BIM体系下的建筑全周期管理应用

林张纪

(福建水利电力职业技术学院 建筑工程学院，福建 永安 366000)

到2050年，全球人口将从当前的70亿增长到100亿，城市人口将从当前的35亿增长到70亿，这意味着全世界城市人口每天新增20万.为了满足全球城镇化如此快速发展的需要，每天要新建13 000座各类建筑设施，以及每年要建造相当于绕地球30圈的道路和铁路[1].这为全球工程建设行业带来了空前的发展机会，根据美国最新发布的就业报告，美国所创造新就业机会中的30%来自于建设行业.而在中国，房屋与基础设施工程的投资建设对国民经济的拉动效应更是不言而喻.同时，这对满足人类社会对可持续发展的内在需求方面也带来了巨大的挑战.我们的施工建造活动有30%为返工，有25%-50%的建筑材料被浪费.为了解决技术和管理水平都相对落后的现象，提高建筑业利润，引入和发展信息技术至关重要.基于此，本文针对BIM体系下的建筑全周期管理应用进行了研究，对项目设计、施工与运维整个过程计划、质量、安全、数据等管理研究，助力建筑信息模型技术给行业带来的发展.

1 BIM体系的概念介绍

到目前为止，BIM技术的发展可分为2个阶段.第一阶段，是0到1，模型从无到有，创建出来，当然最初是设计阶段便发起，所以应该能够生成和作为设计交付成果之一.并且与模型和信息密切相关的应用，比如可视化浏览，分析计算，预演模拟，导出工程量(可能是部分数据)和导出用于加工的数据.事实上，有模型预演、分析计算、可视化浏览、导出、加工、导出工程量等多种集成功能.第二阶段，是第一阶段的升华.不仅设计阶段，施工阶段可以应用，考虑到更多参与方加入进来，就形成了协同工作，同时与更多新技术衔接起来.包括现实捕捉，IOT，VR/AR，今后可能逐渐帮助人工作的机器人.除了上面这些，BIM的主体也已经超出了Building这个范畴，可以包括：水利，电力，道路，铁路，桥梁，港口和隧道等各类市政设施和大土木工程[2].

2 全周期管理应用

数字化建造必然是以具有信息的BIM模型为核心.如图1所示为 BIM在建筑全寿命周期的应用，基于建筑信息模型(Building Information Model)，对项目设计、施工与运维整个过程的成本、计划、质量、安全、数据等进行生产和管理[3].在项目不同阶段，均以BIM模型及数据为工具，实施工程项目生产和管理.由于BIM模型和数据本身就具有数字化的属性，即其最终存储形式，必然是计算机中可以读取和编辑的数据.总而言之，BIM就是建筑本身及其内部各系统的数字化表达.基于可衡量的指标，利用BIM模型进行协同与管理，具有主动性的工程师团队通过完整的协作过程交付项目——高质量的实体项目及数字化模型，结合本国国情提出合理且具有针对性的新型建造方式.

图1 BIM在建筑全寿命周期的应用

2.1 设计阶段

通过数字化的手段虚拟建造建筑，并建立强大的建筑信息库.囊括了视觉感官上的几何信息和大量非几何信息，BIM贯穿项目的整个生命周期.在通往BIM的康庄大道上，我们经常听到这些声音，在这里我们有必要一起去思辨一下，纠正这些看似入门却不可忽视的错误.如图2所示的BIM建模是工程师常规所见，但BIM不仅仅是一个软件，传统意义上，很多工程师理解的BIM就是3D模型，是效果图和翻模，再深入一些就是能够进行碰撞检查的软件工具，用来检查差错.但是BIM并不是仅仅是软件，虽然离不开软件，但不仅仅是3D模型、效果图，更不仅仅是对模型公司来进行.碰撞检查也只是BIM的其中一个应用点而已，项目参与者模型只是基础，荷载体应用与管理并不能脱离.

