基于BIM 的工程項目精益建造管理

趙金煜 尤完

(北京建筑大學，北京 100044)

0 引言

建筑業在國民經濟中具有支柱產業、民生產業、基礎產業的地位和作用。我國工程項目管理的發展正面臨著科技理念、人文理念、綠色理念的挑戰，為了克服傳統建造方式的諸多弊端，必須積極尋求更加高效的建筑產品建造方式的新途徑。把制造業的精益生產方式引入工程項目建設領域而形成精益建造體系，以及把BIM 技術應用于精益建造管理的過程，能夠較大幅度地改善傳統建筑業的標準化、定量化和精確度。可以說，以工程項目全生命周期集成管理思想為特征的BIM 技術為全面實現精益建造目標提供了有效的支持平臺。

1 工程項目管理面臨的挑戰

隨著社會發展和技術進步，現代建筑產品日益體現出設計理念超前、結構造型復雜、科技含量高、功能標準嚴、施工難度大的特點，因而，工程項目建設過程和工程項目管理面臨著諸多難題和重大挑戰。

1.1 工程結構復雜，質量控制難度高

當前，越來越多的工程項目由于使用功能和藝術美感的需要，結構復雜，技術難點多。依靠傳統的施工作業方式與技術手段，項目實施和質量保證的風險系數很高，項目管理者需要掌握更多的技術、材料、質量控制、環境管理方面的知識，同時對項目管理者的技術能力也提出了很高的要求。

1.2 項目組成繁雜，成本更難估計

項目的組成內容龐雜，材料設備的采購品種繁多，非標準配件應用更多，這種非標準配件是為單一項目設計的，因此難以進行準確的成本估價。這種非標準配件的尺寸和結構在施工過程中對于項目進度、質量、成本、安全目標的控制具有很大的影響。在多數情況下，這種非標準配件只有應用在項目的具體部位上才能發現是否合適，不合適將造成巨大浪費。這就要求設計更加精確，對于設計者的業務能力也提出了更高的要求。

1.3 項目參與方眾多，協同困難大

對于大型項目，項目參與方多，需要溝通的信息量大，涉及的專業較多，工序立體布局、交叉煩瑣，傳統的協調方式易產生信息傳遞不暢或理解不一致等問題，造成效率低下，延誤工期。因此，需要項目參與各方有一個統一的信息獲取渠道，需要項目管理者具有更高的協調管理能力。

為了應對建筑業發展進程中工程項目管理面臨的挑戰，必須積極探索和尋求更加具有高效率的建筑產品生產和管理方式，其中，精益建造以及BIM 技術在工程項目建設過程中的應用成為重要的選擇。

2 精益建造方式的發展

精益建造起源于機械制造業的“精益生產”方式，精益生產的研究對象是制造業的流程，是流動的產品在流水生產線上由固定工位的人來從事生產操作;精益建造的研究對象是建筑產品施工過程，是固定的、獨特的建筑工程項目和流動的工序及對應的流動狀態的人所從事的施工操作。

2.1 精益建造思想的形成

精益建造思想是人們對建筑業生產過程中普遍存在的浪費、拖延、不合格、失控等偏差現象的反思而逐步形成的。例如，美國《經濟學人》對建筑業施工過程中資源浪費現象的調研表明，25% ～30%的工序流程是返工工作，30% ～60%的勞動被浪費，10% 的材料被浪費。2006 年，Ekambaram Palaneeswaran 在考察中國香港地區的建筑工程項目后發現，僅施工返工造成的直接成本損失就達到了合同額的3.5%，間接成本損失達到1.7%，由于返工造成了10% 的工期進度損失［1］。

更具有復雜性和不確定性是建筑產品建造過程與工業產品生產過程相比所具有的顯著差別，因此，不能簡單地將機械制造業的精益生產直接移植到建筑產品的建造過程，而是要立足工程項目建設的特點，引入精益生產的基本原理，對工程項目建設和管理過程進行系統性變革，從而建立效率更高、功能更完善的精益建造管理體系［2］。從這個意義上說，精益建造是以精益思想為指導，改造傳統的工程項目管理方式，重新組合和優化設計項目管理流程，在保證工程質量、安全生產的前提下，以最快的進度、最低的成本和最少的環境污染，實現項目利益相關者滿意目標的新型工程項目管理模式。

