年度好文推荐 | 结合BIM与二维码技术的装配式建筑信息管理方法研究
作者：刘 濠，洪洁茹，章梦霞，王锦阳，徐 照
作者单位：东南大学土木工程学院
国家自然科学基金(71302138)
全文刊登于《施工技术》2020年第2期
摘要
Abstract
为解决装配式建筑过程管理的信息化问题，结合Ｒevit API、数据库和二维码等技术，提出基于BIM和二维码技术的装配式建筑信息管理平台。在设计阶段，生成构件信息并分配唯一性编码，同时在Ｒevit中实现构件二维码的批量分类导出及构件信息更新机制；在生产阶段，通过平台上传质检报告等相关资料；在施工阶段，查看构件基本信息及位置等，并进行验收操作。整个过程以构件编码为唯一标记，以二维码为统一载体形成完整的装配式建筑BIM模型设计、生产、施工数据链，可解决传统装配式建筑设计、生产及施工管理中的信息孤岛问题。结合某装配式建筑实例对平台进行测试，结果显示，该平台功能良好，性能稳定，具有良好的应用价值。
引言
近年来，装配式技术因具有构件集中预制生产、结构性能好、人工消耗少、资源浪费少、对环境污染小等优点得到迅速发展。在建筑工业化、行业信息化的时代背景下，建筑信息模型 ( building information modeling，BIM) 理念的推广，使数字技术被有效引入到装配式建筑工程的全生命周期，包括设计、施工和后期建筑维护乃至拆除过程。建筑信息模型的发展，为建筑全生命周期过程中的协同工作提供平台和解决方案。现阶段，BIM技术的应用在设计阶段及施工阶段均愈加广泛和成熟。二维码技术是自动识别中得到普遍应用的一种技术，也是物联网产业的关键技术之一，具有投入低、方便灵活的特点。随着智能设备使用的增加及二维码技术应用的推广，二维码在建筑行业的潜力也逐渐被发掘。尽管很多学者进行 BIM 技术和二维码技术的相关应用研究，但成熟有效的产品很少，BIM技术和二维码技术在装配式建筑信息管理中的实际应用也有局限性。本文提出一种基于 BIM 技术的二维码技术在装配式建筑设计、生产和施工阶段中的应用框架及平台，利用Ｒevit API、数据库、二维码等技术实现构件在建筑设计阶段、工厂预制阶段和施工建造阶段的信息交互和有效流通，讨论开发集成 BIM 信息和二维码技术以提供实际构件和 BIM 模型之间无缝信息流的可行性和具体实践。同时，针对工程中二维码逐一生成的操作繁琐问题，本文将二维码分类批量导出，从而大幅减少工作人员在实际操作中的工作量，达到节省人力、物力的目的。
Part 01
BIM模型与二维码技术结合
二维码是一种利用某种特定几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的条码格式，其在代码编制上巧妙利用构成计算机内部逻辑基础的“0，1”比特流概念，利用计算机编码技术将数据信息表示为平面几何图形，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。二维码具有信息容量大、编码范围广、容错率高、成本低廉、易制作且持久耐用等优点。常见的二维码编码格式有 Code 16K，Code 49，PDF417，Data Matrix，Aztec，QＲ Code 等数10 种。本文所述平台的二维码采用 QＲ Code ( quick response code) ，具有超高速识读、全方位识别的特点，且有较强的纠错能力，对变脏和破损的适应能力强，适用于工程实际环境。平台包含规划设计、构件生产、建造施工3个阶 段，如图1所示。设计阶段向生产阶段提供构件基本信息，而生产阶段通过质检信息的录入反向丰富了设计阶段 BIM 模型信息。同时，设计阶段生成的 BIM 模型信息和生产阶段产生的构件跟踪信息进一步提供给施工阶段，供其查看。而施工阶段亦通过录入签收信息进一步丰富BIM模型信息。在整个生产、施工过程管理中，BIM模型信息以二维码为载体在设计单位、生产单位和施工单位之间实现信息双向传输，有效解决信息孤岛问题。平台主要数据流程如图2所示，其中，构件信息是设计、生产、施工 过程中数据交换的主体，反馈信息则用于提升构件信息丰富性和可追溯性。
1. 1 规划设计阶段
