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1 研究背景

水電工程通常是多座水工建筑物、多個工作面同步施工，在空間、時間、專業(yè)、工序上相互干擾，并存在資源上的約束。同時，各水工建筑物都是水電工程的功能組成部分，以工程按期發(fā)電為共同目標(biāo)。因此，水電工程項目屬于并行的、面向約束的項目群結(jié)構(gòu)。項目群施工管理是指綜合考慮集群個體項目在施工過程中的相互影響和聯(lián)系，以協(xié)同的方式管理所有子項目，實現(xiàn)組織的戰(zhàn)略目標(biāo)和利益。在此過程中會產(chǎn)生大量不同維度的并行信息流，如何整合不同維度的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息的實時共享和集成管理，是達(dá)成水電工程項目群施工管理目標(biāo)的關(guān)鍵。

國內(nèi)外學(xué)者對項目群信息管理模式、方法進(jìn)行了大量研究[1-4]。李勇提出了基于建筑信息模型(BIM，Building Information Modeling)技術(shù)的目標(biāo)式工程項目信息管理模式，橫向打通了技術(shù)信息化和管理信息化之間的信息傳遞[5]。潘怡冰等構(gòu)建了以BIM為核心的大型項目群管理信息集成模型，為項目產(chǎn)品、全壽命過程和管理組織3個維度信息的集成提供了思路[6]。在水電工程項目群信息管理領(lǐng)域，國內(nèi)外研究較少。李慶云面向水電施工企業(yè)，建立了“一個平臺、多個應(yīng)用系統(tǒng)模式”的信息管理系統(tǒng)，輔助企業(yè)對集群式項目進(jìn)行信息化、集約化管控[7]。王瑞等基于數(shù)據(jù)立方體技術(shù)，提出了水電工程建設(shè)項目群信息管理系統(tǒng)，加快了數(shù)據(jù)處理和共享效率[8]。

上述信息管理模式和系統(tǒng)的應(yīng)用，使水電工程項目群施工信息管理水平得到了提升，但依然存在一些問題，主要表現(xiàn)在：①數(shù)據(jù)表達(dá)形式不夠直觀，目前的管理系統(tǒng)主要是采用二維數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行施工管理，無法將實際工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、費用等信息與模型掛接，實現(xiàn)3D可視化表達(dá)。②管理數(shù)據(jù)與施工流程脫節(jié)，目前的信息管理系統(tǒng)主要局限于存儲與查詢，并沒有按照業(yè)務(wù)管理流程建立相應(yīng)規(guī)則，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與施工流程的實時聯(lián)動。

針對以上問題，本文提出了基于BIM技術(shù)的水電工程施工管理系統(tǒng)。通過水工建筑物3D建模，按施工管理單元劃分模型，并在模型上關(guān)聯(lián)施工管理信息，實現(xiàn)對所有子項目施工情況的直觀查詢。通過移動終端和Web端電子簽檔，驅(qū)動信息管理系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)分析和管理功能，指導(dǎo)施工活動的協(xié)同，并更新反饋數(shù)據(jù)，完成施工過程數(shù)據(jù)的閉合和實時共享，實現(xiàn)水電工程項目群施工信息的3D化集成管理和展示。

2 BIM技術(shù)在工程中的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)簡介

建筑信息模型作為在計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種多維度模型信息集成技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)的全生命周期，為其設(shè)計、施工、運行維護(hù)等提供高效的解決方案，在該領(lǐng)域已得到快速推廣。項目參與方可通過BIM模型查詢、修改項目信息，從而實現(xiàn)對項目的可視化管理[9-11]。尤其在施工階段，BIM技術(shù)可應(yīng)用于項目質(zhì)量、進(jìn)度、費用、安全等方面的管理，從而實現(xiàn)項目群碰撞檢測、協(xié)同施工、工程計量等。

BIM模型是進(jìn)行信息集成及工程管理的基礎(chǔ)，目前主要使用Revit、Bentley、CATIA等軟件進(jìn)行參數(shù)化建模工作，模型信息除包含基本幾何信息，還可以通過確定工程不同階段模型精度，賦予模型相應(yīng)的屬性信息，從而保證模型信息的準(zhǔn)確性、全面性和細(xì)致程度。工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC，Industry Foundation Classes)作為一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，支持各種建模軟件的交互，項目施工管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在輸入輸出時，嚴(yán)格按照IFC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范式來進(jìn)行數(shù)據(jù)描述，不同來源的數(shù)據(jù)就能實現(xiàn)在BIM平臺的集成管理。

