刘诗楠，刘占省，赵玉红，王文思，赵雪锋

(北京工业大学 a.建筑工程学院；b.信息学部，北京 100124)

装配式建筑近年来在我国的发展如火如荼，给建筑业带来了全新的建造模式，从图1，2可以看出2010—2017年的全球装配式建筑市场规模在逐年稳步增长，中国的装配式建筑在起步较晚的情况下经过十几年的发展历程在2017年的装配式建筑市场规模占全球比重的35.1%，其工业化的工厂构件生产、方便快捷的现场安装以及绿色环保的作业环境等优势，成为国家大力推广装配式建筑的主要因素。

图1 2010—2017年全球装配式建筑市场规模(资料来源：前瞻产业研究院整理)

图2 2017年全球装配式建筑市场区域结构(资料来源：前瞻产业研究院整理)

随着装配式建筑体量的增加，相关企业在施工过程中如何进行智慧化的信息管理、如何对预制构件进行精确有效的吊装和安装以及如何提升施工安装效率等与智慧管理相关的需求也愈发明显。对装配式建筑进行信息化的智慧管理和追踪是国家政策明确提出的要求，相关的配套政策也相继出台[1,2]。住建部发布的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》明确提出：开展BIM与物联网、云计算等技术在施工过程中的集成应用研究，加强信息技术在装配式建筑施工管理过程中的应用，增强物联网等信息技术集成应用能力，建立施工现场管理信息系统，创新施工管理模式和手段。住建部发布的《建筑业发展“十三五”规划》中明确指出要大力推广智能和装配式建筑，推广普及智能化应用。

21世纪以来，二维码、RFID (Radio Frequency Identification)、传感器等物联网核心技术快速发展并在建筑工程中广泛应用，使得物联网技术在工程监测领域发挥了重要作用[3]。在国外，Masao等[4]开发了基于物联网技术的远程自动化监测系统，用于监测滑坡的各种模式；瑞士的Solexperts公司为满足不同工程的需求，引入物联网技术开发了自动监测系统[5]，同是来自瑞士的徕卡公司开发的系统可连接各类传感器，可广泛应用到安全监测工程[6,7]。为解决传统物联网技术在信息安全、传输距离及容量等方面的缺陷，窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)技术应运而生，它是低功耗广域物联网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)的一种，在2015年9月3GP(第三代合作伙伴计划)正式确定NB-IOT标准立项并在2016年6月完成[8]，国家工信部在2017年6月份发布了《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》，通知强调了要推广NB-IoT在细分领域中的应用，通过试点示范工程逐步扩大应用行业和领域范围，形成规模化应用体系，2017年成为NB-IoT技术的商用元年。基于NB-IoT技术的应用已有部分学者进行初步尝试，任小强[9]针对城市井盖被盗问题提出了一种基于NB-IoT技术的智能井盖监测系统，实现了对城市井盖有效、统一的维护和管理；何灿隆等[10]研发了一套基于NB-IoT的温室温度智能调控系统，该系统可为农作物的生长提供良好的环境，Chen等[11]设计了一个包括NB设备、IOT云平台、应用服务器和用户应用程序的系统，为学术研究和商业应用提供了一种简单的方法。目前NB-IoT技术大多应用在智能抄表、智慧农业、智慧停车等领域，在建筑行业中应用较少，因此基于智慧施工管理理念，利用NB-IoT技术对装配式建筑施工过程中及时、精准地进行智能化管理和构件定位，从而保障施工质量与效率并提升国家装配式建筑整体施工管理水平具有重要意义。

1 物联网技术分析

目前应用较为广泛的物联网技术大多是WiFi、蓝牙、Zigbee等，其本身拥有配置方便快捷，安全性和稳定性高等特点，将物联网技术应用到建筑工程施工监测中可以有效监测建筑的状态变化并作为施工程序的控制信息来确保建筑施工的顺利进行[12]。然而建筑的施工过程是一个及其复杂的过程，建筑本身随着施工进度的推进在不断变化，建筑施工环境也在不断变化，因此针对建筑施工过程的监测，传统的物联网技术自身存在一些无法避免的弊端，各技术参数如表1所示。对于WiFi技术，传输速度很快，适合传输大容量文件，而代价就是功耗和成本都很高，并且通信距离较短；蓝牙技术通常用于设备与设备之间的数据传输，建立连接时需要双方手动确认，因此安全性较高，成本较低，但通信距离仅有10 m左右，无法满足建筑施工场地范围大的需求；Zigbee最大的特点是自组网，网络节点数可达上万个，但同样传输距离较短，因此这类物联网技术均不适合在大范围、构件多的装配式建筑施工中使用。在工程监测方面目前大多使用RFID技术[13]，但RFID标签中存储的信息为预先录入的静态信息，仅能供管理人员查看固有属性信息，无法实现实时监控。

