基于BIM 5D 的项目安全与质量协同管理研究

曹源 吴贤国 冯宗宝 李昕奕 刘俊

（1. 重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160；2.华中科技大学，武汉 430070）

引言

当前，中国处于高速发展阶段，“数字中国”已成为中国的一张新名片，作为中国经济支柱性产业之一的建筑业，迎接数字化转型自然顺应数字化变革趋势[1,2]。BIM5D 技术随着建筑业的信息化应运而生，尽管该项技术已经提出了很多年，但由于不同因素的影响，应用效果并不理想，还处于初级探索阶段，与国外一些发达国家相比还存在差距[3]。为此，近年来，国内行业学者和工程技术人员围绕如何将BIM 技术与工程项目施工过程相融合这一课题开展了研究。例如，张铭等[4]基于BIM 进行建筑结构机电多专业协同设计研究。袁俊平等[5]基于BIM 研究大坝可视化安全监测。焦迎春等[6]把BIM5D 技术应用在施工阶段成本控制中。研究主要集中在大土木范围项目的可视化应用，多侧重利用BIM 技术解决项目管理中设计也有涉及建设过程中质量与安全协同管理及其应用模式问题的研究，但基于BIM 技术的管理操作主要依靠高性能计算机及桌面客户端，限制了操作人员的使用地点，使得大部分项目的施工管理都是由人工去主导，其工地的施工情况都是在上报处理前，通过现场人工查看确定信息，然后再做出相应的处理方案，造成了信息反馈不及时或遗漏，也增加了现场质量和安全隐患[7]。同时，还可能出现生产效率和工程质量水平降低、成本提高、施工周期延长、工程事故增多等情况，特别是对于一些重大工程项目，由于工程量普遍较大，难以通过传统的手工方式记录信息确保工程质量和安全，这就更加迫切地需要信息化管理[8,9]。根据我国住房和城乡建设部发布的数据和文献显示，建筑行业成为我国最危险的行业之一[10,11]。如何保障工程质量，保护施工相关人员的生命财产安全，减少安全事故的发生，避免安全事故瞒报、漏报，杜绝安全隐患迫在眉睫。为此，系统思考与分析基于BIM5D 的安全与质量协同管理就显得尤为重要，具有重要的实践应用价值。

鉴于此，笔者将BIM 技术引入项目安全与质量管理工作中，通过“事前预防”的BIM 技术（建立Revit模型、深化设计、施工模拟、可视化技术交底），和“事中控制”的BIM5D+智慧工地决策系统，实践验证了基于BIM5D 的工程安全与质量协同管理的可行性。

1 基于BIM5D 的工程安全与质量协同管理构思

BIM 是继 CAD 之后，建筑业第二次颠覆性的设计改革，是AEC（建筑（Architecture）、工程（Engineering）、建造（Construction））行业中最重要、最具发展前景的变革之一[10,11]。BIM 模型与传统的3DCAD 模型不同的是，在传统的3DCAD 模型中，3DCAD 只描述具有独立三维视图的设施点(如平面、剖面和垂直)。如果修改了其中一个视图，则必须相应地更新其他视图，而BIM 模型的信息更新则是同步的。此外，3D CAD绘图中的数据只是图形实体，例如直线、圆弧和圆。相反，BIM 集成更丰富的语义信息，整个生命周期中的所有几何和功能属性在一个“智能对象”集合[12]。4D 建模过程引入了另一个维度——时间的虚拟表示，这意味着BIM 过程的所有方面（图形模型、管理、成本、资源、安全问题等）可以从时间角度表示、查看和分析。如今，包含成本估算的第五维度（5D）被许多研究人员和行业专业人士所接受[13]。因此，可以将BIM 的应用描述为允许动态虚拟分析进度、成本、资源、安全、质量等的3D 数据扩展到ND 信息模型的过程。这个nD 模型提供了一个数据库，让利益相关者能够紧密有效地共享资源，通过同一系统检索所需的信息，从而有利于项目参与各方在整个项目生命周期中协调工作[10]。所以，广义上说，BIM 既是一种信息模型，也是一种数字化建造的技术和理念。另外，随着经济和文化的进步以及公众对质量、安全、环境的关注，“以人为本的价值”正在逐步提上议程，获得经济利润不再是项目管理的最大目标，BIM 技术开始用于项目的质量和安全控制领域。

