基于BIM和大数据的建筑工程质量管理研究

刘明轩

摘要：工程质量是建筑企业生存发展的保证，建筑工程粗放式的质量管理模式使得建筑企业转向质量效益型集约发展异常艰难，建筑业信息化技术的应用成为转变发展方式、提升建筑工程质量的重要途径。BIM 技术是建筑业信息化的关键技术，为“数据化”质量管理及大数据分析创造条件。但 BIM 和大数据技术集成在质量管理方面的研究及应用才刚刚起步，应用方法的研究还处于“空白”。本文以建筑工程质量管理为研究对象，创新性地将 BIM 与大数据技术应用于建筑工程质量管理中，系统研究了 BIM 和大数据在质量管理中的实现路径及应用方法，为基于 BIM 和大数据的建筑工程质量管理提供参考。

关键词：BIM；大数据；质量管理；全面质量管理

传统的质量管理理论经过实践检验并不断丰富完善，具有科学合理性，但是操作难度大，难以达到理论效果。质量管理工作在长期实践中暴露出三方面的问题：全面质量管理意识欠缺。全面质量管理要求组织内部各个部门和工作岗位都承担质量管理职责，在工程质量形成的全过程中，对工程产品质量及工作质量全面负责。目前，建筑工程质量管理以产品质量控制为主，忽视了工作质量的重要性，本末倒置；质量管理中以事后质量控制为主，当出现质量问题时不惜以人力、物力、财力的消耗为质量策划和质量保证工作的缺失买单，质量改进工作经常未得到充分的重视，使得质量管理工作经验教训未得到有效积累；全员质量管理意识不足，质量管理职责集中于质检员与现场管理人员，且工作得不到全企业各职能部门的支持。质量管理在技术上存在局限性。质量管理的开展以 CAD 图纸及合同、规范等文件为基础，难以满足建筑工程质量管理对可视化的信息表达方式、高效便捷的沟通方式以及信息化管理等方面的需求。质量管理在工作方式上亟需转变。建筑工程的复杂性加剧了质量管理工作的难度，亟需新的工具方法，改善现有工作状态，使各参与方高效协同工作。建筑工程质量管理无法达到理论效果的根本原因是质量管理信息化程度低，缺乏信息集成和共享工具，造成了信息断层和信息孤岛，以致无法满足各参与方、各专业的协同工作。现有的质量管理方法亟需改进，以满足建筑企业对质量效益型集约增长的需求，适应信息化、产业化、精细化的新常态。

一、基于 BIM 和大数据的建筑工程质量管理理论基础

1.BIM 的特征

BIM 技术的核心是信息，以软件为载体，实现模型构建、模型应用和信息管理，最终目标是实现建筑信息化。依据 BIM 的内涵，一个完整的信息模型，应能够集成全生命周期的不同阶段工程数据和业务数据，动态地实现信息的创建、管理和共享，并始终保持信息的一致性和完备性，为各参与方提供一个协同共享的工作平台。BIM 技术以其自有的以下特征改变信息共享的方式，提高管理工作效率。信息的完备性：除了对工程对象进行 3D 几何信息和拓扑关系的描述，还包括对象名称、对象类别、结构类型、建筑材料的物理和结构性能等设计信息；施工工序、进度（某一构件的施工开始时间、结束时间）、成本（工程量、单价）、质量、安全以及人力、机械、材料资源等施工信息；工程安全性能、材料耐久性（使用年限、维护方法）等维护信息；对象之间的逻辑关系等等。信息的一致性：在建筑工程全生命周期不同阶段，信息保持一致性，同一信息只需一次创建，便可在其基础上自动演化。模型对象在不同阶段进行修改和扩展，无需重新创建，减少信息不一致的错误。信息的动态性：随着工程推进，进度、成本、质量等数据时刻动态变化。

2.BIM 技术原理

BIM 技术的基本原理是充分学习及开展 BIM 应用的基础，从 BIM 模型的创建及BIM 模型应用两个角度解析 BIM 技术的原理。面向构件的参数化设计基于 BIM 技术构建的 3D 实体模型代表设计成果。基于 BIM 的建筑工程设计，面对的对象不是无关联关系的点、线、面，而是包含丰富属性信息且具有双向关联关系的建筑构件，如柱、梁、墙、板、门、窗等。每个构件对象继承其所属类的属性，以参数和参数值来表达和运算。构件实体对象中包含描述其自身特征的长、宽、高等几何属性；材质等物理结构属性；功能属性等等基础数据，以及技术参数、成本数据、进度数据、施工信息、维保信息等扩展属性信息，在建筑工程全生命周期中，只需不断更新完善建筑信息模型的参数信息。基于单一模型协同工作全生命周期各阶段项目管理工作的开展，以设计阶段的成果——3D 实体模型（包含构件的基础数据）为基础，随着项目的推进，各参与方不断在 BIM 模型中输入、更新、提取构件的几何参数、物理特征参数、功能属性参数等基础数据，以及集成项目质量、安全、成本、进度、文明施工等管理因素信息作为构件的扩展属性信息，实现项目产品与质量管理业务流程信息的集成、全生命周期信息集成和管理组织信息集成，得到全信息模型。同一构件的属性参数只需输入一次，BIM 数据库实时更新，各参与方可在其权限范围内从不同的角度共享数据信息，协同开展工作。BIM 技术保证了各阶段信息的连续性及一致性，有效避免信息孤岛的产生，防止信息丢失及衰减，在全生命周期中为各参与方提供协同工作平台。

