基于BIM的工程建設項目質量與安全監管研究

李 弘，謝偉平，江 鑫，王 粟，曾 亮

(1 武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070; 2 武漢市漢陽區建筑管理站，湖北 武漢 430000;3 湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068)

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)近幾年在國內的應用如火如荼[1]，極大地促進了我國建筑行業信息化進程。BIM技術作為一種新的信息集成和管理模式，貫穿應用于各種建筑工程的勘察、設計和施工等全生命周期中，為各參建主體(如建設、設計、施工和監理單位等)和各專業人員提供了便捷的信息共享和協同工作平臺基礎[2-3]。

BIM在實際施工過程中主要應用在可視化管理、數字信息管理、風險預防管理、進度控制管理等。文獻[4]提出了施工階段的BIM應用模式，構建了由模擬和實時BIM系統組成的施工管理平臺架構，并設計了2個系統的實施流程。文獻[5]從理論和應用兩方面對BIM 技術進行研究，建立了一種云、大數據、物聯網與 BIM 技術統一集成的應用框架。文獻[6]就BIM技術在綜合管廊全生命周期智慧管控中的應用做了相應研究。文獻[7]在 Microstation平臺基礎上進行二次開發，實現以 EC框架為基礎的 BIM 模型信息擴展，以及以外部數據庫連接為基礎的圖形元素信息集成。文獻[8]制作了一個完整的盾構施工信息模型并設計了基于BIM的盾構施工信息管理系統。文獻[9]結合手持設備在既有的BIM施工質量管理模型基礎上開發了機電安裝工程的施工現場質量管理系統。然而目前BIM模型操作主要依靠高性能計算機及桌面客戶端，限制了操作人員的使用地點，并且很少與監管流程相結合[10]。

針對目前BIM應用存在的缺陷，筆者提出了一種基于BIM實現工程建設項目質量與安全監管的系統實現方案，系統實現方案包括BIM模型輕量化引擎選擇與平臺二次開發，使BIM模型擺脫軟件端，實現BIM模型在Web端的操作，并對工程建設項目的質量與安全監管流程進行線上處理，便于監管流程的信息化管理。本系統提高了歸口管理政府部門的監管效率、創新了監管模式，對監管過程具有積極作用。

1 工程建設項目質量與安全監督管理

為了構建BIM在質量與安全監督過程的應用流程，首先應該調研傳統模式下的質量與安全監督流程。工程項目監督管理包括許多方面，大體可以概括為注冊登記管理、工程質量監督管理、安全文明監督管理、工程問題處理管理等。

注冊登記管理主要是辦理項目的項目登記、質量監督登記，安全監督登記、施工許可證登記等。由建設單位在施工前提交工程項目的相關資料，由監管部門審核登記。

工程質量監督管理主要包括質量監管計劃管理和質量監督過程管理兩個部分。質量監管計劃管理主要包括監督交底、資料審查、監督計劃、監督檢查工作預警等工作。質量監督小組(含項目監督工程師)接到監督任務后，對受監工程現場進行首次質量監督抽查，并對建設各方主體進行質量監督交底，以及對各責任主體質量行為資料進行質量監督檢查，制定質量監督計劃。質量監督過程管理主要包括質量監督檢查、竣工管理、工程質量檔案管理等工作，是質量監督的核心。在施工工程中，質量監督小組依據工程進度和質量監督計劃，對工程責任主體單位(建設五方)的質量行為進行抽查，在工程項目竣工后，對工程項目進行質量驗收備案。

安全文明監督管理主要包括安全文明監管計劃管理和安全文明監管過程管理兩個部分。安全文明監管計劃管理主要包括安全監督交底、資料審查、安全監督工作預警等工作。安全監督小組(含項目監督工程師)接到安全監督任務后，進行現場安全檢查、技術交底、資料審查，制定安全監督計劃。安全文明監管過程管理主要包括安全監督檢查、危大工程管理、安全驗收監督和竣工管理等工作，是安全監督的核心。在施工工程中，安全監督小組依據工程進度和監督計劃，按程序展開日常抽查工作，對危大工程項目進行資料審核，在工程項目竣工后，對工程項目進行安全驗收備案。

工程問題處理管理是監督工程師在監督檢查過程中發現違法違規行為時，會對工程責任主體進行相應處罰。處罰方式主要包括限期整改、暫停施工、中止施工、施工約談、不良行為記錄、行政處罰等。

傳統工程項目管理中，主要是以紙質文件作為信息傳遞和存檔的資料，監管過程中會產生大量信息和數據，致使信息查找困難，監管規范主要依靠監督工程師的工程經驗，監管過程中的管理和服務質量有待提高。針對傳統監督管理過程中出現的問題，本文將使用BIM技術輔助監督管理過程，以優化監管流程，提高監管效率。

