BIM与物联网技术融合应用探讨

BIM是贯穿整个建筑工程项目 (设计、施工和运营维护管理) 全生命周期的技术理念, 可把BIM形象比喻为建设项目的DNA。根据美国国家BIM标准委员会的资料, 一个建筑物生命周期75%的成本发生在运维阶段 (使用阶段) , 建设阶段 (设计、施工) 的成本占项目生命周期成本的25%, 而在建设阶段, 施工建造环节成本也大大高于设计。

然而在目前的BIM应用中, 往往以设计作为BIM应用的主导方, 只关注BIM模型本身, 应用多为管线综合、碰撞检测、算量、模拟计算等模式, 并没有把BIM技术置于建造与运营管理阶段去综合考虑、拓展或延伸它的综合应用模式。建造施工与运维相较于设计, 其生命周期更长, 任务更多更复杂, 可以预见, 如果BIM技术能在建造与运营管理阶段得到广泛应用, 将产生更大的价值。

BIM是建筑物的数字化信息模型, 是虚拟的建筑, 是现实建筑的真实再现。BIM建模的过程是将建筑设施数字化的过程, 这一过程中, 利用BIM技术进行管线综合、碰撞检测、模拟计算等应用, 实现设计各参与方的信息交互, 即协同设计, 而各信息交互的媒介或基础, 即工业基础类 (Industry Foundation Classes, IFC) 。这一媒介也将贯穿建筑工程项目BIM应用的整个全生命周期。

而在全生命周期的施工建造及运维阶段, 其各参与方的行为有着高度的分散性、移动性、机动性等特点, 对BIM技术的应用提出了现场性、移动性、实时性等新要求。与设计阶段基于办公室、人 (设计师) 及PC终端的BIM应用不同, 在施工建造及运维阶段, 其参与方为现场 (环境) 、人、移动终端及全生命周期中最为重要的实体——物 (即建筑、设备、设施等物体本身) 。这种情况下, 仅仅依靠IFC这一媒介无法满足信息交互的需求, 因为在施工建造及运维阶段, 各参与方之间出现了信息传递的孤岛——物。

因此, 需要利用新的技术手段, 将“物”这一关键实体与BIM模型、人进行有效连接, 而物联网 (Internet of Things, IOT) 技术便可成为完成连接的桥梁。物联网是物物相连的互联网, 通过物联网技术中的RFID标签、二维码、智能传感器、视频前端、定位装置等感知层设备, 将现实环境、人、物与BIM模型中的信息关联起来。可以说, BIM技术与物联网的融合, 将打通现实与虚拟、实体与数据间的接口, 实现对施工建造及运维阶段的行为监控、数据采集, 结合BIM模型数据完成数据交互, 实现有效的现场管理及操作行为。BIM技术与物联网的融合将延伸和拓展出丰富的综合应用模式与价值。BIM与物联网融合应用结构见图1。

BIM与物联网技术在融合应用中各自发挥不同的作用, BIM实现信息传递和交互共享并形成中心基础数据库, 物联网将采集、传输与接收来的信息与BIM数据库中的实体相连接。

对于施工现场存在的安全隐患, 可通过RFID技术进行辅助监测, 并将监测反馈数据与BIM基础数据联动, 统一汇集到加载了BIM模型的监控平台中, 既直观显示了预警信息, 又便于施工现场的统一化管理。

(1) 人员位置监控。在施工现场重要区域 (如搅拌站、塔吊危险区域等) 安装RFID读取设备, 对现场施工人员安全帽或标识牌进行识别, 实现施工现场重要区域的人员定位、跟踪及管理, 及时采取措施, 避免事故的发生。

(2) 重要资产区域监控。对于施工现场设备材料多, 施工作业人员流动大、出入频繁, 时有盗窃事件发生等问题, 可对一些重要设备、设施及施工材料等附上RFID识别标签、定位装置或在视频前端设备进行在线监控, 当这些物品超出监控区域时, 可进行定位预警。

