智慧建造体系框架构建及应用研究

刘家林，叶剑鸣

(安徽建筑大学 经济与管理学院，安徽 合肥 230601)

长期以来，我国建筑业存在着生产方式粗放，生产技术落后，生产效率低下，能耗高等问题，这与落后的传统建造模式有很大关系[1]。在传统建造模式中，一方面由于信息化水平低，设计、施工、运营等过程脱节导致信息孤岛，其后果是不仅项目参建各方之间缺乏有效的沟通与协作，而且造成了很大的资源浪费；另一方面，项目在建造过程中容易受很多不确定性因素影响，如项目安排、施工环境、管理水平等，极易在此过程中发生冲突，进而影响项目进度、质量、投资等一系列目标[2]。

在建筑业发展变革过程中，相关专家学者对建筑业信息化作了多方面的探索研究，提出“智慧建造”概念。李霞在“物联网+”的基础上，提出工程项目信息化的实现要有序运用“智慧建造”的思想[3]；曾凝霜分析了工程项目运用BIM的模式，以“智慧建造”为思想，以BIM为框架平台，推进工程项目的信息化[4]；朱贺系统整理了应用“智慧建造”思想的项目，总结出一系列的创新性实践经验[5]；王景研究了中建三局创建“智慧工地”的过程，对创建流程表达了自己的感想[6]。由此，学者已经对“智慧建造”进行了一定程度的探索研究，但基于BIM的智慧建造的内涵、体系框架的构建、应用等方面，均还需进一步的研究。

因此，传统的建筑模式已经不适应我国新的社会形势发展，需要积极探索新型现代化的建造模式。当前，信息网络技术取得跨越式发展，带来了建设过程领域项目管理水平的大幅提高，如越来越多的建设项目逐渐采用BIM技术，进行施工模拟、进度统筹以及现场管控等，同时还运用基于RFID的物联网技术，帮助相关参建单位进行施工场地的监管，包括安全文明施工、质量成本的控制等[7]。借助于大数据、云平台等新兴网络技术的推广应用，建设项目建造模式正在发生着潜移默化的变革，这一体现项目管理先进思想的模式必将成为终极的变革方向，智慧建造体系框架的构建越来越成为工程建设领域新型建造模式发展的必然。

1 智慧建造内涵

智慧建造是一种区别于传统的新型建造模式，它将改变传统的通过人为分配资源的方式，而采用信息软件等智能化的方式分配资源，使得资源利用率达到最大。智慧建造的信息化水平更高，统筹收集了各方的信息资源，并在统一平台实现信息共享。使得建造过程实现精细化、智能化管理，降低生产成本，提高生产效率。这种先进的建造模式更符合建设现代智慧城市、绿色城市、生态城市的先进理念。

目前，对智慧建造还没有统一的定义，本文对智慧建造的概念表述为：智慧建造是以现代先进的信息化技术为支撑，企业集约化经营和项目精益化管理为手段，通过建立各类标准化信息服务平台，实现工程项目所涉及的人与人、人与物、人与环境之间的实时互通和有效交流，使各参与方之间能够协同运作，进而实现优质、高效、低碳、安全的工程建造模式。

第一，智慧建造以先进信息技术为支撑，如BIM技术、物联网、数据服务(DM)、移动技术和云计算等。在工程建造过程中采用移动终端、RFID、GPS等技术手段来实时感知，采集建造过程中的有关工程质量、进度、环境、安全等信息，进而将这些信息数据输入构建好的BIM平台，再基于互联网及物联网等云平台，实现了实体与模型之间的信息互联互通，最终形成一个智能化、信息化的建造环境。

第二，智慧建造一是需要借助先进的技术来提高生产效率，二是需要采取科学的管理方法来提升管理效益。当前，建筑业企业面临的竞争日益加剧，必须加强自身的核心竞争力，通过优化一切资源、提高劳动者素质，走集约化经营道路。同时，企业还需要不断提升项目管理水平，逐步实现项目精益化管理，通过规范精细的管理手段，以提高管理效率、以降低成本，从而保证企业的利益的实现。