本研究注重安全和质量问题的“事前预防，事中控制”，借助BIM5D 工程智慧建造安全与质量协同管理原理和广联达智慧决策系统，构建思路如下：

（1）事前智能建造，预防安全和质量问题。

利用智能建造技术，建立信息模型。设计阶段通过碰撞检查，施工前通过虚拟建造，对工人及相关技术人员进行三维可视化培训和技术交底，提升技术交底的效果，还可以提前把关系工程质量和安全的问题暴露出来，在缩短工期的同时，达到消除安全隐患和保证工程质量的目的。

碰撞检查是指在工程项目中各不同专业(结构、暖通、消防、水电等)利用BIM 技术对空间碰撞预先(一般为设计阶段)进行检测。从前在CAD 二维图纸中，不能清晰的了解管线、设备等专业线型空间的走势，导致在施工阶段，才发现管线产生碰撞，造成工期的延误、带来经济损失，严重时甚至影响施工安全和质量。现在利用BIM 技术，在设计阶段，通过BIM 模型可以直观地查看管线碰撞问题，并利用软件生成检查报告，减少因“错、漏、碰、缺”等原因造成的经济损失、人工浪费等问题[14]。

虚拟建造是指通过BIM 技术建立信息模型并对施工过程进行模拟，实现施工过程的实时、逼真预演，进而对已有的施工方案进行验证、优化和完善。在对施工过程进行三维模拟操作后，能预知在实际施工过程中可能遇到的问题，避免或减少返工导致的工期延长和资源浪费，避免不必要的质量和安全问题，提高施工效率[15]。

可视化技术交底基于BIM 技术进行建筑项目三维可视化交底。建筑行业一线的建筑工人文化程度普遍不高，传统的交底不够直观，工人往往看不懂，记不住，相关的措施规定不能有效传递至工地现场，使得技术交底流于形式，从而埋下安全和质量隐患[16]。而BIM的表达方法“所见即所得”，更有利于施工人员直观领悟，从而做到心中有数。尤其对一些复杂工艺方案和复杂节点，在提高效率的同时，可以保障安全和质量。

（2）事中信息化管理，控制质量与安全问题。

施工安全和质量一直是工程施工的一个大问题，很难用数据进行量化，控制起来难度大。另外，在传统的施工方式中，施工管理人员对安全的防范意识很薄弱，总是等到出现问题才去解决和关注，对于整个工程项目来说，这样不仅会拖累工程进度，还会造成不必要的损失。本研究利用广联达BIM5D+智慧工地数据决策系统，收集、整理、分析移动终端收集到的各类安全问题，以图表形式呈现分析结果，并对重要问题进行实时预警。管理人员可以及时发现问题并督促整改，保证项目安全，提升工程质量。管理人员能及时发现问题，督促整改，使工程项目安全得到保障，工程质量得到提高。

2 基于BIM5D 工程安全与质量协同管理实践

2.1 工程概况

项目拟建地点位于成渝高速以北、兴龙大道以东的重庆某校区东北角。项目地上六层、地下两层、建筑高度23.85 米。建筑工程等级为一级，基础形式为独立基础和桩基础，主体结构为框架结构，场地类别为Ⅱ类，总建筑面积31 483.08m2，集办公、教学、实训一体，地下车库为三个实训楼共用。

2.2 工程难点及关键问题

2.2.1 技术问题

三栋实训楼共用一个地下车库，车库较大，管线较为复杂，所以对模型进行深化设计及施工模拟就显得尤为必要。通过深化设计，可以让问题提前暴露，缩短工期，使整体布局更加美观从而更好地实现其功能性。

2.2.2 管理问题

工程实施是整个工程周期的关键环节，工程实施中会遇到各种管理问题，会遇到类似新冠疫情等突发事件或者设计冲突问题，采用传统的管理方式效率会有所降低。为此，结合整个实训区域的项目，有必要采用信息化管理。

