基于建筑信息模型促进装配式建筑精益建造的精益管理模式

陈敬武，班立杰

（河北工业大学经济管理学院，天津 300401）

1 研究背景

建筑业作为国民经济的支柱产业，市场巨大、发展前景广阔，但传统建筑业一直面临着能耗高、效率低、寿命短、质量差等诸多问题，亟需采用先进的建造体系、技术工具等来转变管理模式，以满足当前建筑业发展的要求。近年来，建筑信息模型（building information model，BIM）技术和精益建造思想在建筑项目中广泛应用，为建筑行业提供了高效的信息化技术手段以及先进的建造管理理念，提高了行业生产效率及项目管理水平［1］。Koseoglu等［2］通过全面的文献综述，定义了现场BIM 流程与精益原则之间的相互作用，并进行施工现场应用移动BIM 技术案例评估，认为运用BIM 技术强化了项目流程管理，有助于实现精益建设原则下的目标。Tauriainen 等［3］通过利用BIM 和精益建造引入的新工具和新方法来改进设计管理，使得在建筑设计管理阶段即可增加客户的价值，并消除不增加价值的活动，改善了建筑项目的运营绩效。Kim 等［4］通过对具体案例分析，认为精益思想与BIM 技术的契合点较多，得到二者结合可以提高建筑项目的建设效率、增强项目参与方合作性的结论。Sacks 等［5］认为BIM 技术的应用提升了建筑业生产效率，使得各参与方的关系更加紧密，基于BIM 技术来实施精益建造，利用BIM 的可视化功能可帮助建筑项目各参与方对项目的设计、生产、施工等过程进行管理控制，达到设计与施工整合的目标。Ahuja 等［6］认为BIM 技术是实现建筑项目精益化和绿色发展的推动者，并研究确定了施工组织在建筑项目中有效实施BIM 技术所需的组织能力，得出了在建筑项目中采用综合的BIM 技术方法，将其与精益和绿色理念相结合可以改善建筑项目绩效。但由于精益思想源自于制造业，而传统建筑业在现场施工建造方面与制造业的生产模式和特点等相去甚远，因此精益建造难以在传统建筑业的项目管理中充分开展，而装配式建筑构件在工厂生产预制，通过物流运输到现场，采用机械化吊装装配［7］，这种生产方式与制造业具有很高程度的相似性，因此可从此角度研究装配式建筑的精益建造模式。

本文认为，在精益思想指导下装配式建筑可以更好地发挥其优势，而基于精益建造的装配式建筑的发展需要实现信息化管理，则与BIM 技术的结合是关键。将BIM 技术应用到装配式建筑的精益建造中是建筑业发展的趋势，可使精益建造的关键技术及其基本目标更好地得以实现，同时大大提高生产效率并符合建筑绿色发展理念。

2 基于BIM 的精益建造信息化平台框架

建筑工业化是建筑业发展的必然趋势。建筑工业化类似制造业，以构件为核心进行全产业链和全生命周期管理［8］，其发展模式要求对海量的数据与信息的处理能力较高，鉴于此，BIM 技术的推行应用尤为关键。BIM 技术是建筑业一项生产力革命性技术，其核心在于对建筑项目产生的海量信息全过程分析以及协同项目全生命周期的各项工作［9］，从而消除建造与管理中的“信息孤岛”，使产业链上下游信息传递畅通，做到真正意义上的信息集成化。BIM 是装配式建筑精益建造模式的有效支撑技术，是传统建筑业由粗放型向着集约型转化的重要手段。

2.1 信息化平台构建思路

在过去的二三十年里，计算机辅助设计（CAD）技术在建筑业中一直处于统治地位，但应用CAD 的低效率也成为了建筑业中首要解决的问题，BIM 技术则为建筑业的改革发展提供了新方向。对于传统建筑项目管理中的信息杂乱无序、遗漏、重复等问题，BIM 作为支撑技术可予以有效解决。建筑业的建设活动运行中信息的传递流动是关键，实现装配式建筑精益管理要做到管理信息化，基于BIM 的信息化管理要优化改进下述问题：

