林張紀

(福建水利電力職業(yè)技術學院 建筑工程學院，福建 永安 366000)

到2050年，全球人口將從當前的70億增長到100億，城市人口將從當前的35億增長到70億，這意味著全世界城市人口每天新增20萬.為了滿足全球城鎮(zhèn)化如此快速發(fā)展的需要，每天要新建13 000座各類建筑設施，以及每年要建造相當于繞地球30圈的道路和鐵路[1].這為全球工程建設行業(yè)帶來了空前的發(fā)展機會，根據美國最新發(fā)布的就業(yè)報告，美國所創(chuàng)造新就業(yè)機會中的30%來自于建設行業(yè).而在中國，房屋與基礎設施工程的投資建設對國民經濟的拉動效應更是不言而喻.同時，這對滿足人類社會對可持續(xù)發(fā)展的內在需求方面也帶來了巨大的挑戰(zhàn).我們的施工建造活動有30%為返工，有25%-50%的建筑材料被浪費.為了解決技術和管理水平都相對落后的現象，提高建筑業(yè)利潤，引入和發(fā)展信息技術至關重要.基于此，本文針對BIM體系下的建筑全周期管理應用進行了研究，對項目設計、施工與運維整個過程計劃、質量、安全、數據等管理研究，助力建筑信息模型技術給行業(yè)帶來的發(fā)展.

1 BIM體系的概念介紹

到目前為止，BIM技術的發(fā)展可分為2個階段.第一階段，是0到1，模型從無到有，創(chuàng)建出來，當然最初是設計階段便發(fā)起，所以應該能夠生成和作為設計交付成果之一.并且與模型和信息密切相關的應用，比如可視化瀏覽，分析計算，預演模擬，導出工程量(可能是部分數據)和導出用于加工的數據.事實上，有模型預演、分析計算、可視化瀏覽、導出、加工、導出工程量等多種集成功能.第二階段，是第一階段的升華.不僅設計階段，施工階段可以應用，考慮到更多參與方加入進來，就形成了協(xié)同工作，同時與更多新技術銜接起來.包括現實捕捉，IOT，VR/AR，今后可能逐漸幫助人工作的機器人.除了上面這些，BIM的主體也已經超出了Building這個范疇，可以包括：水利，電力，道路，鐵路，橋梁，港口和隧道等各類市政設施和大土木工程[2].

2 全周期管理應用

數字化建造必然是以具有信息的BIM模型為核心.如圖1所示為 BIM在建筑全壽命周期的應用，基于建筑信息模型(Building Information Model)，對項目設計、施工與運維整個過程的成本、計劃、質量、安全、數據等進行生產和管理[3].在項目不同階段，均以BIM模型及數據為工具，實施工程項目生產和管理.由于BIM模型和數據本身就具有數字化的屬性，即其最終存儲形式，必然是計算機中可以讀取和編輯的數據.總而言之，BIM就是建筑本身及其內部各系統(tǒng)的數字化表達.基于可衡量的指標，利用BIM模型進行協(xié)同與管理，具有主動性的工程師團隊通過完整的協(xié)作過程交付項目——高質量的實體項目及數字化模型，結合本國國情提出合理且具有針對性的新型建造方式.

圖1 BIM在建筑全壽命周期的應用

2.1 設計階段

通過數字化的手段虛擬建造建筑，并建立強大的建筑信息庫.囊括了視覺感官上的幾何信息和大量非幾何信息，BIM貫穿項目的整個生命周期.在通往BIM的康莊大道上，我們經常聽到這些聲音，在這里我們有必要一起去思辨一下，糾正這些看似入門卻不可忽視的錯誤.如圖2所示的BIM建模是工程師常規(guī)所見，但BIM不僅僅是一個軟件，傳統(tǒng)意義上，很多工程師理解的BIM就是3D模型，是效果圖和翻模，再深入一些就是能夠進行碰撞檢查的軟件工具，用來檢查差錯.但是BIM并不是僅僅是軟件，雖然離不開軟件，但不僅僅是3D模型、效果圖，更不僅僅是對模型公司來進行.碰撞檢查也只是BIM的其中一個應用點而已，項目參與者模型只是基礎，荷載體應用與管理并不能脫離.

圖2 BIM建模

如果要在項目全生命周期的應用BIM技術，那么在設計階段就需要更高的精度，以便知道施工和優(yōu)化設計，方便后期的運維.對于設計圖紙要再次交和，并進行協(xié)調優(yōu)化，利用系統(tǒng)功能進一步檢查碰撞和圖紙表達.會同甲方和施工方共同協(xié)商，得出最優(yōu)的管線排布方案.實現設計階段的模型優(yōu)化和深化，盡可能解決施工人員可能遇見的一些問題.

