以BIM为本体的建筑工业互联网顶层设计理念研究

唐怀坤，史一飞

(1.中通服咨询设计研究院有限公司; 2.北京世纪晟辉咨询服务有限公司)

1 引言

当前，工业互联网发展已在各个行业业纵向渗透，作为建筑行业来说也不例外，2018年，工信部与财政部联合组织实施了工业互联网平台创新发展工程，依托工业转型升级资金，在平台方向支持建设43个工业互联网平台创新发展项目，涉及多个产业。2018年全年国内生产总值900309亿元，比上年增长6.60%。全年全社会建筑业实现增加值61808亿元，比上年增长4.50%，与建筑相关产业产品和服务总值占比达1/4以上。随着数字经济、建筑工业化、装配置建筑、BIM（建筑信息模型）技术的推进，建筑工业互联网发展适当其时。

当前以BIM为本体的建筑互联网的学术领域的讨论还比较少，相关技术研究如杜明芳提出的智慧建筑2.0和建筑工业互联网的理念和思路[1]；魏子繁提出的互联网时代建筑产业信息化的阻力与发展[2]；王涛、杜晓辉等人提出的德国“工业4.0”对我国绿色建筑工业化和信息化的启示[3]；孙璟璐提出了强强联合探索前沿创新技术推动建筑产业信息化发展的观点[4]。总体来说，行业内主要探索的领域在建筑工业化、建筑信息化方向，对于建筑工业互联网应该围绕哪些本体、有哪些顶层设计的思路，目前还没有论述。论文正是在这个方向的尝试探讨。

2 我国工业互联网发展现状与问题

1）大型平台重复建设问题

工业互联网理念带来了市场的一哄而上，每家大型企业都想做工业互联网平台的拥有者，中国已有接近300个工业互联网平台，这些平台从一开始定位就过高，都想基于生态圈的形式来做，但是不具备大数据存储、计算、智能分析能力，平台形同虚设，真正有市场前景的平台不超过50家，结果带来了大量的资源浪费，根本原因是没有以最终客户真正需求为出发点，而是为了做平台而投入开发搭建平台。实际上当工业互联网各参与企业已经有了一定的数字化基础，包括供应链系统、分销系统、工控系统、ERP系统等，企业之间要做的是分享和互联、共建生态，而不是垄断。

2）产业链发展不成熟

一个成熟产业的标志是产业链的各个环节的供应商都相对比较成熟，在工业互联网平台供应商方面，领先的制造企业占比46%；工业软件服务商占比27%；工业设备提供商占比19%；信息通信企业占比8%，这些企业的业务模型、技术能力、商业模式、生态组织等还在探索中。

3）标准协议缺乏统一

当前我国制造业领域主流的协议应用方面，存在40多种工业现场总线协议和工业以太网协议。

3 建筑工业化的新内涵

建筑、交通是大部分发达国家工业化进程中主要推动力量，发展中国家的工业化也不例外，对于我国来说，2007年到2017年间我国GDP的高速发展，建筑业及相关产业的年均贡献率达到了30%以上，房地产经济、土地经济成为支撑地方财政的主要来源。但是我国建筑工业化水平不高，工业化建筑的结构类型主要为剪力墙结构和框架结构。施工工艺的类型主要为预制装配式、工具模板式以及现浇与预制相结合式等。当前国内发展阶段是对建筑施工现场、施工材料实现了机械化、工厂供应，但是从建筑工业化的角度，概念、构成要素是从“设计-生产-施工-运维”等各个环节都要全流程的工业化，而且随着现代工业经济往数字经济、智能经济延伸，呈现工业化+数字化+智能化（此文中的智能，不是传统意义上的“弱电智能化”中的智能，是人工智能的简称，下同）的融合特点。分别呈现装配式建筑、数字建筑、智能建筑特点。

1）传统工业化建筑

传统意义上的工业化建筑主要是指装配式建筑，当前，美国、德国、日本、法国等发达国家在装配式建筑方面的比例已经达到了80%以上，我国的政策是力争到2025年,使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%，相对来说发展还是很缓慢的，当前阻碍我国装配建筑发展的主要因素是传统作业模式的路径依赖、产业链发展不成熟、财税体制（预制构件增值税）不合理等三大因素。

