BIM与物联网的集成应用

1/39第五章BIM与物联网的集成应用5.1概述5.1.1物联网的基本概念国内外普遍公认物联网（InternetofThings）是MITAuto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID时最早提出来的，当时的定义为：物联网即通过射频识别（RFID）（RFID+互联网）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。我国的物联网概念早在1999年就提出来了，当时叫传感网，其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。2005年，国际电信联盟（InternationalTelecommunicationUnion，ITU）在突尼斯举行的信息社会峰会上发布的《ITU互联网报告2005：物联网》中，正式提出了物联网的概念，即：通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。工业和信息化部软件与集成电路促进中心邱善勤主任在2010年《物联网产业动态》第1期里面发表的“物联网产业发展阶段分析”文章中通过研究分析，将物联网发展分为三个主要阶段，分别是自然发展阶段、生态意识阶段和生态系统阶段。1）自然发展阶段（上世纪90年代至2009年）在自然发展阶段，物联网在实验室开始萌芽，从科学研究实验阶段起步，随着技术发展，不断扩大应用范围，演进到了小规模产业化和应用阶段。物联网的一些相关技术标准、网络基础、产业和应用已经开始自然发展起来。该时期感知2/39能力还比较弱，只是基于现有网络实现一些小规模的应用。该阶段特征是自发、无意识、零散、不成体系、规模小。2）生态意识阶段（2009年至2015年）在生态意识阶段，各个国家开始提出以物联网为核心的一系列发展政策和指导建议，我国也明确提出着力发展物联网产业，国家及地方政府开始有意识地培育物联网产业，制定产业发展规划。政府的引导和扶持吸引了更多的科研院所、企业、组织机构积极参与进来，带动技术和产业加速发展，从而带来业务和应用种类的增加，物联网应用逐渐开始走进公众生活。在这种有意识地推动下，物联网产业进入快速发展阶段，将广泛实现物与物之间的互联，通过信息有限感知和有限传送实现更大范围特定领域的应用。该阶段的主要特征是政府驱动、企业积极参与、示范应用项目和技术标准工作加速推进、规模快速扩大、行业性和区域性明显。3）生态系统阶段（2015年以后）在生态系统阶段，物联网相关技术和产业相对成熟，物联网应用开始融入公众生产生活，从而使应用范围更加广泛，业务种类更加丰富，市场空间更为巨大。广阔的市场成为该阶段物联网产业发展的主要动力，吸引更多商业机构踏入物联网世界，挖掘物联网巨大潜力，商业化将为物联网带来新的飞跃。该阶段将通过信息全面透彻的感知和多种通信技术相结合的自由传送，逐步实现半智能化及全智能化，形成跨行业、跨区域高度融合的生态系统，实现融合渗透到各行业、各领域的物联网应用，最终改变社会生产和生活方式。该阶段的主要特征是市场驱动、企业主体、体系完善（包括产业体系、标准体系、服务体系、保障体系、创新体系）、规模庞大、高度融合、商业模式成熟、业务种类繁多、应用领域广阔、国际化明显。5.1.2BIM技术与物联网集成概述如何将BIM技术“嵌入”到物联网中，似乎还没有清晰的思路和可行的方案，缺少明确的概念和定义，但有一点是很清楚的，那就是在建筑行业里BIM离不开物联网，没有物联网，BIM技术应用缺少支撑，同时，BIM技术与物联网技术的集成应用可以在工程建设及运维方面发挥更大的作用。只有把建筑物数字化、信息化，建立整个建筑BIM信息模型，才是实现高效建运管理的基础。BIM技术是物联网应用的基础数据模型，是物联网的核心和灵魂，正如BIM技术是3/39ERP基础数据一样，物联网应用不能脱离BIM技术。