（1）建筑项目各参与方信息共享。在传统的建筑项目管理中，项目各参与方各自为营，缺乏实时沟通交流，加上信息的传递多以二维图纸的方式表达，造成信息传达不精确，且在传递过程中信息容易丢失，致使沟通效率低下，常常出现返工现象，造成不必要的损失，增加成本。究其原因，就是没有一个统一的平台来实现信息化管理。因此，亟需以BIM 技术为手段构建信息化管理平台，消除建筑项目各参与方之间的信息交流障碍，实现信息共享与集成，为装配式建筑的精益管理模式构建奠定基础。

（2）建筑项目全生命周期信息化管理。在建筑项目全生命周期的各个阶段都会产生海量的数据信息，而各个阶段的信息都有一定的关联性，一个阶段完成后其产生的信息不会立刻失去价值，因此，信息管理集成化尤为关键。将BIM 技术应用于建筑项目的精益管理，可有效处理项目各个阶段的信息，实现项目全生命周期信息的共享和存储，从而达到整合资源的目的。

2.2 信息化平台特征

基于BIM 技术的精益建造信息化平台框架的构建主要从信息集成、信息交换、信息利用3 方面入手，这3 个方面综合应用组成建筑项目管理信息化平台体系。

2.2.1 信息集成

建筑项目产生的信息量巨大、繁琐、类型多样，诸如数字、图片、文本、图纸、音频、影像等各类信息差别诸多，将各类信息整合尤为关键。精益管理认为信息整合是信息的收集、分析、整理、储存过程。将建设过程产生的各类信息整合是一项复杂的工作，而将BIM 运用到建筑项目中，项目各参与方一方面可整合自身直接产生的各类信息，另一方面可整合外界传递而来的信息，并将整合所得的信息存储到BIM 信息中心，方便与BIM 中心数据库进行信息的共享。由图1 可见，建筑项目整合的信息贯穿于各参与方，把内部和外界产生的信息统一到BIM数据库中并对其进行处理，实现信息的循环利用。

图1 基于BIM 的建筑项目信息系统

2.2.2 信息交换

信息传递是建筑项目全生命周期中各参与方沟通的前提和关键。实践中，建筑项目实施期间信息交换频繁，但缺乏有效的数据信息交换标准，致使产业链上下游衔接不畅通，导致项目计划与进度不匹配，因此，信息在不同专业、不同阶段中的交换和共享需要有统一的标准，即将不同软件产生的项目相关数据信息利用同一标准形式进行转换。目前建筑业的数据信息交换标准应用尚处于初级阶段，推动BIM 技术在行业内发展还需要克服数据信息交换的兼容性、可靠性等技术问题［10］。建筑项目有关各类信息不但要从项目各参与方得到，而且原始信息要利用BIM 软件中各种工具重新整合，并且信息在不同环节中涉及到的部门不同，因此在传统建筑项目信息管理中如果没有统一的信息交换标准，部门间信息共享很难实现。为了将建筑项目全生命周期所产生信息整合，需要一套有效的信息标准化技术手段，即在BIM 技术的使用过程中，能将不同软件产生的数据信息通过某一种标准形式进行转换。本文主要从信息编码角度思考并解决基于BIM 技术的建筑项目信息管理所遇到的障碍。

图2 基于BIM 的建筑项目信息编码方法示意

建筑项目的信息编码是指经过计算机和人工处理，对所需整合的信息进行赋值，使其获得唯一并具有现实意义的代码。信息编码可将整个信息交换体系解离，从一个小部件层面出发进行研究，为标准化研究提供新思路［11］。信息编码从信息的归类开始建立起统一的分解体系，主要依照工作任务分解（WBS）来操作。信息编码遵从唯一性、规范性、简明性等原则，将编码信息依照统一标准添加到构件上，形成统一的分类构件信息代码，以便易于计算机识别处理。参考我国《建设工程工程量清单计价规范》的编码方法，可对构件信息做5 级编码：建筑类别、专业类别、分部工程、分项工程与构件数量［12］，具体如图2 所示。此外，信息编码也具有自动拓展的功能，可以增添附加信息，将编码后的构件进行统一格式处理，便于数据在不同软件及系统中交互使用。