通过上述智慧建造的概念和内涵分析可知，智慧建造从范围上来讲，包含了建设项目建造的全生命周期，既有设计施工，也有运营管理等；从内容上来讲，通过互联网和物联网来传递数据，这些信息与数据往往蕴含着大量的知识，借助于云平台的大数据挖掘和处理能力，建设项目参建方可以实时清晰地了解项目运行的方方面面，对项目的组织协调、计划管理将会有更好地把控作用。最后，智慧建造的目标就是实现某一建筑物在建造的全过程、全生命周期信息共享、协同建造的过程，以提高效率、降低成本、减少能耗；从技术上来讲，智慧建造中“智慧”的根源在于以BIM、物联网和云计算等为基础和手段的信息技术的应用，智慧建造涉及的各个阶段、各个专业领域不再相互独立存在，信息技术将其串联成一个整体。

在支撑智慧建造的各种信息技术中，BIM(建筑信息模型)技术是核心。它是基于最先进的三维数字设计解决方案所构建的“可视化”的数字建筑模型，为项目参与各方提供“模拟和分析”的科学协作平台，是其他信息技术发挥作用的中枢。作为提高建筑项目生产率的新技术，BIM不仅对设计成果进行模拟和设置，有效减少设计变更，而且通过构建可视化的数字建筑模型，对施工进度、施工装配、物料跟踪等进行模拟，对各种资源与环境高效配置，使得整个项目在全寿命周期实现科学化、智慧化管理。这一技术改变了建筑行业从基于平面图纸的2D信息系统到基于立体模型的3D信息系统的模式，改变了建筑设计和建造过程的基本资料的记录形式。这就对项目的全过程管理、项目各阶段间的协调以及项目信息的综合集成等提出更高的要求，BIM技术已成为项目可持续设计施工全过程中协调管理的至关重要的思想技术。

2 智慧建造体系框架构建

2.1 智慧建造体系框架构建思路

要真正实现建筑业的智慧建造，一是建设项目需要更新硬件方面的资源配置，需要借助于人工智能、BIM技术、移动互联网、物联网、3D打印、大数据、VR/AR、云计算等前沿科技的信息化平台；二是软件方面要制定科学先进的管理制度与管理程序，如质量、进度、成本、安全、运营管理等。这两方面共同构成有机的整体，形成智慧建造体系，其中BIM技术是整个体系的核心。运用BIM技术，可以构建一个三维的可视化的数字模型，帮助参与建设的各环节人员乃至终端用户等进行直观的模拟分析、调整优化，实现项目设计、建造及运营管理的最优。

因此，智慧建造体系是以现代信息技术为基础，在建筑的全生命周期过程中提高信息化水平和精细化管理水平的建造体系，是对传统设计、招标、采购、施工和运维过程进行改造后的新型建造方式。它可以改变传统建筑业生产效率低下、资源浪费、能源消耗量大的落后状态。从而提高企业的利润率与竞争力，改变工程领域粗放管理模式的落后状况。

2.2 智慧建造体系框架的构建

根据智慧建造及智慧体系的概念内涵，并客观的考虑实际工程建设项目对智慧建造体系的需求，本文构建了基于BIM技术的智慧建造体系框架(见图1)。

根据这一体系框架，总体上包括四个层次，分别为感知层、传输层、平台层和应用层。

感知层作为智慧建造的基础，主要通过移动终端、GPS/GIS、RFID、遥感测量等设备，负责工程项目在建造过程中的海量信息数据的采集，采用这些设备能够获取到建筑工程项目施工过程中的质量控制、进度控制、安全管理、环境、人员、机械设备、材料等相关信息，帮助建设项目管理人员更加透彻、深入、全面地感知项目建设过程中的相关信息，而这些信息正是建设项目智慧化建造的基础。

图1 基于BIM技术的智慧建造体系框架

传输层是通过互联网、物联网等网络实现感知层提供的数据信息的传输与共享，这一层相当于智慧建造体系的“神经网络”，将一个个终端设备连接至信息数据平台，实现了物与物、人与物、人与人之间的信息传输、信息共享，实现更加全面的互联互通。