2 基于BIM的工程建設項目質量與安全監管系統

2.1 BIM模型輕量化引擎選擇與平臺二次開發

傳統的BIM模型只能在桌面客戶端進行操作瀏覽，操作人員被限制在室內。隨著信息化的發展，BIM模型從桌面客戶端走向Web端和移動端是大體的發展趨勢[11]。在施工監管過程中，操作人員可以直接在移動設備上對模型進行操作瀏覽將大大提升工作效率。但是由于目前瀏覽器計算能力的限制，必須對傳統的BIM模型進行輕量化處理[12]。

三維模型輕量化主要可從模型輕量化顯示和模型文件轉換兩方面進行處理。

模型輕量化顯示需要基于三維顯示引擎來搭建基于Web的模型瀏覽應用，如WebGL標準、HTML5和Threejs技術等。在輕量化模型時主要從圖元合并、幾何構件對象化、場景八叉樹劃分、LOD技術、模型文件壓縮等方面進行處理。在模型輕量化顯示方面，本系統主要基于BIM輕量化引擎進行二次開發。

模型文件轉換需要定義適合網絡傳輸的文件組織方式，把原始的模型文件轉換為適合網絡傳輸和輕量化顯示的文件格式。Forge平臺是目前主流的轉換服務架構，它是網絡服務和拓展接口APIs的集合。系統首先通過Forge服務實現RVT、NWC 等多種主流模型文件的轉換，自動下載并部署至業務服務器(阿里云)；然后通過Nodejs服務環境，在前端架設Nginx，實現BIM系統業務功能，以及模型資源的訪問，具備應付高并發、大流量訪問的性能特點；最后網頁客戶端解析轉換后的模型資源，渲染展示模型。

通過輕量化技術處理后，系統支持海量BIM數據在云端結構化存儲，獲取數據方便快捷；支持多模型聚合拼接，模型篩選查看；支持瀏覽模型中的2D圖紙；支持模型中構件搜索、過濾、瀏覽構件屬性；可手動在模型上設置檢查點，并跟具體構件相關聯等。

2.2 工程建設項目質量與安全監管流程的線上處理策略

為保證施工各階段、各參與方都能進行高效的溝通，在將傳統線下模式轉化為線上模式時，系統制定了兩種線上處理策略。

1)業務流程兼具流程引導和項目引導兩種不同方式。

用戶在使用系統時，可以通過流程引導和項目引導兩種不同的方式進入業務流程。流程引導是指用戶可以按照既定的模塊進入業務流程，該模塊列表中會列出當前用戶在本階段中參與的所有項目，用戶可以階段化的處理問題。項目引導是指用戶可以通過項目視圖模塊進入項目列表，項目列表中會列出當前用戶參與的所有項目，用戶通過進入具體項目來了解項目的進程，可以項目化的處理問題。兩種不同的引導方式如圖1所示。

圖1 兩種不同的引導方式

2)業務流程以消息通訊方式實現多角色的協同和交互。

多角色的協同和交互是本系統的一大特點，因此在設計業務流程時，每條業務流程都進行了流程分步處理，每一步驟對應一個角色，第一步為本流程的發起步，通過用戶主動觸發，后面每一步驟都是在前一步驟提交后以消息通訊方式對下一角色進行通知，對應角色通過消息列表進入下一步驟。多角色協同交互方式如圖2所示。

圖2 多角色協同交互方式

多業務線和多角色協同是目前工程建設項目監管的兩大特點。本系統的流程引導和項目引導策略使得使用者在操作時可以根據自己的需求，動態地調整操作的視角，分別從單一維度和整體維度快速進行相關操作。消息通訊的業務流程策略則使得各角色可以明確自身的責任步驟，同時實時查看目前的流程進展，避免了流程指向不明確的情況。兩種線上處理策略確保了系統在多業務線和多角色交互的業務流程中能夠高效的運行。

