一種基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM的工程全過(guò)程管理系統(tǒng)架構(gòu)

周子航

(上海市存志學(xué)校，上海 200092)

0 引言

工程建設(shè)項(xiàng)目涉及多要素、多主體和多流程，管理水平的高低直接影響到項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量和投資成本。BIM、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，為工程項(xiàng)目全過(guò)程管理帶來(lái)了新的手段。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目管理系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了諸多研究，BIM 虛擬化技術(shù)應(yīng)用到工程全過(guò)程管理系統(tǒng)。麥強(qiáng)等研究了重大工程項(xiàng)目決策復(fù)雜度和降解方法[1]，GUO 等建立一種基于BIM 的工程全過(guò)程管理系統(tǒng)[2]，薛梅等通過(guò)客戶端實(shí)現(xiàn)三維GIS 場(chǎng)景中CAD、BIM 要素服務(wù)的訪問(wèn)集成，構(gòu)建了工程全生命周期管理系統(tǒng)[3]，程雨婷等將BIM 應(yīng)用到市政工程項(xiàng)目[4]，于景飛等將BIM 應(yīng)用于工程成本控制[5]，包勝等構(gòu)建了基于城市信息模型的智慧城市管理平臺(tái)[6]，張毅等、任萬(wàn)鵬等分別將BIM 模型應(yīng)用到鐵路和公路工程建設(shè)項(xiàng)目管理[7,8]，劉欣悅構(gòu)建了基于BIM 的工程管理系統(tǒng)[9]。

傳統(tǒng)基于BIM 的工程管理系統(tǒng)架構(gòu)中，BIM 模型需要Revit 等專業(yè)工具建模和加載，比較復(fù)雜，加載效率低；系統(tǒng)數(shù)據(jù)以人工維護(hù)為主，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集滯后準(zhǔn)確性差。為此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM 的工程全過(guò)程管理系統(tǒng)框架，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)采集工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口整合和處理本地和異地?cái)?shù)據(jù)，將BIM 模型輕量化實(shí)現(xiàn)快速建模和主流瀏覽器加載，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)項(xiàng)目全過(guò)程管控。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、展示層和用戶層五層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)層：系統(tǒng)通過(guò)專線傳輸視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)專線實(shí)現(xiàn)不同辦公區(qū)域訪問(wèn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)3G/4G/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)加密傳輸至系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)層：系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)總線采集和管理多源數(shù)據(jù)，接入外部數(shù)據(jù)，對(duì)接自建業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，接口調(diào)用外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集和處理。

業(yè)務(wù)層：包括工程項(xiàng)目計(jì)劃、立項(xiàng)、合同、付款、投資、審價(jià)、供應(yīng)商等功能模塊，全程應(yīng)用BIM模型。

展示層：系統(tǒng)可通過(guò)監(jiān)管大屏、電腦端和移動(dòng)端訪問(wèn)。

用戶層：系統(tǒng)主要用戶包括工程項(xiàng)目投資單位、承建單位、監(jiān)理單位、政府和行業(yè)監(jiān)管部門等。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2 所示，系統(tǒng)需具備一定的網(wǎng)絡(luò)防攻擊能力[10]，防火墻是系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)交互通道，工程建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集，由本地網(wǎng)關(guān)接收后通過(guò)4G/5G 加密傳輸至網(wǎng)絡(luò)防火墻。系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)通過(guò)https 協(xié)議進(jìn)行加密數(shù)據(jù)傳輸。局域網(wǎng)外電腦、移動(dòng)設(shè)備、APP 等通過(guò)SSL VPN 經(jīng)防火墻認(rèn)證后訪問(wèn)系統(tǒng)。防火墻內(nèi)部為核心交換機(jī)，核心交換機(jī)內(nèi)部分為服務(wù)器區(qū)交換機(jī)和辦公區(qū)域交換機(jī)，服務(wù)器區(qū)交換機(jī)分為已有系統(tǒng)服務(wù)器群組和本系統(tǒng)服務(wù)器群組（數(shù)據(jù)交換在交換機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)），辦公區(qū)域交換機(jī)接監(jiān)管大屏、電腦、移動(dòng)設(shè)備等，通過(guò)核心交換機(jī)訪問(wèn)系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.3 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以需求為導(dǎo)向，以管控為目標(biāo)，加強(qiáng)項(xiàng)目立項(xiàng)、合同管理、工程付款、審價(jià)管理、供應(yīng)商等工程管理，重點(diǎn)關(guān)注工程管理涉及關(guān)鍵要素中的薄弱環(huán)節(jié)，如進(jìn)度管理、投資控制、簽證變更管理、審價(jià)管理等，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目全過(guò)程閉環(huán)管理。系統(tǒng)包括計(jì)劃管控、項(xiàng)目立項(xiàng)、合同管理、付款管理、投資控制、審價(jià)管理、供應(yīng)商管理、統(tǒng)計(jì)分析、BIM 全程應(yīng)用、系統(tǒng)管理等功能模塊，詳見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

1.4 數(shù)據(jù)總線

系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)采集和管理，為業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)支撐。

⑴多源數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)接口采集BIM、GIS、CAD圖檔、工程現(xiàn)場(chǎng)等數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)對(duì)接采集審批系統(tǒng)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)、資金系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)接口訪問(wèn)承建單位系統(tǒng)、政府報(bào)建系統(tǒng)、公開招投標(biāo)等外部系統(tǒng)。

