劉金典，張其林，張金輝

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.上海同磊土木工程技術(shù)有限公司，上海200092）

近年來(lái)，BIM（building information modeling）作為一種新的建筑信息化思想逐漸成為行業(yè)應(yīng)用和研究熱點(diǎn)，隨著行業(yè)對(duì)建筑精細(xì)化程度要求的提高，BIM的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值也逐漸被業(yè)界認(rèn)可［1］。BIM的發(fā)展使得基于互聯(lián)網(wǎng)思維的協(xié)同化、信息化和數(shù)字化的生產(chǎn)模式逐漸在建筑行業(yè)推廣。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)BIM思想的利用主要集中在三維信息模型的生成、展示和碰撞檢查等，而基于信息協(xié)同的思路開(kāi)展建造階段管理的探索依然處在起步階段。其中主要有兩方面原因，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)現(xiàn)澆體系的建造管理環(huán)節(jié)復(fù)雜，難以確立統(tǒng)一規(guī)則的建造范式；另一方面，國(guó)內(nèi)尚未出現(xiàn)配套的BIM管理方法和軟件，使得設(shè)計(jì)階段的三維信息模型無(wú)法有效地為建造管理所服務(wù)。

裝配式體系采用統(tǒng)一裝配的建造方式，這種工業(yè)化的建造體系為信息化管理提供了良好的基礎(chǔ)，也提高了BIM管理推廣和應(yīng)用的可行性。不過(guò)裝配建造的方式同時(shí)也會(huì)帶來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝配過(guò)程精度要求較高的問(wèn)題，使得信息化建造管理模式的可靠性受到影響。目前施工中用于檢測(cè)裝配構(gòu)件和安裝效果的質(zhì)量評(píng)估方法大多依賴(lài)人工粗略測(cè)量，結(jié)果往往耗時(shí)且精度不高［2］。三維激光掃描技術(shù)近年來(lái)快速發(fā)展并擴(kuò)展到很多領(lǐng)域，逐漸成為一種高效率的質(zhì)量檢測(cè)方式。在建造過(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)行跟蹤以及進(jìn)行建筑尺寸質(zhì)量控制，一般方法是獲取設(shè)計(jì)模型和現(xiàn)場(chǎng)掃描的3D點(diǎn)云模型，對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比分析，以精細(xì)匹配并計(jì)算出建造過(guò)程產(chǎn)生的誤差。針對(duì)裝配式建筑，研究包括預(yù)制混凝土板件的加工尺寸控制和鋼筋位置估算、預(yù)制構(gòu)件平整度或缺陷評(píng)估以及預(yù)制構(gòu)件中連接件安裝定位檢查［3-6］。然而，這些研究均聚焦在質(zhì)量控制方法的細(xì)節(jié)部分，其結(jié)果并未融入整個(gè)信息化建造管理中，使得數(shù)字化質(zhì)量檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)未能完全發(fā)揮。

利用激光掃描對(duì)裝配式建造過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，并將檢測(cè)結(jié)果與整個(gè)BIM管理相融合，可以極大地提高信息化建造模式的實(shí)用性。本文將聚焦建筑生命周期中的建造過(guò)程，結(jié)合我國(guó)實(shí)際施工特點(diǎn)和需求，提出一套完整的基于BIM和激光掃描的裝配式體系建造管理與質(zhì)量控制方法。

1 裝配式體系建造過(guò)程管控模式

1.1 裝配式建造管理與質(zhì)量控制概述

工程建設(shè)的整個(gè)生命周期一般包含多個(gè)階段，即從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到施工建造，再到運(yùn)營(yíng)維護(hù)，直至拆除為止。目前我國(guó)主要的項(xiàng)目管理模式依然為“設(shè)計(jì)—招標(biāo)—建造”模式，包括施工方在內(nèi)的各方分別與業(yè)主簽約并履行相關(guān)合同內(nèi)容，項(xiàng)目各階段并無(wú)有效聯(lián)系和約束［7］。此外，裝配式建筑的規(guī)劃和指導(dǎo)意見(jiàn)近年來(lái)密集出臺(tái)，由于其建造生產(chǎn)方式具備短周期、高效率的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為目前研究和應(yīng)用推廣的熱點(diǎn)［8］。針對(duì)裝配式建筑，產(chǎn)品體系、模塊化設(shè)計(jì)和可持續(xù)設(shè)計(jì)等方面的研究較為豐富，但在應(yīng)用新型信息技術(shù)進(jìn)行管理和精細(xì)化質(zhì)量管控方面，還缺乏系統(tǒng)的解決方案。本文將聚焦裝配式體系建造過(guò)程這一階段，其中管理主要針對(duì)建造流程和進(jìn)度，并將其細(xì)分為生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸和安裝四個(gè)子階段，如圖1所示，提出了基于BIM和激光掃描的建造管理與質(zhì)量控制方法。