3.基于 BIM 的质量信息管理

信息管理是基于BIM开展质量管理工作及形成大数据的前提。迈克尔·波特在价值链理论中阐述到：价值链是由相互联系的价值活动组成的，不但生产经营活动及其辅助活动可以创造价值，活动之间的联系也可以创造价值，价值活动之间联系的优化与协调一致可以提高整个价值链的总价值，从而提高企業的竞争优势。基于 BIM 的质量信息管理旨在通过信息的集成、存储、共享、应用，实现质量管理各阶段、各组织、各专业之间信息管理，并通过质量管理信息的优化与协调一致，来辅助和优化全面质量管理各活动之间的联系，从而提高建筑工程全面质量管理活动的总价值。

4. 基于 BIM 的质量信息集成

BIM 实现管理的支撑是数据集成平台，因此，数据集成质量直接影响下游质量管理工作以及 BIM 价值的实现。分阶段、分布式的信息管理易造成信息断层、信息孤岛，切断了信息间的联系，且会出现大量冗余，无法保证信息的连续性和一致性，严重阻碍各参与方质量管理活动中信息的有效共享及协同。因此，开展 BIM 在建筑工程质量管理中的应用重点，是实现三个层面的信息集成与管理：工程产品及质量管理业务信息、全生命周期过程的信息、各参与方管理组织的信息。工程产品信息及质量管理业务信息集成在建筑工程全生命周期，随着各项工作业务的开展，形成信息流，且信息与工作之间具有关联性，每项工作均不独立，需要获取一定的信息作为基础，并在工作过程中形成新的质量信息。基于此，为了实现下游阶段能够从上游直接获取全面的信息以支持质量管理工作，信息的集需要进行通盘考虑、全局规划，为满足质量管理的持续改进，参照基于 BIM 的质量管理数据结构实现产品信息及质量管理业务活动信息的集成，为 BIM 质量管理大数据的形成提供条件。建筑工程质量管理数据包含两方面：第一，是对建筑产品的描述信息；第二是对各参与方的质量管理业务活动描述的信息。按照建筑工程质量管理的业务需求，建筑产品属性应具备产品几何信息（类型、形状、长、宽、高、构件间的连接方式、节点详图、钢筋布置图等信息）、技术信息（材料、材质、技术参数等）、产品信息（供应商、产品合格证、生产厂家、生产日期、价格等信息）、建造信息（施工单位、施工班组、班组长、建造日期、使用年限等）、维保信息（保修年限、维保频率、维保单位、联系方式等）等，建筑工程质量管理业务流程的信息化以工程资料的形式呈现。建筑工程资料是承载工程项目全生命周期各项业务活动的重要实践凭证和原始记录，是按照国家法律、法规、

规章和规范、标准的要求对工程实施过程进行管理和记录的。在质量管理业务活动中各参与方依法建设、开展质量管理工作以及新技术应用等方面形成的原始记录，是反映建筑工程质量的重要资料，对推动下游质量管理工作的开展，及质量责任的回溯追究有着重要作用。按照建筑工程质量形成过程，将质量管理资料分为：决策立项文件、建设用地文件、勘察设计文件、招投标及合同文件、开工文件、商务文件、工程管理资料、工程技術资料、施工进度及造价资料、工程物资资料、施工记录、施工试验记录及检测报告、施工质量验收记录、竣工验收资料、竣工图、竣工验收文件、竣工决算文件、竣工交档文件、竣工总结文件、运营维护文件等。质量管理活动中，按照业务流程及时集成。管理组织信息集成，管理组织信息集成的核心是协同工作。建筑工程质量管理涉及建设单位、监理单位、

勘测单位、设计单位、施工单位、分包单位、供应商、运营商等管理组织，还包括政府、咨询机构等。目前，各参与方间缺乏及时有效的沟通平台，不利于充分发挥各参与方的管理水平，且易造成建筑工程整体利益的损失。基于 BIM 的质量信息管理，归根结底需要各管理组织实现质量信息的集成，并在此基础上实现协同工作。为了保证基于 BIM信息集成的质量，必须明确各管理组织在质量信息集成中的职责权限及质量信息的集成方法。