图2 BIM建模

如果要在项目全生命周期的应用BIM技术，那么在设计阶段就需要更高的精度，以便知道施工和优化设计，方便后期的运维.对于设计图纸要再次交和，并进行协调优化，利用系统功能进一步检查碰撞和图纸表达.会同甲方和施工方共同协商，得出最优的管线排布方案.实现设计阶段的模型优化和深化，尽可能解决施工人员可能遇见的一些问题.

2.2 施工阶段

随着硬件设备的不断革新，例如可以完成各项专业工序的机器人的发展，将很多生产线上的工作从工厂搬到了工地，直接在项目现场完成属于现场的工业化生产.这样工厂流水线与现场流水线相结合，这是全产业预制化的必然趋势.伴随人力成本提高，通过机器人辅助或替代人类完成工作的需求愈加强烈.西方国家早已面对施工现场人力成本高的难题，因此研究机器人施工较早.中国伴随老龄化和人力成本增加，施工工人年龄层次老化等，迟早需要面临此类问题，Autodesk在机器人和人工智能学习方面也很早就投入了研究[4].

如图3所示是机器人代替人工施工的现场场景，未来的建筑工地将变得越来越自动化.想象一下装配线，是在建筑工地上，而不是在工厂里组装，而不是在项目现场建造建筑部件将提高效率，废物将减少，因此对环境的影响将更少.来自 BIM 模型的安装说明将实现现场建筑零件的完美装配.工厂模块中嵌入的 QR 代码将允许实时跟踪生产、交付和最终安装.这将实现及时交货和及时生产，数据无缝地从设计流到项目现场.

图3 机器人代替人工施工

住宅施工过程如下流程所示：

构件生产→轻钢结构框架加工→布置石膏板→布置外墙保温→布置防水→安装窗→抹灰；

模块装配→在装配小车上布置楼板构件→通过插拔连接电缆→固定墙构件→安装预制湿墙→安装吊顶→填缝→质量检查；

标准化施工现场→RFID控制运输→放置和连接模块→房屋外装→通过设备配置实现个性化；

模块化社区扩容→无需额外增加地块→模块化叠加准备→对环境和居民降低至最小→使用已有的结构→外装完成，匹配原有立面样式.

2.3 运维管理阶段

施工方数据整合和管理虚拟建造平台，平台最大的特点是将设计的虚拟数据和三维扫描、倾斜摄影两种真实数据进行结合，做到虚实结合，分阶段实时调取查看.平台可以任意的开启和关闭数据源，让不同数据进行对比.同时，数据随着工期安排进行不断的更新和叠加，并通过计算机计算，用颜色显示计划工期与实际工期之间的差别，也可以反向寻找其甘特图中关联的工序，也可以比较出实际进度快的区域和原计划之间的差异，并可以通过平台判断出其中的专业队伍进度等.外部的数据通过扫描和拍摄，内部的数据可以通过三维扫描，结合机器人完成.

运维管理系统开发引擎及开发平台是运维管理的关键技术.如图4所示，目前的平台系统存在问题在于离散的构件管理与建筑设计不匹配，部分构件和规则管理超越了BIM的范畴，仅借助BIM难以集中管理构件库，产品设计者的知识与构件和规则管理系统割裂，离散的文档分布在多个项目中.Project Frog——可扩展预制建筑系统，能够在云端集中管理所有构件和数据，根据项目规模扩展.兼顾企业构件库和项目构件库，整合构件与规则库自动版本控制，项目层级维持DfMA规则，实现了表1所示的功能.

图4 构件和规则管理超越了BIM的范畴

因为管理系统的设计与开发，基于软件使管理更加高效，如图5所示能够让BIM模型在三维场景中平移、缩放、旋转、动态查看.平台功能具有基础数据维护和关联信息的功能.基础数据包括种类、类型、材质、品牌、单位、用途、联系方式等等，维护记录包括维修记录、单号、故障原因、解决方案、人员工号、维修结果等等.关联图纸信息包括图纸编号、上传时间、图纸名称等.基于BIM模型，能够对信息进行快速查询用户，可以根据需要对基础设施进行修改.在提高效率的同时，增加了管理的安全性，并进行信息共享，加强日常运营工作的交流和经验分享.