表1 各物联网技术参数

预制构件的信息采集具有终端节点多、数据量小的特点，并且存在随施工过程变化的信息，需要网络具有覆盖范围广、功耗低、成本低的网络技术提供支持，近年来国际上发展的一种革命性的物联网技术——低功耗广域网，完美地契合了装配式建筑施工的应用需求，而其中的NB-IoT技术在2016年9月已正式实现商用，目前已有多家通信公司对其进行部署，有利于应用领域的扩展。

2 NB-IoT技术特点及优势

2.1 NB-IoT技术特点

作为低功率广域物联网的代表性技术，NB-IoT囊括了LPWAN的所有特点和优势，例如覆盖广、功耗低、大连接、低成本等[14]，具体技术特点如表2所示。

表2 NB-IoT技术特点及优势

通过表2中的内容对其主要特点和优势进行分析和阐述：

(1)通讯技术

NB-IoT采用的是蜂窝技术，因此可以在原蜂窝式网路设备上快速部署，相较于LoRa技术，用户无需单独组网，射频和天线基本上都是复用的，只需支付相关使用费便可快速进入NB-IoT网络的应用，节省了网络搭建的时间和财力。

(2)频段及安全性

NB-IoT所处频段为授权频段，有基于成熟的核心网认证鉴权机制，保证了服务质量，提高了用户体验。同时拥有数据加密保护，安全性非常高[15]。

(3)覆盖范围

GSM(Global System for Mobile Communication)即全球移动通信系统，用于移动电话通信，其覆盖半径理论上可达35 km[16]，而NB-IoT的覆盖范围能够达到GSM的4倍。NB-IoT不仅可以满足在广度上的覆盖需求，还具有深度覆盖的特点，能覆盖地下停车场、超市等无线信号较弱的地方[17]。

2.2 NB-IoT技术在装配式建筑中的应用优势

NB-IoT最大的特点是窄带即Narrow band，降低了基带的复杂度；低功耗的特性使得基于NB-IoT的模组电池使用寿命可长达10年以上；NB-IoT还具有超强的连接能力，一个小区内可支持5万个终端节点的连接，比现有无线技术高出50～100倍的连接数量，因此在一个装配式建筑施工项目现场NB-IoT技术足以满足覆盖范围的问题，同时在装配式建筑中存在大量预制构件需同时接入网络中进行数据采集，NB-IoT网络可以很好地实现这项功能，并且在饱和状态下也能保持较低的延时率，进一步提高对装配式构件的监控程度；成本方面，模块成本平均可降至5 $，终端芯片在批量生产后可低至1 $[18]。

在装配式建筑中应用NB-IoT物联网技术最大的优势就是可以对装配式构件以及施工情况进行实时的记录和数据上传，通过利用NB-IoT技术建立装配式建筑施工管理系统，搭建预制构件信息数据库，形成信息化的构件管理模式同时指导工人进行吊装施工。通过NB-IoT网络，可完成吊装数据的采集和传输，并结合BIM(Building Information Modeling)技术将数据可视化，实现无纸化施工。在硬件方面除以下介绍的主要硬件外，还结合了RFID标签以及手持设备来完善方案对硬件的需求；在施工中由于引入了NB-IoT技术，可以更好地对构件进行吊装监测和管理。

3 NB-IoT技术在装配式建筑施工管理中的应用方案流程

3.1 应用网络架构

基于NB-IoT技术的应用网络架构如图3所示。

图3 NB-IoT应用网络架构

(1)终端节点：终端节点用来实时采集预制构件信息，包括NB-IoT主动定位传输模块、GPS(Global Positioning System)和QMC5883L双模定位以及倾角传感器，通过空口连接到基站。

(2)基站侧：NB-IoT无线传输网络有两种部署方式，一种是独立部署，可以快速、低成本的搭建网络，另一种是利用现有基站通过Singleran接入方式整体式无线接入网。

