智慧建造體系框架構(gòu)建及應(yīng)用研究

劉家林，葉劍鳴

(安徽建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，安徽 合肥 230601)

長期以來，我國建筑業(yè)存在著生產(chǎn)方式粗放，生產(chǎn)技術(shù)落后，生產(chǎn)效率低下，能耗高等問題，這與落后的傳統(tǒng)建造模式有很大關(guān)系[1]。在傳統(tǒng)建造模式中，一方面由于信息化水平低，設(shè)計、施工、運(yùn)營等過程脫節(jié)導(dǎo)致信息孤島，其后果是不僅項目參建各方之間缺乏有效的溝通與協(xié)作，而且造成了很大的資源浪費；另一方面，項目在建造過程中容易受很多不確定性因素影響，如項目安排、施工環(huán)境、管理水平等，極易在此過程中發(fā)生沖突，進(jìn)而影響項目進(jìn)度、質(zhì)量、投資等一系列目標(biāo)[2]。

在建筑業(yè)發(fā)展變革過程中，相關(guān)專家學(xué)者對建筑業(yè)信息化作了多方面的探索研究，提出“智慧建造”概念。李霞在“物聯(lián)網(wǎng)+”的基礎(chǔ)上，提出工程項目信息化的實現(xiàn)要有序運(yùn)用“智慧建造”的思想[3]；曾凝霜分析了工程項目運(yùn)用BIM的模式，以“智慧建造”為思想，以BIM為框架平臺，推進(jìn)工程項目的信息化[4]；朱賀系統(tǒng)整理了應(yīng)用“智慧建造”思想的項目，總結(jié)出一系列的創(chuàng)新性實踐經(jīng)驗[5]；王景研究了中建三局創(chuàng)建“智慧工地”的過程，對創(chuàng)建流程表達(dá)了自己的感想[6]。由此，學(xué)者已經(jīng)對“智慧建造”進(jìn)行了一定程度的探索研究，但基于BIM的智慧建造的內(nèi)涵、體系框架的構(gòu)建、應(yīng)用等方面，均還需進(jìn)一步的研究。

因此，傳統(tǒng)的建筑模式已經(jīng)不適應(yīng)我國新的社會形勢發(fā)展，需要積極探索新型現(xiàn)代化的建造模式。當(dāng)前，信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得跨越式發(fā)展，帶來了建設(shè)過程領(lǐng)域項目管理水平的大幅提高，如越來越多的建設(shè)項目逐漸采用BIM技術(shù)，進(jìn)行施工模擬、進(jìn)度統(tǒng)籌以及現(xiàn)場管控等，同時還運(yùn)用基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，幫助相關(guān)參建單位進(jìn)行施工場地的監(jiān)管，包括安全文明施工、質(zhì)量成本的控制等[7]。借助于大數(shù)據(jù)、云平臺等新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣應(yīng)用，建設(shè)項目建造模式正在發(fā)生著潛移默化的變革，這一體現(xiàn)項目管理先進(jìn)思想的模式必將成為終極的變革方向，智慧建造體系框架的構(gòu)建越來越成為工程建設(shè)領(lǐng)域新型建造模式發(fā)展的必然。

1 智慧建造內(nèi)涵

智慧建造是一種區(qū)別于傳統(tǒng)的新型建造模式，它將改變傳統(tǒng)的通過人為分配資源的方式，而采用信息軟件等智能化的方式分配資源，使得資源利用率達(dá)到最大。智慧建造的信息化水平更高，統(tǒng)籌收集了各方的信息資源，并在統(tǒng)一平臺實現(xiàn)信息共享。使得建造過程實現(xiàn)精細(xì)化、智能化管理，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。這種先進(jìn)的建造模式更符合建設(shè)現(xiàn)代智慧城市、綠色城市、生態(tài)城市的先進(jìn)理念。

目前，對智慧建造還沒有統(tǒng)一的定義，本文對智慧建造的概念表述為：智慧建造是以現(xiàn)代先進(jìn)的信息化技術(shù)為支撐，企業(yè)集約化經(jīng)營和項目精益化管理為手段，通過建立各類標(biāo)準(zhǔn)化信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)工程項目所涉及的人與人、人與物、人與環(huán)境之間的實時互通和有效交流，使各參與方之間能夠協(xié)同運(yùn)作，進(jìn)而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低碳、安全的工程建造模式。