傳統(tǒng)的預(yù)制裝配式項(xiàng)目建設(shè)模式是從設(shè)計(jì)到工廠制造，再運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝的流程，但這四個(gè)階段是分離的，這種分離的工作流程缺乏較好的配合，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)的失誤直到真正施工安裝后才被發(fā)現(xiàn)。此外，數(shù)據(jù)信息的傳遞主要針對(duì)二維圖檔進(jìn)行管理［9］。但是這些圖檔并不能傳輸完整的特別是有關(guān)聯(lián)的建筑信息，從而影響建造過(guò)程中信息的一致性。

圖1 本文建造過(guò)程四個(gè)階段Fig.1 Four stages in the construction process

同時(shí)，在建造過(guò)程中很多裝配構(gòu)件的質(zhì)量檢查是手動(dòng)執(zhí)行的。例如，施工現(xiàn)場(chǎng)通常有兩種主要的檢測(cè)方法：①通過(guò)目視觀察或使用鋼卷尺進(jìn)行測(cè)量，簡(jiǎn)單地測(cè)量元件兩端之間的距離；②使用全站儀測(cè)量結(jié)構(gòu)的幾個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)于一些線(xiàn)性構(gòu)件，這兩種方法都具有能夠直觀地獲得測(cè)試結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)［10］。然而，對(duì)于很多復(fù)雜裝配式體系，這些檢查方式耗時(shí)且費(fèi)力，更重要的是缺乏足夠的精度。

1.2 信息化與精細(xì)化的建造管控

BIM最大的特征在于徹底改變了傳統(tǒng)基于二維紙質(zhì)媒介進(jìn)行的建筑信息傳遞的方式，其通過(guò)將管理軟件關(guān)聯(lián)裝配構(gòu)件、管理人員和技術(shù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息化的高效管理。張建平等［11］結(jié)合我國(guó)施工實(shí)際需求和特點(diǎn)，提出了實(shí)施BIM技術(shù)的技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)流程和應(yīng)對(duì)措施，并自主研發(fā)了相關(guān)BIM建模系統(tǒng)和4D管理軟件。常春光等［12］針對(duì)裝配式建筑的建造過(guò)程特點(diǎn)，研究了利用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）在裝配式建筑的建造過(guò)程中進(jìn)行BIM管理。郭紅領(lǐng)等［13］分析了傳統(tǒng)施工管理流程中存在的問(wèn)題，構(gòu)建了利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工管理的總體平臺(tái)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的系統(tǒng)實(shí)施流程。曹新穎等［14］對(duì)我國(guó)裝配式建筑構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了調(diào)研，總結(jié)了當(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)了裝配式構(gòu)件信息管理的流程模型。

總體而言，BIM為裝配式建造提供了一種各方協(xié)同管理的思路，目前利用BIM進(jìn)行裝配式建造管理的研究主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)旨在梳理和描述裝配式構(gòu)件管理要點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)信息化管理流程；另一類(lèi)則主要利用RFID技術(shù)對(duì)裝配構(gòu)件進(jìn)行追蹤，并在工程中進(jìn)行應(yīng)用。然而對(duì)BIM平臺(tái)開(kāi)發(fā)的研究目前更多集中在對(duì)IFC（industry foundation classes）的擴(kuò)展和一般施工過(guò)程的邏輯整理，缺乏針對(duì)裝配式體系的優(yōu)化，這使得研究出將裝配式信息化管理和RFID追蹤與BIM平臺(tái)進(jìn)行整合的系統(tǒng)方法顯得尤為重要。

