基于BIM的設計施工跨階段數據交換標準研究

琚　娟

(上海建科工程咨詢有限公司，上海　200032)

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基于BIM的設計施工跨階段數據交換標準研究

琚娟

(上海建科工程咨詢有限公司，上海200032)

基于BIM基準模型的協同項目管理，將原來割裂的投資、質量、進度多目標管理，統一為基于BIM基準模型的動態優化過程，實現了多目標聯動，提升了項目管理的效率。從單階段應用擴展到建筑工程項目多階段管理應用，需要解決跨階段數據交換標準問題。本文提出一種基于BIM的從設計到施工的跨階段協同項目管理數據交換標準，通過標準數據交換文件，解決設計施工跨階段的模型復用、信息傳遞和設計變更后多目標的信息聯動問題，真正實現協同項目管理。

BIM基準模型； 跨階段數據交換； 協同項目管理

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.04

1　引言

建筑工程項目從開始到結束全生命周期過程中，由于沒有統一的載體，項目信息會在不同階段的銜接處出現斷點，導致下游用戶無法有效獲得上游的數據，不同階段信息割裂，業主、設計、施工、監理等參建單位難以協同工作[1]。BIM技術的出現，讓建筑不同階段信息有效傳遞成為可能。

要實現基于BIM的項目管理跨階段數據交換，必須建立相應的數據標準，這是BIM跨階段應用的基礎和核心。IFC(Industry Foundation Classes，工業基礎類)標準解決了BIM的數據模型標準，定義了BIM對象的基礎類和基礎屬性； OmniClass標準給出了BIM技術的信息分類編碼標準，解決了信息的多義性問題，二者均已列入美國國家BIM標準(NBIMS-US)[2-3]。中國建筑標準設計研究院提出了《工業基礎類平臺規范》[4]，其等同采用了IFC標準，根據我國國家標準的制定要求，在編寫格式上作了一些改動。周成[5]提出了設計階段的信息交付標準，定義了建筑、結構、設備專業在特定階段所需交付的模型對象與屬性信息。馬智亮等[6]提出了基于BIM 的IPD協同工作模型與信息利用框架，但是對目前國內普遍采用的設計-招標-建造(Design-Bid-Build，簡稱DBB模式)并不適用。陳麗娟等[7]開發了基于BIM 的大型博覽項目全壽命周期管理平臺，并以武漢國際博覽中心為實例進行了驗證，但并未介紹具體的數據交換標準。

由于建筑工程的多樣性，項目管理目前尚缺乏統一的跨階段信息傳遞內容與質量的數據交換標準，這讓參建各方基于BIM的全生命周期協作并不容易。施工運營建筑信息交換標準(Construction Operations Building information exchange，簡稱COBie)[3]解決了基于BIM的從施工階段到運維階段的跨階段數據標準問題，定義了數據傳遞流程、格式和方法，美國國家標準和英國國家標準都將COBie納入其參考標準之中，BIM主要軟件廠商(包括Autodesk Revit和Bentley AECOsim等)也已支持其格式。

本文主要研究從設計階段到施工階段基于BIM的跨階段協同項目管理數據交換標準.首先定義基于BIM基準模型的設計施工協同項目管理流程，闡述BIM基準模型的概念，然后提出基于BIM的設計施工建筑信息交換(Design Construction Building Information Exchange，簡稱DCBIE)方法，包括交換流程、交換內容、交換格式3部分，并給出了工程應用案例，嘗試建立基于BIM的設計施工跨階段數據標準，解決模型復用、信息傳遞和設計變更后多目標的信息聯動問題，真正實現協同項目管理。

2　基于BIM基準模型的設計施工協同項目管理過程

2.1基于BIM的項目管理動態優化過程

建筑工程項目管理過程是一個多目標(包括進度、費用、質量、安全等的)整體優化過程，一個目標的變動往往會影響到其他目標的調整，但不同目標管理往往分屬不同部門甚至多個單位，造成多目標聯動更新困難。

基于BIM基準模型的項目管理過程優化，其核心價值在于將原來割裂的投資、質量、進度等項目管理目標統一為基于BIM基準模型的動態優化過程，不論參建單位的業務流程如何，基于BIM的項目管理過程都可以統一描述為建立BIM基準模型、工程實施、與基準模型檢查對標、整改完善的PDCA動態優化過程(如圖1所示)。

