基于BIM的机电安装工程质量管理

熊超华， 骆汉宾

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

目前我国大型复杂工程建设规模不断增加，随之需要面临越来越庞大和复杂的机电管线系统建设压力。与此同时，施工质量问题导致人身、财产受到威胁的情况屡见不鲜[1,2]，因此针对复杂机电管线系统，其施工质量的控制与管理已经成为项目能否成功完成的关键部分。由于建设工程项目自身所特有的一些属性，往往工程项目施工周期长，而施工过程中的约束条件和不确定因素也较多[3]。机电安装工程作为土木工程建设过程中的重要组成部分，这些特性也同样存在。正是由于机电安装工程存在的这些特征，使得机电工程在安装过程中往往出现所需遵守的规范繁杂，并且不易查询[4]；对机电安装工程往往重视结果而不重视过程；出现质量问题，权责界定不清晰等现象[5]。这些问题的存在使得机电工程质量管理难度大，从而导致质量事故以及用户不满意的情况频繁发生。

根据上述机电工程质量事故成因分析，不少学者开始探索引入新技术、新工具来提升质量管理流程，进而减少质量事故的发生[6～8]。然而，这些研究并没有充分利用到设计和施工过程中的信息，陈丽娟[9]提出了基于BIM(Building Information Modeling)的POP(Product、 Organization、 Process)施工质量管理模型，通过POP数据结构的建立，将施工任务的施工产品(Product)、责任人(Organization)、施工产品过程(Process)界定清晰，从而最大限度确保施工质量的可控。然而，由于BIM模型操作依赖于高性能计算机，因此大部分数据的产生和获取被限制在室内条件下，计算机条件下的BIM在施工现场可操作性差，极大地阻碍了BIM在施工现场的应用[9]。因此亟需一个便携设备用于现场信息采集、传递和后台数据推送媒介。随着智能手机的普及和发展，目前智能手机大部分配备有触摸屏、摄像头、GPS等各类传感器装置，通过这些装置，可实现快速的信息收集并随时进行可视化展示。文中将手持设备和BIM模型相结合，以手持设备作为前台数据采集端口，而BIM则作为后台施工信息管理端口，并实现前台数据采集和后台数据管理的信息交互，实现对机电工程施工质量的全过程管控。

通过分析现有机电安装工程质量管控流程，发现其中存在的缺陷，而为了弥补其中的缺陷必须要引入信息技术实现对施工质量信息的动态采集。因此本文在既有BIM施工质量管理模型的基础上引入了手持设备，创建了质量管理方法新模式，改变了质量管理的业务流和数据流，充分发挥了手持设备携带方便，操作简单的特点。与此同时，也能弥补基于BIM的施工质量管理模式对数据采集不及时和不准确的缺点。最后，该系统在某国博分布式能源站项目中进行了实际应用。

1 机电安装工程质量管控模式优化

1.1 机电安装工程质量管控现状

机电工程相较于土建工程存在一些区别和差异：(1)机电安装涉及专业种类众多，且各专业知识基础差异很大；(2)机电工程的施工首先要配合土建工程进行预留、预埋施工，而后要配合装饰施工，工程协调困难；(3)机电安装的所需质量检测方式多，对质量控制精度要求较高。通过分析机电工程质量管控的特点，可以发现其质量管控难度较大。

目前，机电工程质量管控普遍由施工方和监理方工程师负责，工作方法粗糙[10]。由于缺乏信息化技术的介入，传统的监理模式对监理工程师本身的主观判断过分依赖。而另一方面，由于机电工程的特点使得其对质量控制要求比较高。因此，这样的形势直接导致了机电工程安装质量往往达不到设计要求，而机电工程施工质量控制各阶段信息也处于碎片状态，使得机电工程施工质量处于失控状态。