基于BIM的建造管理雖然具備了傳統(tǒng)二維圖紙所不具備的高效性，但是依然缺乏對(duì)建造過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)的建造狀態(tài)、構(gòu)件狀態(tài)以及安裝效果的精細(xì)化質(zhì)量控制。三維激光掃描技術(shù)由于具備數(shù)字化記錄物體外表面的能力，可以很好地與BIM流程結(jié)合。其中，Lee等［15］提出了一種利用激光掃描的檢測(cè)程序，程序分為三個(gè)步驟并最終將程序應(yīng)用在樣本案例，證明了激光掃描質(zhì)檢的適用性。Kim等［3］將從點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的模型和相應(yīng)的BIM模型相關(guān)聯(lián)，針對(duì)預(yù)制裝配式板材的尺寸控制需求研發(fā)了一種非接觸尺寸控制技術(shù)。Wang等［4］開(kāi)發(fā)了一種利用彩色激光掃描數(shù)據(jù)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋位置進(jìn)行估算的技術(shù)，包括鋼筋識(shí)別和提取算法，并在混凝土板件上進(jìn)行了試驗(yàn)分析。Bosché等［6］將兩種不同標(biāo)準(zhǔn)的平整度控制技術(shù)應(yīng)用于與每層相關(guān)的點(diǎn)云，從而判斷混凝土板是否符合給定平整度公差。錢(qián)海等［16］為檢測(cè)建筑構(gòu)件在生產(chǎn)及運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，基于BIM搭建構(gòu)件的三維模型，通過(guò)stl文件將模型對(duì)象轉(zhuǎn)換為期望點(diǎn)云評(píng)估構(gòu)件的誤差大小。

BIM技術(shù)的高效性和激光掃描的精確性為目前的裝配式體系建造提供了一種新的思路，國(guó)內(nèi)在一些工程項(xiàng)目中已有利用BIM和激光掃描相結(jié)合的實(shí)際應(yīng)用并取得了良好的工程效益。例如，闞浩鐘等［17］在大小井特大橋鋼管拱肋拼裝過(guò)程中，采用BIM與三維激光掃描相結(jié)合的方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬預(yù)拼裝。然而，這些探索更多的是進(jìn)行應(yīng)用的組合，包括基坑掃描和地形建模、在橋梁施工中查看BIM并比對(duì)掃描模型以及利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)在古建筑等項(xiàng)目中進(jìn)行逆向模型的生成。其中僅利用了BIM技術(shù)中三維模型的優(yōu)勢(shì)，而并未真正將BIM管理思路與激光掃描進(jìn)行融合。

本文針對(duì)裝配式體系，聚焦建造過(guò)程的流程管理和質(zhì)量控制，將BIM信息化思路和激光掃描數(shù)字化質(zhì)量控制進(jìn)行融合，提出了詳細(xì)的基于BIM和激光掃描的建造管理方法，具體優(yōu)勢(shì)如表1所示。利用BIM和激光掃描技術(shù)，可使業(yè)主、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工各方同步更新項(xiàng)目進(jìn)展，并跟蹤精確的項(xiàng)目建造質(zhì)量。

表1 傳統(tǒng)裝配式建造管控方法與本文方法對(duì)比Tab.1 Comparison between traditional prefabricated construction management methods and this study

2 BIM管理與激光掃描質(zhì)量控制

2.1 BIM裝配式建造管理系統(tǒng)

BIM建造管理的核心在于形成一個(gè)切實(shí)可落地的可視化信息管理平臺(tái)。本文結(jié)合實(shí)際企業(yè)調(diào)研和自行開(kāi)發(fā)的實(shí)踐，提出了一套裝配式4D建造管理平臺(tái)框架，如圖2所示?？蚣芫唧w分為6個(gè)模塊，分別是：項(xiàng)目管理、模型轉(zhuǎn)換、識(shí)別（ID）管理，質(zhì)量控制、進(jìn)度追蹤和實(shí)時(shí)狀態(tài)。其中，ID管理和質(zhì)量控制是整個(gè)建造過(guò)程成功管理的關(guān)鍵。

圖2 BIM裝配式建造管理系統(tǒng)主要模塊Fig.2 Main modules of the BIM construction management platform of a prefabricated building