第一，智慧建造以先進(jìn)信息技術(shù)為支撐，如BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)服務(wù)(DM)、移動技術(shù)和云計算等。在工程建造過程中采用移動終端、RFID、GPS等技術(shù)手段來實時感知，采集建造過程中的有關(guān)工程質(zhì)量、進(jìn)度、環(huán)境、安全等信息，進(jìn)而將這些信息數(shù)據(jù)輸入構(gòu)建好的BIM平臺，再基于互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)等云平臺，實現(xiàn)了實體與模型之間的信息互聯(lián)互通，最終形成一個智能化、信息化的建造環(huán)境。

第二，智慧建造一是需要借助先進(jìn)的技術(shù)來提高生產(chǎn)效率，二是需要采取科學(xué)的管理方法來提升管理效益。當(dāng)前，建筑業(yè)企業(yè)面臨的競爭日益加劇，必須加強(qiáng)自身的核心競爭力，通過優(yōu)化一切資源、提高勞動者素質(zhì)，走集約化經(jīng)營道路。同時，企業(yè)還需要不斷提升項目管理水平，逐步實現(xiàn)項目精益化管理，通過規(guī)范精細(xì)的管理手段，以提高管理效率、以降低成本，從而保證企業(yè)的利益的實現(xiàn)。

通過上述智慧建造的概念和內(nèi)涵分析可知，智慧建造從范圍上來講，包含了建設(shè)項目建造的全生命周期，既有設(shè)計施工，也有運(yùn)營管理等；從內(nèi)容上來講，通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)來傳遞數(shù)據(jù)，這些信息與數(shù)據(jù)往往蘊(yùn)含著大量的知識，借助于云平臺的大數(shù)據(jù)挖掘和處理能力，建設(shè)項目參建方可以實時清晰地了解項目運(yùn)行的方方面面，對項目的組織協(xié)調(diào)、計劃管理將會有更好地把控作用。最后，智慧建造的目標(biāo)就是實現(xiàn)某一建筑物在建造的全過程、全生命周期信息共享、協(xié)同建造的過程，以提高效率、降低成本、減少能耗；從技術(shù)上來講，智慧建造中“智慧”的根源在于以BIM、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等為基礎(chǔ)和手段的信息技術(shù)的應(yīng)用，智慧建造涉及的各個階段、各個專業(yè)領(lǐng)域不再相互獨立存在，信息技術(shù)將其串聯(lián)成一個整體。

在支撐智慧建造的各種信息技術(shù)中，BIM(建筑信息模型)技術(shù)是核心。它是基于最先進(jìn)的三維數(shù)字設(shè)計解決方案所構(gòu)建的“可視化”的數(shù)字建筑模型，為項目參與各方提供“模擬和分析”的科學(xué)協(xié)作平臺，是其他信息技術(shù)發(fā)揮作用的中樞。作為提高建筑項目生產(chǎn)率的新技術(shù)，BIM不僅對設(shè)計成果進(jìn)行模擬和設(shè)置，有效減少設(shè)計變更，而且通過構(gòu)建可視化的數(shù)字建筑模型，對施工進(jìn)度、施工裝配、物料跟蹤等進(jìn)行模擬，對各種資源與環(huán)境高效配置，使得整個項目在全壽命周期實現(xiàn)科學(xué)化、智慧化管理。這一技術(shù)改變了建筑行業(yè)從基于平面圖紙的2D信息系統(tǒng)到基于立體模型的3D信息系統(tǒng)的模式，改變了建筑設(shè)計和建造過程的基本資料的記錄形式。這就對項目的全過程管理、項目各階段間的協(xié)調(diào)以及項目信息的綜合集成等提出更高的要求，BIM技術(shù)已成為項目可持續(xù)設(shè)計施工全過程中協(xié)調(diào)管理的至關(guān)重要的思想技術(shù)。

2 智慧建造體系框架構(gòu)建

2.1 智慧建造體系框架構(gòu)建思路

要真正實現(xiàn)建筑業(yè)的智慧建造，一是建設(shè)項目需要更新硬件方面的資源配置，需要借助于人工智能、BIM技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、大數(shù)據(jù)、VR/AR、云計算等前沿科技的信息化平臺；二是軟件方面要制定科學(xué)先進(jìn)的管理制度與管理程序，如質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全、運(yùn)營管理等。這兩方面共同構(gòu)成有機(jī)的整體，形成智慧建造體系，其中BIM技術(shù)是整個體系的核心。運(yùn)用BIM技術(shù)，可以構(gòu)建一個三維的可視化的數(shù)字模型，幫助參與建設(shè)的各環(huán)節(jié)人員乃至終端用戶等進(jìn)行直觀的模擬分析、調(diào)整優(yōu)化，實現(xiàn)項目設(shè)計、建造及運(yùn)營管理的最優(yōu)。