图1 机电工程检验批质量管理流程

检验批是工程验收的最小单位，也是分项、分部及单位工程验收的根据。因此，在机电工程施工过程质量控制中，往往通过对各检验批的有效控制，从而达到全面控制施工质量的目标。施工现场检验批质量验收流程如图1所示。可见，在检验批质量验收过程中监理单位占据了很重要的地位。然而，由于缺乏信息化技术的介入，传统的监理模式对监理工程师本身的主观判断过分依赖。因此在质量管理过程中要求监理工程师专业水平高、综合素养好、责任心强，才能够对施工现场实施有效管控和监督，反之，则很容易在质量监管过程中出现管理漏洞。因此，对于重大工程、复杂工程、高风险工程，传统的监理模式就显得捉襟见肘。

1.2 基于手持设备的机电安装工程质量管理

如上文所述，为了更好更全面的描述工程质量参与主体、产品质量要求及施工过程等三个因素，陈丽娟[9]引入了三维POP质量数据结构，如图2所示。POP模型将3D建筑产品模型与过程和组织三个因素结合起来，为可视化设计、施工建立了信息更加联动的质量模型。相对于传统方法来说，这种建模方法能更好的支持机电安装工程质量控制与管理。

图2 POP质量数据结构

而利用BIM则能够将POP质量控制信息集成到实体对象中，真正实现了虚拟世界和真实世界1∶1对应的关系，如图3所示。因此，最终构建了基于BIM的POP施工质量管理模型，从而最大限度确保施工质量的可控。对项目各参与方，依托BIM质量管理模型，可以准确的记录质量信息，结合相应的文字信息、图片、视频等信息，有效提升现场施工质量记录准确度。在BIM的辅助下，在三维模型中准确直观地指出质量管理的对象，大大提升了信息传递互动的准确性和效率，并且能够全面有效地获取相关质量信息，清楚地掌握到工程整体情况。

图3 基于BIM的机电工程质量控制信息集成

而在建筑工程施工阶段，由于施工现场的环境比较复杂、影响因素多，而且施工环境是动态变化的，手持设备这样便携式移动终端越来越多地被应用于施工现场管理中。而针对BIM条件下质量管理过程中存在质量信息收集不及时和不准确的问题，在现有BIM质量管理模式的基础上，结合手持设备的应用则能够很好地予以弥补。如图4所示，基于手持设备和BIM提出了施工现场质量管理的新模式。其中手持设备的应用可以实现施工现场质量信息的现场取证，提升质量信息采集的准确性和效率，极大程度地避免了现场工程师质量管理的随意性和自由裁量权。在质量管理新模式的基础上，开发了基于手持设备和BIM施工现场质量管理系统。

图4 机电工程质量管理新模式

2 机电安装工程质量管理系统

2.1 系统结构模型

施工现场质量管理系统结构模型如图5所示，由移动端、服务器端和以及BIM数据库3部分构成。用户利用移动端设备在施工现场电子取证，采集施工质量信息，服务器端作为移动端与BIM数据库的数据接口传递质量取证信息，数据库为BIM模型数据库。用户在下图所示结构模型中能够利用移动设备对施工现场施工质量信息进行电子取证，并且可以通过服务器端与后台BIM模型进行数据传递和更新，据此可以对整个工程质量验收相关信息进行电子化管理，提高施工质量验收及质量验收数据管理的效率。

图5 施工现场质量管理系统结构模型

2.2 系统功能模型

施工现场质量管理系统功能根据应用场景的不同主要分为前台现场取证与后台数据管理。前台数据采集是指用户利用手持设备在质量验收过程中对现场质量相关信息进行采集的过程，而后台数据管理主要是指用户利用后台BIM模型对质量验收信息进行高效管理的过程，如图6所示为系统功能模型。

图6 施工现场质量管理系统功能模型

2.2.1前台现场取证

借助现场工程师熟悉施工现场各个环节的优势，通过施工现场取证的工作手段，把施工过程中重要的隐蔽工程和工艺过程进行“证据保全”，利用现代信息网络平台，通过移动终端，第一时间上传“取证结果”，将施工工艺、过程图片等信息知会相关方，实现工程建设相关部门、人员对工程项目管理的联防联控，确保设计标准、工程质量和施工安全。以管道标高检测为例，在取证过程中通过手持设备可以记录取证过程，并记录取证时间和取证人员，确保施工现场获取质量信息的真实准确，如图7所示为利用手持设备现场取证示例。