丹麥學者Lauris Koskela 較早地將制造業的精益生產思想引入到建筑行業中，提出精益建造概念［3］。Lee 等運用過程分析技術，系統地識別和量化了建筑產品建造過程中存在的等待、延遲、超量采購、施工損耗、質量缺陷返工等各種浪費現象［4］。Ballard 全面、系統地提出和闡述了精益建造的一個重要管理工具——最后計劃者體系(Last Planner System，LPS)［5］。Halpin 等提出采用過程模擬方法對建筑產品建造過程進行改進和過程再造，提高工程項目管理效率［6］。Ballard提出了面向精益設計、精益供應、精益施工及精益交付使用四個階段的精益項目交付系統(Lean Project Delivery System，LPDS)，按照四個階段劃分工程項目交付過程并不意味著階段之間是割裂的，事實上各個階段有部分工作相互重疊［7］。Manfred Breit 等在研究4D 可視化建模時，采用模擬技術和流程設計模型，通過集成化方案，優化施工工序，有效支撐精益建造的實施［8］。近些年來，國內外的研究人員更加關注信息化技術在精益建造過程中的應用。

2.2 精益建造的實施要求

由于工程項目具有唯一性、復雜性和不確定性，以及工程項目實施過程具有不可逆性，所以對工程項目不能進行重復計量，精益建造的核心要求是減少浪費、精細化管理，主要是通過拉動式準時化的生產方式實現減少浪費和增加項目價值的目的。為此就要做到以下幾點。

2.2.1 設計準確、減少更改

在準確、充分理解工程項目業主方真實意圖的基礎上，通過運用并行工程，在設計階段將業主、最終用戶、設計、施工、設備及材料供應、運行維護等各方參與者的要求整合在一起，實現項目信息的參與方共享，達到減少設計更改的目的。

2.2.2 加強供應鏈管理、準確及時供應資源

精益建造以建筑產品的流水施工為主線，按照建造工序流程，通過及時準確的信息流，協調所有供應商形成集成供應鏈。其關鍵是通過信息流的準時傳遞，實現施工生產與供應的密切結合。傳統建造方式是業主按照自己的需要來推動項目的進行，整個建造過程是通過前道工序來推動后道工序進行，其建造過程因此成為推動式。這樣在建造過程中就需要備好后道工序所需要的物料，為此需要保有一定的庫存量。而庫存的增加對于項目價值的增加并沒有幫助。精益建造是拉動式的生產方式。整個建造過程是從后道工序開始向前道工序倒逼，并且通過計劃期限的縮短，使得計劃體系更加準確可靠，工作流程更加穩定。通過準確的計劃體系來制訂準確的資源需求計劃，穩定項目資源的供應量，甚至實現零庫存。

2.2.3 團隊合作

工程項目建設是一個多方參與的系統工程。精益建造要求各方協同一致，圍繞一個共同的目標，即提高效率、創造項目價值，這需要參與各方進行團隊協作，在一個可以共同工作的平臺上，及時交流、溝通和處理項目信息，解決工程項目實施過程中出現的進度、質量、費用、安全生產、資源配置、方案優化、環境保護等問題。

從上述要求可以看出，精益建造的實現關鍵是項目信息的準確傳遞與處理。

3 BIM 為精益建造提供了技術平臺

自從Lauri Koskela 在1992 年提出精益建造后，經過20 多年的發展，以生產轉換理論、生產流程理論和價值理論為主體內容的理論體系取得了很大進步，但在實踐應用時卻仍面臨數據、信息處理等諸多難題，特別是我國建筑業在應用精益建造的過程中，典型的案例尚較少見。

雖然精益建造是一套比較完美的理論體系，但對項目管理提出了很高的要求，項目相關人員必須全面了解項目在每個時點的信息，因此信息處理量十分巨大，如果不借助現代信息技術，難以完成這樣的信息處理。在現實項目管理中，不借助現代信息技術，項目管理者對于一些簡單的建筑，比如普通的一套房屋，都很難準確掌握其所需要的物料、工時、人工等必要信息，更不用說現代復雜建筑了。因此，在施工管理中，項目管理者的經驗依然起著主導作用。在這種情況下，精益建造是無法實現其基本目的的，在現實中也很難推廣應用。而現代信息技術與建筑技術相結合發展形成的建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)技術，為精益建造的有效實施提供了很好的技術平臺。