2.2.3 信息应用

在装配式建筑的信息化管理过程中，利用BIM 技术进行建模，从而将模型应用到建筑项目的全生命周期中，根据不同阶段所需提取相应的模型数据并汇总到各阶段的BIM 数据库中，然后对信息进行收集、分析、整理、共享和应用，形成一个更完善的、适应本阶段的信息管理平台。此平台类似于人类大脑协调处理各部分的信息，而各部分信息交互融合，从而形成一个庞大的数据库，最终实现装配式建筑的信息化管理。其核心为以下4 个阶段的信息化管理：

（1）规划设计阶段。精益管理以追求客户最大价值为宗旨，基于BIM 的项目规划设计阶段是将客户的各方面需求清晰完整地汇总到模型中的过程［13］。项目规划设计阶段作为项目的起始阶段，对项目未来的开展影响深远，需要参与建筑项目的各专业人员深入沟通交流，做到设计符合实际、可行性较强。在实际设计规划管理过程中，由于建筑项目各参与者的专业性质不同，其知识构架存在差异，造成规划设计工作中所表达的信息难以契合，而基于BIM技术令相关信息的沟通与转换有章可循，且将二维建筑模型转变为直观的三维模型，使得参与规划设计人员对建筑物的功能性判断更为准确、决策更为高效，方便规划设计人员进行项目规划、方案筛选、工程量信息统计、造价控制等，并且便于进一步优化和健全方案；此外，通过BIM 技术与地理信息系统（GIS）结合，规划设计人员可对场地进行条件和空间信息模拟分析，从而科学评估场地特点，进而作出有效决策［14］。

（2）构件预制生产阶段。在构件预制生产阶段，构件供应商从BIM 数据库中提取建立好的构件模型信息，包括构件特性、需求数量、批次顺序等，并将所提取的信息整合，完成从设计阶段到构件预制的信息传递。在此过程中，依据所需精确提取信息，确保构件生产过程准确、及时和有效，实现精益建造的目标；此外，由于构件种类繁多、查找不易，可引用无线射频技术（RFID）在构件中添加RFID芯片，录入构件的相关属性及各类信息，在使用时可利用RFID 阅读器将构件信息传输到BIM 中提取相关信息，确定构件属性、进出场顺序等信息，做到“零库存，零缺陷”。

（3）施工阶段。施工阶段是将模型建造成实物、把物料转变成产品的重要阶段，在此阶段信息传递更加交错复杂，要应用上两个阶段所产生的相关信息来开展生产活动。当前BIM 技术在装配式建筑的施工阶段发挥作用较大的主要是3 个方面：一是构件入场及储存管理。在施工现场，类似构件较多且有多种类别，经常出现无法找到构件或找错构件的问题，要避免此类问题的出现则要求较高水平的施工现场管理信息化，而借助BIM 技术和RIFD 技术可有效解决此问题。由于每一个构件植入了一个RIFD 标签，将读出的信息录入BIM 数据库可以完成对构件的实时精确追踪，确定构件入场顺序，减少二次搬运；根据施工进度及时将信息传递到BIM 数据库中，根据进度调整构件生产进度、进场时间，减少待工和库存。二是构件吊装方案模拟。构件吊装是决定建设进度和工程质量以及建筑物的安全性、适应性、耐久性及整体性等优劣的关键工序，且由于装配式结构体系的构件及节点繁多，在施工安装过程中如何实现对构件的安装顺序、位置角度、运行轨迹等的精准控制是吊装过程中的重点也是难点问题。利用BIM 技术，对构件吊装装配环节进行模拟，在可视化的条件下把控吊装过程，从而及时发现问题并作出相应调整，制定可行的构件吊装方案。三是施工进度管控。利用BIM 技术建立模型，施工方可直观、动态地从不同角度分析建筑模型，对施工计划进行模拟分析，并可将建筑物的3D 模型与时间维度相联系建立4D 施工模型，实现基于BIM 技术的4D 动态施工模拟，从而对施工进度与工程质量进行实时追踪、减少冲突，得到最优实施方案。