（1）項(xiàng)目管理。項(xiàng)目管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)建造過(guò)程中人員、構(gòu)件和設(shè)備等基本信息的統(tǒng)計(jì)和管理。該模塊為業(yè)主、設(shè)計(jì)方、生產(chǎn)方和施工方分配相應(yīng)權(quán)限，同時(shí)提供構(gòu)件的屬性信息和裝配修改信息，這既能便于建造人員跟蹤進(jìn)度和質(zhì)量等信息，也可以提高管理人員的管理效率。

（2）模型轉(zhuǎn)換。模型轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)階段模型的對(duì)接和平臺(tái)模型的管理。該模塊首先承接設(shè)計(jì)階段，接收設(shè)計(jì)模型等相關(guān)數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換為管理平臺(tái)所需格式的模型數(shù)據(jù)。接收設(shè)計(jì)文件可以通過(guò)文件方式開(kāi)發(fā)接口系統(tǒng)對(duì)接現(xiàn)行不同設(shè)計(jì)軟件，也可通過(guò)進(jìn)程間通信方式，或網(wǎng)絡(luò)接口通信方式實(shí)現(xiàn)。最后該系統(tǒng)將建造過(guò)程所需的模型進(jìn)行三維顯示，該過(guò)程中進(jìn)行模型輕量化處理將有利于增加平臺(tái)的靈活性和適用性。

（3）ID管理。ID管理模塊負(fù)責(zé)構(gòu)件的屬性與ID的管理，包括提取建造過(guò)程中的管理模型、自動(dòng)分配構(gòu)件ID以及構(gòu)件標(biāo)簽的生產(chǎn)。該模塊通過(guò)向數(shù)據(jù)庫(kù)提取管理模型，基于設(shè)定算法對(duì)模型中的構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)ID分配和信息存儲(chǔ)。標(biāo)簽即構(gòu)件ID的物理載體，通常使用二維碼/RFID等方式，該模塊最終進(jìn)行ID信息的實(shí)體化。

（4）質(zhì)量控制。質(zhì)量控制模塊負(fù)責(zé)建造過(guò)程中構(gòu)件質(zhì)量和裝配結(jié)果的檢測(cè)。該部分對(duì)接激光掃描結(jié)果，基于設(shè)定閾值對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的質(zhì)量進(jìn)行分析判斷。質(zhì)量分析結(jié)果將被反映到管理平臺(tái)的模型中，并通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部分發(fā)給權(quán)限指定的相關(guān)建造人員和管理人員。相關(guān)人員可以協(xié)同生成變更數(shù)據(jù)，同時(shí)管理平臺(tái)將更新項(xiàng)目建造計(jì)劃。

（5）進(jìn)度追蹤。進(jìn)度追蹤模塊負(fù)責(zé)收集構(gòu)件的位置、狀態(tài)和安裝結(jié)果等信息。管理人員首先通過(guò)該模塊對(duì)構(gòu)件建造計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)和管理，常規(guī)的建造計(jì)劃主要是建造進(jìn)度中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。該模塊分別將計(jì)劃和實(shí)際建造的狀態(tài)信息添加到管理模型的屬性信息中，實(shí)現(xiàn)4D管理。如果監(jiān)測(cè)到進(jìn)度異常，將自動(dòng)向權(quán)限指定的相關(guān)建造人員和管理人員發(fā)送問(wèn)題報(bào)告。

（6）實(shí)時(shí)狀態(tài)。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)整體進(jìn)度模型的4D展示和建造狀態(tài)評(píng)估。該模塊是最主要的BIM4D展示模塊，包括整體模型中全部構(gòu)件的階段進(jìn)度、安裝結(jié)果以及質(zhì)量監(jiān)測(cè)等信息。同時(shí)，該模塊還將基于設(shè)定算法對(duì)目前整體的建造狀態(tài)給出智能分析結(jié)果。

2.2 利用激光掃描進(jìn)行精細(xì)化質(zhì)量控制

利用激光掃描進(jìn)行質(zhì)量控制即對(duì)裝配式構(gòu)件或體系進(jìn)行激光掃描，獲取被測(cè)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再進(jìn)行點(diǎn)云處理以計(jì)算不同建造節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件誤差，最后再將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳管理平臺(tái)。總過(guò)程可以分為確定掃描策略、確定掃描系統(tǒng)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分。

