基于BIM的水电工程施工管理系统框架研究

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1 研究背景

水电工程通常是多座水工建筑物、多个工作面同步施工，在空间、时间、专业、工序上相互干扰，并存在资源上的约束。同时，各水工建筑物都是水电工程的功能组成部分，以工程按期发电为共同目标。因此，水电工程项目属于并行的、面向约束的项目群结构。项目群施工管理是指综合考虑集群个体项目在施工过程中的相互影响和联系，以协同的方式管理所有子项目，实现组织的战略目标和利益。在此过程中会产生大量不同维度的并行信息流，如何整合不同维度的数据，实现信息的实时共享和集成管理，是达成水电工程项目群施工管理目标的关键。

国内外学者对项目群信息管理模式、方法进行了大量研究[1-4]。李勇提出了基于建筑信息模型(BIM，Building Information Modeling)技术的目标式工程项目信息管理模式，横向打通了技术信息化和管理信息化之间的信息传递[5]。潘怡冰等构建了以BIM为核心的大型项目群管理信息集成模型，为项目产品、全寿命过程和管理组织3个维度信息的集成提供了思路[6]。在水电工程项目群信息管理领域，国内外研究较少。李庆云面向水电施工企业，建立了“一个平台、多个应用系统模式”的信息管理系统，辅助企业对集群式项目进行信息化、集约化管控[7]。王瑞等基于数据立方体技术，提出了水电工程建设项目群信息管理系统，加快了数据处理和共享效率[8]。

上述信息管理模式和系统的应用，使水电工程项目群施工信息管理水平得到了提升，但依然存在一些问题，主要表现在：①数据表达形式不够直观，目前的管理系统主要是采用二维数据和图表进行施工管理，无法将实际工程的质量、安全、进度、费用等信息与模型挂接，实现3D可视化表达。②管理数据与施工流程脱节，目前的信息管理系统主要局限于存储与查询，并没有按照业务管理流程建立相应规则，实现数据与施工流程的实时联动。

针对以上问题，本文提出了基于BIM技术的水电工程施工管理系统。通过水工建筑物3D建模，按施工管理单元划分模型，并在模型上关联施工管理信息，实现对所有子项目施工情况的直观查询。通过移动终端和Web端电子签档，驱动信息管理系统执行数据分析和管理功能，指导施工活动的协同，并更新反馈数据，完成施工过程数据的闭合和实时共享，实现水电工程项目群施工信息的3D化集成管理和展示。

2 BIM技术在工程中的应用

2.1 BIM技术简介

建筑信息模型作为在计算机辅助设计(CAD)技术基础上发展起来的一种多维度模型信息集成技术，广泛应用于工程建设的全生命周期，为其设计、施工、运行维护等提供高效的解决方案，在该领域已得到快速推广。项目参与方可通过BIM模型查询、修改项目信息，从而实现对项目的可视化管理[9-11]。尤其在施工阶段，BIM技术可应用于项目质量、进度、费用、安全等方面的管理，从而实现项目群碰撞检测、协同施工、工程计量等。

BIM模型是进行信息集成及工程管理的基础，目前主要使用Revit、Bentley、CATIA等软件进行参数化建模工作，模型信息除包含基本几何信息，还可以通过确定工程不同阶段模型精度，赋予模型相应的属性信息，从而保证模型信息的准确性、全面性和细致程度。工业基础类(IFC，Industry Foundation Classes)作为一种数据标准，支持各种建模软件的交互，项目施工管理业务数据在输入输出时，严格按照IFC标准规定的范式来进行数据描述，不同来源的数据就能实现在BIM平台的集成管理。

基于BIM技术的施工管理系统建设，不仅适用于项目施工过程，还可灵活地向设计阶段和运维阶段扩展，以满足用户在各个阶段的数据需求，从而实现工程全生命周期管理。施工方可根据自身所需要的信息，确定不同的BIM模型精细度，实现管理信息的准确集成、交换和共享。

2.2 基于BIM的信息集成管理

BIM技术进行施工管理的两大核心内容是BIM模型建立及信息关联技术。在原有设计阶段形成的BIM模型基础上，按照质量评定的要求，对模型进行“单项工程-单位工程-分部工程-分项工程-单元工程”划分，从而得到作为项目管理的最小单元——单元工程，形成服务于施工阶段的施工BIM模型，用于进度编排和质量评定。获取单元工程模型之后，赋予单元工程编码，与WBS作业挂钩后，同模型一起导入系统。