（4）运营维护阶段。在运营维护阶段，主要是对建筑物进行信息化管理。基于BIM 技术可实现可视化管理，数据信息的记录不再依赖人工，避免了图纸等信息资料容易丢失问题的出现；实时监测追踪设备运行情况，记录设备运行产生的能耗、性能，对环境绩效成本进行评估，从而采取相应的管理和控制措施。

2.3 信息化平台的核心

要做到精益建造管理信息化，就要使建筑项目的相关信息得到充分利用、准确传达、及时共享，为此本文构建基于BIM 技术的精益管理平台，如图3 所示。该平台是由信息集成、信息交换以及信息利用3 个部分组成。信息集成即为信息的获取、分析、处理的过程；信息交换的基础是要有一套交换的标准，然后将信息编码、分类，最后进行建模；信息应用是充分利用建筑项目所产生的信息对项目进行管理的过程。建筑项目管理信息化是装配式建筑发展的重要举措，基于信息化管理能适应当前建筑业的变革方向。

图3 基于BIM 的建筑项目信息化平台核心框架

3 装配式建筑全生命周期的精益管理

基于BIM 的信息化平台是装配式建筑项目实现精益管理的基础。在建筑工业化的进程中，管理信息化显得尤为关键，而基于BIM 的信息化平台为建设项目管理过程提供了具体的操作系统，使得信息管理变得高效和简单，从而使实现装配式建筑的精益建造成为可能。精益管理思想为装配式建筑全生命周期的运作提供一套精益建造管理模式，指导装配式建筑各个阶段的生产，实现装配式建造的精益管理。

3.1 项目设计阶段

此阶段要实现与建筑项目客户的密切沟通与联系，了解客户的意愿与要求。与此同时，与传统建筑设计、施工相分离的模式特点不同，精益设计使得传统的设计模式由分离转变为合并，促进了设计与施工一体化，相关参与人员将进行协同设计，采用并行工程开展相关工作，各部门共同参与，实现设计过程最优化、项目价值最大化。即在项目设计阶段，精益管理依靠设计与施工整合、并行工程来实现。

3.1.1 设计、施工一体化

传统的项目设计阶段与施工阶段缺乏信息交流和共享，给整个项目造成诸多弊端。当前建设项目正朝着规模大、施工复杂化发展，设计与施工的联系越来越密切，而传统项目设计与施工的分离造成信息分离，使得双方的表达交流出现偏差、低效率沟通，还造成错误信息的出现；先设计后施工的生产方式致使设计人员与施工人员的想法不能充分交流，造成设计方案难以落实，双方信息脱节，造成了产品类型多变、建造周期长等问题［15］。精益管理的整合思想最初运用在制造业，经过诸多研究后才被引进到建筑业。基于精益管理的设计与施工整合后，信息沟通更加便利、信息传递灵活准确，可有效解决设计与施工各方信息偏离的问题，各参与方从项目设计阶段便介入工作，增进了各方的相互信任感，促进了团队合作；设计方与施工方信息自由交换，最终达到资源配置最佳的目标。其中，团队合作、组织协同和信息共享是设计与施工一体化的基础，装配式建筑项目围绕BIM 数据库达到无缝链接，达到设计与施工整合的目标；在人员层面，设计与施工整合要在各参与方的共同配合下完成，形成一个组织，在技术层面则可引入并行工程的思想。设计与施工一体化使得建筑项目各参与方沟通便捷，可以及时解决出现的问题，从项目初期便共同参与决策，提高了方案的合理性，增加了相互信任感；围绕着业主、施工方、设计方进行的共同设计、共商施工方案的框架以BIM 技术为核心，在客户需求的传达阶段共同作出造型设计、功能设计等，在设计时又进行方案设计、深化设计，减少施工过程中构件碰撞、遗漏的发生，材料的供应则要进行供应链管理、控制质量、尽最大限度减少库存量等，整个项目生命周期各阶段信息的传递要依靠BIM 来维系，做到及时、准确。具体模式如图4 所示。