BIM技术应用的核心之一在于信息管理，而对构件进行信息管理的前提是制定合适的编码规则，并为每个构件分配唯一编码，从而方便构件信息重用及标准信息量化提取。基于唯一性、合理性、简明性原则，结合实际情况，平台采用图3编码规则和表1所示构件类别进行编码。如图4所示的某部分装配式框架位于2层，预制柱流水号为026，假设建设项目编码为 000000000000，楼栋号为 01，则其编码为 000000000000-01-02-Z-026。
制定合适的编码规则后，设计人员在Ｒevit软件中建立BIM模型并进行拆分设计。同时，根据制定的编码规则进行预制构件编码的唯一性分配，确保构件在设计、生产、施工过程中的信息准确性。最后，在Ｒevit中运行插件，生成构件二维码，每个二维码内均含有对应的构件信息。信息存储为动态更新机制，工作人员可通过扫描构件二维码查看与上传设计、质检等相关信息，同时，亦可根据实际需求批量导出二维码到指定文件夹中进行分类管理。BIM模型和二维码设计完成后，可向业主和建筑承包方进行数字化交付。
1. 2 构件生产阶段
业主和建筑承包方在接收由设计方移交的设计文件后，可根据生产方法、生产设备、生产厂家等方面的不同，对设计文件中的二维码和BIM模型进行单项系统或区域分发。生产厂家接单后，将二维码信息与构件订单、建筑信息等进行核对，并反馈校核信息。在构件生产阶段，生产构件出厂前，生产方为构件粘贴二维码。厂内质检人员通过扫描构件二维码将构件质检报告上传至后台数据库中，方便项目参与方随时随地查看，同时避免由信息遗漏、偏差等失误及设计变更等原因导致的损失和风险。
1. 3 建造施工阶段
预制构件入场时，现场施工人员接收二维码信息，进行核对，检查构件是否满足相关要求，然后扫描构件二维码，同步登记进场签收信息及查看构件堆放注意事项，完成收货操作。利用二维码技术，使现场材料的配送、领料等环节更加精准和顺畅；现场施工人员可通过手机等二维码扫描设备读取二维码信息，直接将构件运输至现场楼层指定位置，减少场内二次搬运及交叉施工，加快施工进度，减少劳动资源的投入。构件安装时，安装人员扫描构件二维码查看构件信息、安装说明及在三维视图中的具体位置，避免可能的安装错误。而对于安装质量管理，需要较明确的施工安装标准加以指导。因此，构件安装前，根据相关规范及监理方和业主方的条件和要求，相关人员编制较为详实的验收标准，形成安装质量管理体系，从而实现对项目安装过程中的质量把控。在质量检查阶段，验收人员检查构件安装是否满足要求，扫描二维码登记验收信息及验收人，实时查看责任人和施工工艺等信息，跟踪工程质量，进一步提升构件的可追溯性，为后续可能的质量责任追踪提供可靠依据。
Part 02
管理平台设计与二次开发
2. 1 管理平台设计
考虑到存储空间和信息独立性问题，平台设计思路采用以编码为唯一标识符，各部分信息相互独立的方式，即将编码作为纽带关联二维码与BIM模型信息。二维码只包含网址及编码信息，其余数据存储在服务器数据库内，其优点在于二维码粘贴后 若修改了模型信息，在构件编码不变的情况下，无需更改二维码，适用于实际工程环境。如图5所示，平台基于Ｒevit模型信息，利用ＲvtVa3c 插件，导出json文件，作为图形处理和数据处理的来源。ＲvtVa3c 插件是由 Matt Mason 和 Jeremy Tammik 开发的Ｒevit自定义导出插件，其能将Ｒevit中的模型信息导出为json文件格式，便于进一步开发和使用。通过进一步处理可获得json文件中所包含的构件信息，进而将所获信息导入服务器数据库中。同时，通过所开发的Ｒevit插件生成构件二维码，通过扫描构件二维码访问构件信息对应网页。此时网页将二维码内包含的构件编码通过servlet返回到后台，后台通过该编码从数据库获取所需信息显示至网页端及加载对应的3D模型。构件跟踪所需的图片及文字则通过用户输入上传至服务器端保存实现。
2. 2 基于Ｒevit API 插件设计
本文提出的应用平台基于Ｒevit，利用其API开发而成。Ｒevit API 是Ｒevit中协助调用外部命令的程序接口。开发者可通过其执行外部编译程序，访问和操作Ｒevit模型，以实现相应的功能来满足实际需求。本文通过Ｒevit API 开发了构件二维码导出插件，按照编码格式在导出窗口中对构件进行分类，同时提供了在窗口内点击编码显示构件位置的功能，方便使用者查看。插件通过多选框和二维码生成库进行二维码的批量生成。
2. 3 基于 B /S 架构网页设计