平台层包括了数据中心平台以及帮助那些以BIM技术为核心的设计、施工、监理至最终用户等各环节人员进行直观的模拟分析、调整优化。智慧建造的数据平台，拥有着信息输入存储以及数据分析处理的能力。该平台存放着建造过程中日积月累的各种信息，如人员、机械设备、材料、环境信息等信息。基于BIM技术的智慧建造平台的搭建，使得业主、设计单位、承包商、咨询服务机构以及材料供应商等相关人员，可以在共同的平台上共享信息、共同工作。

应用层为通过BIM技术、大数据、云平台等技术的配合和应用，可以帮助建设项目管理人员进行分析，得出比经验更为有效的决策判断，并通过各式各样的数据图表，直观表示出项目进度、质量及安全管控、物资需求、资金需求等信息，建设项目全生命周期内的各项信息一目了然，真正实现智慧决策、智慧指挥、智慧施工、智慧物料以及智慧管理。

在四个层次中，平台层是整个系统框架的核心，从上到下分别为设计管理系统、质量管理系统、进度管理系统、成本管理系统、安全管理系统、组织协调系统、采购管理系统和运营维护管理系统：

设计管理系统主要功能为设计图纸与设计文件的共享、设计规范与图集的共享、各个专业设计图纸包括建筑和结构管线的协同、设计变更的依据流转与签证机制、设计变更后的图纸对比、设计变更对成本和进度的影响程度。

质量管理系统主要功能为工程项目结构分解及组成部分的图纸质量要求、质量评价的标准、提供相关部位的现场施工影响资料、实验及检测等资料、分部分项单位工程的自动生成、工程的动态质量控制。

进度管理系统功能为动态的进度计划管理机制、施工进度文档管理机制、施工进度预警功能、工程项目决策优化以及施工计划的更改。

成本管理系统功能为提供各种投资项目数据、项目投资数据共享及权限查询设置、项目投资变化趋势预测、项目投资预警功能、项目月度季度年度报表审核机制，该系统可动态反印项目投资情况。

安全管理系统功能为工程项目安全施工内容、安全施工的施工方法施工方案、专项安全方案的联动审批、定期安全检查情况、安全报警机制。

组织协调管理系统功能为施工进度管理情况、施工成本管理情况、施工合同管理情况、各方内部管理情况、工期成本变化的责任认定、各方协调工作的实施情况。

采购管理系统功能为设计图纸和招标文件对材料及设备的要求、所用材料设备的来源及分流途径、同种材料设备的资料和实验数据共享、材料设备在工程种的使用部位、工程各专业竣工图，并将管线布置在建筑图中、安装设备品种厂家技术规格、安装设备的操作保养要求、设备实验及试运行的运行记录、可扩充项目运行资料。

运营维护管理系统功能为通过多种技术手段的应用，对建筑物进行建模，形成数字化建筑，可视化的管线管理，设备资产管理，设备运行控制管理，建筑能耗管理等。

通过以上构建的智慧建造体系框架，建设项目建造过程中各式各样的信息集成在一起，信息的互联互通和实时感知成为可能。项目的信息集成平台可供各个参建方共享，促进了相互之间的有效协同合作，也有助于建设项目全生命周期的综合协调与控制，项目的建造达到了一种智慧化的方式。这一智慧建造体系将建设项目生命周期各个阶段的数据和资源整合在一起，清晰完整地展示出项目的方方面面，该体系对建设项目建造过程将带来很多实质性的应用作用。

3 应用案例

A项目总建筑面积239526平方米，包括地上的127750平方米和地下的111776平方米。该项目的地上部分以及地下一层中的一部分全部为商业空间，包括零售、影院、餐饮、儿童、文化等多业态，是一个拥有“一站式”服务的大型购物中心。

作为一个大型的商业项目，该项目主要特点一是功能复杂，质量要求高，工期要求紧；二是投资规模大，投资控制任务重；三是专业系统多，设备多，协调难度大。针对这些特点，项目投资方决定采用智慧建造模式，运用以BIM技术为核心的信息技术支撑，以抓好设计质量，加强各参建单位之间的协调，进而提升施工质量和效率。从长远角度看，希望借此机会，探索基于现代信息技术的智慧建造体系的应用，制定出一系列相关的标准，以带动并推进后续各个项目的应用。