掃描策略是指為獲取所需全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)所采取的掃描方式。一般而言，對(duì)于規(guī)則形狀梁柱等構(gòu)件，往往僅需掃描其伸展方向的一個(gè)主面即可；而對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，則需要進(jìn)行全部方向的掃描才可獲取完整數(shù)據(jù)。例如，對(duì)于厚度較小的板件，其中一個(gè)面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可代表整個(gè)構(gòu)件，如圖3所示。裝配式體系構(gòu)件的生產(chǎn)和安裝往往是批量進(jìn)行，確定和設(shè)計(jì)合適的掃描策略既可以大大節(jié)省整個(gè)質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程的時(shí)間，同時(shí)也為點(diǎn)云處理程序的自動(dòng)化提供基礎(chǔ)。

圖3 被檢測(cè)板件與單面點(diǎn)云Fig.3 Detected board and single-sided point cloud

此外，點(diǎn)云質(zhì)量和掃描工作復(fù)雜性也與激光掃描系統(tǒng)本身有關(guān)，例如分辨率，掃描精度和掃描范圍等等。一般而言，掃描儀的分辨率和掃描范圍不能同時(shí)增大。因此，對(duì)于既定項(xiàng)目，分析激光掃描的適用范圍、可行性和經(jīng)濟(jì)性是十分必要的。按照測(cè)量原理不同，本文將掃描系統(tǒng)分為兩個(gè)大類(lèi)：地面激光掃描儀（terrestrial laser scanners，TLS）和手持移動(dòng)掃描儀（handheld mobile scanners，HMS）。TLS基于脈沖式或相位差進(jìn)行激光測(cè)距從而創(chuàng)建3D坐標(biāo)［18］，而HMS則是基于三角測(cè)距。①適用范圍：TLS通常使用三腳架在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，由于測(cè)量距離遠(yuǎn)，對(duì)環(huán)境光免疫程度高，故具有較廣的適用范圍；HMS可以靈活地手持和移動(dòng)，但僅適用于近距離掃描。②可行性：兩者均可達(dá)到毫米級(jí)精度。對(duì)于整體建筑的掃描只可使用TLS；而對(duì)于精密預(yù)制構(gòu)件的掃描使用HMS可以獲得更高的精度，且由于不用頻繁設(shè)置站點(diǎn)，可行性和掃描效率均有提高。③經(jīng)濟(jì)性：使用激光掃描系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)當(dāng)從裝配式項(xiàng)目整體角度考慮?？傮w而言，對(duì)于需要整體性監(jiān)控和檢測(cè)的項(xiàng)目，使用激光掃描可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。例如：預(yù)制構(gòu)件的形狀誤差控制、預(yù)制連接點(diǎn)的位置檢測(cè)和整體裝配式建筑的建造記錄等。而對(duì)于利用關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行安裝控制的項(xiàng)目，可以使用全站儀等成本較低的工具代替。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是整個(gè)利用激光掃描進(jìn)行精細(xì)化質(zhì)量管理的核心，即將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM管理平臺(tái)中的模型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出具有較高精度的比對(duì)誤差。對(duì)于幾何誤差計(jì)算，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理分為兩步：點(diǎn)云對(duì)齊和誤差計(jì)算。點(diǎn)云對(duì)齊是指將掃描點(diǎn)云和BIM模型進(jìn)行對(duì)齊的過(guò)程，比較流行的算法有主成分分析（principal component analysis，PCA）和迭代最近點(diǎn)（iterative closest point algorithm，ICP），除此之外，檢測(cè)人員可以根據(jù)被檢測(cè)構(gòu)件的特征設(shè)計(jì)對(duì)齊算法，以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需求。對(duì)齊點(diǎn)云后，可以使用鄰近算法（k-nearest neighbours search，k-NN）來(lái)計(jì)算點(diǎn)云和BIM建造過(guò)程模型的誤差值，同樣，也可以根據(jù)構(gòu)件的特征改變誤差計(jì)算算法；對(duì)于結(jié)構(gòu)性能評(píng)估，點(diǎn)云數(shù)據(jù)則需要逆向處理，檢測(cè)人員需要根據(jù)之前擬定的掃描策略，設(shè)計(jì)相應(yīng)的點(diǎn)云逆向模型生成算法。逆向模型生成后，將接入結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，分別分析逆向點(diǎn)云模型和BIM管理平臺(tái)中設(shè)計(jì)模型的力學(xué)性能，以自動(dòng)化地評(píng)估實(shí)際裝配式構(gòu)件或體系的建造質(zhì)量。最后，點(diǎn)云處理和分析結(jié)果將在BIM管理平臺(tái)中顯示，各方均可實(shí)時(shí)監(jiān)控建造質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可靠的4D精細(xì)化管理。