2.3 前期准备

2.3.1 信息模型的建立

BIM 信息模型是进行项目管理的基础，该案例项目的信息模型及渲染图片如图1 所示。

图1 项目信息模型及渲染图片

2.3.2 信息集成模型的建立

BIM5D 的信息模型集成如图2 所示，可以直观地呈现建筑模型及构件，能够直接获取各方面信息。同时，还具备可进行模型展示的漫游功能，为项目管理提供数据支撑，大大减少了施工方和设计师的交流障碍，实现有效决策、精细管理的目的。

图2 BIM5D 集成模型

2.3.3 BIM5D 智慧工地管理系统界面设计

BIM5D 工程智能建造安全与质量协同管理研究是采用广联达数字管理平台对工程进行创建和管理。登录电脑端或网页版会出现一个管理系统，根据需要进行不同的界面设计和使用。

（1）项目概况

把Revit 模型导入智慧工地系统，为后期安全与质量管理做准备，其界面如图3 所示。

图3 BIM ＋智慧工地数据决策系统-项目概况

（2）质量管理

该界面可以进行质量问题统计和分类，还可以把尚未解决、需谁解决的问题进行统计和注明，将施工过程中出现的质量问题类型，质量负责人，质量问题趋向以图形的方式，直接且全面的展示出来，如图4所示。

图4 BIM ＋智慧工地数据决策系统-质量管理

（3）安全管理

该页面能够把容易发生的安全隐患、安全隐患类型、安全隐患的趋势、未销隐患的负责人、未消隐患的分析以图形的方式直接清楚的表达出来，工程中的隐患和隐患对应负责人可以清晰呈现，使竣工与建议复查更方便快捷，如图5 所示。

图5 BIM ＋智慧工地数据决策系统-安全管理

2.4 工程管理的应用实施

2.4.1 深化设计

在模型基础上进行管综碰撞检查时，本项目最多最常见的就是喷淋支管与其他线管产生的碰撞，碰撞数量高达123 处，如图6 所示。通过碰撞检查，提前把关系工程质量和安全的问题暴露出来，缩短计划工期1 个月。

图6 喷淋支管与其他线管产生的碰撞结果

2.4.2 事前施工模拟及可视化技术交底

利用广联达BIM 施工现场布置GCB 软件对本工程进行施工模拟，将施工顺序、资源调配等问题进行提前预演，模拟结果如图7 所示。在此基础上，进行可视化技术交底，如图8 所示。

图7 本项目施工动画模拟结果截图

图8 可视化技术交底

2.4.3 事中质量与安全信息化管理

在质量安全信息化管理要做到以下几点。

（1）质量安全问题库的建立

创建问题时，相应的负责人、审核人、整改人就会收到质量问题信息。整改人整改完成后，同时可以把未销项问题部位导出Excel 表格，审核人的手机平台就能立即更新记录，及时上传文字、照片、视频等信息资料，即便甲方或项目经理不在现场也不影响整个工程进度，实现了数字化工地全程实时监控。

（2）质量与安全问题的统计与查询

BIM 智慧决策系统通过问题统计及问题台帐等维度进行大数据分析，质安经理及项目经理可随时进入网页及手机端质量或安全管理模块查看质量和安全问题台帐。

（3）质量与安全问题定点巡视

①管理层可在系统质量和安全管理模块设置巡查点、巡视内容、巡查要求、巡查频次，在BIM 模型中进行标记并推送给指定巡视人员。具有安全、质量从业资格的现场巡检人员通过手机端接收巡视任务，在施工现场相应位置，根据巡视具体要求进行针对性定点巡检，将问题添加巡视记录，发现问题及时进行预警和上报，降低巡检给各个部门增加工作量。所有数据自动分析，为后期追责及分包管理提供科学数据支撑；

②通过巡检信息显示的位置，结合施工图，找到需要修整的位置，然后拍照上传，待复查Web 能发布非常详细数据，能第一时间解决问题或把解决问题的权限移交给能够解决该问题的人。

（4）质量与安全问题整改动态跟踪

利用BIM5D 智慧决策系统对质量和安全问题进行多视口可视化动态管控，工人未佩戴或者未正确佩戴安全帽、脱离正常工作范围等不安全行为都会及时进行预警。另外，系统每天对任务完成情况进行自动分析，全面掌握施工进展。针对以上巡查的质量、安全问题进行整改，对整改过程进行动态跟踪，具体步骤如下：