基于BIM技術(shù)的施工管理系統(tǒng)建設(shè)，不僅適用于項目施工過程，還可靈活地向設(shè)計階段和運維階段擴(kuò)展，以滿足用戶在各個階段的數(shù)據(jù)需求，從而實現(xiàn)工程全生命周期管理。施工方可根據(jù)自身所需要的信息，確定不同的BIM模型精細(xì)度，實現(xiàn)管理信息的準(zhǔn)確集成、交換和共享。

2.2 基于BIM的信息集成管理

BIM技術(shù)進(jìn)行施工管理的兩大核心內(nèi)容是BIM模型建立及信息關(guān)聯(lián)技術(shù)。在原有設(shè)計階段形成的BIM模型基礎(chǔ)上，按照質(zhì)量評定的要求，對模型進(jìn)行“單項工程-單位工程-分部工程-分項工程-單元工程”劃分，從而得到作為項目管理的最小單元——單元工程，形成服務(wù)于施工階段的施工BIM模型，用于進(jìn)度編排和質(zhì)量評定。獲取單元工程模型之后，賦予單元工程編碼，與WBS作業(yè)掛鉤后，同模型一起導(dǎo)入系統(tǒng)。

信息關(guān)聯(lián)技術(shù)可將單元工程BIM模型與工程各階段管理信息進(jìn)行集成，將普通3D BIM模型轉(zhuǎn)化為攜帶進(jìn)度、質(zhì)量、費用、安全等數(shù)據(jù)的信息模型[12]。項目參建各方都可根據(jù)BIM信息模型來獲取所需要的相關(guān)信息，并通過BIM管理平臺更新、插入、提取、共享項目的各項數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)工程項目的高效協(xié)同管理。施工方可通過BIM模型查看工程進(jìn)度信息、模擬相關(guān)施工過程，檢查相關(guān)施工流程是否安排合理，從而優(yōu)化施工過程，減少工程變更成本。BIM信息數(shù)據(jù)集成化的特征，不僅可使參建各方更簡潔地提取項目相關(guān)信息，且能縮短項目的完成時間，減少工程變更，實現(xiàn)基于單元工程的可視化、信息化和精細(xì)化管理。

3 基于BIM的施工管理系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 設(shè)計思路

BIM能幫助用戶隨時檢索3D實體模型的任何相關(guān)信息。在水電工程施工過程中,以3D模型為基礎(chǔ)，集成進(jìn)度、質(zhì)量、費用和安全等方面的管理信息形成BIM施工管理系統(tǒng)，實現(xiàn)水電工程施工管理可視化、業(yè)務(wù)建設(shè)平臺化、管理數(shù)據(jù)信息化，以提高信息的傳遞效率，從而改善信息流失現(xiàn)象。

基于“數(shù)字化施工管理”的建設(shè)理念，為實現(xiàn)水電工程BIM施工管理系統(tǒng)的構(gòu)建，該系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

首先，建設(shè)3D模型和施工管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，為工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提供存儲空間；然后使用有效的建模軟件建立水電工程施工BIM模型，并依據(jù)水電工程施工建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化管理流程和施工管理的業(yè)務(wù)特點，按照一定規(guī)則將施工BIM模型進(jìn)行拆分，儲存在數(shù)據(jù)庫中；同時根據(jù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，抽象出進(jìn)度、質(zhì)量、費用、安全等施工管理信息數(shù)據(jù)模型，與施工BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)掛接，構(gòu)建n維總體集成控制模型，綜合運用信息技術(shù)和移動互聯(lián)技術(shù)開發(fā)基于Web端的BIM施工管理系統(tǒng)，實現(xiàn)水電工程數(shù)字化施工管理。

3.2 系統(tǒng)框架

構(gòu)建BIM施工管理系統(tǒng)的核心思想是將水電工程施工階段產(chǎn)生的所有管理信息進(jìn)行集成。系統(tǒng)在集成管理模式下，分3個層次對水電工程施工管理信息進(jìn)行可視化集成與展示，如圖2所示。

(1)單個子項目施工管理信息的集成，包括各子項目的合同信息、進(jìn)度計劃、施工工序等工程屬性信息，建筑物3D模型、模型單元編碼、模型關(guān)聯(lián)等3D模型信息，以及施工過程中產(chǎn)生的進(jìn)度、質(zhì)量、費用、安全等動態(tài)信息。

(2)項目群施工管理信息的集成，包括各子項目的水工建筑物3D模型集、各子項目施工管理關(guān)鍵指標(biāo)匯總等。

(3)施工信息在管理組織間的集成，施工參與各方可在系統(tǒng)中并行、協(xié)同工作，提高施工效率和質(zhì)量，降低安全風(fēng)險。

圖2 基于BIM的水電工程施工信息集成管理模式

該系統(tǒng)基于BIM技術(shù)，集成水電工程施工管理信息，建立信息流通、共享機(jī)制。整個系統(tǒng)構(gòu)成包括：數(shù)據(jù)層、邏輯層、應(yīng)用層和操作層4個部分，總體框架設(shè)計如圖3所示。

