gòu)件模型建立在構(gòu)件運(yùn)輸階段，根據(jù)工廠方提供的構(gòu)件設(shè)計(jì)圖紙建立精確的構(gòu)件BIM模型，并在BIM模型中標(biāo)識構(gòu)件的基本屬性信息。在建立好BIM模型后，結(jié)合現(xiàn)場構(gòu)件堆放場地信息，制作構(gòu)件調(diào)運(yùn)整體流程動(dòng)畫。將BIM模型中動(dòng)畫寫入RFID電子標(biāo)簽中，以實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件調(diào)度的智能化管理。4.2.2?輔助調(diào)度構(gòu)件在調(diào)度過程中由讀寫器檢索RFID電子標(biāo)簽中鑲嵌的構(gòu)件信息，輔助施工人員快速定位構(gòu)件，尋找構(gòu)件放置地點(diǎn)。施工人員還可參照電子標(biāo)簽內(nèi)制作完成的調(diào)度整體流程動(dòng)畫，對煩瑣的調(diào)度操作進(jìn)行可視化學(xué)習(xí)，降低操作難度，提高管理效率。此外，管理人員通過現(xiàn)場布置傳感器設(shè)備將調(diào)度完成后信息反饋回BIM模型，對初始模型進(jìn)行修正，以此實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件調(diào)度實(shí)時(shí)管理。構(gòu)件安裝RFID效果如圖4所示。圖4?構(gòu)件安裝RFID效果圖5?結(jié)束語在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，針對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件調(diào)配過程中智能化程度低、管理效率差等問題，采用BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合驅(qū)動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)了智能化調(diào)配和高效化管理，BIM和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成的結(jié)論如下。（1）BIM技術(shù)為施工現(xiàn)場帶來了虛實(shí)交互的途徑，可為實(shí)現(xiàn)虛擬模型與現(xiàn)實(shí)調(diào)度提供有效反饋。