3 基于BIM和激光掃描的裝配式建造管理與質(zhì)量控制方法

基于BIM和激光掃描的建造管理模式本質(zhì)是一種協(xié)同的數(shù)字化管理與控制方法，該方法將業(yè)主、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工各方的信息匯總并整合，使得裝配構(gòu)件和體系的建造信息可以在各方共享和傳遞，最大化減少由于建筑信息不流暢導(dǎo)致的裝配錯(cuò)誤或項(xiàng)目延期。根據(jù)所提出的BIM裝配式建造管理系統(tǒng)和利用激光掃描進(jìn)行精細(xì)化質(zhì)量控制的方法，結(jié)合實(shí)際的建造過(guò)程，對(duì)裝配式體系建造管控方法的流程進(jìn)行了梳理，如圖4所示。

圖4 基于BIM和激光掃描的裝配式體系建造流程Fig.4 Construction process of a prefabricated building based on BIM and laser scanning

3.1 生產(chǎn)階段

該階段作為建造管理的開(kāi)始，首先對(duì)設(shè)計(jì)方傳來(lái)的模型進(jìn)行版本和信息完整性檢查。通過(guò)后，則需要進(jìn)行模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，將設(shè)計(jì)階段模型（BIM_D模型）轉(zhuǎn)換為建造管理模型（BIM_C模型），通常是一種模型輕量化操作。轉(zhuǎn)換工作主要有兩項(xiàng)：①結(jié)合整體項(xiàng)目模式確定接收BIM_D模型的方法，一般可以通過(guò)中間文件傳遞，例如IFC。如果設(shè)計(jì)可以納入建造管理環(huán)節(jié)，則可以通過(guò)設(shè)計(jì)端直接上傳平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的方式完成，這可以極大地提高BIM平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)管理的效率。②根據(jù)實(shí)際建造需求設(shè)計(jì)BIM_C模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定模型轉(zhuǎn)換接口的交付精度，管理模型信息過(guò)少或過(guò)多均會(huì)影響B(tài)IM管理系統(tǒng)的實(shí)際效率。

完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，系統(tǒng)將自動(dòng)提取BIM_C模型數(shù)據(jù)信息，分析并生成裝配構(gòu)件的唯一識(shí)別號(hào)（ID）及相關(guān)屬性信息。利用裝配構(gòu)件的ID信息，系統(tǒng)將根據(jù)構(gòu)件生產(chǎn)進(jìn)度或生產(chǎn)方提前錄入的順序自動(dòng)生成構(gòu)件標(biāo)簽。目前，應(yīng)用較為普遍的有二維碼紙質(zhì)標(biāo)簽和RFID電子標(biāo)簽兩種，其均可以作為構(gòu)件ID的載體，區(qū)別主要在于具體的識(shí)別方式不同。這個(gè)階段的工作基本上在系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)完成，也是實(shí)現(xiàn)后續(xù)流程的基礎(chǔ)。

3.2 倉(cāng)儲(chǔ)階段

在構(gòu)件出廠前的倉(cāng)儲(chǔ)階段，工作人員需要對(duì)裝配構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)簽的放置，同時(shí)還需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行第一次激光掃描質(zhì)量檢測(cè)。結(jié)合實(shí)際的構(gòu)件形式和工程需要，設(shè)計(jì)合適的掃描策略并選取相應(yīng)的掃描設(shè)備，獲取所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)比點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM_D模型，記錄構(gòu)件整體的大小和扭轉(zhuǎn)等誤差信息，并給出誤差較大的位置和數(shù)值。如果誤差超出最大允許值，系統(tǒng)將在質(zhì)量控制和實(shí)時(shí)狀態(tài)模塊發(fā)出提示，記錄并向建造各方提供錯(cuò)誤詳情，直至各方協(xié)商并解決問(wèn)題。如果誤差未超出最大允許值，則進(jìn)入下一個(gè)流程。

