基于BIM的工程建設(shè)全過程監(jiān)管平臺開發(fā)與應(yīng)用研究

張志明，張國真

（1、佛山市南海區(qū)散裝水泥辦公室 廣東 佛山 528000；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著經(jīng)濟全球化和科技的快速發(fā)展，建設(shè)項目的規(guī)模越來越大，項目的內(nèi)容和細節(jié)越來越復(fù)雜，項目進度和質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的合同模式在勘察、設(shè)計、采購、施工、維護和管理之間日益呈現(xiàn)出脫節(jié)的關(guān)系，加之施工周期長、工作效率低和投資效益差。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，當(dāng)今建筑行業(yè)各階段所使用的交付策略也愈加多樣化，但最為關(guān)鍵的問題便是建立一個滿足每個業(yè)主和每個項目獨特需求的交付體系。

然而，隨著目前工程體量愈來愈大，項目建設(shè)普遍具有投資規(guī)模大、建設(shè)周期長、技術(shù)和專業(yè)技能復(fù)雜、管理復(fù)雜、協(xié)調(diào)困難等特點，并且對于政府單位可能面臨著十幾個甚至多達幾十個項目的工程管理工作。對于政府單位而言，為項目監(jiān)管工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)已有的相關(guān)研究調(diào)研，范志強等人［1］基于.net 框架構(gòu)建了鐵路施工管理平臺，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層共四層應(yīng)用結(jié)構(gòu)出發(fā)，實現(xiàn)對鐵路工程建設(shè)全過程的信息化管控；齊成龍［2］以Spring Cloud 為技術(shù)框架，開發(fā)了支持三維可視化的鐵路橋梁信息化施工管理平臺；翟文婷等人［3］從系統(tǒng)管理、施工管理、管片跟蹤、人員跟蹤、盾構(gòu)監(jiān)控5 個功能模塊出發(fā)，開發(fā)了基于BIM 的隧道施工管理平臺。然而，BIM 平臺的支持水平較低，僅限于BIM 模型的文檔、數(shù)據(jù)管理和可視化。在工程管理中，協(xié)作工作流、控制機制和評估機制同樣重要。

本文針對三維數(shù)字化建設(shè)管理需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)政府工程管理的現(xiàn)狀和重難點，建立了基于BIM 的協(xié)作平臺框架，并進行了詳細的功能設(shè)計。可滿足工程管理信息化技術(shù)路線的要求，有效提高了政府單位工程管理水平，促進基于BIM 技術(shù)的數(shù)字化管理在理論和實踐上的發(fā)展。

1 工程管理重難點

1.1 部門之間信息共享不充分

政府單位各部門各司其職，信息化系統(tǒng)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求開發(fā)建設(shè)，而與其他部門的信息資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同考慮不足，各部門信息資源多頭管理、重復(fù)采集、碎片化存儲等問題，既制約了企業(yè)的整體性治理水平，也妨礙了向公眾提供方便、快捷、一站式的辦事服務(wù)。

1.2 監(jiān)管項目多，工作量大

監(jiān)管事項點多、線長、面廣，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)事項繁多復(fù)雜，現(xiàn)有監(jiān)管體制、監(jiān)管行業(yè)基層治理能力與新形勢新要求有差距。

1.3 工程管理難以動態(tài)掌握

政府部門在對片區(qū)進行工程管理的過程中，涉及多個部門，關(guān)系錯綜復(fù)雜，且管理信息獲取滯后，工程問題處理被動滯后。由于信息難以及時動態(tài)掌握，各部門在面對高度復(fù)雜疑難病癥時，往往束手無策，難以及時處理問題［4］。

1.4 工程數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計、分析難

缺乏打通各部門壁壘的信息管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)資源重復(fù)采集，或采集的數(shù)據(jù)僅為當(dāng)前問題所用，難以確保數(shù)據(jù)使用的延續(xù)性和完整性，且缺乏數(shù)據(jù)的智能分類、統(tǒng)計及分析，造成人力、物力的浪費［5］。

