基于BIM与IoT技术的某大型地下交通工程 智能建造关键技术应用

在道路工程施工中，由于建造体量庞大，施工环节复杂，各专业交叉工作会加大对材料管理和施工质量控制的难度。管廊构件作为一个基本单元，其生产制造和施工质量将对道路的整体质量产生重要影响，也影响着道路的使用性能。同时，施工过程中由于现场管廊数量和种类繁多，加大了对管廊构件的管理难度，因此有必要建立高效的管廊生产、施工质量管理体系，结合先进的信息管理技术，将管廊信息进行可视化，指导工厂的加工和现场的施工，实现在生产、施工、运维全过程中对每个管廊质量管理的智能化，以提高施工效率，提高管廊的管理精度。

建筑信息模型技术通过与关联软件、技术设备的结合，将模型所具备的各种数据信息进行处理、分析和优化，为项目参与方提供信息与资源共享平台，优化项目的过程管理。通过BIM技术可实现建筑信息共享，各专业的协同工作，辅助参与人员加深对项目建设的理解，提高建筑施工的精度和效率。物联网（IoT）是通过局域网络或互联网等技术，将传感器、控制器、机器、人和物连接起来，以实现智能收集、定位、监控、处理、分析和管理的一种网络。在建筑业中应用物联网技术可采集施工现场中各类数据信息，并与BIM模型数据完成数据交互。RFID（Radio Frequency Identification）基于对射频信号的发射和接收，通过空间非接触式即可完成信息的交互，从而实现对构件的智能控制管理，具有透射性强、不易受外界影响、环境适应性强、可远距离读写、外形多样、数据存储容量大和寿命长等优点。

目前将BIM和IoT技术应用于建筑施工的研究较多，然而在管廊施工过程中融合BIM与IoT技术的研究较少。本文介绍某工程内NA9（EA1~EB4）市政道路、NA11（EA1~EB4）市政道路及相关综合管廊工程的概况，分析智能建造技术应用关键点，提出BIM与IoT技术融合驱动的管廊智能建造方法，通过IoT技术实现施工现场的数据实时采集，利用BIM技术进行施工现场的智能安全管理；运用BIM与RFID技术将管廊的基本信息和施工信息进行集成，通过管廊信息集成化、信息采集智能化、识别精确化、定位可视化实现管廊的施工过程全方位管理。

1　智能建造技术应用关键点

1.1　施工重点与项目重难点

本工程为典型市政道路及综合管廊建设，工程体量较大，工期紧张，且受到了其他外因影响，对施工造成了许多困难，经分析，本项目建设中的重点及难点问题如下。

（1）工程量较大，线路较长，工期较短，专业交叉较多。如何合理地进行施工设计和计划部署，按期完成全部施工任务，是本工程施工的重点问题。管廊管线数量、种类众多，管理精度粗放，对现场的管线管理加大了难度。

（2）工程属温带季风型大陆性半湿润半干旱气候，夏秋两季在太平洋副带高压的影响下，多东南风，雨量集中，年降水量十分丰富，8月、9月期间，本工程正处于土方开挖和管廊主体结构施工阶段，因此，需要对现场排水、道路、土方边坡、主体结构、起重设备及临设、脚手架、临时用电采取相应措施，并进行严格的监控。

（3）本项目属重点工程，对各阶段的质量要求十分严格，对现场管廊质量的控制标准也较严格，也对管廊的施工精度提出了更高的要求。施工阶段由于工期紧张、管廊施工繁琐，需提高管廊施工的智能化和效率，利用智能化建造技术确保施工安全、质量和进度。

（4）本项目施工标准要求高，整体组织策划与管理难度大。需考虑设计与施工阶段多方单位，也要兼顾周边社会、环境、经济的影响，综合应用智能建造技术，对成本、质量、信息、安全、进度进行全方位管理，这也对运用智能建造技术的水平提出了更高要求。

1.2　基于BIM和IoT的智能建造技术应用点

针对本项目建设中的重难点，结合以BIM与IoT为主的智能建造技术，在工程中应用智能建造技术的关键点如下。

（1）基于设计图纸建立相关BIM三维模型，如场地布置模型、建筑模型、机电模型和结构模型等。利用BIM模型反馈图纸问题，设计院及时作出改正并进行深化设计，主要阶段有图纸会审、管线综合、结构节点和工程量统计。