因此，智慧建造體系是以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，在建筑的全生命周期過程中提高信息化水平和精細(xì)化管理水平的建造體系，是對傳統(tǒng)設(shè)計、招標(biāo)、采購、施工和運(yùn)維過程進(jìn)行改造后的新型建造方式。它可以改變傳統(tǒng)建筑業(yè)生產(chǎn)效率低下、資源浪費、能源消耗量大的落后狀態(tài)。從而提高企業(yè)的利潤率與競爭力，改變工程領(lǐng)域粗放管理模式的落后狀況。

2.2 智慧建造體系框架的構(gòu)建

根據(jù)智慧建造及智慧體系的概念內(nèi)涵，并客觀的考慮實際工程建設(shè)項目對智慧建造體系的需求，本文構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的智慧建造體系框架(見圖1)。

根據(jù)這一體系框架，總體上包括四個層次，分別為感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層。

感知層作為智慧建造的基礎(chǔ)，主要通過移動終端、GPS/GIS、RFID、遙感測量等設(shè)備，負(fù)責(zé)工程項目在建造過程中的海量信息數(shù)據(jù)的采集，采用這些設(shè)備能夠獲取到建筑工程項目施工過程中的質(zhì)量控制、進(jìn)度控制、安全管理、環(huán)境、人員、機(jī)械設(shè)備、材料等相關(guān)信息，幫助建設(shè)項目管理人員更加透徹、深入、全面地感知項目建設(shè)過程中的相關(guān)信息，而這些信息正是建設(shè)項目智慧化建造的基礎(chǔ)。

圖1 基于BIM技術(shù)的智慧建造體系框架

傳輸層是通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)感知層提供的數(shù)據(jù)信息的傳輸與共享，這一層相當(dāng)于智慧建造體系的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，將一個個終端設(shè)備連接至信息數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)了物與物、人與物、人與人之間的信息傳輸、信息共享，實現(xiàn)更加全面的互聯(lián)互通。

平臺層包括了數(shù)據(jù)中心平臺以及幫助那些以BIM技術(shù)為核心的設(shè)計、施工、監(jiān)理至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員進(jìn)行直觀的模擬分析、調(diào)整優(yōu)化。智慧建造的數(shù)據(jù)平臺，擁有著信息輸入存儲以及數(shù)據(jù)分析處理的能力。該平臺存放著建造過程中日積月累的各種信息，如人員、機(jī)械設(shè)備、材料、環(huán)境信息等信息。基于BIM技術(shù)的智慧建造平臺的搭建，使得業(yè)主、設(shè)計單位、承包商、咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)以及材料供應(yīng)商等相關(guān)人員，可以在共同的平臺上共享信息、共同工作。

應(yīng)用層為通過BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云平臺等技術(shù)的配合和應(yīng)用，可以幫助建設(shè)項目管理人員進(jìn)行分析，得出比經(jīng)驗更為有效的決策判斷，并通過各式各樣的數(shù)據(jù)圖表，直觀表示出項目進(jìn)度、質(zhì)量及安全管控、物資需求、資金需求等信息，建設(shè)項目全生命周期內(nèi)的各項信息一目了然，真正實現(xiàn)智慧決策、智慧指揮、智慧施工、智慧物料以及智慧管理。

在四個層次中，平臺層是整個系統(tǒng)框架的核心，從上到下分別為設(shè)計管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、進(jìn)度管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、組織協(xié)調(diào)系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)和運(yùn)營維護(hù)管理系統(tǒng)：

設(shè)計管理系統(tǒng)主要功能為設(shè)計圖紙與設(shè)計文件的共享、設(shè)計規(guī)范與圖集的共享、各個專業(yè)設(shè)計圖紙包括建筑和結(jié)構(gòu)管線的協(xié)同、設(shè)計變更的依據(jù)流轉(zhuǎn)與簽證機(jī)制、設(shè)計變更后的圖紙對比、設(shè)計變更對成本和進(jìn)度的影響程度。

質(zhì)量管理系統(tǒng)主要功能為工程項目結(jié)構(gòu)分解及組成部分的圖紙質(zhì)量要求、質(zhì)量評價的標(biāo)準(zhǔn)、提供相關(guān)部位的現(xiàn)場施工影響資料、實驗及檢測等資料、分部分項單位工程的自動生成、工程的動態(tài)質(zhì)量控制。