1.5 施工圖審查存在問題

⑴流程繁瑣：施工方案審查的總體審查流程需要經(jīng)過提交、審查、響應(yīng)、批準(zhǔn)等多個程序，完成最終審查。

⑵效率低下：施工圖審查，專家只能在審查機構(gòu)辦公室審查圖紙，審查過程只能手動審查，每個專業(yè)審查相對獨立，項目單一審查時間框架長，審查效率低。

⑶審查不全面：施工圖審查方法主要針對二維施工圖文件，通過傳統(tǒng)的圖紙審查方式，很難發(fā)現(xiàn)專業(yè)之間的沖突問題，且勘察設(shè)計文件無法共享。

2 基于BIM的監(jiān)管平臺

2.1 需求分析

2.1.1 施工圖審查需求

構(gòu)建基于BIM 的施工圖三維數(shù)字化審查系統(tǒng)，減少人工審查，實現(xiàn)快速機審與人工審查協(xié)同配合。通過施工圖三維數(shù)字化智能審查系統(tǒng)的建設(shè)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)、消防、人防、節(jié)能、綠建五大專項中的規(guī)范強條進行審查，并提供三維瀏覽、自動審查、手工輔助審查、自動出具審查報告等功能。

2.1.2 施工監(jiān)管需求

通過平臺將施工現(xiàn)場的各應(yīng)用場景進行系統(tǒng)集成或關(guān)聯(lián)，集中展現(xiàn)整個項目的信息化數(shù)據(jù)，并結(jié)合BIM 技術(shù)輔助深化設(shè)計、優(yōu)化施工方案、模擬現(xiàn)場施工安裝、可視化交底、洞口預(yù)埋、工程成本動態(tài)控制等，一目了然地了解施工現(xiàn)場的工程進展情況。

2.1.3 竣工驗收需求

基于平臺結(jié)合BIM 模型輔助驗收，可以可視化三維驗收綁定圖紙，二三維實時查看，綁定驗收資料標(biāo)記重點驗收內(nèi)容，構(gòu)建竣工驗收體系，實現(xiàn)審查驗收一體化，最終指導(dǎo)現(xiàn)場工作。平臺支持竣工驗收階段項目BIM 數(shù)據(jù)共享、與施工圖模型比對分析、輔助現(xiàn)場驗收、電子檔案管理等功能。

2.1.4 BIM平臺建設(shè)需求

平臺主要包括六大層建設(shè)，平臺須支持大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的加載和集成，包含工程建設(shè)項目全生命周期數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、地形影像數(shù)據(jù)、BIM 模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

2.2 平臺框架（見圖1）

圖1 平臺框架Fig.1 Platform Framework

BIM 協(xié)同管理平臺基本功能主要包括6個層次：

⑴網(wǎng)絡(luò)通信層，主要提供網(wǎng)絡(luò)上云服務(wù)和政務(wù)云，為平臺提供安全可靠網(wǎng)絡(luò)保障；

⑵數(shù)據(jù)資源層，主要提供數(shù)據(jù)小型中臺，提供數(shù)據(jù)溯源，數(shù)據(jù)入庫等功能；

⑶應(yīng)用支撐層，BIM 數(shù)據(jù)管理平臺即模型輕量化、三維瀏覽展示、查詢統(tǒng)計和標(biāo)注、后臺管理、數(shù)據(jù)交換、二次開發(fā)接口等功能，數(shù)據(jù)管理平臺作為數(shù)據(jù)主要轉(zhuǎn)化和DAL 設(shè)計以及中間件給上層交互服務(wù)。GIS平臺根據(jù)工程所在區(qū)域地理位置全方面覆蓋和縱覽整體地貌，地形，結(jié)合BIM 本身模型提供定位服務(wù)以及總體預(yù)覽；

⑷協(xié)同流程管理層，主要針對信息化建設(shè)整體流程化管理，協(xié)同管理，元數(shù)據(jù)管理，體系維護，共享交換管理等；

⑸綜合應(yīng)用層，主要包括：BIM施工管理，BIM竣工驗收，BIM 運維管理，BIM 培訓(xùn)，質(zhì)量管理，進度管理，合同管理，成本管理，安全管理，合同管理，構(gòu)件信息追溯，預(yù)制場管理等模塊；

⑹決策支撐層，主要針對風(fēng)險預(yù)警管理，綜合審批，綜合咨詢，以及BIM＋綜合應(yīng)用。

3 平臺應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)應(yīng)用

3.1.1 模型輕量化

通過BIM 管理平臺輕量化組件，快速將BIM 模型一鍵輕量化上傳至BIM 管理平臺，同時形成離線模型包，在應(yīng)用平臺的過程中輕量化模型支持在線瀏覽和讀取離線模型包兩種模式［6］。