2.3 流程與模型的交互功能設計

在施工過程中，業務流程與BIM模型的結合可以明顯提高工作效率。在流程與模型的交互功能上，進行了以下設計：

1)BIM模型的基本操作(瀏覽、漫游、旋轉等，及分層分部位瀏覽等)；

2)在BIM模型中可以對施工信息添加和屬性進行拓展；

3)各種資料可以與BIM模型中不同層次的構件或部件綁定；

4)在BIM模型上可以添加檢查點，并快捷關聯質量和安全監管等具體業務流程；

5)在具體業務流程中可以反查BIM模型。

用戶在使用BIM模型或者處理業務流程時，可以實時進行兩者的交互，能夠直觀的對工作中的問題進行處理。

2.4 基于BIM的工程建設項目質量與安全監管系統

為促進信息共享和優化工程建設監管模式[13-15]，開發了基于BIM的工程建設項目質量與安全監管系統。微服務架構是一種最新的軟件架構方式，它將復雜應用按業務領域劃分為小模塊的自治服務。鑒于微服務架構具有服務注冊、服務發現、服務容錯、服務依賴，不同服務可以使用不同的技術架構并且可以獨立完成交付等優勢，系統開發采用微服務架構。系統以GO語言(golang)做為主要開發語言，支持協程并發，多個協程之間通過Channel通信。數據庫采用分庫分表設計，將傳統的數據庫和表按照既定的規則進行拆分，把原本存儲在一個庫的數據分塊存儲到多個庫中，把原本存儲到一個表的數據分塊存儲到多個表中。分庫分表設計能夠有效緩解單機和單庫的性能瓶頸和壓力，突破IO、連接數、硬件資源的瓶頸，從而更好的提供數據服務。在頁面布局設計中采用響應式布局，頁面能自動識別屏幕寬度并做出相應的調整，布局和展示的內容都有所變動，以一種前端頁面設計方案兼容了不同屏幕分辨率，實現了“一次設計，普遍適用”。系統框架如圖3所示。

圖3 系統構架

用戶可以通過手機或者PC進入系統Web端，在用戶進行操作時，系統會進行實時監控，對訪問進行控制，處理系統緩存，使負載達到均衡，以提供優質的服務，確保用戶實現對BIM模型的操作以及業務流程的進行。

3 應用

基于BIM的工程建設項目質量與安全監管系統在武漢某政府部門的監督管理流程中得到了成功應用。系統包括我的工程臺、注冊登記、BIM模型、質量監督、安全監督、報告聯動、項目視圖、輔助監管等共13個模塊，包含了監督管理的全部流程，可以為監督管理的全生命周期提供服務。

其中，“我的工作臺”模塊為用戶登錄的主界面，主要針對不同角色需求將其關心的信息進行梳理，為用戶提供個性化信息統計。“注冊登記”模塊為注冊登記管理提供服務，建設單位可以在線提交相應資料，監督工程師在線進行審查。“BIM模型”模塊提供BIM模型的在線操作、對施工信息添加和屬性拓展和在BIM模型上添加檢查點，并快捷關聯質量和安全監管等具體業務流程等功能，用戶可以實時進行業務流程與BIM模型的交互。“質量監督”模塊和“安全監督”模塊分別為工程質量監督管理和安全文明監督管理提供服務，監督工程師在監督過程中可以實時記錄現場情況，并以BIM模型做為輔助，更加直觀的了解項目工程施工具體情況，在項目竣工后，系統會自動工程項目進行分類管理，簡化了監管過程，優化監管流程。“報告聯動”模塊為工程責任主體單位(建設五方)提供窗口，在項目工程的各階段，工程責任主體單位需上傳各項工程報告，監督管理部門可以通過工程報告實時了解工程項目進度以及出現的問題。“項目視圖”模塊使用戶可以通過項目引導方式進入業務流程，為引導方式提供了多樣性。“輔助監管”模塊提供投訴和群訪處理臺賬、施工設備取證取牌管理和設計變更管理等功能。“報表統計”模塊提供各類報表自動生成和推送功能，較傳統人工統計，報表統計自動生成功能提高了用戶工作效率并確保了統計結果的準確性。“下載中心”模塊主要提供規范文件的存儲、上傳、下載、查看和檢索功能。“消息公告”模塊主要提供消息提醒和發布公告等功能，用戶可以通過消息提醒進入業務流程中，方便用戶指向待辦理的業務。“歷史庫”模塊將為已完成項目提供存儲功能。“系統管理”模塊主要提供角色設定、賬號分配等功能。

基于BIM的工程建設項目質量與安全監管系統充分利用BIM技術，將監管流程與BIM模型相結合，實現監管信息和BIM模型的強關聯關系，將工程項目監督管理信息化、模型化，為監管部門提供更直觀的管理界面。由于BIM信息交流的便利性，工程項目從設計、施工到監管階段都能進行有效地信息溝通，系統可以滿足工程項目監督管理全生命周期的要求。

4 結束語

本系統從建設項目質量與安全監管的實際監管需求出發，首先對傳統的工程項目監督管理流程進行調研，對BIM模型進行二次開發，提出了基于BIM的建設項目質量與安全監管線上處理策略的可行性方案，在此基礎上開發了基于BIM實現工程建設項目質量與安全監管的系統。本系統的最大優勢在于：1)提出了建立基于BIM的工程建設項目質量與安全監管的思路和設計方案，為監管信息的集成化管理和后續擴展提供了支撐。2)建立了基于BIM的可視化Web操作平臺，實現業務流程與BIM模型的實時交互。3)創新了傳統監管模式，優化監管流程，提高監管效率。

本系統在武漢某政府部門進行了應用試點，對歸口管理政府部門的監管模式、監管流程、監管效率等方面均具有積極的意義。本研究可以給政府部門在BIM技術的應用上提供一定參考，開拓BIM技術的應用領域。