没有BIM技术，物联网的应用就会受到限制，就无法深入建筑物的内核，因为许多构件和物体是隐蔽的，存在于肉眼看不见的深处，只有通过BIM模型才能一览无遗，进而展示构件的每一个细节及相关属性信息。这个模型是三维可视和动态交互的，涵盖了整个建筑物中所有信息，并与楼宇控制中心集成关联。目前，建筑信息模型在设计阶段应用较多，还没大范围进入建造和运维阶段，而物联网应用多集中在运维阶段，一旦将两者结合应用在整个建造和运维阶段将产生极大的价值。BIM技术与物联网二者的结合，将智能建筑提升到智慧建筑新高度，开创智慧建筑新时代，是建筑业下一个重要发展方向。国内BIM技术与物联网集成应用比较有代表性的案例如2008年北京奥运会的“奥运村空间规划及物资管理信息系统”，即采用了以BIM建筑信息模型为基础的数据信息管理。设计师将奥运村空间规划及设施以三维图形方式处理并创建BIM建筑信息模型数据，结合物联网技术，在完成奥运村空间规划的同时，就自动产生与奥运村三维图形对应的奥运村物资、设施数据库，这确保了奥运村的资产管理、物流服务可视化和高效性。该信息管理系统以BIM技术为基础，同时配合专业的协同作业软件，使得奥运村的空间规划、物流服务可以实现在线集中远程即时管理和控制。这是基于BIM技术的物联网应用雏形，也是成功应用案例，可以作为未来BIM技术在物联网上应用的一种模式，它将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种硬件装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，而当物联网与建筑信息模型BIM融合集成，就能发挥更大的作用。本章后续几节内容将重点对BIM技术与物联网融合的原理、价值，集成应用的软硬件环境要求、集成应用的方法步骤、BIM技术与物联网集成应用现阶段存在问题及今后的发展趋势分别进行了阐述。同时通过“上海浦江大型PC保障房项目”和“上海虹梅南路隧道工程”两个案例，系统地对BIM技术与物联网技术在具体案例中的应用情况及效果进行剖析说明。5.2集成原理与核心价值5.2.1集成原理BIM技术与物联网的融合可以通过BIM信息化模型和物联网的RFID等电子4/39芯片及传感器的来实现。BIM是把建筑数字化模型化，是虚拟的建筑，它是建筑实体的虚拟再现。物联网是把建筑物及空间内各个物体标签化、可识别化，对所关心的因素依托底层的传感网络进行监控，从而实现对建筑结构、空间和内部设备的集中监管，但它无法进一步获取物体更详细的信息如生产日期、生产厂家、构件尺寸，特别是物体的内部信息，而这些要从BIM模型中获取，BIM模型详细记录了建筑物及所有构件和设备从设计到施工以及运维过程中的所有信息，这样BIM与物联网具有较强的互补性。BIM技术与物联网技术集成应用实质上是建筑全过程信息的集成与融合。BIM建筑信息模型担当上层信息集成、交互、展示和管理的作用，而物联网技术则承担底层信息感知、采集、传递、监控的作用。两者集成应用才能实现建筑全过程“信息流闭环”，实现虚拟信息化管理与实体环境硬件之间的有机融合，BIM与物联网技术集成应用原理示意图如图5-1所示。BIM技术与物联网的集成应用模式可以是多维度和多阶段的，但无论是设计阶段、施工阶段还是运维阶段或是全过程，BIM技术与物联网均可实现软硬件、信息、管理上的深度融合。图5-1BIM与物联网技术集成应用原理图以RFID为例：RFID芯片是物体带有唯一性信息特征的“身份证”，通过信息接收设备和互联网联系起来，就构成了人与物和物与物相连的物联网。RFID是信息采集工具，它有三部分组成：标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，是唯一的电子编码附着于物体上标识目标对象。阅读器（Reader）：读取或写入标签信息的设备，有固定式和手持式。