信息关联技术可将单元工程BIM模型与工程各阶段管理信息进行集成，将普通3D BIM模型转化为携带进度、质量、费用、安全等数据的信息模型[12]。项目参建各方都可根据BIM信息模型来获取所需要的相关信息，并通过BIM管理平台更新、插入、提取、共享项目的各项数据，从而实现工程项目的高效协同管理。施工方可通过BIM模型查看工程进度信息、模拟相关施工过程，检查相关施工流程是否安排合理，从而优化施工过程，减少工程变更成本。BIM信息数据集成化的特征，不仅可使参建各方更简洁地提取项目相关信息，且能缩短项目的完成时间，减少工程变更，实现基于单元工程的可视化、信息化和精细化管理。

3 基于BIM的施工管理系统构建

3.1 设计思路

BIM能帮助用户随时检索3D实体模型的任何相关信息。在水电工程施工过程中,以3D模型为基础，集成进度、质量、费用和安全等方面的管理信息形成BIM施工管理系统，实现水电工程施工管理可视化、业务建设平台化、管理数据信息化，以提高信息的传递效率，从而改善信息流失现象。

基于“数字化施工管理”的建设理念，为实现水电工程BIM施工管理系统的构建，该系统的总体设计思路如图1所示。

图1 系统总体设计思路

首先，建设3D模型和施工管理业务数据库，为工程建设过程中产生的数据提供存储空间；然后使用有效的建模软件建立水电工程施工BIM模型，并依据水电工程施工建设的标准化管理流程和施工管理的业务特点，按照一定规则将施工BIM模型进行拆分，储存在数据库中；同时根据相关规范、标准，抽象出进度、质量、费用、安全等施工管理信息数据模型，与施工BIM模型进行关联挂接，构建n维总体集成控制模型，综合运用信息技术和移动互联技术开发基于Web端的BIM施工管理系统，实现水电工程数字化施工管理。

3.2 系统框架

构建BIM施工管理系统的核心思想是将水电工程施工阶段产生的所有管理信息进行集成。系统在集成管理模式下，分3个层次对水电工程施工管理信息进行可视化集成与展示，如图2所示。

(1)单个子项目施工管理信息的集成，包括各子项目的合同信息、进度计划、施工工序等工程属性信息，建筑物3D模型、模型单元编码、模型关联等3D模型信息，以及施工过程中产生的进度、质量、费用、安全等动态信息。

(2)项目群施工管理信息的集成，包括各子项目的水工建筑物3D模型集、各子项目施工管理关键指标汇总等。

(3)施工信息在管理组织间的集成，施工参与各方可在系统中并行、协同工作，提高施工效率和质量，降低安全风险。

图2 基于BIM的水电工程施工信息集成管理模式

该系统基于BIM技术，集成水电工程施工管理信息，建立信息流通、共享机制。整个系统构成包括：数据层、逻辑层、应用层和操作层4个部分，总体框架设计如图3所示。

图3 基于BIM的水电工程施工管理系统总体框架

在数据层中，建设管理业务数据与3D模型数据进行关联，采用关系数据库、空间数据库与分布式文件存储等方式，实现建设管理过程中业务数据的集成存储，形成服务于BIM施工管理系统的数据资源中心，以支持多维数据的同时查询。逻辑层采用B/S(Browser/Server 浏览器-服务器)、M/S(Mobile/Server 移动端-服务器)模式对数据进行处理，以便多用户并行访问和施工现场数据采集。应用层以水电工程建设中的最小分解结构——单元工程作为核心驱动，主要集成进度管理、质量管理、成本管理、安全管理4大模块，实现整个水电工程项目群施工信息的精细化管理。操作层是由BIM工程师、施工管理人员、业主管理人员、监理人员等组成的终端用户群。用户通过系统的身份识别应用程序获取角色和权限范围，在赋予的权限范围内，按照业务管理流程定义的数据流通规则，对系统内数据进行写入、查询、审核等操作。

操作层的相关用户通过B/S、M/S模式，在系统应用层中完成管理单元的质量报验，再将该单元记为已完工项，纳入系统实际施工进度、质量和费用的统计分析范畴。对各子项目的施工信息进行汇总分析，在系统的数据层形成完整的项目群施工信息，最终实现施工参与各方的信息协同共享。

