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基于建筑信息模型和射频识别的预制混凝土构件状态信息可视化研究：以一个中国案例的研究
Guofeng Ma1， Jun Jiang2， Shanshan Shang3
1教授，建筑管理与房地产系，同济大学，上海200092，中国
2同济大学建筑管理与房地产系研究生，上海200092，中国
3上海外国语大学建筑管理系副教授,中国上海200083
摘要：针对现场管理中预制混凝土构件的基本性能、用途、位置等容易忽略、遗漏、难以查询的问题，本研究引入建筑信息模型技术（BIM）和射频识别技术(RFID)对预制混凝土构件的状态信息进行可视化，如构件类型、制造商、位置、温度等。在设计阶段，可以在实际模型中构建一个新的 RFID 系列，通过工业基础等级（IFC） 标准解决 RFID 系列定义不足的问题，并将 BIM 和 RFID 数据库与C#语言相连接，实现两种工程技术的有效集成。在应用阶段，通过 Revit 的二次开发，完成了电脑终端与 RFID 设备之间的信息连接，将 RFID 标签采集的组件数据传输到 BIM 模型，实现了预制组件状态信息的集成与可视化。在这项研究中，可以提高预制混凝土建筑物预制构件的可追溯性，为后期追踪质量责任提供基础，减少不必要的人力和物力资源浪费，帮助实现经济效益的最大化。
1. 引言
为突破传统建筑业粗放经营和劳动密集型发展的瓶颈，实现建筑业的可持续发展，中国出台了一系列政策措施，促进装配式建筑的发展[1,2]。预制构件贯穿于住宅建筑的整个供应链，是预制混凝土建筑的基本要素[3]。因此，预制构件信息系统化对实现建筑工程产业化具有重要意义。目前，由于信息技术手段不完善，缺乏预制构件状态信息专门用于信息收集和传输机制，预制混凝土构件管理方法的现场人员需要图形化的查询构件对象与图形信息(包括图纸、质量保证文件、制品、维护记录)相关联。这些信息通常是由预制建筑公司提供的，往往是自己定义的。在纸张形式中，信息不能及时有效地相互关联和更新。因此，管理人员需要花费大量时间查询和接收经过验证的信息; 以至于大量的资源经常浪费在没有增值的工作上[4,5]。因此，结合前沿技术，建立有效的预制构件信息管理方法，实现各预制构件信息管理在项目管理全过程中的集成和可视化，提高预制构件的生产质量和管理效率是十分必要的，BIM 主要是通过相关软件和技术设备的结合，对模型中各个构件的数据信息进行处理和分析，为项目参与者共享信息和资源，优化项目过程管理提供一个平台[6-8]。RFID是一种用于信息采集的非接触式自动识别技术，通常由RFID读写器和RFID标签组成。该技术的应用可以跟踪和管理预制构件的整个生命周期，保证构件信息的及时收集、传输、分析和处理，优化供应链，改善数据流[9]。BIM技术和RFID技术在预制构件信息管理应用中各有优缺点，二者的结合可以相互补充[10,11]。目前，国内外学者对BIM和RFID技术在装配式建筑组件信息管理中的应用研究甚少。他们大多数只是建立了集成BIM和RFID技术的系统框架，很少系统地整合预制构件的实际有效信息，并以视觉形式呈现给管理者[12-15]。 随着大数据时代的到来，本文的研究对于推进项目管理信息化和建筑产业化具有重要的理论意义。
在本研究中，RFID标签主要用于收集元件从出厂加工到完工后的状态信息，包括元件类型、制造商、元件 ID、位置、温度和湿度。在数据层，采用IFC标准构建了一个新的RFID系列，并使用C# 语言将两个数据库连接起来，实现了两种工程技术的有效集成。新建RFID系列可以通过BIM模型进行识别，这样管理人员不仅可以清楚地看到嵌入在每个组件中的RFID标签的状态，还可以实时跟踪带有RFID标签的预制组件的相应位置。将BIM技术和RFID技术应用于预制构件信息管理，改善了传统施工现场人工记录效率低、数据交换速度慢、信息共享不方便的问题，使数据采集方式由人工变为自动操作，实现了构件信息状态的及时更新和跟踪反馈。
本文的其余部分安排如下: 第二部分回顾了之前关于BIM和RFID技术的应用以及装配式建筑项目管理过程的研究。第三部分介绍了BIM和RFID技术的数据集成原理，提出了基于BIM和RFID技术的预制混凝土构件信息查询过程。第四部分，以上海某预制建筑为例进行了实例分析。第五部分为研究的总结，第六部分讨论了研究的局限性和未来的发展方向。
2. 文献综述
2.1. 基于BIM技术的预制构件管理研究。
预制建筑物需要确保预制生产环节与现场施工环节之间的密切协调，以便预制构件生产环节能够实现精细和量化的管理[2]。国外一些学者着眼于BIM技术的应用，以提高预制构件生产过程的智能化水平，实现精细化管理，从而提高预制构件生产的效率[6,7]。