(3)CloT核心网：用于承担与终端非接入层交互的功能，并将数据传输到M2M平台进行分析和处理。

(4)M2M平台：NB-IoT的M2M(Machine-To-Machine)平台用于接受基站传输的数据，完成协议栈适配、大数据分析等功能，并将处理好的数据转发至相应的应用服务器中。

(5)第三方应用服务器：应用服务器是NB-IoT采集数据的最终汇聚点，可根据用户的需求进行数据处理。

3.2 硬件部署方案

应用方案中模块采用BC95模块，如图4所示，是由上海移远通信技术有限公司(Quectel)研发的一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块，搭载Boudica 120芯片，其尺寸仅为23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，该模块尺寸小巧、功耗超低且工作范围广，是物联网应用领域的理想选择，其中芯片采用华为Boudica 120芯片，如图5所示。同时模块上装有GPS定位模块，并连接QMC5883L传感器，用以辅助GPS系统定位，如图6所示。

图4 BC95模块/mm图5 Boudica120芯片

图6 QMC5883L传感器

高度集成上述三个主要硬件配以必要电子元件同时接入倾角传感器完成基于NB-IoT技术的集成NB-IoT模组的定制，完成网络系统终端节点的部署，可实现数据的实时传输、高精度的定位导航以及预制墙板垂直度的监测，有效地对装配式预制构件进行施工管理。该模块具有低功耗的特点，因此可重复使用且整个项目施工期间无需更换电池，足以支持施工全寿命期，模块安装以建筑项目每层为单位，在每层墙、板构件中均安装一个NB-IoT模块，墙、板构件数量即为终端传输节点数量，基站使用现有的中国电信NB-IoT基站进行信号传输。

3.3 方案系统功能架构

系统功能架构如图7所示，由采集层、网络层、数据层、应用层以及用户层组成，采集层是功能架构的终端节点部分，包含了NB-IoT模块和RFID标签，负责采集预制构件信息；网络层通过LTE(Long Term Evolution)协议将采集层采集到的数据上传到中国电信的NB-IoT网关；数据层即为储存数据的数据库，用以储存构件的属性信息、GPS坐标以及构件的倾角角度；应用层为系统功能应用部分，提供构件信息查询、定位追踪、垂直度监测以及结合BIM模型的施工动画展示功能；用户层为人机交互部分，用户通过手机端、PC端以及平板端来操作，从而实现上述功能。

图7 系统功能架构

系统的关键功能主要包括以下四点：

(1)基于NB-IoT网络的信息数据实时采集：系统通过NB-IoT模块实时采集模块本身、GPS以及倾角传感器所采集到的信息，主动式的传输模式使得信息采集具有便捷性和实时性。

(2)GPS定位：在装配式建筑施工过程中通过GPS定位实现对预制构件轨迹的实时监控，并且可在吊装安装时用以辅助构件安装定位。

(3)垂直度监测：在吊装安装后，通过倾角传感器对构件尤其对墙板的倾角进行监测，确保墙板垂直于施工面，减少传统铅垂线法测量垂直度的误差和时间。

(4)BIM模型施工动画展示：通过IFC(Industry Foundation Class)数据接口将BIM模型接入到系统中，同时导入施工动画，通过编程实现吊装过程中在BIM模型中高亮显示所吊装构件以及所处施工阶段的施工动画展示功能。

3.4 应用方案工作流程

装配式建筑吊装施工过程中，需要吊装的有墙、板等预制构件，其中预制墙板的自重较大，工序较为复杂，且安装精度要求较高，因此以预制墙板为例阐述在吊装过程中NB-IoT的应用方案的工作过程，工作流程如图8所示。

图8 工作流程

(1)准备工作

1)施工人员准备。在正式施工吊装前需要对施工人员培训，针对如何使用手持设备、如何读取NB-IoT模块数据以及结合BIM技术如何对可视化施工进行指导，帮助工人理解全部施工过程，通过施工动画展现施工的每一步和细节，系统中会根据吊装计划给出适合的施工班组安排，管理人员只需根据计划安排进行即可。

2)吊装顺序。在项目施工前，将有关图纸的全部设计信息录入到BIM模型中，同时合理地安排吊装顺序并生成相应图表供施工人员查看，根据吊装顺序提供平板车数量。

3)模块安装及绑定。在预制墙板吊装之前，会经历进场和堆放两个过程。首先，在预制墙板进场时会有施工人员安装NB-IoT模块，同时利用手持设备扫描与墙板出厂时就已携带的RFID标签进行信息绑定，如图9所示。模块负责实时信息的采集，RFID标签存有各对应墙板的属性信息，并核对该信息与所绑定墙板型号、尺寸等是否一致，检查无误后可上传至云服务器，从而完成网络终端节点的搭建。

