基于信息化管控平台的预制混凝土结构全过程管理研究与实践

1  预制混凝土构件协同管理影响因素研究

随着装配式建筑工程的预制率增高，项目所需管理的构件数量不断增加也会变得非常大。一个大体量工程通常有上万个预制构件需要安装，且构件类型多样。如何对大体量的预制构件进行快速的深化设计、准确地下料，科学地对现场资源进行合理部署，协调工厂生产与现场安装的计划，并对构件质量进行全过程管理是难点。研究将预制混凝土构件的管理要点按照阶段进行划分，并分析不同阶段相互间的影响因素，为信息化管控平台的开发提供逻辑依据。

项目应根据设计信息获取构件的数量、类型、部位，并结合现场工期的要求，对构件的生产规划、资源配置、运输措施进行规划，同时还需协同考虑生产与安装的计划，对现场的堆场、安装设备、施工人员等资源进行合理规划，保障现场的顺利施工（表1）。在施工过程中，需要将不同部位、不同类型的构件安装工艺进行落实。然而，受构件类型多、数量大、施工区域多、施工场地堆放限制等特点，构件的实际施工工期的影响因素极多、生产任务临时调整频繁，目前行业缺乏对构件全过程统筹管理的信息化手段，以信息填报和事后控制等手段为主。

表1  预制构件管理主要影响因素

2  预制混凝土现有管理平台分析

目前针对预制混凝土构件的管理已有多类平台，但由于涉及参建单位较多且关注重点不同，预制混凝土构件不同阶段在不同平台进行管理，数据不互通。

设计阶段对预制混凝土的管理关注点在构件的计算、拆分、出图及与其他专业的协同设计，而深化设计的关注点则在于构件的进一步细化设计用于下料生产，故构件的设计与深化设计往往采用不同的设计平台且由不同单位完成。在生产和施工阶段，也会存在构件加工厂和现场使用两套管理系统的情况：加工管理系统侧重构件的排产规划和运输管理，而现场管理系统除了对构件的进场、安装、质量等方面进行管控外，也需要及时获取构件的排产和运输情况。

故在预制混凝土结构施工总包的全过程信息化管控平台的研发过程中，最重要的是将构件在不同阶段、不同软件和平台中的数据打通，从而服务构建在设计、生产、运输、安装等环节的协同化管理。

3  信息化管控平台研发

3.1  研发概述

针对预制混凝土构件在不同阶段使用不同软件和平台的特点，研发的重点在于如何集成各阶段各系统的数据，并基于集成的数据开展总包所需的应用。

项目的研发思路如下：基于设计阶段对构件的分解，将每一个构件生成对应的PC编码，通过统一的PC编码与BIM模型对应构件匹配，用于捕获设计信息，并承载生产和安装过程中产生的信息。同时基于PC编码在预制构件生产时预埋高频芯片，用于跟踪并获取生产全过程信息。构件进场，进场验收、协调构件堆放至指定区域，均通过扫描枪进行辅助管理，项目部可通过管理平台实时查看预制构件情况。安装完成后对使用扫描枪完成安装验收。计划在后期物业管理过程中，通过手持芯片扫描仪器起到辅助物业管理及维修的作用。

3.2  基于编码和芯片的跨阶段数据传递研究

项目将编码和芯片作为构件跨阶段的数据传递载体，以构件的设计模型为数据源头，通过设计模型获取构件对应的位置、类型等信息，并生成构件列表信息，形成构建编码。用构件编码作为各系统联通的桥梁，在不改变各参建方工作方式和原有系统的前提下，通过将设计软件、生产系统中的数据导出，并建立后台数据库，通过字段识别的方式将不同系统的数据进行映射，从而形成包括基础设计参数、位置、类型、计划排产与安装期、工艺要求等方面的结构化数据，方便用于构件在设计、生产、运输、质检、吊装、验收等环节的管理。研发将编码以二维码和RFID技术内置到实体构件中，用于提高构件的信息采集效率。

3.3  系统架构

针对以上分析，信息化管控平台的架构包括数据层、算法与基础平台层、功能模块与应用层。通过此架构将预制混凝土构件在不同阶段、不同系统的数据通过接口的开发写入管理系统，并基于编码、字段对不同数据源的数据进行结构化处理（图1）。

图1  系统研发架构

在形成统一的数据库后，基于内置的联动算法、工序分解与相关的施工要求等，开展现场所需的应用。以计划管理为例，基于统一的数据源，将工程部位、生产计划、安装计划等数据进行联动，判断生产计划的合理性，同时结合生产、安装计划综合计算现场在各个时间段的堆场需要承载的构件数量、类型。并在安装时结合工艺数据库对过程质量、安全进行管理。