Mohammed和Liu利用BIM技术的可视化优势，整合进度计划，以工厂的任务为指导，提出了BIM-4D仿真框架，对工厂预制件的生产过程、质量和数量进行精细管理，但缺乏BIM技术平台的开发[16]。此外，Azimi等还提出了MCMPro 输出的预制构件生产进度计划，并将其引入到整个优化模型的过程中。它可以形成工厂价值流图析，从而实现 BIM 技术和精益施工技术的结合，实现混凝土预制生产过程优化，这是增值生产的基本目标[17]。然而，本研究中采用 BIM 技术提取的预制构件数据有一定的局限性，无法进行动态管理。我国的预制构件建筑尚处于发展的初级阶段，以预制构件为主，工厂的预制水平普遍不高[1,18]。恒力提出了宜家模型的制造业和VP技术进入预制构造过程[19]。Ting Gong分析了BIM在不同建筑类型中的应用，提出了BIM技术与装配式建筑组件设计和生产相结合的新模式[20]，但是BIM模式中包含的大量组件数据并没有得到充分利用。采用BIM软件平台进行建模，探索BIM技术在预制构件建筑中的应用要点。结论表明，BIM技术可以提高现场施工效率，但应用方案仍需进一步深化[21]。Arthur研究了模仿或模拟大量的物联网设备，以探索有效地将BIM与物联网联系起来的潜力[22]。这些研究大多数只是建立了一个概念系统，没有通过API（应用程序的调用接口）进行深入的分析和研究系统的开发。
2.2. 基于 RFID 技术的信息跟踪研究。
RFID技术利用天线发射和接收无线电频率信号。数据通信可以通过非接触空间完成，实现土木工程控制与管理的远程推进。具有环境适应性强、数据存储容量大、读写距离远、使用寿命长等优点[9,23]。近年来，RFID 技术在建筑信息跟踪管理中的研究主要包括: Jang 和 Skibniewski 通过结合无线电和超声波信号来跟踪建筑物资产(材料和设备)[24] ，开发了一个 RFID 嵌入式系统，但该系统主要基于 RFID 设备本身，没有考虑与 BIM 技术的集成。
Domdouzis 已经开发了一个基于 RFID 技术的3D 模型，用于管理地下材料。一些研究人员讨论了 RFID 自动跟踪管线轴和其他有价值的物品的应用，并开发了一个现场检测系统[26,27] ，但 RFID 标签的数据存储功能没有进一步分析。Li 和 Becerik-Gerber 对8种定位技术进行了比较分析，在综合考虑了准确性、经济性、无线通信、上下文无关性、数据存储、电源等关键问题的基础上，他们认为 RFID 技术是最合适的室内位置传感技术[28]。这些研究大多从 RFID 技术固有的定位功能出发，没有深入研究 RFID 标签的信息采集和存储功能。
对于RFID技术在装配式建筑组件管理中的应用，Ke开发了一个基于RFID 的预制生产管理系统。中国提供了一个基于RFID和4D CAD的开发信息系统来管理预制构件的生产、运输、安装和其他过程[30]。Valero和Adan介绍了一种通过RFID 和GIS技术定位预制构件的方法，但实验条件过于简单[31]。将RFID技术应用于预制件的跟踪管理，有助于优化供应链的结构。然而，由 RFID 标签收集的数据的可读性往往不够直观，不足以与实际的组件模型联系起来。
2.3. 建造业领域的建筑信息模型及无线射频识别技术的综合管理。
为了充分发挥BIM技术和RFID技术的整体效益，国内外一些学者对BIM-RFID技术的集成和应用进行了探讨和研究。在BIM与RFID数据集成方面，Motamedi 等研究了BIM数据库中RFID标签数据的分类与表示，以及RFID中 BIM 数据的存储标准，证明了 BIM 与 RFID 数据集成的可行性[32]。Xie对现有的RFID设备技术进行了评价，研究了RFID与BIM技术的集成，提出了RFID与BIM数据库的连接模式，为本文的研究提供了一定的理论参考[33]。RFID 技术可以实现与BIM模型的集成，为组件识别、定位和信息管理提供良好的支持[12,13,33]。目前，BIM-RFID 技术在实际工程中的应用和研究状况见表1。
表1: BIM-RFID 技术集成管理的研究现状。
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研究 |
主要贡献 |
局限性 |
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Guo et al. [12] |
建立了基于 BIM-RFID 的施工人员实时定位与安全预警系统模型 |