3.1.2 數(shù)據(jù)可視化

平臺駕駛艙主要進行大數(shù)據(jù)分析展示，如圖2 所示，可實時查看參與各方在現(xiàn)場工作產(chǎn)生的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)。項目個人數(shù)據(jù)看板主要用于集中式的查看單項目的最新工作情況，包括數(shù)據(jù)圖表分析、個人協(xié)作流程審批、最新資料查閱、項目進度照片等內(nèi)容，更直觀、高效［7］。

圖2 平臺數(shù)據(jù)可視化Fig.2 Platform Data Visualization

3.1.3 模型對比

項目在實施過程中會產(chǎn)生各種變更，同步更新變更后的BIM 模型，隨著項目推進產(chǎn)生多版本的BIM 模型。在平臺中將兩個版本的BIM 模型合并對比，兩個版本的構(gòu)件增刪改變化通過不同顏色高亮顯示，并自動將變更的實物量進行統(tǒng)計，大提高了變更成本計算的工作效率。

3.1.4 數(shù)據(jù)庫管理平臺

平臺提供資源目錄管理、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)更新、結(jié)構(gòu)化建模、模型單體化、模型特征提取、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等功能。數(shù)據(jù)的管理包括BIM 模型管理、空間數(shù)據(jù)管理、服務(wù)管理、數(shù)據(jù)授權(quán)等。支持大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的加載和集成，包含工程建設(shè)項目全生命周期數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、地形影像數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

3.1.5 3D GIS 平臺

綜合利用GIS 及BIM 技術(shù)，可實現(xiàn)在真實地形環(huán)境下研究、比選施工技術(shù)方案設(shè)計，改變傳統(tǒng)技術(shù)方案研究、設(shè)計方式，極大地提高工作效率和設(shè)計質(zhì)量。如圖3 所示，真實地形快速建模技術(shù)基于從網(wǎng)絡(luò)獲取的DEM 數(shù)據(jù)及衛(wèi)星影像構(gòu)建［8］。

圖3 BIM+GIS 數(shù)據(jù)整合Fig.3 BIM+GIS Data Integration

3.2 現(xiàn)場監(jiān)管

3.2.1 塔吊安全監(jiān)測［9］

如圖4 所示，曲線平面橫坐標(biāo)是起重機行駛距離分布，即吊鉤行駛的水平距離，縱坐標(biāo)是該距離時塔吊起重重量。計算該指示器是為了了解起重機是以更短的距離還是更長的距離移動物體。在第二種情況下，這可能意味著站點上的取放點或區(qū)域管理不善。

圖4 塔吊作業(yè)重量分布Fig.4 Handing Weight of Tower Crane Lifting

數(shù)據(jù)記錄器實時對塔吊整個工作日內(nèi)的運行數(shù)據(jù)進行記錄和分析，如圖5 所示。數(shù)據(jù)經(jīng)過了“方法”一節(jié)中詳述的前兩個步驟和刪除“風(fēng)向標(biāo)”數(shù)據(jù)。X（紅色）和Y（藍色）坐標(biāo)來自圓柱坐標(biāo)系（回轉(zhuǎn)角度和小車距離）到笛卡爾坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。Z（綠色）表示提升高度。最后，負載（黑色）顯示隨時間測量的負載。根據(jù)建筑工地經(jīng)理的說法，這里唯一有趣的原始格式數(shù)據(jù)是負荷。這樣就很容易知道和理解，起重機取下了一個物體，運輸了它，然后把它放下了。

圖5 塔吊數(shù)據(jù)分析Fig.5 Data Analysis of Tower Crane

3.2.2 場布監(jiān)控管理

如圖6所示，以BIM三維模型作為載體，查找施工現(xiàn)場監(jiān)控盲區(qū)和重點忽視區(qū)域，利用安裝監(jiān)控探頭、無人機等遠程監(jiān)控方式，做到施工現(xiàn)場無死角覆蓋和全方位監(jiān)控，同時將監(jiān)控與圖像識別算法結(jié)合［10］，實現(xiàn)包括人臉識別、安全帽佩戴檢測識別、車牌識別、工地違章現(xiàn)象監(jiān)控等功能。