圖1　基于BIM基準模型的設計施工項目管理動態優化過程

建立的BIM基準模型是一個BIM模型，模型中包含了質量、投資、進度等管理目標的基準信息，既可以單獨應用，也可以聯動分析。工程實施按照既定的業務流程進行，流程中涉及設計和施工兩個階段中業主、設計、施工、造價咨詢等多方角色。檢查對標是將實際施工的階段性成果與基準模型進行對比，找出其中的差異性。整改推進是對不一致的地方進行整改，對工程下一步實施工作進行調整。目標計劃調整之后，需要對基準模型進行修正，在新的修正基準模型基礎上繼續實施。

基于BIM基準模型的設計施工項目管理動態優化過程，通過打通底層數據，實現多目標聯動，將大幅提高項目管理效率。

與基于二維圖紙的項目管理過程相比，基于BIM基準模型的設計施工項目管理動態優化過程具有以下特點：

(1)設計施工的目標統一，從原來相互割裂的投資、質量、進度等項目管理目標統一為BIM基準模型；

(2)設計施工的工作介質統一，從原來無法數據共享的施工圖紙統一為基于BIM基準模型不斷修正的增量模型；

(3)設計施工的后臺數據統一，從原來郵件方式的文件傳輸到統一平臺的多目標流程聯動，實現項目管理過程可視化追蹤。

2.2BIM基準模型

BIM基準模型是項目模型庫中每個構件版本在特定時期的一個“快照”，它提供一個項目的階段性標準，施工階段工作均基于此標準，經過授權后才能修正基準模型。建立一個初始基準模型后，以后每次對其進行的修正都將記錄為一個修正記錄，包括增加、刪除、更改構件及其屬性的記錄，直到建成下一個基準模型。

BIM基準模型簡稱H3W模型，包含4個基本要素：

(1)什么時間(When)；

(2)什么位置(Where)；

(3)什么工藝(How)(包括用多少人工、什么材料、什么設備和工藝標準等)；

(4)建造什么構件(What)。

項目管理目標主要包括三個方面：質量、進度和投資。相應的BIM基準模型主要包括質量基準模型、進度基準模型和投資基準模型。不同類別的基準模型是分階段建立的，基準模型經批準后作為項目實施的基準，也是項目實施控制的依據。

對目前國內普遍采用的DBB承發包模式和對采用清單計價的建筑工程，BIM基準模型的建立順序通常是：

(1)BIM質量基準模型。以設計單位提交的經施工圖審查機構審查合格的施工圖設計文件配套的BIM模型作為質量基準模型；

圖2　設計施工數據交換流程圖

(2)BIM投資基準模型。以業主單位在施工合同清單價格基礎上形成的BIM模型作為投資基準模型；

(3)BIM進度基準模型。以工程開工前施工單位提交的、經業主審批通過的進度計劃為基礎形成的BIM模型作為進度基準模型。

3　基于BIM的設計施工協同項目管理數據交換標準(DCBIE)

要實現基于BIM基準模型的設計施工項目管理動態優化過程，需要從底層打通質量、投資、進度的數據關系，從而實現多目標聯動。DCBIE數據交換標準的目的即在于此，它包括數據交換流程、數據交換內容和數據交換格式三部分。

3.1設計施工數據交換流程

設計施工的數據交換主要涉及業主、設計、施工、造價咨詢等單位，要實現基于BIM的項目管理PDCA動態優化過程，同時適應不同建設單位的自定義流程，必須對業務流程進行統一和抽象，而不是基于業務的簡單存儲。基于BIM的設計施工跨階段數據交換流程如圖2所示。

業主單位與設計單位溝通確定項目需求(包括功能需求、空間需求、設備需求、投資需求等)之后，設計單位負責從概念到BIM質量基準模型的設計，基準質量模型包括建筑設計、結構設計、機電設計、幕墻設計、景觀設計等多個專業模型。

在BIM質量基準模型基礎上，輸入施工合同工程造價信息，形成投資基準模型。

在質量和投資基準模型的基礎上，工程開工前，輸入施工進度計劃信息，形成BIM進度基準模型。

施工過程中，當發生工程變更時，對變更費用和進度進行評估，根據現場簽證、工程變更或費用索賠等情況，經業主審批通過后，同步修正投資、質量和進度模型。

3.2交換內容

要實現DCBIE數據交換，必須對交換內容進行標準化，包括交換項目標準化、項目字段標準化、字段格式標準化和交換文件標準化。其中最有難度的是交換項目的標準化部分，需要從基礎底層數據進行抽象，既能覆蓋必要的交換項目，又盡可能減少冗余，并具有清晰的邏輯關系。

