一种基于轻量化BIM的工程全过程管理系统的设计与实现＊

周明升，张 雯

(1.上海外高桥保税区联合发展有限公司，上海 200131；2.玫琳凯（中国）化妆品有限公司)

0 引言

工程建设项目涉及计划、进度、成本、质量、风险、安全等多要素，工程立项、实施、验收、保修等多环节，投资单位、承建单位、专业分包、监理单位、行业监管部门等多主体。麦强等学者研究了重大工程管理决策中决策关联性、认知模糊性和偏差性、知识有限性等复杂性因素对决策过程的影响，提出用系统化方法降解重大工程项目管理复杂性[1]。李恒等学者比较了BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）在建筑项目的应用模式，认为建设单位驱动的BIM 应用更加适用我国工程项目管理[2]。

将BIM 虚拟化技术应用到工程管理系统是近几年的研究热点，STOTER等以荷兰为例，构建了国土三维空间系统模型[3]，陈永高等构建了基于BIM 和物联网的工程风险预警和管理系统架构[4]，程雨婷等按进度管理模式、进度信息管控、进度信息系统过程，构建了基于BIM 的工程项目进度管理系统[5]。张毅等、任万鹏等分别将BIM 应用于铁路和公路工程项目管理[6,7]，赵文滟研究了BIM 在亚运场馆设计和建造过程中的应用[8]，刘欣悦研究了BIM 技术在建筑工程项目管理中应用[9]。

工程建设项目涉及环节多要素多，数据来源复杂格式多元，工程项目管理系统面对分散的海量异构数据，数据如何准确及时完整采集、处理、存储、加工和呈现是工程建设项目管理系统发挥效果的关键。为解决多源数据汇集管理和BIM 建模加载（传统BIM 模型比较复杂，加载慢）问题，本文设计一种面向多源数据、基于轻量化BIM 的工程建设项目全过程管理系统架构，实现工程建设项目的全过程全流程管控，全要素直观展示和动态监管。

1 系统整体架构

1.1 系统架构

系统总体采用B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构，通过浏览器访问。如图1 所示，系统架构上分为用户层、展示层、业务层、数据层四层。

图1 系统整体架构图

用户层：系统使用对象包括工程投资建设单位、工程承建单位、专业分包单位、投资监理单位、政府相关监管部门等。展示层：系统可以通过浏览器访问、移动设备访问、在监管大屏展现。业务层：系统对工程项目管理全过程BIM 应用、GIS项目管理、全程计划管控、进度管控、过程管控、质量管控、风险管控、安全管控、系统管理等。数据层：系统提供数据采集总线和数据处理总线，分别用于多源数据采集和数据处理。

1.2 数据总线

⑴数据采集总线

如图2所示，数据采集总线分为数据接口、系统服务、系统接入三类接口，其中数据接口对接BIM 数据、GIS 数据、CAD 图档、现场视频、政策法规和其他数据等多源数据，系统服务对接报批系统、财务系统、资金系统、档案系统、知识管理系统、其他系统等自建自有系统，系统接入对接承建单位系统、专业分包单位系统、监理单位系统、政府报批报建系统等第三方系统。

图2 系统数据采集总线架构图

⑵数据处理总线

数据处理总线进行数据汇集、数据校验、数据清洗、数据加工和数据呈现。本文构建的系统定义主数据，并对主数据对象实例进行标签化，以提高系统加载和综合查询响应速度。以工程项目标签化为例，增加检索频次、进度标签、投资标签、过程标签、质量标签、风险标签、安全标签等标签，提高检索和加载效，见图3。

图3 对象实例标签化处理（工程项目）

2 系统功能模块

功能模块见图4，系统将BIM 模型应用于工程建设项目进度展示、投资管理、安全监测、质量验收等，通过GIS 进行工程建设项目地理信息、项目进度等管理。系统研发了适用于浏览器的项目画布图，用于工程项目计划管控，实现项目进度计划、投资计划、销项计划等项目进度管控，项目立项及进度变化审批通过系统实现。项目进度管控模块对项目进度执行情况进行管理，项目督办和进度管理。项目过程管控模块对项目立项、工程合同、工程付款、工程项目签证等进行管控。项目质量管控模块包括项目质量巡检、质量整改、质量验收等功能。项目风险管控模块包括现场施工风险、交叉施工风险等功能。项目安全管控模块包括工地安全管理、应急预案演练、现场巡查及整改等功能。系统管理模块包括用户信息、角色管理、用户管理、日志管理等功能。

图4 系统功能模块

3 系统流程设计

工程建设项目全过程管理包括进度管理、过程管理、质量管理、风险管理、安全管理等多方面，涉及工程项目进度管控、工程质量巡检、工程合同及付款申请等流程。

⑴项目进度管控流程

如图5 所示，编制工程项目立项，进行立项审批，若审批通过则进入项目执行阶段，若未通过则返回立项编制环节进行调整，调整后再次报批。项目执行过程中各环节维护项目进度，系统计算各项目进度是否超时，若超时则发出项目督办单，直至工程项目验收通过。