二、基于 BIM 的质量信息存储

BIM 的数据支撑是工程数据库。BIM 数据库将集成的信息存储于其后台数据库，并依据数据类型的不同实施分类存储。BIM 模型中的结构化数据又分为结构化模型数据和结构化文档数据。BIM 数据库将存储于其中的结构化文档及结构化模型数据经过一系列数据交换处理后存储于 IFC 关系型数据库中。结构化模型数据需要经过 IFC 模型解析器，生成 IFC 对象模型数据。由于 IFC 关系型数据库是基于关系模型建立的，因此需建立 IFC 对象模型与 IFC 关系模型之间的映射关系，实现结构化模型数据在关系型数据库中的存储。结构化文档在 BIM 数据库中采用 XML（Extensible Markup Language，可扩展标记语言）技术进行存储，用户自定义不同类型的需交换的数据结构，这些结构的集成体组成一个 XML 的 schema，以此来实现不同软件间定义的、存储在其相应的关系型数据库中实体属性和关系属性的数据交换。非结构化数据存储于文件数据仓库，并最终存储于 BIM 数据库中，同时文本数据仓库通过 IFC 关系实体与 IFC 关系型据库建立关联关系。质量管理过程中，模型应用及信息管理均基于 BIM 数据库展开

BIM 数据库为信息的共享及应用提供数据支持。

1.基于 BIM 的全过程质量管理

建筑工程全生命周期是指建筑工程项目从规划设计到施工，再到运营维护，直到拆除为止的全过程，涵盖了建筑工程的质量价值从规划、形成到价值传递，并最终退出建筑市场的全过程。质量管理全过程中，由于各阶段参与方不同，且部门、专业间协同难度大，信息断层和信息孤岛的存在，削弱了管理者对信息的掌控能力，使建筑工程质量得不到实质性的提升。《工程质量安全提升行动方案》（建质[2017]57 号）中提出要加快推进建筑信息模型（BIM）技术在建筑工程质量管理全过程的集成应用[85]。BIM 技术在建筑工程质量管理方面的价值，涵盖全生命周期，旨在优化质量管理活动及其活动之间的联系，从而提升建筑工程质量。因此，从全过程的角度出发，结合大数据分析成果，研究大数据环境下，应用 BIM 技术提升建筑工程质量及质量管理效率的方法。

2. 设计阶段基于 BIM 的建筑工程质量管理

建筑工程设计是知识加工与综合的过程，交付成果是以工程图纸及计算书为载体的智力成果，是工程质量目标的具体化。从方案设计、初步设计、至施工图设计的完成，是一个循序渐进、逐步细化的过程，需要各参与方、各专业的信息及知识有效交汇和传递，才能最大限度的提高设计质量。BIM 平台可为各参与方、各专业提供协同设计平台，真正做到“你见即我见”，基于 BIM 的建筑工程设计采用基于构件对象的参数化设计，可以进行建筑性能模拟分析，提高设计的合理性和经济性，为施工及运行维护阶段的质量管理奠定基础。建筑工程设计包括三个阶段的工作：方案设计阶段、初步设计阶段与施工图设计阶段，各阶段的工作环环相扣。方案设计是通过场地分析、对各种结构类型进行建筑性能模拟分析，完成方案的比选，最确定结构选型；初步设计阶段是在方案设计的基础上进行建筑、结构的设计，并进行结构内力分析，保证满足项目质量要求及标准；施工图设计阶段完成各专业模型的构建，并对建筑空间合理优化，使其符合质量要求和标准，并满足建设方对项目功能的需求，以及各参建方对施工图纸可施工性的要求。主体结构质量问题文本挖掘的结果显示，施工阶段常见的质量问题，如：筋节点复杂导致施工困难，出现钢筋缺失、损坏等现象；构件尺寸标注不明；平面、立面、剖面及明细表中信息不一致；未按图纸施工等等造成的质量问题，均可通过精细化的规划设计予以解决，因此从规划设计阶段介入，将质量问题前置，开展全过程的质量管理。基于 BIM 的建筑工程设计全过程，主要由三方面的优势：

化设计，赋予构件以名称、几何尺寸、材料信息、力学性能等定量化属性信息以及构件间的关联关系，保证了 BIM 模型的完整性、数据的一致性及信息的关联性，同时使 BIM 模型具有可计算性。各参与方、各专业以 BIM 模型为载体协同工作，并基于可视化的模型进行沟通、协调，淡化了设计阶段各专业间清晰的工作界面，克服了各专业无法及时提取其他专业的中间设计成果而不得不采用分段、有序的串联的工作方式。可视化的优势无论在确定建筑物与周围环境的联系、场地总平面空间布置、建筑物的空间方位、立面效果，还是建筑内部空间场景，均能迅速得到与实际情况匹配的空间立体场景，便于跨越专业界限，实现各参与方充分有效的沟通。基于这三方面优势开展设计工作，将大大提高设计阶段的沟通协调效率，保证设计质量。