（2）应用BIM和IoT技术进行施工现场实时监测、质量管理、材料管理及安全管理。施工数据主要应用监控器材、传感器及RFID技术等工具进行采集。其中监控器材主要用于对现场实时施工画面进行监控，采集现场施工安全信息，传输到BIM平台数据库；RFID技术主要用于定义管廊构件的信息，实现构件高效生产与精确定位；传感器技术主要是用于采集施工现场的沉降、温度、湿度及压力等信息。

（3）管廊施工中，基于管廊施工的难点将BIM和RFID技术用于施工可实现管廊施工的智能化和高精度管理，保证施工质量。从现场的信息读取反馈到BIM模型中，实现了对管廊的实时动态管理。BIM结合RFID技术呈现管廊的基本属性信息和定位信息，可对管廊的进场堆放进行合理规划，并将管廊施工安装的关键施工工艺以动画形式进行技术交底。

1.3　基于BIM和IoT的智能建造技术应用价值

1.3.1　信息集成与查询功能

本项目从设计到施工的全生命周期会产生大量的基础信息和过程信息，基于BIM与IoT技术可集成存储记录项目相关的所有信息，建立完整的项目信息数据库并能进行查询。

1.3.2　自动提示与预警功能

BIM和IoT技术结合，可通过传感器网络实时采集施工现场的安全信息并将其传输至平台。经分析和处理，平台可自动提示与预警，实现对施工现场的实时监测、质量管理、材料管理及安全管理。

1.3.3　实时动态管理功能

本项目管廊设计、施工中的位置、尺寸等，信息属动态信息，需要通过IoT技术进行实时监控，将设计施工过程中的相关信息录入BIM，实现信息的实时动态管理。

1.3.4　三维可视化功能

BIM为建筑的三维可视化提供了技术支撑，包含管廊信息的BIM可将构件与建筑进行集成并三维可视化显示，使相关人员能直观形象地了解管廊相关信息及其与建筑的相互关系和空间位置。

1.3.5　可视化交底功能

应用BIM技术可直观展示施工工艺，用于指导实际施工。通过工艺动画可及时预判施工过程的风险，对质量、安全管理提供可靠的支撑。

2　基于BIM与IoT的施工安全管理

2.1　施工数据采集

应用BIM和IoT技术进行施工现场实时监测、质量管理、材料管理及安全管理。施工数据主要应用监控器材、传感器以及RFID技术等工具进行采集；监控器材主要用于对现场实时施工画面进行监控，采集现场施工安全信息，传输到BIM平台数据库；RFID技术主要用于定义管廊构件的信息，实现构件高效生产与精确定位；传感器技术主要用于采集施工现场的沉降、温度、湿度等信息。

2.2　智能安全管理

应用无线传输技术将收集的数据传输到BIM平台数据库并进行降噪处理，再对其进行系统化管理。BIM通过API二次开发可将收集的数据链接到平台BIM模型中，实现数据与BIM模型的交融。应用IoT技术收集到数据后，平台可自动与BIM模型中预先设置的安全指标进行对比，数据处理结果可通过平台端、移动端通知相关人员。

数据处理结果主要分为安全、潜在危险以及危险3种情况，平台可依据不同情况在BIM模型显示不同颜色。智慧工地BIM平台如图1所示。

图1　智慧工地BIM平台（计算机截图）

3　基于BIM与FRID的管廊施工智能管理

3.1　BIM与RFID技术的融合应用

BIM技术是实现建筑工业化的重要技术手段和处理方法，利用BIM技术可实现在建造全生命周期内建筑信息的共享及各专业人员的协同工作，还可辅助参与人员掌握项目建设的困难点，加深对项目建设的理解，提高项目施工的精度和效率。

管廊施工中，利用BIM技术创建三维可视化模型，可明确构件的详细信息，并可制作管廊构件的施工动画为现场管理提供技术支持。

RFID技术即无线射频技术，由读写器和RFID芯片组成，用于信息采集，是一种非接触式的识别技术。其中，RFID标签可储存多种信息且性能稳定，可存储创建的BIM模型构件信息。读写器可自动识别RFID标签上的信息，指导管廊施工。

另外，技术人员通过读写器识别的信息反馈到BIM模型中，可进行实时更改，实现管廊构件信息的实时动态管理。BIM与RFID技术的融合应用的原理如图2所示。

图2　BIM与RFID技术的融合应用

3.2　管廊构件信息

3.2.1　基本信息

管廊施工过程信息主要包括管廊构件的基本信息和施工中的位置信息。通过基于两方面的信息管理来实现智能化施工和高精度管理。基本属性信息主要包括管廊的类型、尺寸、位置及使用功能等。

