“四维”数字化建造项目管理框架与系统建设研究

谭 河

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100020）

随着近年来基建项目的发展，项目信息除了类型多样化、信息来源主体广泛及会不断地发生动态变化等特征之外，不同的项目参与者对项目数据及信息的应用有不同的要求，并且对同一信息的处理和应用有不同的要求。因此，项目数据的组织和管理必须充分考虑到数据信息的应用要求，这些要求均可以反映在数据的分类和编码中[1-2]。在处理信息时，很难仅依靠人工处理，因此使用计算机处理技术是当前工程的主要手段。

随着计算机技术的发展，工程信息管理系统被逐步应用于现代工程项目，这种系统既可以提高效率，同时也可以节约资源，完成多方面业务协同管理[3-4]。其中技术手段起到至关重要的作用，很多学者就此展开了研究。陆伟东[5]采取面向对象、数据库与数据挖掘三位一体的技术优化设计了建筑工程管理系统；王继果等[6]分析了利用BIM技术进行项目信息管理的便捷与发展前景；祁孜威[7]研究了基坑工程中基于BIM技术的信息模型分类和编码方式；饶平平等[8]利用多种计算机应用技术实现了一种精细化管理平台的设计。虽然有很多学者对工程项目信息化管理技术进行研究并取得了一些成果[9-10]，但是取得的实际管理效果仍然存在不足，比如管理理念和管理模式还需进一步优化[11]。基于此，本文围绕4个维度构建了数字化建造项目管理框架体系，并以贵州中交沿印松高速公路项目为例，对基于“四维”数字化建造项目管理框架的系统架构及部分子系统进行了详细分析，最后再次强调了BIM及GIS等技术在数字化建造项目中管理信息的重要性。

1 数字化建造项目管理框架体系

要实现数字化建造项目管理，其框架体系要从项目生命周期、建设管理过程、建设项目管理要素和全产品价值链4个维度进行全面考虑，才能全面、有效地集成建设项目管理，建立起清晰、全面、结构化和层次化的建设项目管理体系框架，如图1所示。

图1 数字化建造项目管理框架体系

1.1 建设项目全生命周期

不同类型工程、不同的项目管理模式，有其特定的生命周期。例如，交通工程项目一般按项目决策阶段、项目设计阶段、项目施工阶段、项目验收和总结划分为4个阶段。

1.2 项目全管理过程

管理过程是会产生特定结果的一系列管理行动。一个建设项目全生命周期内的管理行动需要按照一定的管理过程进行，而一般的管理包含5个过程。①启动过程。在这个过程中，项目需要通过正式批准才能进入下一阶段。②计划过程。当项目启动后，开始进入项目计划的编制阶段。③执行过程。按照计划制定，整合各种资源按照计划进行。④控制过程。对执行过程进行监控，利用各项控制措施确保项目按照既定计划进行。⑤结束过程。这是项目结束的阶段，该过程主要完成项目验收竣工过程。这5个过程形成的项目管理全过程可以适用于绝大多数项目全生命周期的每个阶段中。项目的每个阶段都必须遵循上述的项目管理过程来完成管理活动，整个过程紧密联系，环环相扣，以确保整个项目可以顺利完成。

1.3 建设项目管理全要素

管理要素指的是项目全生命周期中涉及管理的各个领域。《项目管理知识体系指南》（PMBOK）的规定指出，考虑建设项目的管理目的与特征，管理要素可以划分为项目管理主客体（范围管理、人力资源管理2要素）、项目管理成果（工期管理、投资管理、质量管理和知识管理4个要素）和项目管理方法（沟通、风险、采购、合同和整合5个要素）3个方面、11个要素。这11个管理要素几乎涵盖了建筑工程管理的所有领域，整个建筑工程管理的成功实施取决于这些要素的管理情况。

1.4 产品价值链

一个项目的整个价值链是产品开发和实现项目价值的过程，而在建筑项目中这就是建筑生产的过程。产品价值链从活动开始，产生相应的交付物则是结果，一个交付物的产生需要一个或多个活动，因此交付物和活动是相互关联的，每个交付物的创造产生最终形成了交通规划项目的产品。

考虑将项目全生命周期、全管理过程、全管理要素及全产品价值链4个方面进行全面集成，最后形成建设工程项目的整个项目管理体系。

2 数字化建造系统的构建

根据数字化建造管理框架体系，以贵州中交沿印松高速公路项目为依托，根据信息化基础设施的国家标准和规范，以现代化、安全性、可用性和可持续性为原则，系统整体架构以平台为基础，以多层分区为原则，基于面向服务的架构（SOA）的理念，共有6层结构，如图2所示。

图2 系统总体框架

2.1 6层结构

2.1.1 统一信息门户层

客户端可以与服务器实现在线通信，有些版块可以扩展到PDA、手机和其他移动设备。统一信息门户为交建公司、项目指挥部和社会公众等提供统一的信息访问入口和界面，并为项目参与方预留了综合管理平台统一访问入口。本架构将把网站信息集成到门户中，增强和优化信息发布和展现功能，整合综合管理系统应用平台和支撑性应用系统，保证综合管理信息的对外发布，有利于对外宣传工程建设项目的综合管理信息，实现各投资项目基本建设信息、建设进展、文件审批、投资进度和公告等信息的发布。