3.1 BIM 技術的特征

BIM 模型基于“可視化”的三維數字構建建筑設計方案，為開發商、建筑設計師、土建與機電工程師、建造師、材料設備供應商、最終用戶等各環節的技術和管理人員提供協作平臺，幫助他們利用三維數字模型技術對工程項目進行設計、建造及運營管理。BIM 是對工程項目實體與功能特性的數字化表達，其中集成了工程項目各種相關信息。一個完善的BIM 模型，能夠在項目全生命周期內共享、使用模型信息。BIM 一般具有以下特征。

3.1.1 可視化

對于BIM 來說，可視化是其中的一個固有特性，可視化即“所見所得”的形式。BIM 的工作過程和結果就是建筑物的實際形狀，加上構件的屬性信息和規則信息。在BIM 的工作環境里，由于整個過程是可視化的，所以，可視化的形式、結果能夠為交流和展示提供極大的便利，更為重要的是，工程項目設計、建造、運營過程中大量的技術、管理問題，需要進行溝通、研討并最終做出決策，這些都要在可視化的狀態下進行。

3.1.2 協調性

項目參與方較多，各參與方圍繞項目建設進行協調工作。傳統建筑生產組織方式是項目設計或者施工過程中遇到問題，即召集參與各方查找原因和解決方案，進行設計變更。BIM 常用的碰撞檢查功能可以提前發現問題，使問題在設計階段就得到解決。

3.1.3 模擬性

模擬性不僅指能模擬設計出建筑物模型，還指可以模擬無法在真實世界中預演的事情。在設計階段，BIM 的最基本優勢在于可以對設計上需要進行驗證的一些部位或過程進行3D 模擬實驗，例如，空間結構性能模擬、裝飾藝術美感模擬、通風采光氣流模擬、緊急疏散防災模擬、熱能傳導效率模擬等;在招投標階段可以進行4D 模擬(基于3D 模型加項目進度控制)、技術與經濟方案模擬，直接生成合同結構、項目范圍和項目目標;在施工階段，可以進行5D 模擬(基于4D模型加項目成本控制)，根據施工組織設計模擬實際施工部署、工序立體交叉作業、施工安全防護，從而確定經濟合理、安全高效的施工方案，還可以實現工程項目成本的實時控制，即工期推進與成本控制是同步的;在運維階段，可以協助查找產生問題的部位，模擬維修過程，模擬緊急情況下應急預案的有效性，例如，火災、地震發生時人員疏散模擬等。

3.1.4 優化性

事實上，工程項目建設的全生命周期是一個不斷優化的過程，并且可研、設計、施工、運維每一個階段都可能存在不斷優化的空間。當然，項目全過程優化可以通過多種途徑實現。但借助于BIM 基礎上的優化更簡捷、更精確。一般而言，項目全過程優化受到三大要素的約束，即信息準確與否、復雜程度和必要時間。只有準確的信息才能得出精確的優化結果。在工程項目實施的各個階段，BIM 模型提供了工程項目的真實信息，包括組織信息、技術信息、標準信息、經濟信息、管理信息、法規信息。由于項目技術與管理人員本身能力的限制，無法掌握具有較高技術、結構復雜的工程的海量信息，必須借助外部現代技術和設備的幫助。同時隨著現代建筑產品及其建造過程的復雜程度不斷加大，日益超出項目人員有限的能力所及范圍，而BIM 及其他一系列優化技術、方法、工具提供了對復雜工程項目進行全面優化的可能性。

3.2 BIM 技術的平臺作用

BIM 的精髓在于模型和信息，3D 模型是信息的載體，信息是模型的核心，信息依附于模型，模型是信息的展現形式，因此，BIM 模型中的信息才是模型所要展現的內容。同時，BIM 貫穿于整個項目的規劃、設計、施工和運營的全生命周期，因此，全生命周期的項目參與者都可以通過統一模型來共享信息、協同工作。BIM 技術的信息處理功能為解決精益建造信息斷層、信息處理等難題提供了有力工具。BIM 與精益建造融合關系見圖1。