图7 现场取证示例

2.2.2后台数据管理

对于质量取证信息的管理，由于涉及到大量的图片以及文本信息，必须借助于后台主机进行管理。依据质量控制点信息结构化列表，能够实现前台质量取证信息与后台BIM模型构件之间的关联。因此，工程师通过手持设备获取的质量取证文本和图片信息能够在上传至后台服务器时自动与相应BIM模型构件绑定，最终能够有效实现项目质量验收取证信息的数字化管理。

质量控制点是为保证工序质量而确定的重点控制对象、关键部位或薄弱环节，是进行质量管理的基本前提工作。为了实现前台质量取证信息与后台BIM模型构件之间的关联必须要对质量控制点进行结构化处理，如表1所示为机务工程管道质量控制点结构化列表示例。

表1 机务工程质量控制点结构化列表示例

3 系统应用实例

武汉国博分布式能源站项目为燃气三联供系统的能源站(含燃机间、锅炉间、制冷机房、水泵房、冷却塔等)，场地面积约7100 m2，位于停车场地下负一层。整个项目由于涉及管线部分构成十分复杂，项目位于地下室，空间场地非常有限。因此根据武汉国博分布式能源站项目实际情况，施工现场质量管理系统主要侧重于施工现场电子取证，质量验收数据管理。下面以项目实例详细介绍施工现场质量管理系统在该项目中的应用情况。

3.1 施工现场电子取证

手持端系统设计如图8所示，该系统界面包括用户登录、项目选择、取证指南、信息录入、取证列表以及取证信息。用户在登录手机端系统之后，选择需要取证的项目并且根据取证指南进行现场信息的采集，在录取取证信息之后可以查询已完成取证项目，并且可以查询每一个取证项目的具体信息。

现场工程师通过手持设备可以有效采集施工现场的信息或是对现场工程质量验收等，并将信息进行上报。同时，手持设备也可以作为一个信息获取工具，后台相关资料也可以上传到施工现场人员的手持设备中。从而实现了施工现场场内和场外信息的有效沟通。通过手持设备对施工现场的电子取证能够实现对质量控制点的一键验收，提供及时的工程信息反馈。

图8 手持设备系统界面

3.2 质量验收数据管理

对于分布式能源站质量取证数据的管理，由于涉及到大量的图片和文本信息，必须借助于后台主机进行管理。依据质量控制点信息结构化列表，能够实现前台手持采集数据与后台BIM模型构件之间的关联。因此，工程师通过手持系统获取的质量取证文本和图片信息能够在上传至后台服务器时自动与相应BIM模型构件绑定，最终有效实现项目质量验收取证信息的数字化管理。

图9 质量取证信息后台管理平台

如图9所示为后台质量取证信息BIM管理平台。图9a所示为分布式能源站BIM模型，并且依据结构化之后的质量控制点对其进行了切分。因此用户在选中质量控制点关联的BIM构件之后(如图9b所示)，后台用户可以实时获取该构件质量验收数据，包括现场验收图片、验收人员、验收时间以及验收结果等(如图9c所示)。通过BIM模型对质量验收数据的管理，能够帮助用户快速掌握工程项目质量管理状况。

4 结 语

通过对机电安装工程质量管理模式的充分调研，并针对施工现场质量管理的特点、管理人员的需求，应用移动计算技术和BIM技术，建立了基于手持设备和BIM的施工现场质量管理新模式。此外，在此基础上开发了基于手持设备和BIM的施工现场质量管理应用系统，并在武汉国博分布式能源站项目中进行了应用，提高了项目管线施工现场质量管理水平，实现了对工程项目管线施工现场质量信息的实时获取和高效管理。