2）数字建筑

数字建筑是传统工业化建筑的数字化提升，本文所称数字建筑就是在“设计-生产-施工-运维”全生命周期中均已经实现了数字化，比如设计阶段要根据统一接口协议的在施工阶段，设计院可以将图纸以数据形式输入工厂工业互联网接口，工厂可以根据图纸直接生产建筑所需的预制化构件、配件；在施工阶段，实施装配式建筑的企业最好熟悉EPC模式，并有一定的BIM技术，可以根据设计数据实现数字化建设，更好的缩小误差，每个施工环节能更好的衔接，成本管理、进度管理、质量管理结果可以在线随时可查询和校核。

3）智能建筑

在“设计-生产-施工-运维”等各个环节是以人工智能技术实现，在设计阶段，根据大数据结果组织机器学习，根据输入的建筑规划数据、限定的高度、体形系数、节能水平、楼层承重水平、当地地理位置环境、建筑用途等在线“立等可取”地设计出建筑3D图纸，图纸数据通过直接与工厂进行互联，预制化工厂采用工业机器人直接进行生产预制件、配件，每个构配件采用唯一的物联网地址，通过无人驾驶物流车辆运送到施工现场，然后由现场施工机器人进行施工、组装。维护阶段根据每个预制构件的状态、整个建筑物的状态都可以在系统查询，建筑物维护机器人会根据可能存在的隐患、故障进行提前修复。

4 建筑工业互联网的顶层设计与长期演进

数字建筑发展要经历三大阶段：建筑数字化阶段、建筑工业互（物）联网阶段、建筑信息化阶段，这个发展过程可以用2维到6维描述，即从2维的平面电子化图纸，向基于空间、时间、数据6个维度演进的全产业链、建筑全生命周期演进，建筑工业互联网顶层设计是数字建筑的最终模型，必然要经历临数字化、互联网与物联网、大数据与信息化三大阶段，因此是一个长期演进的过程。

建筑工业互联网的顶层设计要基于一个中心、六大维度、全产业链：

1）一个中心

即以围绕BIM为本体中心，围绕建筑信息模型为中心，统一信息标识规范、接口标准、套件和名称。无论何时何地都能够以一种BIM定义来做信息交互。

2）六大维度

即围绕BIM本体，构建三维空间、时间、数据、人的完整体系，三维空间能够对接虚拟化设计、图像化展示、三维游走、实体化实施。时间维度就是支持建筑的全生命周期的全过程应用，从可研、规划、设计、报批、施工、室内外装饰、建筑维修保养、建筑拆除资源回收等。数据层面，支持围绕建筑开展的所有活动的数据记录、所有日志痕迹、可以跳转到任一时间节点的数据，且数据标准规范可以对接外部数据库，能够对接工业制造、现场施工安装等。人，包括企业法人和自然人， 根据人对建筑产权的权限设定系统对人的服务范围、服务等级、访问权限等级、数据操作等级、并支持人机交互式的活动，包括设计参数修改、定制化、虚拟现实可视化VR、全息投影等。

3）全产业链维度

建筑工业互联网参与者包括投资者、使用者、维护者、咨询方、设计方、施工方、生产商、监理商等。当前的建筑活动基本上在不同参与方之间的数据是分割的，无法共享，大部分生产活动是通过纸质化进行交互，效率低、重复劳动量大，不利于产业的可持续发展。未来，以BIM为本体的建筑工业互联网将着力解决这个问题，可以大大节省整个工程的投资成本、缩短建设工期、提高建筑可用度和质量。

5 建筑工业互联网的本体：BIM

对人工智能做出突出贡献的著名计算机科学家John McCarthy在1950年代就提出了计算最终会成为公共基础设施，国际领先平台开始将云端模型导入边缘设备进行实时分析，并通过双向迭代优化实现边缘—云端协同。任何一个模型都要有一个核心的本体，以智慧城市为例，常见的本体是按照云计算模式的三层结构，通过底层传感器、中层数据处理、上层应用三层，分别对应IaaS、PaaS、SaaS。智慧城市信息模型将物理的城市，通过物联网、云计算、大数据技术将城市映射到数字世界，实现智慧城市，并为未来智能城市打下基础。

BIM（Building Information Modeling）是单体建筑模型，也是城市物理环境下的细胞，可以用于建筑全生命周期，将BIM与GIS系统（Geographic Information System）相结合，将形成CIM 系统（City Information Modeling）。因此BIM首先是CIM的基础，而CIM基本上覆盖了城市的所有室内外环境，彻底将城市建筑环境数字化。