该模型只是一个理论框架，预警功能未经实例验证 |
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Gao and Pishdad-Bozorgi [13] |
建立了基于 BIM-RFID 技术的楼宇设备运行维护管理系统 |
该系统采集的施工设备信息大多来源于运行维护管理手册，信息处理效率较低 |
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Chan et al. [14] |
提出了将 BIM 技术与 RFID 技术相结合实现实时数据集成的思想 |
两个数据的集成不是通过数据库终端进行的 |
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Li et al. [15] |
提出了基于 BIM-RFID 技术的装配式建筑工程施工进度管理模型 |
如果发生进度返工，实时动态调整的工作量很大 |
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Altaf et al. [16] |
提出了基于 BIM-RFID 技术的预制件生产计划与控制系统 |
该系统仅限于理论框架，实际生产效率的提高还有待验证 |
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Li et al. [34] |
采用 RFID 技术对施工组件进行跟踪，提高施工进度 |
RFID作为一种数据采集载体，其功能尚未得到很好的应用。主要采用 BIM 技术调整施工进度 |
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Rueppel [35] |
构建了基于 BIM-RFID 的室内应急导航系统 |
目前只采用 RFID 技术的定位功能，信息集成较少 |
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Costin and Teizer [36] |
Bim 技术与 RFID 技术的结合提高了室内定位的精度 |
关于 BIM 与 RFID 的数据集成的研究还很少 |
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Lee et al. [37] |
采用建筑信息模型(BIM)和射频识别(RFID)技术对施工现场材料的全生命周期信息进行管理 |
材料信息的收集和储存不够全面，也没有形成信息可视化 |
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Yun et al. [38] |
本研究采用建筑信息模拟技术模拟施工过程，有效地改善了模拟结果 |
这只是一个初步的研究，而 RFID 技术的应用还不够深入 |
2.4. 总结。
通过文献研究发现，BIM 技术和 RFID 技术在实际工程应用中各有优缺点，二者的结合可以相互补充。BIM 作为建筑信息的载体，其预制构件数据有限。将其与射频识别技术相结合，对预制构件进行信息采集和处理，直观地呈现预制构件的基本状态，对现场管理人员有很大的帮助。
相继开展了 BIM-RFID 技术在建筑领域多个方面的应用研究，并取得了一定的研究成果。然而，大多数的研究还停留在理论框架上，RFID 技术的应用也局限于其定位功能。目前对 BIM-RFID 技术在预制构件信息管理中的应用研究较少，缺乏系统性和突破性的成果。随着 BIM 和 RFID 技术在建筑行业的推广，目前的研究已经不能满足装配式建筑组件智能化管理的需求，因此迫切需要对基于 BIM 和 RFID 技术的预制组件信息可视化管理进行系统的研究。
3. 设计流程
3.1. BIM 与 RFID 技术的数据集成。
以 BIM为核心的数据集成实质上是模型的集成，最终是软件或技术的集成[3,39]。目前，以BIM为中心的软件集成解决方案大致可以分为两类:
(i)接口集成: 这个方案旨在透过软件接口连接和集成两个不同的软件系统或模块，以实现建筑信息模型所包含的建筑信息的传递。作为 BIM 的核心建模软件之一，Revit 也是拥有最多用户的 BIM 软件。软件开发人员为他们保留了大量的 API。二级开发人员可以调用这些 API 来实现对模型元素、项目文档、应用程序(元素、文档和应用
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