系统架构还利用物联网设备和无线传感器等技术对构件的数据采集与分析融合，提升管理效率。

3.4  基于工序的预制构件过程管控研究

基于系统架构，研发将预制混凝土的生产和安装工序进行分解，并将过程管控所需的质量、安全、工艺等要求所涉及的数据、信息内置到系统数据库，从而作为对构件的建设过程所产生的数据用于决策的依据。根据不同工序管控要求，提前在系统内置管控点格式，如填报数值类、语音留言、文字留言等，以及转化为结构化数据的路径，设置控制和预警值、跟踪负责人等，用于后续的智能管理。

3.5  研发功能模块设置

（1）BIM设计模块。模块不改变设计和深化设计的软件习惯，而是开发了主流三维设计软件的API接口，可将BIM的设计信息进行导出形成对应的构件清单、基础设计信息、物料清单等。同时基于统一的PC编号，建模增加字段，在模型导入系统的同时可生成数据编码。

（2）芯片生成模块。考虑生产厂家的加工管理系统与现场管理系统数据难以集成，利用RFID技术采用打印芯片的方式，在构件生产时，将已经基于构件编码承载相关构件数据的芯片要求厂家进行预埋。通过编码将构件与厂家系统中的数据基于编码对构件型号、楼号、楼层等方面的描述与现场管理系统形成映射，捕获包括排产日期等厂家数据库中的关键数据内容，同时通过芯片记录构件生产后的状态。

（3）数据在现场综合管理模块中集成。现场管理人员基于手持扫描端对构件进行扫描，捕获芯片所承载的数据库数据，指导现场施工，并将施工数据再通过手持端返回值数据库，实现每个构件的施工数据记录，基于内置预警值进行动态管控，大幅提升构件生产和吊装施工的协同能力和效率。构件在建设全过程的数据均可通过平台进行查，并可生成看板数据，更好地辅助现场管理人员掌握构件的生产供应情况。

4  应用案例及效果分析

4.1  项目及BIM应用概况

研发系统的应用项目位于北京市通州区张家湾镇，项目建筑面积15.6万m2，为住宅楼工程，且为全装配式结构，整体装配式构件体量大、种类繁多、安装管理难度大，如何通过信息化手段，将构件的深化设计、工厂预制加工、全过程物联网跟踪管理等工作进行有效串联是项目关注的重难点。

项目在设计阶段通过BIM技术对预制构件进行设计与拆分，并录入构件编码和基础设计信息。装配式构件生产厂商在设计模型基础上，进行装配式构件深化设计，出具下料图纸。厂家在深化的同时，基于编码和开发的API端口，将构件的基础设计信息、排产计划进行数据导出并生成预埋芯片预埋至构件。此做法一方面没有改变厂家的生产管理系统和习惯，另一方面施工单位获取了厂家的关键构件生产信息。

4.2  平台应用

基于集成的设计和生产数据、BIM模型、预埋至构件的芯片，系统形成可反映实际建造过程的数字孪生模型。平台可自动拾取构件编码，基于平台将模型与预埋芯片的现场实际构件相关联，进而实现物联网监控。项目基于内置工序数据库，选择并设置所需的管理对象、预警值等内容。在现场通过预埋芯片和手持扫描仪动态捕获已发生数据并填写当前工序数据。每一个构件在各个阶段的数据均可通过移动端和客户端进行实时查阅，当现场数据与预先设定值偏离或按照算法逻辑存在偏离风险时，系统将进行预警。

基于管控平台中与BIM模型联动的集成数据，管理人员可实时通过三维可视化的方式查阅构件进场、安装等状态信息，实现装配式构件从预制加工到出厂、运输、进场、安装的全过程BIM+物联网管理。除此之外，平台可根据构件位置、责任人、状态、时间段、计划与实际对比等多个维度进行实时数据统计展示，为管理人员决策提供依据。

通过平台的应用，现场管理人员可实时掌握构件状态，对构件生产和安装组织进行合理规划，提升场地及构件使用率。多维度的数据集成展示为管理人员进行科学决策、提升管理效率提供了保障。平台的应用避免了人为导致的构件安装位置错误、吊装安排不合理等，实现降本增效的目的。

5  结束语

本研究从单个项目的预制混凝土构件出发，探索了构件在生产和安装阶段的信息集成与协同管理，未来研究还将继续探索不同项目群的数据集成应用，通过多维度的数据集成探索构件工厂和产能共享的模式，对产业链的资源和利益进行优化和分配，使整个产业链的经济效益最大化。