图5 获取详细的数据分析

工程建设行业需要科技、需要数字化，来提升效率与质量.信息化是手段、工具，以物理世界为主，生产、管理行为借助信息化手段进行改进和提升；信息化是为了线下的物理世界的活动而服务的；流程是核心，软件系统是工具，而数据是软件系统运行过程中的副产品.如图6所示能够在Web端浏览和管理设计模型数据.数字化是思维模式的转变，包括BIM、物联网、3D扫描.将物理世界重构建模到数字化世界(可以是提前，也可以是事后)，人类大部分活动及交互都在数字化世界中进行，决策指挥信息回到物理世界指挥(机器)人、设备和机器完成操作.

图6 在Web端浏览和管理设计模型数据

3 实现CAD到BIM转化的实施步骤

中国专业建筑事务所从CAD到BIM的转化过程中可能遇到种种问题，必须要以下关键步骤，来解决组织和交付BIM项目中存在的问题.开发执行BIM计划的相关资源，这其中建筑师居领导的角色，采用六个步骤，分别为：明确为何使用、预期目标、行动计划、资金支出、BIM软件、组建团队.现将实现CAD到BIM转化的实施步骤分述如下.

第一，动机.即为何使用BIM，要理解向BIM转变的原因和出发点.例如，恰当实施BIM可以提高公司的收益率，降低失误率，节省时间，提高工作质量，或者是为了满足客户所需要的交付方式与要求.一些客户，包括政府机关、大学、企业等供应商有自己的BIM实施计划，他们理解的BIM应用，对于整个项目周期或终身规划都具有长远的效应.另外，BIM的转变也有可能是为了改善行业的发展趋势，扩大公司的客户服务范围，拓展新的业务机会.

第二，目标.一旦确定目标，就要制定日程计划，估算所投入的时间和成本.判断是否会产生新的交付成果，带来新的客户类型，拓展工作范围以及工作方式的转变.其目的是为了自身拥有新的自定义工具，实现贯穿设计始终的BIM分析，形成BIM支持的集成项目交付，可提供新的服务.

第三，计划.创建一份书面整合计划，明确公司项目在不同阶段大概的费用明细，明确对具有施工人员经验的工作人员和技术熟练的员工的人员配置，并且与其他使用BIM的项目比较提供衡量标准.

第四，投资.明确能够付出多少初期资金的支出，并且投资回报率是多少，要考虑前期的成本，内容包括软件、硬件、培训，支持雇佣或培训一位专门的BIM咨询顾问.避免由于初期对新软件、硬件操作需要逐步熟悉而造成的效率低下.

第五，工具.选择合适的BIM软件程序和硬件设备至关重要，工具需要与公司员工的工作方法相适应.市场上涌现的多种软件和硬件工具，它们都有各自的优势和劣势.每个软件都有自身的一批拥护者，应当多于软件用户群进行交流，参加用户组会议，通过阅读网络博客来掌握基础技巧和必不可少的重要功能.需要明确的是，想要得到完全客观的意见是不现实的，最好的信息来源是那些具有想法和出色专业能力并且熟悉公司的专业人员.

第六，团队.团队成员至少要包括合格的BIM协调员、it经理、项目经理和总负责人，找到并雇佣那些具备精准专业知识，将其应用于建筑实现各个领域的人才是极为重要的.

4 结语

中国工程建设行业的数字化进程，始于80年代初期CAD技术的引入和普及，帮助行业甩掉图板.从2002年初开始，BIM理念与技术开始被提出和传播，BIM帮助工程项目各参与方在全生命周期过程中能够基于智能的三维模型，实现高效和更准确的设计.而今天，BIM与云技术、移动互联网技术结合，使得整个项目的设计、施工管理过程更加方便.未来随着行业数据更加丰富，BIM将与人工智能、机器人、物联网等先进工业技术进一步集成应用，形成工业化BIM，促进“工业化BIM”时代的到来.