3.3 運(yùn)輸階段

裝配構(gòu)件的運(yùn)輸往往批量進(jìn)行，需要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的位置情況和裝配進(jìn)度實(shí)時(shí)調(diào)整。BIM管理平臺(tái)在進(jìn)度追蹤模塊將給出構(gòu)件的位置和狀態(tài)信息，這可以為各方協(xié)調(diào)生產(chǎn)加工、運(yùn)輸車(chē)次以及實(shí)際裝配進(jìn)度提供動(dòng)態(tài)的管理依據(jù)。

3.4 安裝階段

構(gòu)件到達(dá)裝配現(xiàn)場(chǎng)后，工人通過(guò)讀取裝配構(gòu)件上的標(biāo)簽在系統(tǒng)內(nèi)確認(rèn)構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)。在現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)和擺放管理中，將基于RFID對(duì)構(gòu)件進(jìn)行區(qū)域定位和系統(tǒng)追蹤，在場(chǎng)地內(nèi)按照施工計(jì)劃對(duì)構(gòu)件進(jìn)行規(guī)劃并通過(guò)RFID快速存?。辉诎惭b過(guò)程中，工人將通過(guò)標(biāo)簽在BIM管理平臺(tái)上核對(duì)安裝的位置信息，這可以為很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的裝配過(guò)程提供輔助。

如果安裝發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，例如構(gòu)件無(wú)法按照預(yù)期安裝或安裝后發(fā)現(xiàn)有較大偏差，則需再次激光掃描。獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，此次系統(tǒng)將分別比對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM_C模型、逆向點(diǎn)云模型和BIM_D模型，以對(duì)該裝配構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的實(shí)際尺寸誤差和結(jié)構(gòu)性能偏差進(jìn)行評(píng)估，記錄并向建造各方提供問(wèn)題信息。

如果構(gòu)件安裝順利，工人將通過(guò)構(gòu)件標(biāo)簽在系統(tǒng)中確認(rèn)該構(gòu)件最終安裝狀態(tài)。同時(shí)，利用激光掃描定期記錄安裝后關(guān)鍵構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測(cè)其垂直度和縫隙變化，可以在整個(gè)建造階段對(duì)裝配質(zhì)量進(jìn)行控制。整個(gè)安裝階段將在進(jìn)度追蹤和實(shí)時(shí)狀態(tài)模塊中顯示，至此，基于BIM和激光掃描的一套協(xié)同的數(shù)字化建造管理流程完成。

4 工程案例

本工程為一個(gè)位于福州市的裝配式自由曲面建筑，三座喇叭花狀自由曲面殼彼此連接并覆蓋直徑為25 m的商業(yè)廣場(chǎng)，其喇叭花狀外殼由大量GFRP板［19］安裝在內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)檁條上拼接而成。該項(xiàng)目的建造管理有兩個(gè)難點(diǎn)：①組成外殼的GFRP板（如圖3所示）數(shù)量較多且無(wú)形狀相同板件；②該項(xiàng)目外殼形狀復(fù)雜，故對(duì)板件的安裝精度要求極高，傳統(tǒng)的質(zhì)量控制方法無(wú)法順利完成該裝配項(xiàng)目。因此該項(xiàng)目采用了本文提出的基于BIM和激光掃描的裝配式體系建造管控方法，同時(shí)由于目前尚未有商品化的建造管理軟件，故使用了本課題組基于所提出建造方法研發(fā)的BIM4D建造管理軟件，如圖5所示。

圖5 BIM軟件界面示意圖Fig.5 Sketch of the BIM software interface

通過(guò)4D協(xié)同管理，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了板材生產(chǎn)方、業(yè)主和施工方的統(tǒng)一管理和變更，同時(shí)利用激光掃描技術(shù)，有效控制了板件的安裝精度。

圖6展示了本工程中板件信息記錄和具體操作過(guò)程。圖6中為一塊貼有二維碼標(biāo)簽的GFRP板件，標(biāo)簽上有構(gòu)件的編號(hào)、尺寸以及材性等關(guān)鍵信息。這些信息由管理平臺(tái)提取設(shè)計(jì)模型后存入數(shù)據(jù)庫(kù)并自動(dòng)生成打印。操作人員參考標(biāo)簽上的構(gòu)件信息通過(guò)掃描二維碼訪問(wèn)管理平臺(tái)，對(duì)構(gòu)件的狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，各方均可實(shí)時(shí)查看構(gòu)件進(jìn)度和質(zhì)量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了4D管理模式。其中，二維碼標(biāo)簽作為本工程中板件的ID載體，工廠、業(yè)主和現(xiàn)場(chǎng)建造人員均可以使用普通移動(dòng)便攜設(shè)備操作，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