图9 信息绑定

4)墙板堆放：在主动式定位模块安装完成后，拖车会将预制墙板运至堆场等待吊装，例如图10形式堆放，并按照施工顺序堆放以便方便运出。在堆场堆放时，控制主动式标签在停止信息变动的5分钟后自动进入休眠状态，当传输模块与MCU(微控制器)同时进入休眠模式的时候，都将处于低电流状态，保证节省电池消耗的同时，也保证系统可以在之后的工作中迅速唤醒。

图10 构件堆放

(2)吊装过程

1)模块激活。构件堆场管理人员在收到施工现场的构件需求指令后根据系统中的信息将构件运出，并通过手持设备控制传输模块重新进入工作状态，从而激活主动式标签用以实时传输信息。核对构件信息，通过系统查看吊装顺序，保证装车顺序与吊装顺序一致。此时手持设备上将会显示构件的详细信息，类似于图11所示界面，例如属性信息、安装位置等，确认构件无误后将构件从堆场运出，同时录入构件已进入施工现场准备吊装的信息。

图11 构件信息

2)起吊墙板。根据NB-IoT模块中的信息选择合适的吊具，检查构件上预埋的吊环是否牢固，确认后直接从平板车上起吊，如图12所示，并避免二次吊装。起吊后通过手持设备通知施工层工人注意构件已起吊，此时模块中的高精度三轴磁传感器发挥作用，使得施工层工人以及塔吊司机的手持设备中会实时显示构件的运动轨迹，并在BIM模型中高亮显示，可快速找到竖向位置，减少工人之间因墙板位置问题的无效沟通。

图12 墙板起吊

3)墙板安装。如图13所示，在预制墙板到达指定划线位置后，缓慢降落，插筋对孔后安装斜支撑，此时通过倾角传感器校正墙板的垂直度，直观地读取倾角度数避免了铅垂线等手动测量的人工误差，然后通过斜支撑来调节。

图13 墙板安装

4)信息上传及模块回收。预制墙板安装完成后进行后续的灌浆处理，检验墙板平整度、垂直度等关键点，确认无误后通过手持设备确认构件安装完毕，上传相关信息至云服务器的数据库中进行保存以备后续查看和验收，信息上传后将模块拆除并重置ID信息，供后面吊装的构件使用。

通过NB-IoT网络技术，装配式建筑的构件信息有了统一的管理方式，数据从头至尾实现无纸化记录，预制墙板的数据流程如图14所示，信息首先通过施工人员利用手持设备进行RFID和NB-IoT系统绑定，随后通过终端节点进行数据采集，并上传到系统数据库，同时与BIM模型的数据信息相结合，所有信息通过云服务器进行数据处理，输出为吊装顺序表、倾角角度、属性信息以及定位信息。

图14 预制墙板数据流程

(3)方案效益

应用NB-IoT技术的装配式建筑预制构件吊装应用方案有着传统吊装施工模式所不具备的优 势，该方案加强了信息技术在装配式建筑施工管理过程中的应用，增强了物联网、传感器及定位等信息技术的集成应用能力[19]。从技术层面来看，为装配式建筑的预制构件施工提供的是基于NB-IoT技术的通讯方式，弥补了传统无线网络传输过程中覆盖面小、功耗高、穿透力差的缺陷，提高了工人之间沟通的效率；对装配式建筑而言，更是其智能管理的优化解决方案，创新了装配式建筑施工管理模式和手段。同时节约了单独组网的成本，利用其商用化的特性直接应用已经搭建好的网络，使得应用时更加稳定和安全。

4 结 语

在科技发展日新月异的时代，物联网技术的创新和升级给建筑行业带来了便利和效率，将窄带物联网技术应用到装配式建筑的施工过程管理中，为预制构件的吊装和监测提供了方便、智能化的管理手段。本方案所用到的基于NB-IoT技术的低成本、低功耗模块以及智能化传感器符合国家要求的建立完善工程项目质量监管信息系统的发展方向，满足装配式建筑施工现场的精细化等要求，极大地为提升建筑业的技术水平和管理水平提供了借鉴意义。本方案为装配式建筑施工现场信息化、智能化的管理方式提供技术支持，从而为打造“智慧工地”，改变传统建造方式、促进建筑企业转型升级奠定了有力的理论依据。