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集成BIM的RFID技术应用于开放式建筑生命周期的信息管理
程敏媛，常乃文
国立台湾科技大学建筑工程系，台湾台北*通讯作者
摘 要：本研究开发了一种集成式的“带有建筑信息模型的射频识别技术”（RFID-BIM）来管理与开放建筑项目相关的生命周期信息。开放建筑的模块化组件包括了可重复装配和拆卸的结构支撑系统和填充系统（例如，隔板，设施和管道）。承包商在安装前预制好场外的标准模块化构件。RFID技术可以促进存储和检索不同项目阶段管理所需要的关键信息的效率。 BIM构建了建筑组件和材料数据库并提供可视化模拟建筑模型。这项研究得出了几个显著的结果，包括：1）一个有完整数据3D时间因子的开发能够在规划和设计阶段为施工进度模拟生成一个4D虚拟现实模型; 2）在详细设计阶段使用开发的模型，可以成功检查构建的接口和冲突;和3）在施工阶段施工安装工作的控制和实时监测。基于平台集成的一般概念，本研究应用数据可交换性和过程自动化技术来启动数据交换和收集信息，以显着提高开放建筑项目的效率。总之，RFID-BIM提供了一个各个参与者都可以组织和共享所有建设项目阶段信息的平台。
关键词：开放式建筑、生命周期、BIM、RFID、4D
1.引言
开放式建筑途径通过高度自适应的过程和增强建筑构件的回收和重复使用来提高建筑项目的灵活性并降低其资源消耗和对环境结构的影响。 开放式建筑的概念最初在60年代得到推广。开放建筑物通常包括一个支撑和填充系统，并且在结构上采用模块化构件，原则上允许内部或结构的重塑以及物质上的重新定位以满足变化的用户需求。尽管开放式建筑提供更大的灵活性来满足用户需求，但建筑的特性要求在规划和设计阶段有更多的准备时间。建筑师和建筑公司在安排组件，材料预制，安排运输和安装计划，以及对设备和工人操作进行排序等方面的早期阶段，将面临重大的额外规划和管理责任。射频识别（RFID）是使用无线电波自动识别人或物体的技术的通用术语。RFID标签被附接到目标上并由一个扫描器来读取。施工经理使用RFID追踪构件的位置，获取构建和材料的数据，以及改善开放建筑项目的管理。因为它能够远程读取、识别并处理数据，所以RFID成为一种被大量使用的IT技术，[1] - [3]。因此，RFID及其数据获取能力或许能成为一种更适用于管理建设全生命周期的构件数据的应用技术。
传统上，建筑生命周期分为规划设计，建造，施工，维护和拆除五个阶段。许多文件和图纸与建设生命周期的各个阶段息息相关。因此，管理者需要一种综合方法来管理来自施工作业的信息的结果。这些信息，包括信息请求（RFI）[4]，进度，提交，很少作为一个针对未来决策的可靠数据库。但如果将其纳入建筑信息模型（BIM）则将更为有效。国家建筑信息模型规范（NBIMS）将BIM定义为“一种建筑物实体与功能特性的数字表示形式，并提供了建筑全生命周期所需要的可靠信息”[5]BIM是一种能根据管理者需要，以固定形式检索和展示其所必须的数据的优秀技术。
该项目提供了一个使用RFID无线传输技术实现实际数据收集的平台，并开发了一个包含所有建筑组件的开放式建筑模型并提供组件的几何，空间关系，属性和数量的数据。研究人员开发的RFID-BIM可以提供图形和非图形数据。其中包括建设全生命周期信息管理的图纸，规格，时间表，提交，变更单和信息请求（RFI）。
2.使用RFID的开放式建筑信息集成
开放式建筑构件数据收集和信息集成的三个部分:
（1）开放建筑构件的布局和编码：为了将统一的构件数据传递到建筑物生命周期的各个阶段，并促进自动化建设的管理，开放式建筑框架的编码方法对的要点是通过使用RFID技术向开放建筑的构件分配唯一的代码。 根据用户需求和当前编码方法（图1），该编码方法框架所采用的主要因素反映了（a）项目名称，（b）楼层数，（c）组件类型和（d）订单号。 构件的编码框架模型如图2所示。
（2）RFID无线传输系统：RFID无线传输系统采用将信息识别系统与射频（RF）传输技术相结合的技术。图3显示了在RFID读取器和标签UID之间传输数据的过程。它被应用于收集和传送在工作现场生成的控制中心建筑构件数据。RF在环境受到约束并禁止使用其他自动识别技术的领域中具有主要应用[6,7]。在施工现场，收集和输入信息的位置可能随施工进度而改变。建筑场地通常是储存有一定量的材料和构件的特殊环境。RFID无线传输系统可以动态地发送和接收信息，甚至在没有“光线”的情况下帮助识别对象。存储在标签中可被修改的信息提供了管理的灵活性。因此，RF是收集和传输建筑材料和部件数据的最佳技术。图为3数据传输过程：RFID读写器到识别标签