根據以上分析，本文提出以基準模型-偏差-變更為核心要素的信息族，描述基于BIM的設計施工協同項目管理的交換項目，如圖3所示。

圖3　DCBIE交換內容框架圖

BIM基準模型由構件組成，構件具有三維幾何模型及屬性信息，構件屬性信息包含了構件編碼、位置和工序屬性，并繼承了構件類型的工藝屬性。根據實際需要，多個構件可以組成不同的樹形構件組，如設計階段建筑構件、結構構件、機電構件等，或者施工階段的單位工程、分部工程、分項工程等。所有構件的質量信息構成質量基準模型，包括構件編碼、位置、幾何形狀、材料、標準等屬性； 所有構件的投資信息構成投資基準模型，包括構件編碼、單價、數量、合同價等屬性； 所有構件的進度信息構成進度基準模型，包括構件編碼、計劃開始時間、計劃完成時間、人工、設備等信息。

偏差是工程實施現狀與基準模型對標的結果，包括構件編碼、偏差類型、目標值、實際值等屬性。變更是對基準模型的修正，包括構件編碼、變更類型、位置、工序、工藝等屬性。偏差和變更涉及的證據、流程文件作為文件屬性輸入到相應構件中。

BIM構件類型是非常重要的概念，是指具有固定特征的一類結構組件，相當于三維建模環境中的類對象，如鋼筋混凝土矩形梁、PHC管樁等。同一種構件類型，其幾何特征和工藝特征相同，幾何尺寸可變。建筑工程BIM構件分類及編碼尚無國家標準，本文參考文獻[8]中的項目名稱和項目編碼，構件類型及編碼在參數選用表中選擇。構件工藝標準參考文獻[9]中的標準進行。另外，位置是描述構件在某一時刻的局部坐標位置，用樓層和軸網表示。工序表示構件隨時間從開始到完成的施工過程。

在設計階段，設計單位定義了構件及構件的位置、材料屬性，確定了質量基準模型； 造價咨詢單位定義了構件的單價、數量、合同價屬性，確定了投資基準模型； 在施工階段，施工單位定義了構件的工序、工藝屬性，確定了進度基準模型。通用信息在設計或施工階段均可定義和更新。

3.3交換格式

在圖3 DCBIE交換內容框架圖中，所有交換內容用一個Excel文件表示； 這個Excel文件一共包含20張工作表，每一種交換內容用一個表格表示； 每一個表格包含固定的字段，代表該交換內容的屬性； 每一字段具有明確的格式，如文本型、數值型、日期型等。

DCBIE通過電子表格進行數據交換，其交換格式有以下特性：

(1)所有交換內容都包含于一個電子表格內；

(2)電子表格需要符合設定的標準格式；

(3)可參考外部文件信息。

4　應用案例

下面以一座兩層樓的簡單住宅為例，說明基準模型的概念，驗證基于BIM進行設計施工數據交換標準(DCBIE)的可行性。示例項目包括3個BIM模型：設計階段BIM模型(質量基準模型和投資基準模型)、施工階段BIM模型(進度基準模型)和施工階段設計變更(假設某個構件尺寸發生變化)后修正的基準模型分別如圖4～圖6所示。設計階段BIM模型共包含85個構件，施工階段BIM模型共包含88個構件(刪除3個，增加6個)， 1個構件發生設計變更。

數據交換步驟如下：

圖4　設計階段BIM模型

圖5　施工階段BIM模型

圖6　設計變更BIM模型

設計階段設計單位建立BIM質量基準模型(見圖4)及并輸入質量信息(見表1)；

2)設計階段造價咨詢單位讀取質量基準模型，輸入投資信息(見表2)，生成BIM投資基準模型(模型仍是圖5)；

3)施工階段施工單位讀取投資基準模型，并進行局部修正，假設根據施工模擬需要，樓板和屋頂分別分成2塊施工，刪除原來的2個樓板和屋頂，分別新增2個，見圖5中圓形圈注部分和表4加粗部分(樓板被遮擋看不見)，輸入進度信息(見表3)，生成BIM進度基準模型(見圖5)；