⑵多源數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集到的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、加工和處理。本系統(tǒng)構(gòu)建了工程項(xiàng)目主數(shù)據(jù)，并對(duì)主數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽化，提高系統(tǒng)加載速度。以供應(yīng)商為例，如圖4所示，定義供應(yīng)商主數(shù)據(jù)，將供應(yīng)商等級(jí)、類型等作為標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并增加供應(yīng)商屬性數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)檢索和加載速度。

圖4 主數(shù)據(jù)定義（供應(yīng)商）

1.5 流程設(shè)計(jì)

工程建設(shè)項(xiàng)目全過(guò)程管理設(shè)計(jì)進(jìn)度、過(guò)程、質(zhì)量、風(fēng)險(xiǎn)、安全管理等多方面以及多個(gè)業(yè)務(wù)流程。以工程質(zhì)量巡檢為例，流程如下：根據(jù)工程項(xiàng)目質(zhì)量巡檢計(jì)劃，發(fā)起工程質(zhì)量巡檢（可通過(guò)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)方式巡檢），每次檢查均填寫工程質(zhì)量巡檢報(bào)告，若巡檢發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可開具工程質(zhì)量整改單，由責(zé)任單位整改，檢查人員對(duì)整改結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)收沒有通過(guò)則繼續(xù)開具工程質(zhì)量整改單，若驗(yàn)證通過(guò)則補(bǔ)充工程質(zhì)量巡檢報(bào)告，流程結(jié)束，如圖5所示。

圖5 工程建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量巡檢流程

2 BIM全程應(yīng)用

本文通過(guò)輕量化引擎和BIM 建模工具，實(shí)現(xiàn)模型快速搭建，可通過(guò)主流瀏覽器加載和訪問(wèn)，BIM 全程應(yīng)用于工程項(xiàng)目進(jìn)度管理、投資計(jì)劃、安全監(jiān)測(cè)、工程質(zhì)量等全過(guò)程管控。

2.1 BIM建模和輕量化

傳統(tǒng)BIM 模型建模和加載通常需要Revit 等專業(yè)軟件，服務(wù)器資源占用大，加載速度慢，為提高加載和響應(yīng)速度，本文引入BIM 輕量化引擎，通過(guò)模型信息提取、模型輕量化、模型文件轉(zhuǎn)化[11]，實(shí)現(xiàn)快速建模，所建立的BIM 模型資源需要較少，可通過(guò)Chrome 等主流瀏覽器加載和訪問(wèn)。

系統(tǒng)構(gòu)建了快速建模、修改和檢查工具，建模工具包括CAD建模（快速創(chuàng)建柱、梁、樁、承臺(tái)、噴淋等模型構(gòu)件）、支架放置（可手動(dòng)或自動(dòng)放置）、墻板開洞、保溫層管理、數(shù)據(jù)管理等快速建模工具，修改工具包括分段、對(duì)齊、連接等快速修改工具，通過(guò)干涉檢查實(shí)現(xiàn)模型快速檢查，詳見表1。

表1 BIM快速建模工具

2.2 BIM模型應(yīng)用

所構(gòu)建系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，與BIM 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行管控，如圖6所示。

圖6 BIM模型應(yīng)用

BIM 模型對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)度、投資、安全、風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量等全過(guò)程管控，詳見表2。

表2 BIM全程應(yīng)用

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)。系統(tǒng)界面上部為功能欄選項(xiàng)，下半部分分左右兩側(cè)，左側(cè)為功能列表，右側(cè)為篩選條件、數(shù)據(jù)列表或詳情，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能界面

工程全過(guò)程管理系統(tǒng)各功能模塊可以按需選配，支持模塊化搭建，功能詳見表3。

表3 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)部分功能模塊如圖8～圖12所示。

圖8 系統(tǒng)功能模塊

圖9 項(xiàng)目進(jìn)度管控

圖11 工程合同列表

圖12 工程付款

4 總結(jié)與展望

本文構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM 的工程項(xiàng)目全過(guò)程管理系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)項(xiàng)目計(jì)劃、立項(xiàng)、合同、付款、投資、審價(jià)、供應(yīng)商等全方位管控。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集工程項(xiàng)目信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息傳輸，由數(shù)據(jù)總線接入多源外部數(shù)據(jù)、集成現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)、對(duì)接外部系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息匯集和管理，為業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)支持，通過(guò)輕量化引擎和建模工具實(shí)現(xiàn)BIM 快速建模，可以在主流瀏覽器中快速加載和訪問(wèn)。BIM 全程應(yīng)用于工程項(xiàng)目進(jìn)度、投資、安全、風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量等全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高效管控。系統(tǒng)支持模塊化搭建，按需配置計(jì)劃管控、項(xiàng)目立項(xiàng)、合同管理、付款管理、投資控制、審價(jià)管理、供應(yīng)商管理、統(tǒng)計(jì)分析、BIM應(yīng)用等模塊。

后續(xù)可以從深度、廣度上繼續(xù)深化系統(tǒng)功能。①整合更多業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將更多的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加載到輕量化BIM 模型中，實(shí)現(xiàn)更完整的業(yè)務(wù)管控。②在業(yè)務(wù)管理基礎(chǔ)上，通過(guò)預(yù)警預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析為經(jīng)營(yíng)決策提供支持。③在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，增加安全識(shí)別等智能化手段，提高工程項(xiàng)目全過(guò)程管理的自動(dòng)化和智能化水平。