（3）使用RFID收集器的自动数据收集：通过使用自动化RFID收集器收集和输入结构组件信息，提高了数据收集效率。使用无线RFID传输技术来收集预制单元标签数据的两个阶段：（a）作业现场入口控制管理和（b）存储场地。当单位运输到作业现场时，现场入口处的传感器收集器读取预制单元标签。数据通过无线RFID传输到控制中心，并保存在相关的数据库中。在从存储场移除以便使用之前，再次读取单元信息，并且将数据发送到控制中心以检查相关的安装信息（例如，位置，顺序，构件数据和物资存储管理等）。图4展示了RFID无线传输系统框架模型。
3.BIM模拟的虚拟现实模型的应用和数据库
众所周知，产品建模是高效管理建筑信息的唯一解决方案[8]。BIM的一个关键优点是其在集成数据环境中的三个阶段的精确几何表示。本研究考虑了概念和技术并建立了一个模拟模型，包括：
（1）将3D模型与开放式建筑对象数据库集成：BIM是一个成熟的用于建筑构件及其关系建模的数字框架。这项研究应用BIM技术建立一个3D模型能在规划的早期阶段模仿实际的开放式建筑，以便检查施工作业面和减少工作冲突。然后将获取的构件和材料数据输入到3D模型中。BIM被用来储存包括规格，图纸和信息请求在内的施工文件。该项目提出了一种可以合并到3D信息模型中的数据收集的实用方法。建筑数据被引入并更新为3D模型，然后用于建立基于完整建筑数据库的4D模型。
（2）整合4D模型技术来构建建筑模拟：4D草图模拟模型允许用户在任何所需时间在3D模型的环境中查看项目的计划状态。 这允许项目经理检查主要计划的完整性，以及突出在施工阶段潜在的作业面冲突和后勤问题。同时，有利于产品的沟通和知识的处理，并使它有效地跟踪工作进度[9]。 应用4D模型有利于未来开放式筑项目的二次建造和设计。 此外，4D模型能促进与分包商的沟通和改善项目团队的协作能力。
（3）判断构件计划时间：使用4D模型条形图和工作计划，工程经理可以判断与构件和材料入场控制管理，运输和制造相关的进度计划时间。这些信息还反馈给工厂，用于起草和纠正预制计划表。工厂和工地之间的定期和实时的信息交流应该会大大减少延误的损失。
4.应用于大型开放式房建项目的RFID-BIM
该项目将RFID-BIM应用于这五个阶段：（1）规划/设计，（2）制造，（3）建设，（4）维护（5）回收/再利用。RFID-BIM可以重复存储和检索在不同阶段对应不同的管理目的所需的图形或非图形数据。图5为开放式建筑物全生命周期的信息管理框架模型。
4.1规划和设计阶段的管理
开放建筑项目的规划和设计反映了用户的期望。主要目的是开发一个集成数据的3D时间因子在规划和设计阶段为施工进度模拟生成一个4D虚拟现实模型。在设计阶段，在完成详细的设计布局和结构分析之后，对预制的结构部件进行分析和划分。根据预制元件编码系统的原则，每个预制单元被分配有存储在RFID标签上的唯一代码。预制构件数据也存储在用于传输和紧后阶段的3D模型中。这段表示元件的代码被普遍用于制造，运输，存储，建筑安装和回收阶段。
4.2制造阶段的管理
在开始施工之前，管理者必须根据施工计划准备安装计划，并建立用于提升进度的数据库。 这样的相关信息会被编码到预制单元上。 结构部件根据生产计划被制造。 制造和运输计划可根据安装计划重新确认，并作为制定和修改生产计划的参考反馈给制造商。 在设计阶段为每个元素分配的标签用于为存储场中的成品创建施工图，生产计划和库存控制。 图6为开放式建筑的运输进度计划。
4.3施工阶段的管理
基于BIM概念的施工安装过程模拟，进度监视和控制过程是集成到4D模型和相关资源（例如，材料和机器）中的应用，可用于及时的决策和项目管理。在建筑管理和监视应用中正在转化为无处不在的计算。 施工安排进度监测的框架模型反映了安装过程管理的需要（图7）。施工进度控制的操作结构有以下两个部分：
（1）RFID 4D实时监控：建筑项目中的4D技术提供了基于CPM的集成3D时间建模功能的建筑规划方法。当用于管理综合施工进度时，3D模型指建筑或结构模型，时间尺度指计划和实际进度表，建筑物单元信息存储器指的是RFID技术。因此，3D模型和进度表的结合是 4D施工过程模拟的基础。图8示出了RFID 4D实时监视器的开发框架模型。