進(jìn)度管理系統(tǒng)功能為動態(tài)的進(jìn)度計劃管理機(jī)制、施工進(jìn)度文檔管理機(jī)制、施工進(jìn)度預(yù)警功能、工程項目決策優(yōu)化以及施工計劃的更改。

成本管理系統(tǒng)功能為提供各種投資項目數(shù)據(jù)、項目投資數(shù)據(jù)共享及權(quán)限查詢設(shè)置、項目投資變化趨勢預(yù)測、項目投資預(yù)警功能、項目月度季度年度報表審核機(jī)制，該系統(tǒng)可動態(tài)反印項目投資情況。

安全管理系統(tǒng)功能為工程項目安全施工內(nèi)容、安全施工的施工方法施工方案、專項安全方案的聯(lián)動審批、定期安全檢查情況、安全報警機(jī)制。

組織協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)功能為施工進(jìn)度管理情況、施工成本管理情況、施工合同管理情況、各方內(nèi)部管理情況、工期成本變化的責(zé)任認(rèn)定、各方協(xié)調(diào)工作的實施情況。

采購管理系統(tǒng)功能為設(shè)計圖紙和招標(biāo)文件對材料及設(shè)備的要求、所用材料設(shè)備的來源及分流途徑、同種材料設(shè)備的資料和實驗數(shù)據(jù)共享、材料設(shè)備在工程種的使用部位、工程各專業(yè)竣工圖，并將管線布置在建筑圖中、安裝設(shè)備品種廠家技術(shù)規(guī)格、安裝設(shè)備的操作保養(yǎng)要求、設(shè)備實驗及試運(yùn)行的運(yùn)行記錄、可擴(kuò)充項目運(yùn)行資料。

運(yùn)營維護(hù)管理系統(tǒng)功能為通過多種技術(shù)手段的應(yīng)用，對建筑物進(jìn)行建模，形成數(shù)字化建筑，可視化的管線管理，設(shè)備資產(chǎn)管理，設(shè)備運(yùn)行控制管理，建筑能耗管理等。

通過以上構(gòu)建的智慧建造體系框架，建設(shè)項目建造過程中各式各樣的信息集成在一起，信息的互聯(lián)互通和實時感知成為可能。項目的信息集成平臺可供各個參建方共享，促進(jìn)了相互之間的有效協(xié)同合作，也有助于建設(shè)項目全生命周期的綜合協(xié)調(diào)與控制，項目的建造達(dá)到了一種智慧化的方式。這一智慧建造體系將建設(shè)項目生命周期各個階段的數(shù)據(jù)和資源整合在一起，清晰完整地展示出項目的方方面面，該體系對建設(shè)項目建造過程將帶來很多實質(zhì)性的應(yīng)用作用。

3 應(yīng)用案例

A項目總建筑面積239526平方米，包括地上的127750平方米和地下的111776平方米。該項目的地上部分以及地下一層中的一部分全部為商業(yè)空間，包括零售、影院、餐飲、兒童、文化等多業(yè)態(tài)，是一個擁有“一站式”服務(wù)的大型購物中心。

作為一個大型的商業(yè)項目，該項目主要特點一是功能復(fù)雜，質(zhì)量要求高，工期要求緊；二是投資規(guī)模大，投資控制任務(wù)重；三是專業(yè)系統(tǒng)多，設(shè)備多，協(xié)調(diào)難度大。針對這些特點，項目投資方?jīng)Q定采用智慧建造模式，運(yùn)用以BIM技術(shù)為核心的信息技術(shù)支撐，以抓好設(shè)計質(zhì)量，加強(qiáng)各參建單位之間的協(xié)調(diào)，進(jìn)而提升施工質(zhì)量和效率。從長遠(yuǎn)角度看，希望借此機(jī)會，探索基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧建造體系的應(yīng)用，制定出一系列相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，以帶動并推進(jìn)后續(xù)各個項目的應(yīng)用。