生产管廊构件的基本信息在BIM模型建立后即可确定，具有独一性；运用RFID芯片可储存管廊构件的基本信息并将其附着在构件上，现场施工人员可随时利用读写器查阅并更新相关信息，实现管廊构件基础信息管理。

3.2.2　位置信息

管廊的位置信息在全生命周期中是实时动态变化不断更新的，也是管廊施工管理的工作重点。在施工阶段，从管廊构件的进场到最终施工成形的各个环节，包括管廊构件的位置确认、施工工艺、质量控制等方面的信息。

对于管廊施工过程的信息管理，先由BIM创建的模型生成的施工动画附着于RFID芯片上，再由读写器读取定位信息，指导现场施工。与此同时，将读取的管廊信息反馈到BIM模型，实现对管廊的实时动态管理。

3.3　管廊智能施工管理

通过分析管廊构件的基本信息和位置信息等情况，融合应用BIM技术与RFID技术，提出BIM与RFID技术融合驱动的管廊施工智能管理方法，计划步骤主要包括构建模型、关联数据信息和管廊智能管理。

通过管廊智能施工管理，可提高管廊施工过程的智能化和精准化水平，管廊智能施工流程如图3所示。

图3　管廊智能施工流程

3.3.1　构建模型

（1）在BIM模型建模过程中，结合BIM技术的可视化特性，各专业设计人员利用Revit软件构建出高精准的三维BIM模型，有效保证了BIM模型和现场施工的一致性，可使监理单位和施工单位全面直观地了解设计意图，为下一步的图纸审核、深化设计及管线综合排布碰撞检查等工作奠定基础，为施工模拟、进度计划和工程量统计等后续工作提供模型。

（2）将BIM模型导入Navisworks软件中，对管廊施工全过程进行可视化模拟，能将任何部位施工技术方案的实施计划和进度计划进行可视化展示，以便对现场施工单位做可视化的技术交底工作，避免因传统的语言、文字和CAD图纸交底模式造成的信息误传和信息不协调等问题，合理控制安排施工进度计划，由此降低了现场的施工难度，使施工人员熟练掌握施工工艺，提高了施工精准度。

3.3.2　关联数据信息

（1）在运用BIM技术构建完成三维模型和施工工艺动画后，将静态数据、动态数据等信息集中融合制成电子文件存入管廊构件的RFID芯片，可实现管廊构件数据的关联，保证管廊构件在生产过程中的高度精确性，也大幅提高了管廊构件施工的精度和效率。

（2）管廊构件到达施工现场后，技术人员可应用读写器直接提取RFID芯片的数据信息，利用其中的模型数据与施工工艺动画，高效指导现场人员进行施工，节约施工工时和工力，实现管廊施工过程的智能化。

（3）通过结合运用BIM技术和RFID技术，实际现场管理人员还可利用数据读写器直接读取构件的数据信息，通过BIM云平台了解各构件的位置、尺寸等参数、施工工艺以及施工场景，节省施工时间，提高施工效率和精度。

3.3.3　管廊智能管理

本项目施工过程中，基于管廊施工的难点，首先，应用BIM和RFID技术，实现管廊施工的智能化，保证了管廊的施工质量；其次，通过物联网技术采集施工现场的信息，反馈到BIM云平台中，在平台三维可视化展示现场施工数据信息，实现了对管廊施工过程的实时动态管理。

4　结束语

某地下交通工程管廊施工过程中，针对施工智能化程度低和管理粗放的问题，根据BIM技术可以实现建筑信息的共享，各专业的协同工作的特点及IoT技术可用于信息采集等优势，提出了BIM与IoT技术融合驱动的智能建造方法，实现了智能化施工和精细化管理，并得到以下结论。

（1）BIM与IoT技术的融合可实现施工现场实时监测、质量管理、材料管理以及安全管理。

（2）在BIM与RFID技术融合驱动的管廊施工中，主要包括构建模型、关联数据信息和管廊智能管理3个步骤。

（3）通过应用BIM与RFID技术融合驱动的管廊施工方法，极大地提高了管廊施工过程的智能化和精准度，为同类项目施工提供了参考。