圖3 基于BIM的水電工程施工管理系統(tǒng)總體框架

在數(shù)據(jù)層中，建設(shè)管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與3D模型數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫與分布式文件存儲等方式，實現(xiàn)建設(shè)管理過程中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成存儲，形成服務(wù)于BIM施工管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源中心，以支持多維數(shù)據(jù)的同時查詢。邏輯層采用B/S(Browser/Server 瀏覽器-服務(wù)器)、M/S(Mobile/Server 移動端-服務(wù)器)模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便多用戶并行訪問和施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用層以水電工程建設(shè)中的最小分解結(jié)構(gòu)——單元工程作為核心驅(qū)動，主要集成進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、成本管理、安全管理4大模塊，實現(xiàn)整個水電工程項目群施工信息的精細(xì)化管理。操作層是由BIM工程師、施工管理人員、業(yè)主管理人員、監(jiān)理人員等組成的終端用戶群。用戶通過系統(tǒng)的身份識別應(yīng)用程序獲取角色和權(quán)限范圍，在賦予的權(quán)限范圍內(nèi)，按照業(yè)務(wù)管理流程定義的數(shù)據(jù)流通規(guī)則，對系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入、查詢、審核等操作。

操作層的相關(guān)用戶通過B/S、M/S模式，在系統(tǒng)應(yīng)用層中完成管理單元的質(zhì)量報驗，再將該單元記為已完工項，納入系統(tǒng)實際施工進(jìn)度、質(zhì)量和費用的統(tǒng)計分析范疇。對各子項目的施工信息進(jìn)行匯總分析，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層形成完整的項目群施工信息，最終實現(xiàn)施工參與各方的信息協(xié)同共享。

3.3 系統(tǒng)功能

基于實現(xiàn)水電工程數(shù)字化施工管理的目標(biāo)，系統(tǒng)構(gòu)建的主要功能為進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、成本管理及安全管理。

(1)進(jìn)度管理。提高進(jìn)度信息的準(zhǔn)確性、及時性和可獲取性，從而對工程施工進(jìn)行實時控制管理，保證工程竣工交付時間。根據(jù)“項目分解結(jié)構(gòu)(WBS-Work Breakdown Structure)+施工BIM模型+時間軸”的進(jìn)度控制模型，進(jìn)度管理功能包括進(jìn)度計劃編排、實際進(jìn)度反饋、實際進(jìn)度查詢和進(jìn)度對比分析模塊。系統(tǒng)進(jìn)度計劃編排模塊支持多種格式進(jìn)度文件的導(dǎo)入，也可直接在模塊中編輯，通過賦予模型單元時間屬性，實現(xiàn)計劃進(jìn)度的3D模擬建造，并統(tǒng)計工程量。在施工過程中將工程的實際進(jìn)度實時反饋到系統(tǒng)中，實現(xiàn)實際進(jìn)度的可視化查詢。同時可以對實際進(jìn)度與計劃進(jìn)度進(jìn)行對比分析，并以橫道圖和模型兩種方式表現(xiàn)，用不同顏色標(biāo)注超前、完成、滯后任務(wù)，并分類統(tǒng)計任務(wù)數(shù)量。對比的時間區(qū)間、計劃進(jìn)度類別可由用戶自行定義。

(2)質(zhì)量管理。使工程質(zhì)量控制參數(shù)化、形象化，為工程各參與方直觀清晰地展現(xiàn)工程質(zhì)量的狀態(tài)。根據(jù)“質(zhì)量分解結(jié)構(gòu)(QBS, Quality Breakdown Structure)+施工BIM模型+時間軸”的質(zhì)量控制模型，質(zhì)量管理的主要功能包括質(zhì)量報驗、質(zhì)量消缺和報驗消缺查詢模塊。通過選擇報驗部位、所處工序，填寫相應(yīng)報驗表單，啟動質(zhì)量評定流程，報驗人、報驗狀態(tài)等流程信息實時更新，已完成質(zhì)量評定的單元作為已完工項顯示在模型中，與進(jìn)度管理進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并統(tǒng)計工程質(zhì)量的優(yōu)良率和合格率。對于質(zhì)量評定不合格的單元工程，在模型上異色標(biāo)示，并關(guān)聯(lián)同步整改單、回復(fù)單等相關(guān)附件，做好質(zhì)量消缺查詢記錄。