基于BIM的本体可以满足政府、业主、装配式建筑厂家、建筑施工方、建筑监理方、建筑围护、建筑设计、最终用户的不同的工程管理和应用需求，从建筑规划、设计、生产、施工、运维全生生命周期围绕一个核心模型开展，使产业链各方可以围绕一个模型、一个平台、一套数据基础上在时间维度上进行变化，每个建筑房间都有唯一的数据集，使建筑结构、土建、暖通、给排水、景观、电气、智能化等方面都能在系统中唯一呈现，真正使建筑成为一个统一的整体系统。

5.1 建筑规划阶段

BIM+GIS融合技术，搭建多规合一系统平台，该平台遵循“一个模型、一组数据、一个平台、多个窗口”核心理念。统一信息标准，基于多规衔接的技术标准和工作机制，消除空间矛盾。通过对多规模型信息要素叠加，集成多种地理信息数据资源，建立统一的规划协同信息平台，实现多规信息的融合汇聚、多方共享和在线审批。

5.2 建筑设计阶段

当前BIM技术主要应用于建筑设计企业，方案设计、初步设计、施工图设计，施工深化设计工程项目BIM实施的全过程以BIM模型为核心，在项目工作范围内各单项工程各阶段的设计行为均按照“3D建模-模型应用-2D出图”的正向流程实施。

1）方案设计阶段

本阶段是为后续建筑设计提供依据及指导性文件；根据设计目标和设计环境的关系，提出空间建构设想、创意表达形式及结构方式等初步解决方案和方法。主要应用点是场地分析、虚拟仿真漫游（可视化展示）、建筑性能分析、专业协调、技术经济指标。

2）初步设计

本阶段主要目的是通过深化方案设计，论证工程项目的技术可行性和经济合理性。本阶段主要工作内容包括：制订设计原则、设计标准、设计方案、重大技术手段方法、基础形式等；详细考虑建/结/水/暖/机/电/弱/等各专业设计方案，协调相互间技术矛盾，合理确定技术经济指标，建筑性能分析、机电分析、结构分析、建筑性能分析、虚拟仿真漫游（可视化展示）、专业协调、成本估算、工程量统计、虚拟仿真漫游。

3）施工图设计

本阶段主要目的是为施工安装、工程预算、设备及构件的安放制作等提供完整的模型和图纸依据；本阶段主要工作内容包括：根据批准的设计方案编制可供施工和安装的设计文件，解决施工中技术措施、工艺技法、材料使用等问题。专业协调、三维管线综合、净空优化、工程量统计、虚拟仿真漫游（可视化展示）、专业协调。

5.3 建筑施工阶段

1）施工深化设计

本阶段主要目的是完成合同规定的全部工程量任务，以达到验收交付要求；本阶段主要工作内容包括：按照施工方案完成项目建造至竣工，同时，统筹调度施工现场的人、机、料等资源。三维管线综合、净空优化、虚拟仿真漫游（可视化展示）、可视化交底、施工深化设计、工程量统计、施工方案模拟、施工进度管理、设备材料管理、质量安全管理、竣工交付。

2）建筑施工管理

将BIM本体与建筑施工项目管理平台对接，可以实现项目成本的精确分析，包括项目、单项、分部分项、工序、工区、时间节点，并能动态优化项目进步管理的关键路径，实现成本、进度的可预期管理，对于质量管理的难点——隐蔽工程来说，BIM本体平台可以将隐蔽工程信息同步录入系统，实现信息留存，监理情况、验收情况一目了然。

5.4 运维阶段

建筑工程完工后作为一个大型“产品”交付给业主。在运维阶段的建筑主要是为了满足建筑正常运行，包括内部装修时可以对剪力墙、承重梁柱进行重点保护和监管，业主的装修图纸中的非承重墙体柱的打穿应通过BIM本体平台进行监管认可后方可开工，对接政府安全生产监管范畴。基于BIM技术的运维可以管理复杂的地下管网，如污水管、排水管、网线、电线及相关管井，并可在图上直接获得相对位置关系。当改建或二次装修时可避开现有管网位置，便于管网维修、更换设备和定位。对于照明、消防、设备位置、建筑设施可以纳入维护周期，详细记录每个器件的位置和维护维修备注，作为物业管理公司的工程量依据。

另外在应急管理方面，BIM平台应用场景包括消防报警、火灾疏散、安全监管、洪涝应急等。大楼的能耗是运营维护的主要成本，通过BIM本体的平台、照度感应器、温湿度感应器、人流量感应器等进行统一的节能管理，智能分析单位面积能耗值，进行能耗优化。