2.2 施工階段

隨著硬件設備的不斷革新，例如可以完成各項專業(yè)工序的機器人的發(fā)展，將很多生產線上的工作從工廠搬到了工地，直接在項目現場完成屬于現場的工業(yè)化生產.這樣工廠流水線與現場流水線相結合，這是全產業(yè)預制化的必然趨勢.伴隨人力成本提高，通過機器人輔助或替代人類完成工作的需求愈加強烈.西方國家早已面對施工現場人力成本高的難題，因此研究機器人施工較早.中國伴隨老齡化和人力成本增加，施工工人年齡層次老化等，遲早需要面臨此類問題，Autodesk在機器人和人工智能學習方面也很早就投入了研究[4].

如圖3所示是機器人代替人工施工的現場場景，未來的建筑工地將變得越來越自動化.想象一下裝配線，是在建筑工地上，而不是在工廠里組裝，而不是在項目現場建造建筑部件將提高效率，廢物將減少，因此對環(huán)境的影響將更少.來自 BIM 模型的安裝說明將實現現場建筑零件的完美裝配.工廠模塊中嵌入的 QR 代碼將允許實時跟蹤生產、交付和最終安裝.這將實現及時交貨和及時生產，數據無縫地從設計流到項目現場.

圖3 機器人代替人工施工

住宅施工過程如下流程所示：

構件生產→輕鋼結構框架加工→布置石膏板→布置外墻保溫→布置防水→安裝窗→抹灰；

模塊裝配→在裝配小車上布置樓板構件→通過插拔連接電纜→固定墻構件→安裝預制濕墻→安裝吊頂→填縫→質量檢查；

標準化施工現場→RFID控制運輸→放置和連接模塊→房屋外裝→通過設備配置實現個性化；

模塊化社區(qū)擴容→無需額外增加地塊→模塊化疊加準備→對環(huán)境和居民降低至最小→使用已有的結構→外裝完成，匹配原有立面樣式.

2.3 運維管理階段

施工方數據整合和管理虛擬建造平臺，平臺最大的特點是將設計的虛擬數據和三維掃描、傾斜攝影兩種真實數據進行結合，做到虛實結合，分階段實時調取查看.平臺可以任意的開啟和關閉數據源，讓不同數據進行對比.同時，數據隨著工期安排進行不斷的更新和疊加，并通過計算機計算，用顏色顯示計劃工期與實際工期之間的差別，也可以反向尋找其甘特圖中關聯(lián)的工序，也可以比較出實際進度快的區(qū)域和原計劃之間的差異，并可以通過平臺判斷出其中的專業(yè)隊伍進度等.外部的數據通過掃描和拍攝，內部的數據可以通過三維掃描，結合機器人完成.

運維管理系統(tǒng)開發(fā)引擎及開發(fā)平臺是運維管理的關鍵技術.如圖4所示，目前的平臺系統(tǒng)存在問題在于離散的構件管理與建筑設計不匹配，部分構件和規(guī)則管理超越了BIM的范疇，僅借助BIM難以集中管理構件庫，產品設計者的知識與構件和規(guī)則管理系統(tǒng)割裂，離散的文檔分布在多個項目中.Project Frog——可擴展預制建筑系統(tǒng)，能夠在云端集中管理所有構件和數據，根據項目規(guī)模擴展.兼顧企業(yè)構件庫和項目構件庫，整合構件與規(guī)則庫自動版本控制，項目層級維持DfMA規(guī)則，實現了表1所示的功能.

圖4 構件和規(guī)則管理超越了BIM的范疇

因為管理系統(tǒng)的設計與開發(fā)，基于軟件使管理更加高效，如圖5所示能夠讓BIM模型在三維場景中平移、縮放、旋轉、動態(tài)查看.平臺功能具有基礎數據維護和關聯(lián)信息的功能.基礎數據包括種類、類型、材質、品牌、單位、用途、聯(lián)系方式等等，維護記錄包括維修記錄、單號、故障原因、解決方案、人員工號、維修結果等等.關聯(lián)圖紙信息包括圖紙編號、上傳時間、圖紙名稱等.基于BIM模型，能夠對信息進行快速查詢用戶，可以根據需要對基礎設施進行修改.在提高效率的同時，增加了管理的安全性，并進行信息共享，加強日常運營工作的交流和經驗分享.