(3)成本管理。實現(xiàn)面向過程的工程投資統(tǒng)計，提高施工預(yù)算的精度。根據(jù)“費用分解結(jié)構(gòu)(CBS，Cost Breakdown Structure)+施工BIM模型+時間軸”的成本控制模型，成本管理功能主要包括工程量統(tǒng)計和投資統(tǒng)計模塊。系統(tǒng)按照單元工程劃分原則自動組合模型構(gòu)件工程量，通過篩選單元ID、分組、完成時間等屬性信息，實現(xiàn)不同時間區(qū)間、不同結(jié)構(gòu)層級、不同類型(是否變更)的工程量統(tǒng)計，生成工程量臺賬。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合單價，統(tǒng)計相應(yīng)的計劃合同支付、實際合同支付、變更費用等投資信息。

(4)安全管理。監(jiān)測工程施工過程中的重要結(jié)構(gòu)與區(qū)域，為施工方案的選取提供決策依據(jù)。根據(jù)“風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)(RBS，Risk Breakdown Structure)+施工BIM模型+時間軸”的安全控制模型，安全管理功能主要包括視頻監(jiān)控、危險源排查和安全整改模塊。實時監(jiān)控重點施工部位，將排查到的危險源信息在模型上異色標(biāo)示發(fā)生部位，并以圖表形式匯總危險源內(nèi)容、類型、排查時間等，同時對需要安全整改的項目進(jìn)行整改內(nèi)容、要求閉合時間、實際閉合時間等信息的跟蹤，落實隱患排查和整改閉合工作。

4 案例分析

本文以某大型水電工程建設(shè)項目為研究對象。該項目包含大壩工程、引水發(fā)電工程、導(dǎo)流洞工程、高邊坡工程等多個子項目?；贐IM的水電工程施工管理系統(tǒng)項目群管理中心包括綜合部、合同部、工程部、安環(huán)部以及BIM中心，系統(tǒng)的構(gòu)建加強(qiáng)了各子項目之間的協(xié)同管理能力，并將進(jìn)度、質(zhì)量、費用、安全等信息集成管理，可以快速查詢項目信息、實時追蹤施工情況，實現(xiàn)整個工程施工過程3D可視化表達(dá)和施工管理數(shù)據(jù)的實時聯(lián)動，如圖4所示。

圖4 水電工程施工信息查詢

該項目采用CATIA進(jìn)行壩體建模，逐壩段按照澆筑層厚劃分為單元工程，作為項目管理的最小單元，用于進(jìn)度編排和質(zhì)量評定。獲取CATIA倉位單元工程模型之后，將其導(dǎo)入到Revit軟件中形成“構(gòu)件”，利用Revit構(gòu)件的“注釋”屬性賦予單元工程編碼，與WBS作業(yè)掛鉤后，同模型一起導(dǎo)入系統(tǒng)。水電工程施工過程中產(chǎn)生的施工管理數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)與模型掛接，建立實時動態(tài)聯(lián)系。以進(jìn)度管理為例，單元工程完成質(zhì)量評定后在系統(tǒng)內(nèi)被標(biāo)記為已完工項，通過對已完工項的統(tǒng)計和模型展示可直觀表現(xiàn)該水電工程總體進(jìn)度完成情況。同時，在進(jìn)度管理界面中導(dǎo)入該水電工程的施工進(jìn)度計劃，采用3D模型和橫道圖兩種形式進(jìn)行實際與計劃施工進(jìn)度對比，方便了解各項目施工進(jìn)度滯后情況，指導(dǎo)施工資源優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 施工進(jìn)度比對

5 結(jié) 語

針對水電工程項目群施工信息管理中存在的問題，利用BIM技術(shù)在工程信息3D表達(dá)、集成和協(xié)同共享上的優(yōu)勢，實現(xiàn)管理數(shù)據(jù)的及時處理、多維查詢和實時共享。按照施工管理單元劃分BIM模型，采用單元工程作為核心驅(qū)動，將水電工程施工過程中的進(jìn)度、質(zhì)量、安全等信息與對應(yīng)單元BIM模型實時關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與施工進(jìn)度同步更新，通過操作模型，進(jìn)行多維度、多層次的數(shù)據(jù)查詢和展示?；谔岢龅乃姽こ添椖咳菏┕ば畔⒓晒芾砟Ｊ剑_發(fā)了水電工程施工管理系統(tǒng)，并應(yīng)用于某水電工程，提高了施工管理效率和質(zhì)量，為水電工程項目群施工信息的規(guī)范、協(xié)同、集約化管理提供了平臺和基礎(chǔ)。

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