基于CIM平台的工程项目数字孪生智能建造系统应用研究

文｜韩青 徐翔 孙宝娣 孙建龙 袁钏 石新羽

1 场景定义

2021年3月25日，国家发展改革委、自然资源部等28 部门联合发布通知，推动城市信息模型（CIM）基础平台建设，加快推动智能建造与建筑工业化协同发展。在这样的大背景下，全面向数字化转型已成为众多建筑业企业的核心战略。由政府统建的CIM 基础平台是虚实一体的全数据运转平台，打破各个部门行政壁垒，有效的把数据统一起来，结合企业丰富的建造经验，集合城市规划、建设、运营管理三方能力，通过数据化提炼、可视化运维解决建筑行业诉求，实现信息交互、信息共享、参数关联、联动互动，提高政府的监管能力，推动企业完成数字化转型。

基于CIM 平台打造的工程项目数字孪生智能建造系统，实现了自动采集项目相关数据信息，结合项目施工环境、工期节点、施工组织、施工工艺等因素，对项目施工场地布置、施工机械选型、施工计划、资源计划、施工方案等内容做出智能决策，为项目管理层提供辅助决策的数据，避免施工程序不合理、设备调用冲突、资源不合理利用、安全隐患、作业空间不充足等问题。

2 应用系统

2.1 建造管理“一张图”

基于CIM 的资产管理“一张图”展示系统以项目全生命周期为管控对象，以现场业务管理子系统为数据来源，以CIM 数字仿真为展示背景，从建设项目管理的“全生命周期”“组织管理”“业务板块”和“地理空间”四个维度，对项目的资产情况和建设情况，以及各业务板块的综合指标，以全空间数字孪生驾驶舱的样式进行还原及呈现，如图1所示。

图1 “资产一张图”管理维度

2.2 建设智慧工地管理系统

基于CIM 的智慧工地管理系统，由地形地貌、建筑的静态结构化数据，加上工地IoT 的动态非结构化数据组成的CIM 数据底板，CIM基础平台为数据提供叠加计算能力、模拟仿真和服务。智慧工地核心的指挥监管中心可以有效辅助管理者更直观的监测、管理和决策，施工现场管理人员也可以通过指挥中心同步看到所有相关信息，对施工现场的人、机、料、法、环等资源进行集中管理，以可控化、数据化以及可视化的智能系统对项目管理进行全方位立体化的实时监管。在重大事件发生前进行模拟演练等，以实现安全、绿色施工的目的，如图2所示。

图2 建设智慧工地管理系统

2.3 项目模型构建

对重点建设内容进行模型构建，验证可视化管理思路，突出项目管控效果。模型使用CIM 基础平台的可视化基础资源，模型内容包括地形场景模型和工程结构模型，其中地形场景可由遥感影像、数字高程模型和倾斜摄影构成；工程结构模型则通过项目设计图纸将工程的代表性主体结构以数字孪生建造的维度建模，并关联资产数据和建设数据，如图3所示。

图3 项目数字孪生建模1

图3 项目数字孪生建模2

2.4 数字孪生CIM 基础支撑平台

平台宏观展现资产空间位置、查看资产对象的微观结构，为智慧工地建设管控业务提供可视化服务。平台实现资产基础管理、建设管理、验收管理等资产业务管控数据的集成对接与展现；能够对地理信息数据、三维建模数据及BIM 模型等可视化数据进行管理、加载与维护；能够将政府或企业已有系统，如招投标系统、采购系统、劳务管理系统、造价管理系统、智慧工地系统、ERP 系统等进行数据提取和数据联通，实现数据统一归档与展示。平台基础功能包括但不限于：模型轻量化、空间地理信息展示、工程三维模型展示、高精细化材质渲染、GIS 地理分析、3D 可视化、移动端查看、数据库兼容等前后端功能，如图4所示。

图4 平台基础功能

3 应用流程

数字孪生智能建造以项目全生命周期管理、精细化管理、集约化管理为思想，结合国际先进的业务流程分析方法，形成以下项目建设资产管理的总体业务流程：

3.1 模型工具

当前全空间三维地理信息空间数据来源复杂、种类繁多，其中包括栅格、矢量、倾斜摄影、手工模型、BIM、点云等众多数据类型，利用模型工具可以简单、快速的将各类数据进行自动化处理，统一格式，方便系统的导入与可视化呈现，如图5所示。

图5 数据自动化处理流程

3.2 基础设置

基础设置包含项目概况、模型导入、WBS和构件关联、模拟顺序四个子功能。

（1）项目概况：主要是对项目的概况信息、区域信息、各区域描述、项目形象展示信息的设置，设置完成后，可以在进入项目时，即可看到项目的整体介绍。

（2）模型导入：主要完成对设计模型或施工模型的导入，导入后的自动轻量化处理，轻量化处理完成后的预览，以及轻量化合模功能。模型导入包括对实体模型、场地模型和其他模型的导入。

（3）WBS 和构件关联：主要完成WBS 与模型构件的关联操作，WBS 和构件的关联是基于BIM 项目管理的先决条件。关联之后，项目管理过程中的诸多要素便可以体现在BIM 模型上，同时也可以基于BIM 的可视化、协同性等特点，促进项目管理的便捷性。