(1) 施工现场视频监控 (见图2) 。针对施工进度, 可通过视频前端设备进行远程监控, 并结合BIM基础数据中的构件、物料等数据进行施工进度的远程指挥和调度。此外, 采用视频监控后, 职工考勤、现场劳动力在现场的分布等情况一目了然。对工程施工中的关键环节、区域, 施工人员操作的规范性、设备安装过程等, 也可通过前端视频监控的方式对施工全过程进行记录, 并与BIM基础数据中的构件等结合, 对人员、时间、施工点进行查询和问题回溯, 实现质量检查和监督。

(2) 物料跟踪。对一些构件化的施工物料, 在生产阶段可以通过RFID标签或二维码与BIM基础数据结合, 物料的运送、入场、领料、盘点等环节可通过感知前端与BIM数据相结合进行跟踪和监控。也相当于对施工物料建立了有效的质量可追溯机制和责任机制, 物料可实现按需生产, 减少仓储成本, 且避免施工构件订单延误。

单纯BIM模型本身, 在建筑、设备、设施的日常运维方面, 可直观反映其结构、组成、位置及相应设计参数、施工工艺、维护维修内容 (如养护、测试、维修流程及操作工艺、需要的工具及材料) 等参数化信息。

BIM与物联网技术相结合, 可在设施与设备现场为每个设施设备分配一个指定的RFID标签或二维码。在进行运维检修、定位查看时, 使用智能终端设备获取现场设施设备对应的电子标签并与BIM模型数据进行数据交换, 在可视化环境下显示对应的BIM模型, 还可查询相应设备的属性、状态及运维信息, 进而更加有效地制定维护计划, 避免过度维修或维修不足, 降低维修成本, 提高维修质量。维护阶段设备扫描查看的应用界面见图3。

三维可视化是BIM技术的一大优势, 基于BIM的应急管理将减少盲区, 提高突发事件的响应及救援能力, 为应急处理提供更为明确、清晰的信息。在基于BIM模型与物联网技术建立的应急管理平台上, 将省去大量重复的找图纸、对图纸工作, 而是利用RFID标签或二维码进行快速定位查询。基于此平台, 运维人员可快速查阅设备的详细状态, 定位故障设备的前后关联信息, 进而为应急指挥提供决策支持。

在模拟培训方面 (见图4) , 现场施工或运维人员可以通过设施设备的RFID标签及二维码入口, 进入BIM模拟操作数据平台, 不仅可提取设备的相关信息, 还可以查阅包括操作规程、培训资料等的设备设施知识库, 现场人员可根据需要在遇到难题时快速查找和学习。

尽管BIM与物联网技术融合将扩展出丰富的综合应用模式, 但目前其应用尚处于摸索阶段, 还存在一些可能的障碍有待研究和解决。

(1) 标准层面。相关国内应用标准还需进一步完善, 与其相对应的行业管理体系和管理规范等方面也需同步完善;

(2) 技术层面。现有多个BIM应用软件之间数据的兼容性、交互性对IFC的支持还有待验证及完善。

(1) 物联网前端感知设备中, 除二维码标签成本较低外, RFID标签、定位装置或前端视频等的大规模应用, 势必产生一大笔传统模式没有的附加成本。因此, BIM与物联网融合应用的适用场景、项目特征及其相应的投入产出比还需进一步研究。

(2) RFID标签、二维码等物联网前端感知设备相当给每个设施设备赋予了进入BIM基础数据的入口, 数据传输的安全及隐私保护机制还需进一步研究与完善。

(3) RFID标签、二维码等物联网前端感知设备在施工或运维现场复杂、恶劣条件下的可靠性、适用性还需进一步研究。

(4) RFID标签分为有源标签和无源标签2种, 有源标签应用的工作时长及功耗等问题还需进一步研究。

目前, BIM与物联网技术融合的综合应用尚处于摸索阶段, 深度挖掘BIM与物流网技术融合的应用价值尤其是与云计算、大数据等先进技术的结合还有待进一步研究。随着技术手段的发展与管理机制的进一步完善, 新技术的融合应用必将带动工程建设行业在质量、安全、效率等方面的提升, 推进行业技术进步。