圖6 板件記錄信息流Fig.6 Information flow for board information recording

板件加工完成后在出廠前需要進(jìn)行激光掃描質(zhì)量檢測(cè)，且結(jié)果同步在建造管理平臺(tái)以便各方可以實(shí)時(shí)掌握板件狀態(tài)。圖7為板件在倉(cāng)儲(chǔ)階段出廠前的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。其中，圖7a展示了板件的邊緣誤差，邊緣誤差是指掃描點(diǎn)云邊緣和設(shè)計(jì)模型邊緣的誤差，可以用來(lái)描述板件邊緣一周的重合程度；圖7b展示了板件的厚度誤差，厚度誤差用來(lái)描述單面點(diǎn)云和設(shè)計(jì)曲面在厚度方向上的誤差。本工程給予板件的邊緣和厚度最大允許誤差分別為15 mm和10 mm，該板件四周最大誤差為14.31 mm和6.62 mm。掃描完成后，板件質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果被上傳至管理平臺(tái)。

每個(gè)板件在加工完成后都會(huì)被用二維碼標(biāo)簽標(biāo)記并錄入BIM管理系統(tǒng)中。板件從工廠出發(fā)后，BIM管理系統(tǒng)將會(huì)接入GPS系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊顯示每批板件的位置狀態(tài)，如圖8a所示，這可以幫助現(xiàn)場(chǎng)管理人員安排板件的進(jìn)場(chǎng)以及預(yù)測(cè)建造流程是否有延遲。

此外，由于本工程建筑造型復(fù)雜，故板件需要在安裝位置進(jìn)行試裝，如圖8b所示。如果板件可以安裝，則建造人員將通過(guò)二維碼標(biāo)簽在系統(tǒng)中確認(rèn)，如圖8c所示。如果試裝不成功，則需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)激光掃描檢測(cè)，包括板件目前的質(zhì)量是否有變化以及主體結(jié)構(gòu)的建造精度是否符合要求，將各方需要的錯(cuò)誤信息及時(shí)上傳BIM管理平臺(tái)。

圖7 板件激光掃描檢測(cè)結(jié)果示意圖Fig.7 Sketch of the laser-scan detection result

本工程中，業(yè)主、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和建造人員可以在BIM管理系統(tǒng)上查看構(gòu)件的具體問(wèn)題和位置狀態(tài)，及時(shí)協(xié)商修改建造方案。最終，管理系統(tǒng)順利應(yīng)用，工程得以高效準(zhǔn)時(shí)完工，所提出的基于BIM和激光掃描的裝配式建造管理與質(zhì)量控制方法也得到了各方一致好評(píng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用BIM思想和三維激光掃描技術(shù)為裝配式體系提出了一種新的建造管控方法，改善了傳統(tǒng)裝配式體系建造管理中信息傳遞不流暢、管理模式效率不高以及裝配質(zhì)量難以把控的問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)際工程案例的應(yīng)用，證明了所提出的建造管控方法的實(shí)用性和可靠性。與傳統(tǒng)模式相比，本文所提出的方法主要有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①實(shí)現(xiàn)了整個(gè)建造過(guò)程的4D協(xié)同管理，對(duì)于建造過(guò)程的問(wèn)題處理不再是單方解決而是各方協(xié)商。通過(guò)統(tǒng)一的BIM管理平臺(tái)，降低了整個(gè)工程項(xiàng)目的總體成本。②在建造質(zhì)量控制方面，融合了更加精準(zhǔn)且高效率的激光掃描檢測(cè)方法，降低了整個(gè)建造過(guò)程的質(zhì)量檢測(cè)時(shí)間，避免了現(xiàn)場(chǎng)返工，同時(shí)也可以為建造問(wèn)題的產(chǎn)生和問(wèn)責(zé)提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。隨著行業(yè)信息化水平的不斷提高以及項(xiàng)目管理模式的不斷革新，本方法將通過(guò)增加控制元素和擴(kuò)展管理階段，在項(xiàng)目的全生命周期中發(fā)揮出更大價(jià)值。