（4）模拟顺序：主要是按照专业类型对各类型中涉及的构件类型进行增长顺序、增长动态类型（方向）的设置，此处设置完成后，在进行虚拟建造时，便可以实现对模型增长的设置。

3.3 图纸会审

图纸会审功能的二维视图中可以实现二维图纸在BIM 模型上的展示，方便审图者了解审批对象所处的位置。三维视图是对当前图纸的三维表达，可以基于三维模型，结合各工具的使用（标注、测量等）在线提交审阅意见。审阅意见提交后会出现在审阅列表中，拥有权限的人员便可以审查相应的信息。

3.4 现场调度

现场调度功能可对现场的各项生产资料进行整体规划，相比于传统的平面布置方式，三维场地布置更加形象、直观，可以方便合理的进行场地规划，避免二次搬运，充分利用既有建筑物和周边的环境，降低临时设置的组建费用。

3.5 物料追踪

物料追踪功能可实现对全部物料内容的采购、监造、物流、验收内容的实时查看。在物料清单的列表中点击后，可以在模型上定位出当前物料在模型中所应用的位置信息；而顶部的详情追踪则可查看到当前物料所处的节点信息，并以不同的颜色进行区分，红色代表当前进行中的节点，绿色代表已经完成的节点，灰色代表未开始的节点，点击后可以展示详情信息。

3.6 工艺工法

工艺工法功能是一个工艺工法的知识库，知识库可以是项目级别，也可以是公司级别。根据数据权限可以进行知识库内容的控制，实现对工艺工法的可视化管理。

3.7 技术交底

系统通过施工方案模拟的方式进行技术交底，施工方案模拟的目的用于在重要施工区域或部位，以BIM 方式表达、推敲，验证施工方案的合理性，检查方案的不足，协助施工人员充分理解和执行方案的要求。模拟的内容包括了节点大样、几何外观、内部构造、工作原理、作业工艺、施工工序等。施工方案模拟展示应能真实充分地反映施工重点难点，并对实际操作起到良好的指导作用。

3.8 虚拟建造

模拟建造的过程是先试后建的过程，可对施工过程的工程设计、现场环境和资源使用状况等进行模拟，具有更大的可预见性，可直观的展示相应时间节点相关构件已发生的成本、质量、安全等信息，并可预测未来时间相应模型相应构件、相对应的预估成本、资金等信息，使项目参与者更好的理解项目范围，从而达到施工方法可视化、施工方法可验证、施工组织可控制的目的。

3.9 进度沙盘

进度沙盘主要包括进度分析、进度汇报和进度协同等功能，其中进度分析又包括设计与施工分析、实际与计划比对分析两部分。在设计与施工中，主要是通过专业分类展示设计模型与施工模型的比对，也可以通过选择指定专业来进行比对。在实际与计划比对中，主要是分专业进行实际与计划之间的比对，并且可以在模型区域展示相应的差异信息，包括超前、滞后、一致等信息，如图6所示。

图6 模型对比进行进度管理

3.10 质安沙盘

质安沙盘主要完成了对质量和安全问题的查阅，通过对时间、质量类型、安全类型的筛选，实现了问题信息的检索，并且可以在BIM 模型上直观的展示这些质量问题、安全问题的分布情况。

3.11 资料沙盘

资料沙盘主要是通过时间维度，对图纸、现场施工、工艺工法资料信息进行查阅和展现。

3.12 电子沙盘

电子沙盘是对专项、质量、安全、资料、进度等信息的综合展示沙盘，在一个界面上同时展示了各项资料信息，并且可以通过配置条件，更快地获取自己所关注的信息内容。电子沙盘可以应用于领导驾驶舱，以可触摸的大屏形式展现，通过详尽的指标体系实时反映施工的运行状态，将采集的数据形象化、直观化、具体化。

3.13 数字化移交

数字化移交包含配置功能和预览功能。配置功能主要实现了对移交内容选择，预览功能是对配置之后结果的展示。系统可以通过对WBS 构件树进行检索或者点选操作，实现对模型的定位，也可以直接通过点选模型，实现对该构件内容详情信息的查阅，包括设计信息、施工工艺信息、图纸信息、设备属性信息、竣工资料信息等。

3.14 智慧工地系统

智慧工地平台包括项目概览、门禁与考勤管理、起重机/升降机监控、高精度人员定位、配电箱管理、深基坑边坡监测、环境监测和联动、AI 监控、消防设施监控、工程项目管理、统一APP 等建设内容，如图7所示。

图7 慧工地模拟系统1

图7 智慧工地模拟系统2

4 应用价值

基于CIM 基础平台的数字孪生智能建造系统具有可视化、模拟性、关联性和一致性的特点，可以有效解决建筑工程在项目管理过程中面临的信息化管理问题。而基于数字孪生技术的工程项目信息管理模式的构建，更使工程项目信息管理“如虎添翼”，保证项目工程的成本控制和科学开展，提高企业的市场竞争能力，夯实企业经济效益提升的根基。基于CIM 基础平台的工程项目数字孪生智能建造系统是利用互联网技术与产业发展相结合的发展方式，通过智能信息化技术的广泛运用，提高数据、信息、技术对社会经济发展的贡献率，也使我们的城市运行更安全、更高效、更便捷、更绿色、更和谐。