图5 工程建设项目进度管控流程

⑵工程合同及付款管理流程

如图6所示，根据工程项目立项，进行工程招标和评标，若中标单位不是已有合格供应商则先进行合格供应商入库，确定供应商后进行合同签订，合同签订后进入合同执行环节，合同执行过程中发生变化，可通过补充协议或工程签证进行调整，协议或签证审批通过后调整合同金额。根据工程项目进度发起工程付款申请，若需要决算则进行决算，直至工程项目验收。若有质保金，则质保金到期后发起质保金请款申请。

图6 工程建设项目合同及付款管理流程

4 BIM全程应用

本文构建的工程建设项目管理系统全过程应用BIM 模型，通过BIM 建模工具和轻量化引擎实现模型快速搭建和快速加载，通过BIM 全程应用，对工程建设项目的进度、投资计划、安全监测、工程质量等进行全过程管控。

4.1 BIM建模和轻量化

BIM模型建模和加载通常需要Revit等专业软件，服务器资源占用大，加载速度慢，为提高加载和响应速度，本文对BIM 模型进行轻量化，可通过Chrome、Edge 等浏览器加载。如图7，本文构建的BIM 模型轻量化引擎包括模型信息提取、模型轻量化、模型文件转化三种功能[10]，通过快速建模工具、快速修改工具和批量化检查工具实现模型信息快速提取，通过场景空间划分、对象增量绘制、对象内存池图元合并减少等，实现BIM 模型轻量化，通过构建模型流、对象惟一表达、模型数据压缩等模型文件转换实现BIM 模型快速加载。

图7 BIM模型轻量化引擎

4.2 BIM模型应用

本文构建的BIM 在项目进度、投资计划、安全监测、项目风险、工程质量等工程建设项目全程应用BIM 模型。①工程项目进度管理：系统实时传感数据绑定BIM 模型，展示工程建设项目实时情况，基于BIM 技术展示工程进度及施工模拟、工程安全隐患、工程监测信息、质量验收等信息数据。②投资计划管理：将工程建设项目工作量和财务支出情况通过BIM模型方便系统用户直观的监控项目实际投资与项目进度投资差异，辅助做出建设成本判断。③安全检测管理：基于BIM 模型，集成监测点数据，实现三维可视化数据分析和展示，及时掌握工程安全风险情况。④工程质量验收：基于BIM 模型，现场实际与计划比对，对现场施工进行质量验收。⑤交叉施工管理：用户通过系统BIM 模型，能够更加清晰、直观地查看工程交叉施工状况，可在系统中记录交叉风险点位置、周边环境、采取措施、地质条件等信息，进行交叉施工风险管理。

5 项目全程计划管控

本系统研发了适用于浏览器的工程项目画布图，实现工程建设项目全程计划管控，如图8示，通过项目进度画布图对工程项目节点及完成情况进行管理，纵向为各个线路，横向为时间轴。各节点中，关键节点通过小旗子来强调，灰色节点代表还未达到，绿色节点表示准时完成，红色节点表示超时。

图8 工程建设项目进度管控

通过显示比例、回到左上角、显示/隐藏节点名称、显示全部、下载进度图、显示/隐藏栏等功能键对画布显示进行调整。进度管理人员可新增、编辑、禁用各项目节点，定义和维护工程项目节点计划。项目管理人员根据实际维护各节点完成情况。

6 系统功能实现

系统采用B/S架构，通过浏览器访问，如图9，界面上部为系统名称、页面名称、用户信息、系统登录退出等信息，左侧的分类栏可以根据页面功能出现或隐藏（如工程立项中可列示工程类型、园区列表等），右侧分上下两部分，上半部分为检索条件，下半部分展示查询结果列表或详情。

图9 系统功能界面

系统各功能模块可以按需选配，该系统已在上海自贸区（外高桥片区）得以实施和应用，覆盖10平方公里区域[11]，部分功能如图10～图12所示。

图10 系统首页

图11 工程项目立项

图12 工程合同管理

7 总结与展望

本文构建了面向多源数据、基于轻量化BIM 的工程建设项目全过程管理系统架构，实现工程建设项目计划管控、进度管控、过程管控、质量管控、风险管控、安全管控等全过程全流程管控。本文解决了传统BIM 模型建模复杂、加载慢的问题，通过BIM 建模和呈现的轻量化技术、对象标签化等方法，使系统可以在主流浏览器快速加载。通过数据采集总线和处理总线进行数据管理，解决了多源数据汇集和处理问题。通过适用于主流浏览器的工程项目画布图，对工程进度进行动态化管控，使数据更加客观透明和有效。该平台在上海自贸区实施和应用，工程进度、计划、安全等管控水平大幅提升，工程造价每年节省几千万元。

后续，可在系统功能深度和广度上扩展，推进系统数据积累和应用，不断提升工程全过程管理信息化、数字化、智能化水平。①与更多供应商的信息系统实现互联互通，实现更多业务系统级交互。②与工程项目成果运行维护阶段的信息系统（如房产经营、园区管理、项目运维等系统）互联互通，建立建设、管理、应用一体的管理系统，持续推进BIM 可视化应用，通过机制/体制创新，使各类数据得以持续更新，更大程度上发挥模型价值。③建立健全工程建设项目标准化体系，实现建设单位、承建单位、监理单位等管理程序体系的一体化，形成良好的工程建设项目管理生态体系。