圖5 獲取詳細的數據分析

工程建設行業(yè)需要科技、需要數字化，來提升效率與質量.信息化是手段、工具，以物理世界為主，生產、管理行為借助信息化手段進行改進和提升；信息化是為了線下的物理世界的活動而服務的；流程是核心，軟件系統(tǒng)是工具，而數據是軟件系統(tǒng)運行過程中的副產品.如圖6所示能夠在Web端瀏覽和管理設計模型數據.數字化是思維模式的轉變，包括BIM、物聯(lián)網、3D掃描.將物理世界重構建模到數字化世界(可以是提前，也可以是事后)，人類大部分活動及交互都在數字化世界中進行，決策指揮信息回到物理世界指揮(機器)人、設備和機器完成操作.

圖6 在Web端瀏覽和管理設計模型數據

3 實現CAD到BIM轉化的實施步驟

中國專業(yè)建筑事務所從CAD到BIM的轉化過程中可能遇到種種問題，必須要以下關鍵步驟，來解決組織和交付BIM項目中存在的問題.開發(fā)執(zhí)行BIM計劃的相關資源，這其中建筑師居領導的角色，采用六個步驟，分別為：明確為何使用、預期目標、行動計劃、資金支出、BIM軟件、組建團隊.現將實現CAD到BIM轉化的實施步驟分述如下.

第一，動機.即為何使用BIM，要理解向BIM轉變的原因和出發(fā)點.例如，恰當實施BIM可以提高公司的收益率，降低失誤率，節(jié)省時間，提高工作質量，或者是為了滿足客戶所需要的交付方式與要求.一些客戶，包括政府機關、大學、企業(yè)等供應商有自己的BIM實施計劃，他們理解的BIM應用，對于整個項目周期或終身規(guī)劃都具有長遠的效應.另外，BIM的轉變也有可能是為了改善行業(yè)的發(fā)展趨勢，擴大公司的客戶服務范圍，拓展新的業(yè)務機會.

第二，目標.一旦確定目標，就要制定日程計劃，估算所投入的時間和成本.判斷是否會產生新的交付成果，帶來新的客戶類型，拓展工作范圍以及工作方式的轉變.其目的是為了自身擁有新的自定義工具，實現貫穿設計始終的BIM分析，形成BIM支持的集成項目交付，可提供新的服務.

第三，計劃.創(chuàng)建一份書面整合計劃，明確公司項目在不同階段大概的費用明細，明確對具有施工人員經驗的工作人員和技術熟練的員工的人員配置，并且與其他使用BIM的項目比較提供衡量標準.

第四，投資.明確能夠付出多少初期資金的支出，并且投資回報率是多少，要考慮前期的成本，內容包括軟件、硬件、培訓，支持雇傭或培訓一位專門的BIM咨詢顧問.避免由于初期對新軟件、硬件操作需要逐步熟悉而造成的效率低下.

第五，工具.選擇合適的BIM軟件程序和硬件設備至關重要，工具需要與公司員工的工作方法相適應.市場上涌現的多種軟件和硬件工具，它們都有各自的優(yōu)勢和劣勢.每個軟件都有自身的一批擁護者，應當多于軟件用戶群進行交流，參加用戶組會議，通過閱讀網絡博客來掌握基礎技巧和必不可少的重要功能.需要明確的是，想要得到完全客觀的意見是不現實的，最好的信息來源是那些具有想法和出色專業(yè)能力并且熟悉公司的專業(yè)人員.

第六，團隊.團隊成員至少要包括合格的BIM協(xié)調員、it經理、項目經理和總負責人，找到并雇傭那些具備精準專業(yè)知識，將其應用于建筑實現各個領域的人才是極為重要的.

4 結語

中國工程建設行業(yè)的數字化進程，始于80年代初期CAD技術的引入和普及，幫助行業(yè)甩掉圖板.從2002年初開始，BIM理念與技術開始被提出和傳播，BIM幫助工程項目各參與方在全生命周期過程中能夠基于智能的三維模型，實現高效和更準確的設計.而今天，BIM與云技術、移動互聯(lián)網技術結合，使得整個項目的設計、施工管理過程更加方便.未來隨著行業(yè)數據更加豐富，BIM將與人工智能、機器人、物聯(lián)網等先進工業(yè)技術進一步集成應用，形成工業(yè)化BIM，促進“工業(yè)化BIM”時代的到來.