平台网页显示部分基于B /S架构，无须额外安装软件，便于跨平台使用。此外，其所有业务逻辑均在服务器后端进行，前端只进行数据显示，而本文平台的设计主要为数据显示，数据处理部分较少，故该架构能更好地发挥自身优势。网页前端数据显示通过servlet通信实现，首先获取二维码中包含的构件编码，然后从数据库中获取相应信息，最后返回网页端显示。数据库采用的MySQL是一个较为小型的关系型数据库，具有体积小、速度快、成本低等优势。在涉及信息量不大的情况下，采用这种开源的数据库更为方便和节约成本。网页前端模型显示利用Ｒevit插件ＲvtVa3c，首先把模型导出为json格式，再通过three．js 进行前端页面显示。通过比较模型构件库中的编码和从二维码中提取的编码，将相同编码所对应的模型块进行彩色显示，从而突出显示构件在模型中的位置。
Part 03
应用实例
本文以南京市某大学教学综合楼项目为例，应用上述框架对平台进行测试验证。该项目位于南京市江宁区，主要功能为实验及办公建筑。其部分装配式钢筋混凝土框架结构BIM模型如图6所示。
1) 设计方建立好建筑模型后，对构件参数进行扩展，新增工程信息、构件基本信息、构件跟踪信息及其他信息等。其中，工程信息包括工程名称、建设单位、施工单位、监理单位、预制构件生产单位；构件基本信息包括构件编号、名称、混凝土强度等级、尺寸、体积、质量；构件跟踪信息包括构件深化设计负责人、图纸交底日期、车间生产责任人、生产时间、厂内验收记录、厂内验收时间、厂内验收责任人、进场签收记录、进场签收时间、进场签收责任人、安装完成验收记录、安装完成验收时间、安装完成验收责任人；其他信息包括现场堆放说明、现场安装说明、注意事项。
2) 在模型中录入构件相关信息。平台运行界面如图7所示。工作人员点击构件编码，其对应构件即可在模型视图中高亮显示，有利于编码对应构件的直观定位。平台界面按照构件类别和所处楼层进行分类，生产方可根据实际需求批量导出构件二维码到指定文件夹中。同时由于信息存储为动态更新机制，二维码无须反复导出，可大大降低人力、物力。如将第2层预制柱批量导出至“柱-第二层”文件夹中，如图8所示。二维码图片以构件编号命名，方便管理。
3) 生产方将二维码打印出来，粘贴到构件上。厂内人员通过扫描构件上方二维码上传质检报告等信息(见图9)。通过此操作，项目参与方可以即时地扫描构件二维码对其生产信息进行查看，同时避免资料遗漏的风险。
4) 构件到达施工现场后，现场施工人员通过扫描构件二维码登记构件进场验收信息，同时查看堆放注意事项等，如图10所示。此操作将收货操作信息化，同时方便施工人员查看堆放说明等注意事项，保证信息传达的一致性，避免信息遗漏的风险。
如图11所示，构件安装时，施工人员可扫描构件二维码查看构件安装说明，同时查看构件位置。通过查看构件安装说明和其在三维视图中的具体位置，施工人员可以对构件安装要点及位置有清晰直观的认识，从而避免可能的安装错误。
5) 在验收阶段，验收人员扫描构件二维码登记验收信息，如图12所示。此操作进一步提升了构件信息的丰富性及可追溯性，有利于跟踪工程质量，为后续可能的质量责任追踪提供可靠依据。至此，平台的设计、生产、施工流程全部完成，构件信息的丰富性、及时性和可追溯性大大提高。
Part 04
结语
相较于传统的基于PC端的大型管理系统，将BIM技术和二维码技术结合，既实现了建筑实体和功能特性的数字化表达，又发挥了利用移动终端扫描二维码的智能化、多样化和高效率的优势，从而进一步提高设计、生产、施工过程中的信息传递效率。本文基于装配式构件生产施工中对移动信息平台的需求，设计将两者相结合的装配式建筑信息化管理平台，有效解决了设计、生产、施工各方之间的信息交流问题，并通过在各环节中登记相关 信息提高构件可追溯性。但此平台尚存在进一步改进的空间。
1) 此平台目前局限于设计、生产、施工阶段，如何将其渗入后续运维阶段，从而实现项目全生命周期的贯穿有待进一步探讨。
2) 平台功能还不够完善，可以结合实际需求增 加图层管理、合同管理、工况登记、消息发布、任务认领等实用功能，进一步提升信息化水平。
3) 可以结合区块链技术，进一步提升追溯信息的可靠性。
4) 可以结合VＲ技术，将扫描二维码得到的构件位置更为直观地呈现给现场施工人员。总之，此平台将 BIM 技术与二维码技术相结合，进一步提升装配式建筑生产施工过程管理的信息化水平，是对现阶段 BIM 技术在装配式建筑生产施工中的应用的有效补充，存在良好的应用价值和较为广阔的改进空间。
（参考文献略）