基于物联网与技术的钢结构构件智能调度管理

大型钢结构建筑因其建设周期短、构件预制率高、建设废料少等特点，被认为是建造业发展新方向。但钢结构建筑具有体量较大、构件数量较多、施工现场各工种交叉作业较多等问题，阻碍其推广。钢结构构件作为形成建筑物最基础组成部分，其生产质量与交付时间对建筑整体质量和施工进度有重要影响。

在钢结构建筑中，由于涉及的现场构件数量、类型繁多，增加了对钢结构构件的管理难度，因此有必要建立一种完善的构件运输、安装管理体系。同时为了更好地协同管理人员，应结合信息化技术，将构件信息进行可视化。通过清晰的管理体系与先进的信息化技术，达到构件质量管理的智能化，以提高构件的安装效率和构件的质量。

BIM 技术具有可视化能力强、多种先进技术融合性好等特点，因此在应对传统施工过程难以解决的问题时，BIM技术起到了良好的效果。建立以BIM技术为中心的构件管理体系，可为管理人员提供高保真、几何和位置准确、唯一可识别的建筑构件数据集，以及大量描述性和可操作的基本数据。

物联网具有传感和驱动设备的互连，并通过统一的框架提供跨平台共享信息的能力。物联网包括传感技术、识别和识别技术、硬件、软件和云平台、通信技术和网络、软件和算法、定位技术、数据处理解决方案、电力和能源存储、安全机制等。该技术所具有特点使收集、传输施工现场的大量多源异构数据成为可能。连接BIM和基于物联网数据源是一个相对较新的发展。作为概括，BIM和IoT数据提供项目的补充视图，共同补充各自局限性。BIM模型在组件级别提供项目高保真表示。BIM模型通过结合几何、空间位置和一组可扩展的元数据属性，提供了高保真的可操作数据集，将设计的建筑对象、属性和空间组织捕获为一组虚拟资产。物联网数据通过提供施工和运营中实际运营的实时和可记录状态增强此信息集。

很多学者针对BIM与物联网的结合进行了研究。胡茗泉等采用传感器和BIM对现场环境监测。并通过虚拟现实（VR）实现实时站点可视化。段海等通过捕捉真实环境条件的实时感官输入与BIM模型相结合，以计算设备操作员的指令、压实机的路径和起重机的自动操作。高媛等的研究表明，通过与BIM和物联网设备的实时通信和协作，可以加强施工作业。马智亮等认为BIM模型可与从物联网标签、传感器和移动设备捕获的实时施工数据相关联，以实现各方之间的及时通信和协作。

目前将BIM与物联网技术相结合，应用于环境监测的研究较多，然而对钢结构构件安装过程中融合BIM与物联网技术的研究较少。本研究提出了BIM与物联网技术融合驱动的构件调配方法，使用BIM技术可视化构件的基本信息和调配信息，通过构件信息可视化、信息采集智能化、识别精确化、定位可视化调配构件智能化过程管理。

1?钢结构构件调配过程中的需求分析

在构件调配过程中，施工人员要检查构件质量是否符合要求，再根据管理人员的要求协调起重机工作人员，将构件在有限时间内调配至需求的位置。在整个过程中，需调配构件的位置信息、基础信息众多，依靠人力匹配、协调，极大增加管理难度和施工效率，因此对构件基础信息和调配信息两个方面进行分析。

1.1?基本信息

在钢结构构件调配过程中，构件信息应包括构基本属性信息和调配过程中产生信息。综合这两方面的信息可实现构件调配过程的智能化和高效性管理。

构件的基本属性信息包括构件型号、尺寸、出场时间及使用编号等。构件的基本属性信息是构件具有的固有属性，是由工程设计和需要所决定的，在BIM软件中按照设计图建立之后赋予其基本属性确定，具有固有独立性。构件的基本属性以铭牌的形式嵌入在构件表面。构件的基本属性信息如图1 所示。

图1?构件的基本属性信息

1.2?调配信息

构件调配信息在其施工过程中是不断更新，也是构件调度管理的工作重点。在调度阶段，从构件运输进场到构件现场布置，最终安装成形的环节主要包括构件的到场信息、位置信息、安装工艺、质量控制等方面信息。构件调配过程信息管理，由BIM创建的模型中添加构件信息附着于RFID标签上，由读写器进行读取，同时通过BIM模型建立施工指导动画，再通过物联网网关传递给管理人员，进行现场施工指导。与此同时，将变更后构件信息反馈到BIM模型，实现对构件调配过程的实时动态管理及虚实交互。

2?BIM技术与物联网技术的集成

2.1?集成机制

BIM技术是一种在建筑施工阶段映射现实场景的方法，该数据为施工项目提供足够详细虚拟模型，便于管理人员进行信息可视化和二次处理的方法。物联网技术是连接现实施工场景和虚拟场景必要桥梁。