5/39天线（Antenna）：在标签和阅读器间传递射频信号。RFID采集的信息通过接收装置和互联网传输到信息中心进行信息处理，可对RFID芯片发出的信号进行信息跟踪，如通过各种数码终端远程获取施工现场和建筑物内部外部的复杂情况。以前靠人工填写进度和计划报告具有很大的主观性，从而使管理高层不能掌握真实情报和精准数据，导致决策的失误，影响整体效率。当RFID的现场跟踪和BIM的信息管理模型结合在一起的时候，上述问题迎刃而解。构件的状况通过RFID的信息收集，形成了BIM模型的4D模拟，施工进度、重点部位、隐蔽工程等通过RFID信息传递把现场资料自动记录到BIM模型的对应位置上，管理人员对现场发生的情况能了如指掌。通过BIM软件在BIM模型中建立所有部位构件与RFID信息一致的唯一编号，这些部位构件的状态就可以通过RFID、智能手机、互联网技术在BIM模型中实时地表示出来。可以说，BIM技术与物联网相融合是未来建筑业信息化的发展方向，RFID技术解决信息采集及时性问题，BIM技术实现信息处理的高效性与共享性。5.2.2核心价值通过上述对BIM技术与物联网融合原理的描述，本章从以下三个阶段总结其应用价值：1）工程建设阶段集成应用价值（1）提高施工现场安全管理能力在施工过程中，施工安全的隐患无处不在，这也成为各承包商和相关部门关注的头等大事，例如：临边洞口和出入口防护棚防护不到位或防护不严，且未进行工具化、定型化防护；部分电梯井口防护未做到定型化和工具化；架体首层立网没有进行全封闭，从而被违规兼做通道现象较为普遍，也就造成到处都存在出入口的危险；安全网普遍存在材质较差；部分作业人员高处作业未系安全带；部分工地存在对现场不戴安全帽的治理疏散现象。基于BIM技术的物联网应用可以大大改善这一情况，例如使用无线射频识别标识在临边洞口、出入口防护棚、电梯井口防护等防护设施上，并在标签芯片中载入对应编号、防护等级、报警装置等与管理中心的BIM系统相对应，达到实时监控的效果。同样也可以对高空作业人员的安全帽，安全带，身份识别牌进行相应的无线射频识别，同样在BIM系统中精确定位，如操作作业未符合相关规定，6/39身份识别牌与BIM系统中相关定位同时报警，使管理人员精准定位隐患位置，从而采取措施以避免安全事故的发生。（2）制定合理的施工进度进度控制在施工中是非常重要的环节，一份好的进度计划和合理的工序安排将会为项目提升经济效益，但是工程进度往往被变更和返工等情况拖延。目前，工程人员依据二维平面蓝图进行工程施工，施工过程中各工序依据各自的图纸独立施工，各单项工程相互间的配合并不紧密，往往在施工到达一定阶段才发现设计上的不合理或冲突而造成返工。基于BIM技术的碰撞检查和施工模拟可以在施工开始前通过对三维模型的分析，检测出施工过程中可能出现的问题，从而提前预判，在相应的施工环节留下含注意事项的时间节点标签，以确保各施工工序合理有序的进行。（3）支持有效的成本控制工程施工发生额外工程量及工程返工是造成工程成本变化的重要因素。利用BIM技术和物联网技术的结合可以根据时间，楼层，工序等维度进行条件统计，制定详细的材料采购计划，并对材料批次标注无线射频标签来控制材料的进出场时间和质量状况。杜绝“飞单”，避免出现因管理不善造成的材料损耗增加和因材料短缺造成的停工，误工。另外随着工程技术的发展，钢结构工程已越来越多的应用于工程实际，但相对复杂的结构和工艺流程给钢结构装配工作带来了巨大的工作量，目前已有多个钢结构工程因装配错误而造成经济损失。BIM技术与物联网技术集成应用可有效解决这类问题。通过无线射频识别技术将芯片分类别和编号安装在每一个钢结构构件中，再将对应的读取器设置在BIM三维信息模型中与之对应，装配过程中保证所有的构件必须与BIM中的对应代码相匹配，否则以警报的形式提醒工程技术人员，从而避免装配错误的情况出现。（4）可有效提高质量管理水平在施工过程中经常需要对隐蔽工程进行抽样检验以确保工程质量，这样的弊端