此链接提供一个灵活4D模型，用户可以选择计划或实际进度作为其时间维度。另一个优点是4D管理可以生成粗糙（例如，基于部分）和详细（例如，基于活动）的结果。本文将系统平台中的四维模型进行可视化，并提供支持其可视化和操纵的相应接口。开发RFID 4D模型将3D模型中的组件与施工活动，可用资源，采购限制和项目进度表相链接。4D模型可以让管理者在计算机显示器上随时监视项目开发情况。这种4D软件可以启动和停止时间线以及直接跳到任何想要的日期。诸如所使用的资源或状态的附加信息也可以被显示。
（2）现场控制中心：根据分布式数据收集和集中管理理念，在工作办公室建立现场控制中心，收集和分析施工信息。当预制元素标签数据被发送到中心时，它被导入到系统数据库中用于之后的查询和分析。控制中心运行Ultra Mobile PC（UMPC）进行数据写/读，数据导入/导出，数据查询和调度控制。通过对施工过程的实时监测，安排的部件被重复跟踪和良好控制，以遵守计划的时间表。
4.4维护阶段的管理
维护阶段代表建筑物生命周期中的最长跨度。本研究的主要应用使用RFID无线传输技术将组件信息和历史与RFID-BIM平台数据库相链接。它支持用户查询建筑条件并有效地实施维护活动。本研究在这个阶段提供三个服务功能：
（1）组件物质条件查询：施工期间使用不当或外部因素都有可能影响组件质量。 管理人员可以研究组件物理状况，以确定适当的维护或更换计划。每个部件被分类为三种物质状况，即完好，磨损和损坏。此功能还提供专门检查的制造商联系信息。
（2）部件结构强度分析：在建筑物使用寿命期间，可能需要满足建筑扩建，重建工作，室内装饰或重新定位的不同用户需求/要求。用户可以使用RFID读取器访问关于构件当前状态的必要信息。
（3）标签健康状态测试：读取器读取标签数据的能力受到部件表面上的基底材料的厚度，部件材料结构和RFID标签上的氧化的影响。用户应在维护阶段定期测试标签的状态，以评估其当前状态和剩余的使用寿命。
4.5回收和再利用阶段的管理
RFID提供的集成开放建筑组件信息和BIM提供的模拟建筑模型。在施工过程允许建筑师和工程师进行适当的建筑重新设计，回收和再利用的管理工作。用户可以使用4D仿真模型的安装过程来优化建筑物的拆卸工作。 拆卸步骤可以从存储在RFID标签上和集成在平台中的信息推断。 然后可以检查组件以确定在随后的生命周期中使用的适应性。 重新设计后，构件信息和安装顺序应可以被用于新的项目。
5.结论和展望
本文开发了一个自动化信息管理平台，以帮助管理人员在整个开放式建筑生命周期中管理建筑部件。作者在创建灵活的建筑环境的背景下回顾了开放建筑的概念。开放式建筑方法通过建立一组分层明确的子系统来促进建筑环境的系统化。该概念适用于现有建筑的有效再生。在建筑行业中使用RFID和BIM技术有助于简化在决策制定和建设性设施管理阶段各方之间的信息和专业知识的交流。在突出的案例研究中，参数化模型可以在规划和设计阶段在建筑设计，施工规划和进度规划领域不断更新不同的建议。综合数据库提供必要的图纸和数字数据，以确定与施工和维护阶段相关的建筑构件的数量和顺序，并实施建筑重新设计工作。
建筑物生命周期中的所有参与者可以使用RFID-BIM平台来搜索关键的建筑管理信息。 资源可以在任何时间点或期间被自动计算。 新兴的先进传感器和网络技术为建筑师，工程师和业主提供了实施信息自动化和通信的机会，并显着提高项目工作的有效性。
参考文献
[1] Jaselskis,E.J.,El-Misalami,T.(2003).实施射频识别施工过程.建筑工程和管理,Vol.129:No.6 680-688。
[2] Jaselskis,E.J.,Anderson,M.R.,Jahren,odriguez,Y.,Njos,.（1995）.无线射频识别技术在施工领域的应用,建筑工程与管理学报,Vol.121:No.2 189-196。
[3] Yagi,J.,Arai,E.,and Arai,T.（2005）.部件与数据统一的射频识别（RFID）建筑应用，建筑自动化，
Vol.14,No.4 477-490。
[4] Ernstrom,J.W. （2006）.BIM的承包商指南，美国联合总承包商,阿灵顿。
[5] Smith,D.K.,Edgar.A.（2006）.“建造信息模型。”http://www.wbdg.org/design/bim.php（2006年10月15日）。
[6]F.S. Liou,无钥匙数据在建筑中采集.Archit.Sci.Rev.（1992）9-16,USA.
[7] J.C
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