圖6 施工場地監(jiān)控Fig.6 Construction Site Monitoring

3.3 協(xié)同管理

3.3.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)庫由以下三類構(gòu)成：模型數(shù)據(jù)庫、視圖數(shù)據(jù)庫、資料數(shù)據(jù)庫。

⑴模型數(shù)據(jù)庫，用于存儲工程項目基礎(chǔ)信息和BIM 信息，主要包括：項目名稱、項目地址、建筑總面積、項目開工竣工日期、建筑層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)形式、各專業(yè)模型構(gòu)件數(shù)據(jù)等。

⑵視圖數(shù)據(jù)庫，用于存儲審圖流程中各類與視圖和注釋顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)。內(nèi)容包括BIM 模型瀏覽視圖數(shù)據(jù)、PDF 二維圖紙瀏覽視圖數(shù)據(jù)、DWG 二維圖紙瀏覽視圖數(shù)據(jù)、各類資料文件（瀏覽視圖數(shù)據(jù)、視圖控制數(shù)據(jù)、視圖切換數(shù)據(jù)（前、后、左、右等多模型視角）、三維模型數(shù)據(jù)等。

⑶ 資料數(shù)據(jù)庫，用于存儲項目中的圖紙、圖檔和各種備案信息等。

3.3.2 數(shù)字化移交

⑴工程文檔數(shù)字化移交

受制于傳統(tǒng)方式下工程項目文檔管理方式和管理觀念，當(dāng)今文檔管理普遍存在的文檔質(zhì)量不高、文檔更新率低和工程進度同步性差等缺點［11］。

如圖7 所示，建立工程文檔文件系統(tǒng)。利用數(shù)字化三維技術(shù)，將工程建設(shè)中各階段設(shè)計資料、工程三維模型、各類工程圖紙檔案以及歷史資料以“電子化”形式進行管理和使用。同時基于數(shù)字化成果移交規(guī)范，對成果進行嚴(yán)格審查，確保數(shù)字化成果的利用率最大化。

圖7 文件系統(tǒng)示意圖Fig.7 Files System Diagram

⑵模型數(shù)據(jù)庫數(shù)字化移交

數(shù)字3D 模型為信息管理提供了開放、有效和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息，并提供了必要的技術(shù)手段，使這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠在工程建設(shè)的安裝和調(diào)試階段以及運行和維護階段得到有效使用和擴展，充分利用3D 模型獨特的空間概念和3D 實體建模，幫助施工經(jīng)理更直觀地組織和優(yōu)化安裝進度和流程。在運行和維護階段，它幫助生產(chǎn)經(jīng)理更直觀、方便地進行設(shè)備管理、運行條件、維護模擬和輔助教學(xué)［12］。

3.3.3 數(shù)字化審批報建

審批內(nèi)容數(shù)字化—以數(shù)字化促進審批制度改革，實現(xiàn)工程建設(shè)項目的審批業(yè)務(wù)流程的信息化、載體的電子化、內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化。

審查過程自動化—研發(fā)具備自動化、可配置、可擴展的三維數(shù)字化審批功能，打造三維數(shù)字化智能審批系統(tǒng)的“模式”。

審批監(jiān)管協(xié)同化-應(yīng)用BIM 技術(shù)對工程從設(shè)計、施工到竣工全過程進行監(jiān)督，對項目進度、資金、質(zhì)量、安全、環(huán)境、合規(guī)性等方面進行實時監(jiān)管與審計。

4 總結(jié)

本文基于BIM 的工程建設(shè)全過程監(jiān)管平臺的需求，深入探討了平臺整體框架設(shè)計和功能模塊，以及相應(yīng)的協(xié)同工作模式。

⑴提出了平臺架構(gòu)和功能模塊設(shè)計。在各個階段有效使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和BIM，利用模型輕量化、可視化和數(shù)據(jù)管理，充分發(fā)揮BIM 數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢，使項目參與者能夠加強信息共享，促進工程數(shù)據(jù)的全過程傳遞和應(yīng)用。

⑵平臺與工程現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至平臺，可以實現(xiàn)工程的遠程監(jiān)控和管理，提高了管理效率。

⑶平臺能夠有效將參建各方的工作進行協(xié)同化管理，從審批報建到數(shù)據(jù)移交等，通過數(shù)字化方式完整、準(zhǔn)確傳遞工程建設(shè)資料，提高了工程建設(shè)的全過程管控。