BIM技术与物联网设备集成时，有以下3个组成部分。第一部分BIM中建立了数据存储库，包括建筑几何、物联网设备描述、静态信息和其他建筑信息。上述信息以Revit模型或IFC格式存在。第二部分是记录传感器输出数据的按时间分布数据。时间相关数据存储在关系数据库中，可使用结构化查询语言（SQL）进行有效查询。第三部分是通过物联网系统进行上下文信息和时间序列数据之间的传输方法。BIM与物联网技术的融合方式如图2所示。

图2?BIM技术与物联网技术的融合方式

2.2?应用价值

根据构件调配过程中BIM与物联网技术的融合机理，基于BIM与物联网技术的构件智能调度方法应具有信息集成与信息查询功能。

3?构件的智能吊装

通过分析钢结构构件调配过程中需求，结合BIM技术与物联网技术的优势提出BIM技术与物联网技术融合驱动钢结构构件调度方法，主要步骤包括构建模型、数据交互、调度管理，旨在提高构件调度的智能化和高效化管理，智能调度的流程如图3所示。

图3?构件的智能调度流程

3.1?构建模型

构件智能调度过程中模型的建立是所有工作的基础，在设计阶段由Revit进行模型创建。建模内容包括构件的类型、尺寸、型号、放置位置等参数。在构件的调配过程中，管理人员或施工人员通过读写器对预存信息进行数据提取和阅读，目的是帮助管理人员明确预使用信息，以利于施工现场高效、智能化管理。

3.2?数据交互

构件进场后，由读写器直接提取RFID标签中的基础信息，用以指导现场构件管理和构件调度。构件堆放在指点区域，按施工场地要求进行构件分类，节省管理时间，结合BIM模型和物联网工具，这些数据可用于监控施工过程和更新施工进度表。传感器还用于检测质量控制的进度数据，如射频识别（RFID）和GPS传感器，用于收集建筑构件的位置数据，以便与BIM模型进行比较。传感器可捕获真实数据，包括项目状态（如激光扫描点云数据）、施工活动和物理环境以及其他实时项目信息。

3.3?调度管理

在构件的调度过程中，由BIM技术与物联网技术结合，呈现预使用构件的基本属性信息和调度信息，对构件的堆放位置进行合理规划，再利用BIM模型中建立的构件模型制作调度动画，模拟构件调度的整体施工流程为管理人员进行技术交底，指导调度的施工过程，降低调度管理难度。在由物联网技术传输记录现场构件信息的同时，将构件的实时信息导入BIM模型，对构件模型进行实时修正，实现对构件的实时动态管理。

4?工程案例

宿迁市激光小镇孵化器项目为高层钢结构，其中1号楼为双子楼，中间10层–屋面层空中整体连接，跨度为26?m，高度为40.5?m，钢结构高空整体连接施工安装，施工难度大，构件种类多，对调度工作要求高。

4.1?构件调度难点

（1）钢结构构件数量多、种类多。本项目为高层钢结构，施工场地资源分配紧张。同时，建筑物形态为双子楼，各部位构件功能差异大，因此所需构件的种类和数量大，现场构件管理难度大。（2）施工工期紧张，构件调度精准化程度要求高。构件调度历经建筑的整个生命周期，在保证工期的要求下，亟需智能化的构件管理方法提高调度管理效率。（3）构件管理难度大。施工现场多工种协调工作，需要保证各工种之间互不影响，且保证构件调度有序进行，因此施工现场构件管理难度大。

4.2?构件智能调度

4.2.1?构件模型建立

在构件运输阶段，根据工厂方提供的构件设计图纸建立精确的构件BIM模型，并在BIM模型中标识构件的基本属性信息。在建立好BIM模型后，结合现场构件堆放场地信息，制作构件调运整体流程动画。将BIM模型中动画写入RFID电子标签中，以实现对构件调度的智能化管理。

4.2.2?辅助调度

构件在调度过程中由读写器检索RFID电子标签中镶嵌的构件信息，辅助施工人员快速定位构件，寻找构件放置地点。施工人员还可参照电子标签内制作完成的调度整体流程动画，对烦琐的调度操作进行可视化学习，降低操作难度，提高管理效率。此外，管理人员通过现场布置传感器设备将调度完成后信息反馈回BIM模型，对初始模型进行修正，以此实现对构件调度实时管理。构件安装RFID效果如图4所示。

图4?构件安装RFID效果图

5?结束语

在钢结构施工过程中，针对钢结构构件调配过程

中智能化程度低、管理效率差等问题，采用BIM与物联网技术融合驱动的钢结构构件调度方法，实现了智能化调配和高效化管理，BIM和物联网设备集成的结论如下。（1）BIM技术为施工现场带来了虚实交互的途径，可为实现虚拟模型与现实调度提供有效反馈。（2）将构件调配过程中所需要的信息进行有效收集和分类，是实现构件调度智能化管理的基础。构件调度过程中主要包含基本属性信息和调度信息两方面的信息。（3）BIM技术与物联网技术的融合为钢结构构件调配过程提供了智能化的管理方法，有助于施工现场的智能化进程及施工过程中的高效管理。BIM技术结合物联网技术的构件调度方式主要包括虚拟BIM模型的创建、构件信息的提取与传输、现场调配指导3个步骤。