2.1.2 业务应用层

业务应用层包含工程项目管理系统和辅助管理工具软件系统。

2.1.3 系统应用环境支撑层

对GIS平台、BIM平台等外部环境的支持。

2.1.4 数据层

构建统一的项目数据中心是该系统建设的重要工作，其是一项复杂的社会-技术系统工程，其核心标志性工程就是数据环境重建与数据库工程。主要内容包括基础数据库、面向业务主题数据库和专业数据库（如BIM）、数据仓库（DW）的建设等。

2.1.5 物力资源层

通信-计算机网络基础设施平台建设，这包括建立现代化的计算机和通信网络、现代化计算机房、完整的电缆和互联网连接、数据收集和监测设施，建立统一的运营控制中心和运营管理中心所需的设备，以及数据存储、归档和备份。

2.1.6 感知层

利用移动互联设备、物联网实现固定资产现场数据采集。

2.2 业务应用层——工程建设项目管理系统

工程建设项目管理系统是业务应用层中重要的一部分，其主要包含工程建设项目管理系统和工程建设质量安全管理系统。

2.2.1 工程建设项目管理系统

工程建设项目管理系统包含了项目执行管理系统及物资管理系统。前者的结构图如图3所示，可见该部分内容涉及了全寿命周期及建设管理全要素内容；而后者则充分考虑到物资管理在项目单位和公司层面的不同作用，且所涉及的工作性质的极大不同，基本的材料信息、需求计划、材料库存管理、供应商管理、仓库管理、固定资产管理、工厂和机器管理需要以不同的方式应用。

图3 项目执行管理系统结构

2.2.2 工程建设质量安全管理系统

系统对于工程质量的把控主要包含重点区域监控系统、试验设备联网监控、沥青混凝土拌合站数据监测系统、水泥混凝土拌合站数据监测系统和智能张拉与压浆数据联网系统等11个分系统，这些小型系统全面综合地考量了工程建设质量。将这几个小型系统联合呈现在可视化平台上，工程参与各方即可最大程度地了解工程进展及质量监控。

以智能张拉与压浆数据联网系统为例进行详细说明。该系统通过对智能预应力张拉设备及智能压浆设备力值、伸长量、注浆数量和保压时间等数据的实时采集，实现张拉过程及压浆过程的全过程监控，一旦发生偏差，系统以短信报警的方式及时通知技术管理者，确保张拉及压浆过程规范可控。相对于传统张拉设备而言，智能张拉设备要求具备计算机控制系统，能够运用计算机自动控制技术进行张拉操作，同时将张拉过程数据及结果数据自动保存成数据库文件或文档文件，生成相应的记录报表或报告。

2.3 工程建设数据可视化平台

贵州省铜仁市沿印松高速公路项目大数据云平台采用GIS、BIM相关技术，对整个项目从宏观到微观进行展示，包括从整个项目到具体的分部分项工程，以及地理位置、周边环境、工程造价等信息。对具体的主体结构物可选取并展示其三维立体的效果图。

2.3.1 三维GIS+BIM系统

1）建立三维地理信息系统平台。针对不具备无人机航拍条件的路段提供中心线两侧2.5 km的不低于0.5 m的卫星影像。针对具备无人机航拍的路段提供中心线两侧2.5 km的不低于0.2 m的航拍影像，DEM精度达1∶2000，局部重点区域应达到1∶1000，为建立BIM管理平台提供基础地理信息。

2）建立BIM管理平台。以最小工程构件或零件为划分单位，建立工程全线的精细模型，提供建模、空间定位、组织与工程划分结构关联、更新、发布和BIM信息集成的功能。BIM精细模型如图4所示。

图4 BIM精细模型

3）建立基于BIM的项目决策支持系统。以三维地理信息系统平台和BIM平台为基础，通过叠加建设项目管理信息，建立基于BIM的项目决策支持系统，实现三维可视化的设计管理、综合审批和综合查询。

2.3.2 数据可视化平台

数据可视化平台是将项目所有生产要素利用大数据技术、可视化技术及3S技术整合在1个平台中，实现对项目的动态把控。

1）可视化技术。可视化技术可以将科学数据如测量值、来自现场的图像或用于计算的数字信息，转化为物理现象或在空间和时间上发生变化的变量的直观图形，使决策者能够进行观察、模拟和计算。这项技术是智能场所三维表现的先决条件。

2）3S技术。3S技术是1个通用术语，包括遥感（Remote Sensing，RS）、地理信息系统（Geography Information Systems，GIS）和全球定位系统（Global Positioning Systems，GPS）。该技术是空间技术、传感器、卫星定位和导航及先进信息技术的结合，能够实现高度集成和跨学科的空间信息收集、处理、管理、分析、表达、传播和利用。

3）数据库技术。BIM技术的应用是基于数据库技术来进行大数据处理，包括综合利用大规模并行处理（MPP）数据库、数据挖掘网络、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台及可扩展存储等，来实现数据的集中展现，融合安全数据、质量数据、进度数据、投资数据及日常数据进行多角度地动态展示。

3 结束语

本文根据现代工程建设项目信息管理发展现状与不足之处，提出了围绕项目生命周期、建设管理过程、建设项目管理要素和全产品价值链4个维度的数字化建造项目管理框架体系。基于该“思维”体系并结合贵州中交沿印松高速公路信息管理系统平台，从系统架构及其中的工程建设项目管理系统和工程建设数据可视化平台的建设等方面分析了公路工程信息化管理的流程和目的，进一步说明了数字化信息管理需要一定的理念更新和技术创新，可以为相关行业和工程提供一定的参考价值。