首先，在設(shè)計階段，根據(jù)項目的特點和關(guān)鍵點進(jìn)行BIM建模，這是重要的基礎(chǔ)工作，必須確保模型的準(zhǔn)確完善。由于該項目構(gòu)造復(fù)雜多樣、功能布局交織層疊，采用了歐特克Revit的系列軟件，幫助進(jìn)行整個項目關(guān)鍵部分的BIM技術(shù)深化。一方面，通過與設(shè)計單位進(jìn)行溝通交流，在對各專業(yè)模型進(jìn)行碰撞檢測時，BIM軟件總共發(fā)現(xiàn)斜撐與欄桿沖突，鋼斜撐與門洞沖突等有效碰撞點10000多個，過濾掉設(shè)計規(guī)范允許內(nèi)的碰撞點后，碰撞沖突還剩2000多個，隨后將這些沖突導(dǎo)出成報告，并交至設(shè)計院進(jìn)行圖紙協(xié)調(diào)修改。另一方面，項目邀請各個專業(yè)承包商團(tuán)隊參與進(jìn)行管線綜合，經(jīng)過一系列協(xié)調(diào)，最終的BIM模型基本滿足了各專業(yè)團(tuán)隊的合理，隨后將協(xié)調(diào)結(jié)果在施工圖紙上加以反映，并及時反饋給施工圖設(shè)計方。經(jīng)過多輪協(xié)調(diào)交流之后，最終完成施工圖深化設(shè)計，管線綜合調(diào)整后均滿足要求。

在施工階段，主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全是控制的關(guān)鍵點和難點。因此，經(jīng)過多方調(diào)研，決定采用BIM+物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用技術(shù)，借助RFID技術(shù)實現(xiàn)分散信息的及時收集與傳遞，對材料信息、施工信息、進(jìn)度信息、工藝信息及檢查與維護(hù)信息進(jìn)行一體化管理。對于項目的質(zhì)量缺陷、安全隱患等信息，自動到輸入BIM 模型，可視化反映質(zhì)量隱患及病害的時空變化特性及演變規(guī)律，進(jìn)而采取措施進(jìn)行糾偏，保證施工順利進(jìn)行。同時，可以實時展現(xiàn)項目的計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度，可視化監(jiān)控項目計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度模型，一旦出現(xiàn)進(jìn)度提前或者延誤，可以及時預(yù)警。

在施工安全方面，項目對施工場地實行封閉式管理，場地進(jìn)出口設(shè)置閘機(jī)等設(shè)備，實行刷卡進(jìn)出現(xiàn)場，可以有效排除不相關(guān)人員，確保了工地現(xiàn)場的安全。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對重點設(shè)備，如塔吊等，進(jìn)行全時段監(jiān)控，主要包括風(fēng)速報警、防傾斜、禁行區(qū)域設(shè)置保護(hù)、多塔吊防碰撞、制動控制、塔吊黑匣子等多種功能。管理人員可隨時隨地登錄數(shù)據(jù)云平臺了解設(shè)備情況，做到設(shè)備設(shè)施的風(fēng)險預(yù)控。

在成本控制方面，基于BIM的智慧建造體系則是一個包含了項目各類信息的數(shù)據(jù)庫。借助于這個數(shù)據(jù)庫，不僅大大簡化了操作步驟以及由此帶來的潛在錯誤，而且造價人員可以接觸到精確全面的工程量信息，用于成本測算和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，從而更好地實現(xiàn)成本控制。在傳統(tǒng)工程量計算中，建筑構(gòu)配件信息數(shù)據(jù)往往需要不斷地重復(fù)輸入。本項目利于BIM平臺，可以快速、準(zhǔn)確地獲得相關(guān)工程量信息數(shù)據(jù)，及時為采購、領(lǐng)料提供依據(jù)，規(guī)范物資管理，避免材料浪費，實現(xiàn)項目成本的管控。

通過采用智慧建造模式，該項目各項預(yù)定指標(biāo)超額完成，工程質(zhì)量驗收評定等級為優(yōu)良，無安全事故發(fā)生。施工效率得到極大提升，由于減少了工程變更及返工，與原來傳統(tǒng)施工模式相比，工期縮短了約15%，成本降低了約10%。同時各參建單位及人員得到了鍛煉，為今后項目實施積累了寶貴經(jīng)驗。

4 結(jié)論

基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧建造體系框架的構(gòu)建及應(yīng)用是現(xiàn)代先進(jìn)的信息化技術(shù)綜合應(yīng)用過程，目標(biāo)就是實現(xiàn)一個建筑物在建造過程中以及建成以后形成智慧的、互聯(lián)的、協(xié)同的一個建造過程。這極大地促進(jìn)建筑企業(yè)科技創(chuàng)新能力，有效解決面對效率低下、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重大問題，加快整個建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級步伐。對于提高工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度、減少碳排放、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益都具有重大理論和應(yīng)用價值。但由于建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分散及工程信息的復(fù)雜性等原因，對于智慧建造還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；另外由于工程項目各參與方利益沖突，資源還不能完全共享，很難達(dá)到各方的協(xié)調(diào)一致。因此，有關(guān)領(lǐng)域的問題還有待進(jìn)一步研究，智慧建造時代的到來還需要一個過程。