①巡查问题发布后，作为整改人的手机数字项目管理平台APP 上，就会收到一个整改提醒，登录后整改问题就会清晰呈现，包括问题的产生、现状、危急程度以及在工程的哪个部位。整改人整改完成后，在数字项目管理平台APP 上传整改好的质量问题部位，然后转交复查人。复查人复查确认没有问题后交由审核人，如果有问题，就会发回整改人，重新整改。审核人确认无误后问题才算整改完成。如果遇到没有办法整改的问题，复查和审核的人还可以进行权限转交，问题整改记录；

②整改完成后，上传整改数据，由复查人员进行复查，复查时拍照上传现场照片或者视频以确保信息的准确性并留存档案，保证数据的准确性。移动端接收整改数据，通知复查人员进行复查，复查合格给予通过，退回或移交权限，让高一级的人员核检，进一步加强质量和安全；

③核检人员接收数据，进行核检。移动端通知核检人员进行核检，合格给予通过，不合格退回或移交权限，让高一级的人员核检，保证现场施工的质量和后期安全。

综上所述，在施工质量管理方面，广联达BIM5D智慧决策系统比起传统施工方式的质量管理提供了新的管理工具，能在BIM 模型中将出现质量问题的构件标明，还可以在现场记录问题并进行动态跟踪，对于后面的整改人员来说，大大提高了工作效率，也保证了工程质量。在施工安全管理方面，广联达BIM5D 智慧决策系统也打破了传统的管理模式，通过系统对施工安全问题进行录入及采集，可以实时查看施工中出现的安全问题。系统会自动统计问题并生成问题曲线，通过曲线可以知道安全问题数量、类型、发展趋势等等。我们可以根据曲线判断安全隐患是否排除，处理的时间。这样提高了工程中安全问题的发现率、整改率和管理人员的工作效率，更好地保障了项目的安全。

3 结论

数字时代的到来，迫使建筑行业转型升级。本文基于BIM5D 工程智慧建造进行安全与质量协同管理构思实践框架，并基于实际案例进行研究分析。首先，建立了广联达BIM5D 所需要的信息模型，并依托广联达智慧工地管理系统进行界面设计。然后，在施工前，对信息模型进行深化设计和施工模拟，将质量和安全问题提前暴露。最后，依托广联达智慧工地管理系统对质量与安全管理进行协同管理。通过以上研究得出了如下结论：

（1）建立信息模型并进行地下室管综深化设计，可以减少返工造成的不必要麻烦，提前把工程质量和安全问题暴露出来；

（2）通过施工虚拟模拟可以保证物资的有序进场和合理堆放，为安全文明施工提供基础；

（3）通过BIM5D+智慧工地数据决策系统将移动端采集的各类质量与安全问题进行归集、整理、分析，将分析结果以图表形式呈现，并对关键问题进行预警，及时发现问题，保证项目安全，提升工程质量。

4 展望

传统施工管理主要依靠管理人员的经验和水平判断，更多采用事中和事后控制，难以实现项目的全面管控，难以实现各参与主体的及时协调。本项目基于PDCA 循环原理对项目进行“事前虚拟预防”，“事中智能管理”，并借助智慧建造技术和广联达BIM5D+智慧工地数据决策系统进行项目安全与质量协同管理。但研究并不深入，主要存在以下问题：

（1）研究广度需要提升。在应用过程中，仅对安全和质量这两个施工中最为关注的话题进行了挖掘，没有考虑其他成本、进度、碳排放等方面的问题，应用的广度有待提升，后续研究广度方面同样需要继续努力；

（2）研究深度有待挖掘。质量和安全问题是很难进行量化的，后续研究需要关注质量和安全问题的量化方法，争取做到与成本、进度一样的量化和多目标优化，进而推进信息技术驱动的建筑行业创新发展。

在建筑行业进入信息化时代的路上，信息管理必将会与5G 技术、物联网技术结合，必将给建筑行业带来更多的效益，我们期待未来更深、更广的研究和探讨。