從圖1 可以看出，BIM 為精益建造理念下的并行工程、拉動式準時生產(JIT)、價值管理、團隊合作等多方面提供了技術支持，為精益建造提供了信息平臺。

圖1 BIM 與精益建造融合關系圖

3.2.1 為并行工程的實施提供平臺

在精益建造過程中，并行工程的優點在于能夠同時開展項目可研、采購、設計、施工、銷售等相互關聯的多項工作，以最短的工期、按業主方要求交付建筑產品。這個過程必然要求在扁平化的組織和信息系統平臺上進行，各階段主體的不同專業人員相互協作、共同工作，各項工作之間可視化、透明化，即時交流反饋工程進展、資源配置、過程狀態、成本費用等信息，共同研究問題和提出解決方案。方案一旦確定，負責勞動組織、材料與設備采購、施工技術的各部門都可以同時得到與方案相關的信息，進而按要求履行相應的工作職責，從而大大縮短資源準備、施工組織、技術交底等時間，加快工程進度。因此，并行工程實施的基礎是信息交流平臺。BIM 為項目開發方、采購方、設計方、施工方、銷售方、運維方提供了全新的信息交流平臺，項目參與各方可以直接看見設計成果，獲取依附于模型的項目建設信息，及時發現問題，并要求設計單位進行更改，因此設計成果更為精確。

3.2.2 通過碰撞檢查減少設計變更

目前，在建筑業中，設計變更十分常見，設計變更也給建筑業帶來了巨大浪費，甚至一些施工單位低價中標后，通過設計變更實現自己的利潤目標，這種現象十分不正常。BIM 通過預先在電腦上模擬項目建設的過程，及時發現專業設計中存在的碰撞點，在施工前就完成設計變更，以減少施工完成后再對項目進行更改的現象。同時BIM 也可以實現對項目建設的提前預演，以便及早發現問題，及時更正，實現項目建設的精益建造理念。

3.2.3 消除工程項目建設過程的浪費

資源浪費是我國建筑業的痼疾，而在現代可持續發展的要求下，建筑業面臨的節能減排、消除浪費的壓力進一步增大。通過BIM 模型可以減少建筑業中的浪費現象。如通過設計階段的能耗分析，可以發現建筑節能設計方面的缺陷，及時改進設計。在施工階段，可以通過BIM 模型的數據，與供應商確定準確的資源需求，減少浪費，還可以通過協同多個工序的進度或空間位置，消除或減少等待、停滯、窩工等方面的浪費。

3.2.4 提升客戶價值

項目建設的主要目的是實現項目的價值，通過價值工程分析，實現成本與價值的提升，達到加快進度、節約成本的目的。但是由于各個施工階段的割裂，項目各參與方通常以自己的價值最大化為項目建設的目的，很難實現統一。利用BIM 技術平臺，各參與方可以根據BIM 模型進行充分溝通，共同為項目價值的提升而努力，達到節約造價、縮短工期和提高質量的目的。

3.2.5 為項目團隊合作交流提供平臺

精益建造理念要求實施并行工程以達到降低浪費和提升價值的目的，實施并行工程就要求項目參與方以團隊的方式進行工作，團隊合作是精益建造的關鍵技術之一，實現團隊協作的基本前提就是實現項目團隊的信息共享。BIM 不單純是一個數據庫，BIM 的核心是信息，BIM 是一個含有豐富數據信息的信息庫，其具有涵蓋整個項目生命周期和涉及所有項目的專業信息，利用BIM三維可視化的平臺和數據共享的特點，在整個項目團隊中進行數據交換，就構成了整個團隊交流合作的平臺。

3.2.6 為項目供應鏈管理提供技術平臺

精益建造的一個顯著特點是準時生產， “零浪費”是精益建造思想的終極境界，這是一種以零庫存或者最小庫存為追求目標的生產組織與管理系統，其基本要求是“只在需要的時間，按需要的數量和質量，生產所需的產品”。準時生產方式通過對建筑供應鏈的管理，消除材料設備的供貨延遲、施工現場的停工待料等浪費現象。BIM 對于建筑模型的模擬和優化，實現了建筑信息的集成化、共享化，供應鏈管理者可以根據附著于建筑模型的材料設備需求信息安排貨物采購供應，滿足準時生產對各類資源供應的要求。

4 結語

精益建造是先進的建筑產品建造與管理的理念，核心要求是降低沒有價值的施工生產活動，追求零浪費、零庫存、零故障、零缺陷，提高管理效率，創新項目價值。精益建造理念的實現要求及時準確地處理各種項目信息，對并行工程、消除浪費、價值提升、團隊協作、準時供應等方面的任務不斷進行精準化提升。BIM 是以模型為載體、信息為核心的最新建筑技術，它所具有的強大而準確的項目信息功能，為項目信息交流和協同工作提供了平臺，降低了項目建設過程中可能出現的錯誤和設計變更，促進了精益建造理念和目標的實現。

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