图4 基于BIM 的装配式建筑设计与施工整合应用框架

3.1.2 并行工程

并行工程（concurrent engineering，CE）的目的是加速产品设计开发过程，通过考虑产品全生命周期全部要素，找出问题并加以解决，从而确保设计、建造一次成功［16］。并行工程的实现需要一个高度集成的环境，需要设计人员与其他人员共同工作，组成并行团队，团队中所有人拥有共同的工作宗旨、工作方法并且共担责任。这个团队中包括业主、施工方、咨询、监理、客户等，通过这个由不同知识结构的多方利益群体人员组成的团队，形成一个新的组织模式。这种并行团队组织模式与传统的单一管理团队不同，避免了由于在建筑项目设计初期未能考虑其他参与主体的利益而导致之后的工作环节出现问题。采取并行团队的组织模式，有利于在建筑项目工作实施前期理清各方相互关系，达成一致目标，通过共同决策的方式使得整个项目的实施过程和最终的建筑产品都能满足各方的愿景。并行团队共同进行设计、录入构件信息、规定生产流程、总结装配方法、保证后期运维信息等，具体见图5所示。

图5 基于BIM 的并行工程团队模式下建筑项目构件设计过程

3.2 构件生产阶段

在构件生产阶段，涉及大批量的构件，容易因信息沟通有误产生过多库存，而精益管理中的及时生产制度（just-in-time，JIT）要求在满足需求的前提下努力实现库存最小化，即在适当的时间将适当的产品以合适的数量运输到合适的地点，达到“零等待、零库存”，从而消除浪费，避免不增值劳动［17］。JIT 不仅是一种生产控制方法，还是一种管理理念，要在构件生产阶段实现“零库存”和避免不增值劳动，就是要在JIT 采购的基础上针对市场客户的订单需求进行供应链中供应商和承包商的生产协同优化。主要指导思想为以下两方面：

（1）JIT 供应链要能够快速迅速响应需求成为当今许多企业的供应链管理方式。在选择供应商时，数量较少甚至单一，属于战略性合作，订购数量多为小批量、多批次，产品质量由供应商控制，到货不用再检验，沟通采用BIM 技术进行数据共享。

（2）JIT 供应链要实现高效、稳定运作，对供货的及时性要求极高。这与供应商的自愿配合息息相关。为了追求共赢的局面，供应链管理中涉及到的库存、产量等方面问题需要供需双方共同参与决策，在满足业主需求的同时创造协同的生产环境，共同商议合作方式，形成共赢的JIT 供应链。

结合上述 JIT 供应链协作优化的基本思想，主要分为合作准备层和生产批量协同优化层两个层次，所构建的体系如图6 所示。从市场的产品流角度进行分析，合作准备层进一步递进为生产批量协同优化层，承包商为减少成本和提高生产效率，选择将自身不具备生产能力或无法增值的一些产品外包给供应商，而在长期的发展中，双方的战略性合作尤为重要。在合作建立初期，供应商根据供应链环境来构建评价标准，通过观察、打分等环节，在高度匹配的JIT 供应链中选出契合的合作伙伴，有利于为后续生产批量协同优化提供合作前提，而在合作伙伴共同建立起供应链之后，双方所关注的重点内容就转移到了供应链协作所产生的成本优化之上。JIT 供应链对库存的要求较高，多余的库存成为一项较大的成本支出，为改善及解决传统方法带来的库存积压问题，供应链合作需要深入到生产和批量配送的优化重置。一个合理的生产批量计划会使得JIT 内部合作伙伴的共同利益最大化，因此，生产批量优化是JIT 供应链合作伙伴稳定长期发展的重要方面。