3.3 系统功能

基于实现水电工程数字化施工管理的目标，系统构建的主要功能为进度管理、质量管理、成本管理及安全管理。

(1)进度管理。提高进度信息的准确性、及时性和可获取性，从而对工程施工进行实时控制管理，保证工程竣工交付时间。根据“项目分解结构(WBS-Work Breakdown Structure)+施工BIM模型+时间轴”的进度控制模型，进度管理功能包括进度计划编排、实际进度反馈、实际进度查询和进度对比分析模块。系统进度计划编排模块支持多种格式进度文件的导入，也可直接在模块中编辑，通过赋予模型单元时间属性，实现计划进度的3D模拟建造，并统计工程量。在施工过程中将工程的实际进度实时反馈到系统中，实现实际进度的可视化查询。同时可以对实际进度与计划进度进行对比分析，并以横道图和模型两种方式表现，用不同颜色标注超前、完成、滞后任务，并分类统计任务数量。对比的时间区间、计划进度类别可由用户自行定义。

(2)质量管理。使工程质量控制参数化、形象化，为工程各参与方直观清晰地展现工程质量的状态。根据“质量分解结构(QBS, Quality Breakdown Structure)+施工BIM模型+时间轴”的质量控制模型，质量管理的主要功能包括质量报验、质量消缺和报验消缺查询模块。通过选择报验部位、所处工序，填写相应报验表单，启动质量评定流程，报验人、报验状态等流程信息实时更新，已完成质量评定的单元作为已完工项显示在模型中，与进度管理进行关联，并统计工程质量的优良率和合格率。对于质量评定不合格的单元工程，在模型上异色标示，并关联同步整改单、回复单等相关附件，做好质量消缺查询记录。

(3)成本管理。实现面向过程的工程投资统计，提高施工预算的精度。根据“费用分解结构(CBS，Cost Breakdown Structure)+施工BIM模型+时间轴”的成本控制模型，成本管理功能主要包括工程量统计和投资统计模块。系统按照单元工程划分原则自动组合模型构件工程量，通过筛选单元ID、分组、完成时间等属性信息，实现不同时间区间、不同结构层级、不同类型(是否变更)的工程量统计，生成工程量台账。在此基础上，结合综合单价，统计相应的计划合同支付、实际合同支付、变更费用等投资信息。

(4)安全管理。监测工程施工过程中的重要结构与区域，为施工方案的选取提供决策依据。根据“风险分解结构(RBS，Risk Breakdown Structure)+施工BIM模型+时间轴”的安全控制模型，安全管理功能主要包括视频监控、危险源排查和安全整改模块。实时监控重点施工部位，将排查到的危险源信息在模型上异色标示发生部位，并以图表形式汇总危险源内容、类型、排查时间等，同时对需要安全整改的项目进行整改内容、要求闭合时间、实际闭合时间等信息的跟踪，落实隐患排查和整改闭合工作。

4 案例分析

本文以某大型水电工程建设项目为研究对象。该项目包含大坝工程、引水发电工程、导流洞工程、高边坡工程等多个子项目。基于BIM的水电工程施工管理系统项目群管理中心包括综合部、合同部、工程部、安环部以及BIM中心，系统的构建加强了各子项目之间的协同管理能力，并将进度、质量、费用、安全等信息集成管理，可以快速查询项目信息、实时追踪施工情况，实现整个工程施工过程3D可视化表达和施工管理数据的实时联动，如图4所示。

图4 水电工程施工信息查询

该项目采用CATIA进行坝体建模，逐坝段按照浇筑层厚划分为单元工程，作为项目管理的最小单元，用于进度编排和质量评定。获取CATIA仓位单元工程模型之后，将其导入到Revit软件中形成“构件”，利用Revit构件的“注释”属性赋予单元工程编码，与WBS作业挂钩后，同模型一起导入系统。水电工程施工过程中产生的施工管理数据在系统内与模型挂接，建立实时动态联系。以进度管理为例，单元工程完成质量评定后在系统内被标记为已完工项，通过对已完工项的统计和模型展示可直观表现该水电工程总体进度完成情况。同时，在进度管理界面中导入该水电工程的施工进度计划，采用3D模型和横道图两种形式进行实际与计划施工进度对比，方便了解各项目施工进度滞后情况，指导施工资源优化，如图5所示。

图5 施工进度比对

5 结 语

针对水电工程项目群施工信息管理中存在的问题，利用BIM技术在工程信息3D表达、集成和协同共享上的优势，实现管理数据的及时处理、多维查询和实时共享。按照施工管理单元划分BIM模型，采用单元工程作为核心驱动，将水电工程施工过程中的进度、质量、安全等信息与对应单元BIM模型实时关联，实现数据与施工进度同步更新，通过操作模型，进行多维度、多层次的数据查询和展示。基于提出的水电工程项目群施工信息集成管理模式，开发了水电工程施工管理系统，并应用于某水电工程，提高了施工管理效率和质量，为水电工程项目群施工信息的规范、协同、集约化管理提供了平台和基础。

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