数字孪生技术在装配式建筑构件安装中的应用

安装施工要素整合及框架构建

基于数字孪生的装配式建筑安装管理多维模型，是基于安装施工现场，从信息、时间、建模种类角度建立虚拟管理模型，从而实现数字孪生技术在建筑产业中的应用。实现物理模型与虚拟施工现场间数据实时交互的同时，将物理施工现场和虚拟施工模型数据上传至云端，形成孪生数据平台，建立基于数字孪生的装配式构件安装管理框架。

多维多尺度数字孪生虚体建模

数字孪生虚体建模从信息、时间、模型种类维度，对装配式建筑施工现场中的构件安装要素进行整合并建立模型。

首先信息维度建模是实现数字孪生与装配式建筑施工智能化的关键基础，组成结构可归纳为 “几何-物理-行为-规则” 4个层次，根据施工过程对各维度模型进行关联集成，实现深层次、多角度、全方位模拟仿真。

时间维建模可参考施工安装进度整体逻辑进行设计，依次为 设计规划阶段、安装施工阶段、运维反馈阶段。设计阶段的BIM模型 。

模型种类维建模指孪生体从构件力学性能、施工进度可视化、场地相关信息等角度出发，由有限元模型、BIM模型、三维激光扫描模型等共同建立的模型。

物理实体模型数据获取及管理方法

物联网技术衍生出的智能构件为实现数据获取提供实操性，智能构件是由构件本体、主动RFID标签、各类传感器、嵌入式终端等组件构成的整体，其中，构件主要包括叠合板、楼梯、墙体、阳台等预制构件。在预制构件生产过程中，主动RFID标签和嵌入式终端紧密附着在构件内。RFID标签是物联网技术在生产场景里的实际应用，承担构件识别和信息写入任务。

通过标签中储存的构件ID、种类、材料、几何尺寸、存放位置、生产信息，采用索引构件ID可在云端数据库查询构件施工工艺，以及各施工过程质量要求的全部信息。传感器包括力学传感器、位移、应变传感器、定位传感器，可实时感应构件力学性能和场地内位置的变化，并与嵌入式终端相连。嵌入式终端具有数据采集、传输功能，可将传感器采集的数据实时传输至虚拟模型和处理器。 嵌入式终端是物联网技术支持下构件中最重要的组成部分，起上传、接收数据的作用。 通过在智能建造活动中部署多类型传感器，采集环境、构件物理属性(应力、应变、荷载、位移、实时位形数据等)模拟信号，再利用信号采集仪将模拟信号转变为数字信号传输给上层系统。

利用数字孪生技术实现装配式构件的安装智能化管理过程中，施工现场重点要素集中于构件完成吊装后的宏观定位、构件间拼接精准定位及构件连接牢固度监测环节。

定位方法研究

宏观定位环节要求构件上的定位模块能提供精准的场地定位，并且要求定位系统对构件传出的信号有准确、快速的捕捉效率。针对装配式构件安装智能化管理需求，以超带宽技术为代表，拥有复杂环境下精准定位的无线通信技术成为实现该机制的关键。超带宽技术以高带宽占用率、高信号传输速度、大系统容量、低运营成本、低功率谱密度等特点，成为复杂环境下精准定位的首选。以UWB业界的代表性系统——Localizers 为例，通过UWB信号的伪码延时技术进行精准定位测量。

构件拼接精确定位监测

以剪力墙安装工艺为例，分析拼接环节如何对构件间相对位置进行监测和调整。以剪力墙为例，在基础构建完毕的情况下，剪力墙间存在预留凸出钢筋和预留孔洞的拼接精度，是数字孪生技术驱动装配式建筑构件安装管理应提升的核心环节。

结合红外传感技术与超声波技术可实现定位和标定功能，由红外线触发校准信号，使信号接收参考点的超声波发射器向被测点发射校准超声波。同样，采用TOA传输算法，通过定时器等设备进行测距定位，针对性地降低功耗，使红外技术与超声波技术相辅相成。精细校准构件后，构件上的嵌入式终端获取相关信息，并传输给上层数据平台，实现实时监控与调整不同构件间的安装精度。

安装阶段的构件连接牢固性监测方法

以剪力墙拼接施工过程的喷浆加固工序为例，当前置工序中的伸出钢筋和预留孔洞对齐并拼装完成后，喷浆管将从构件下部喷浆孔洞伸入，开始喷浆作业。

通常采用压浆法从下口灌注混凝土浆，当混凝土浆液从构件上部的出浆口流出后，应及时封堵出浆口。由于现场构件数量多、喷浆作业工程需求量大，为实时采集数据，应在出浆口附近的构件出口处配置红外传感装置，利用出浆口的冒浆探测，构件嵌入式终端实时将洞口数据传至上层数据整合平台，并通过数字孪生体的交互机制，实时反馈到决策者的移动设备中，监测场地内各构件连接。构件连接牢固度监测。