图6 建筑项目的JIT 供应链优化结构

3.3 施工阶段

在施工阶段，通过BIM 技术进行模拟施工来确定最优方案，可根据构件中植入的芯片明确其运输信息和装卸信息，按照制定的安装方案确定需要装车的构件及其类型和数量，实行相应的构件生产、运输计划。由于施工现场情况复杂、物料较多，构件的进场顺序要按照安排好的施工顺序及需求按部就班地进行，则在构件进场时要对进场顺序进行合理安排，防止放置杂乱的问题出现，力争现场“零库存”；当施工所需构件进场后，进行吊装，施工吊装基于BIM 技术进行进度管理，一方面通过进行施工模拟记录容易出现问题的环节以减少二次施工，另一方面在若出现二次施工时要根据施工计划对比跟踪当前进度从而调整施工进度，如果超出计划则之后计划相应修改提前，反之要根据实时监测跟踪找出进度滞后原因并进行调整，保证按时完工。施工计划编排要从项目全局出发，根据最后计划者体系进行编制（如图7）。首先制定出一个阶段计划，但计划的细节无需设计，而是在后续计划实施的拉动下确定阶段计划的具体实施方案［18］，一般为未来几个月的建造计划，参与建设各部门通过阶段计划来确定后续施工进度的合理性，例如工序安排是否合适、物料的供应是否及时等；然后制定前瞻计划，时间一般以几周作为一个考核点，要确定工序的合理性以及执行计划的速度，力争做到计划与能力相匹配，并细分为工作包的形式使活动执行更易操作，为每周计划的制定提供依据；最后，充分考虑施工人员的技术水平及生产能力来制定每周工作计划，要通过考虑现场的施工条件、衡量方案的可实施性来拟定工作的先后顺序、估算工作组的工作能力、安排合适的工作量，保证所安排的工作都是可以实施的。在最后计划者系统中，计划完成率（percent of plan complete，PPC）作为度量指标用以评估计划的执行情况，一般情况下PPC 值较高则代表计划的执行情况较好，因此可通过此数值找出施工进度偏差并进行调整，对未完成任务及时分析、改善计划，避免同类问题再度出现。

图7 建筑项目施工计划的最后计划者流程

3.4 运营维护阶段

在精益建造理论的指导下，建筑项目实现了从设计到施工高效率的运作，运营维护阶段（以下简称“运维阶段”）则是在BIM 技术的基础上进行管控，做到运维的精益化。在运维阶段的管理中，要充分利用设计阶段建立好的模型来进行管理控制。充分利用BIM 技术的可视化功能，根据构件、设备等的电子标签随时掌握建筑的使用情况，管理人员由此可提取构件、设备的运行信息进行评估，便于对有故障的构件、设备进行维修、替换及记入档案；基于BIM 的建筑项目信息管理平台可登记住户信息、访客记录、停车位使用情况等，为建筑物小区安全提供保障；此外，还可基于BIM 模型直观了解建筑物周围环境的空间富余情况，以确保空间利用最优化。

4 结论

作为一种新型的建造体系，装配式建筑的发展势必引起建筑业效率的极大提升，BIM 技术为装配式建筑的推行奠定了技术基础，推动了建筑工业化的实现，而精益建造为装配式建筑的发展提供了一种先进的管理模式，指导装配式建筑全生命周期各个阶段的运作。本文以装配式建筑为研究对象、以BIM 为技术支持，剖析装配式建筑的精益管理模式，得出以下结论：

（1）建筑工业化是现代建筑业发展的趋势，装配式建筑是建筑工业化的重要表现形式，极大地提高了建筑业的效率。

（2）BIM 作为一种信息化手段，为装配式建筑全生命周期各阶段的运作提供了技术基础。本文搭建了基于BIM 技术的信息化平台，实现了装配式建筑的信息化管理，同时也为装配式建筑的精益管理提供了载体。

（3）用精益建造理论指导装配式建筑可提高建筑效率并带来更高效益，可为建筑业发展提供参考借鉴。