首先，在设计阶段，根据项目的特点和关键点进行BIM建模，这是重要的基础工作，必须确保模型的准确完善。由于该项目构造复杂多样、功能布局交织层叠，采用了欧特克Revit的系列软件，帮助进行整个项目关键部分的BIM技术深化。一方面，通过与设计单位进行沟通交流，在对各专业模型进行碰撞检测时，BIM软件总共发现斜撑与栏杆冲突，钢斜撑与门洞冲突等有效碰撞点10000多个，过滤掉设计规范允许内的碰撞点后，碰撞冲突还剩2000多个，随后将这些冲突导出成报告，并交至设计院进行图纸协调修改。另一方面，项目邀请各个专业承包商团队参与进行管线综合，经过一系列协调，最终的BIM模型基本满足了各专业团队的合理，随后将协调结果在施工图纸上加以反映，并及时反馈给施工图设计方。经过多轮协调交流之后，最终完成施工图深化设计，管线综合调整后均满足要求。

在施工阶段，主体结构质量与安全是控制的关键点和难点。因此，经过多方调研，决定采用BIM+物联网集成应用技术，借助RFID技术实现分散信息的及时收集与传递，对材料信息、施工信息、进度信息、工艺信息及检查与维护信息进行一体化管理。对于项目的质量缺陷、安全隐患等信息，自动到输入BIM 模型，可视化反映质量隐患及病害的时空变化特性及演变规律，进而采取措施进行纠偏，保证施工顺利进行。同时，可以实时展现项目的计划进度与实际进度，可视化监控项目计划进度与实际进度模型，一旦出现进度提前或者延误，可以及时预警。

在施工安全方面，项目对施工场地实行封闭式管理，场地进出口设置闸机等设备，实行刷卡进出现场，可以有效排除不相关人员，确保了工地现场的安全。通过物联网技术，对重点设备，如塔吊等，进行全时段监控，主要包括风速报警、防倾斜、禁行区域设置保护、多塔吊防碰撞、制动控制、塔吊黑匣子等多种功能。管理人员可随时随地登录数据云平台了解设备情况，做到设备设施的风险预控。

在成本控制方面，基于BIM的智慧建造体系则是一个包含了项目各类信息的数据库。借助于这个数据库，不仅大大简化了操作步骤以及由此带来的潜在错误，而且造价人员可以接触到精确全面的工程量信息，用于成本测算和经济指标分析，从而更好地实现成本控制。在传统工程量计算中，建筑构配件信息数据往往需要不断地重复输入。本项目利于BIM平台，可以快速、准确地获得相关工程量信息数据，及时为采购、领料提供依据，规范物资管理，避免材料浪费，实现项目成本的管控。

通过采用智慧建造模式，该项目各项预定指标超额完成，工程质量验收评定等级为优良，无安全事故发生。施工效率得到极大提升，由于减少了工程变更及返工，与原来传统施工模式相比，工期缩短了约15%，成本降低了约10%。同时各参建单位及人员得到了锻炼，为今后项目实施积累了宝贵经验。

4 结论

基于现代信息技术的智慧建造体系框架的构建及应用是现代先进的信息化技术综合应用过程，目标就是实现一个建筑物在建造过程中以及建成以后形成智慧的、互联的、协同的一个建造过程。这极大地促进建筑企业科技创新能力，有效解决面对效率低下、实现可持续发展的重大问题，加快整个建筑行业的转型升级步伐。对于提高工程质量、加快工程进度、减少碳排放、降低成本、提高经济效益都具有重大理论和应用价值。但由于建筑业产业结构分散及工程信息的复杂性等原因，对于智慧建造还没有统一的标准；另外由于工程项目各参与方利益冲突，资源还不能完全共享，很难达到各方的协调一致。因此，有关领域的问题还有待进一步研究，智慧建造时代的到来还需要一个过程。