4)施工階段設計變更時，對基準模型進行局部修正，假設一層西側窗戶類型和尺寸進行變更(見圖6中圓形圈注部分所示)，相應的質量、投資、進度信息同步更新(見表4加粗部分)。

表1質量基準模型構件信息表

表2　投資基準模型構件信息表

表3　進度基準模型構件信息表

表4　設計變更后基準模型構件信息表

根據DCBIE定義的數據標準，通過在Revit和Navisworks中開發插件，可以自動實現上述設計施工階段的數據交換。

5　結語

本文基于BIM基準模型重新定義了項目管理流程，在此基礎上提出一種基于BIM的從設計階段到施工階段的數據交換標準，稱為DCBIE數據交換標準，包括數據交換流程、數據交換內容和數據交換格式，從數據底層打通了質量、投資、進度等的數據關系。通過對模型的局部更新解決了從設計階段到施工階段的BIM模型復用問題，而不必重新建模； 通過標準的數據交換格式解決了信息傳遞的有效性，避免了信息的重復輸入； 另外，設計變更后項目管理多目標聯動更新，避免了不同目標單獨修正及可能存在的沖突等問題。

DCBIE數據交換標準結合了我國的計量規范和施工質量驗收規范，符合我們的設計和施工習慣。同時，由于數據交換以表格文件方式進行，可與絕大部分建筑工程項目管理軟件進行數據交換。在實際應用中，通常適用于DBB工程項目管理模式，由業主牽頭操作，這種模式最突出的特點是強調工程項目的實施必須按設計-招標-建造的順序進行，基準模型的建立和修正也按照此順序進行。DBB模式下，參與項目的各方即業主、設計、承包商等在各自合同的約定范圍內，行使基于BIM基準模型進行項目管理的相應權利和義務，在不同階段輸入輸出不同的模型和信息，各方的權、責、利分配明確。IPD(項目集成交付)管理模式下同樣可以適用，仍然由業主牽頭，基于BIM基準模型的動態優化過程仍然成立，參建各方關于建模及數據交換的職責沒有明顯區別，但是質量、投資、進度等基準模型建立的時間提前到概念設計階段，并在后續過程中持續優化，可以獲得更高的實施效率和效益。

[1]黃瑋征. 建筑工程BIM信息交換研究[J].建筑經濟， 2014(7)：P106-108.

[2]李建成， 王廣斌.BIM應用導論[M].上海：同濟大學出版社， 2015.

[3]National BIM Standard-United States Version 3，National Institute of Building Sciences buildingSMART alliance， 2015.

[4]GB/T25507-2010工業基礎類平臺規范[S].2010.

[5]周成. 基于IDM的建筑工程數據交付標準研究[D].上海：上海交通大學， 2013.

[6]馬智亮， 張東東，馬健坤.基于BIM 的IPD協同工作模型與信息利用框架[J].同濟大學學報(自然科學版)， 2014(9)：P1325-P1333.

[7]陳麗娟， 駱漢賓，辛宏妍.基于BIM 的大型博覽項目全壽命周期管理平臺開發與應用[J].土木工程與管理學報， 2015(9)：P54-P61.

[8]GB50854-2013房屋建筑與裝飾工程工程量計算規范[S].2013.

[9]GB50300-2013建筑工程施工質量驗收統一標準[S].2013.

Research on the Design Construction Building Information Exchange(DCBIE)based on BIM

Ju Juan

(ShanghaiJIANKEEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Shanghai200032，China)

The collaborative project management method based on BIM benchmark model can improve our efficiency of project management，because it represents the project as a multi-objective dynamic optimization processfrom original fragmented management of investment，quality and schedule to a benchmark BIM model.The data exchange standards are fundamental and important when we talk about the exchange based on the benchmark model from one single stage to multi-stages of construction projects.In this article，one standard of design construction building information exchange based on BIM is put forward to realize the collaborative project management，which uses a standard data exchange file to solve many problems such as model reuse，information transfer and multi-objective dynamic modification after design changes.

Benchmark BIM； Design Construction Building Information Exchange； Collaborative Project Management

上海市科學技術委員會科研計劃項目“房屋建筑工程信息模型協同管理應用技術研究和示范”(項目編號： 15DZ1203401)； 上海市企業技術中心能力建設項目“上海建科工程咨詢有限公司技術中心能力建設項目”(項目編號：滬創新J-2014-05)

F407.9

A

1674-7461(2016)04-0021-06