熊超華， 駱漢賓

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

目前我國(guó)大型復(fù)雜工程建設(shè)規(guī)模不斷增加，隨之需要面臨越來(lái)越龐大和復(fù)雜的機(jī)電管線系統(tǒng)建設(shè)壓力。與此同時(shí)，施工質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致人身、財(cái)產(chǎn)受到威脅的情況屢見(jiàn)不鮮[1,2]，因此針對(duì)復(fù)雜機(jī)電管線系統(tǒng)，其施工質(zhì)量的控制與管理已經(jīng)成為項(xiàng)目能否成功完成的關(guān)鍵部分。由于建設(shè)工程項(xiàng)目自身所特有的一些屬性，往往工程項(xiàng)目施工周期長(zhǎng)，而施工過(guò)程中的約束條件和不確定因素也較多[3]。機(jī)電安裝工程作為土木工程建設(shè)過(guò)程中的重要組成部分，這些特性也同樣存在。正是由于機(jī)電安裝工程存在的這些特征，使得機(jī)電工程在安裝過(guò)程中往往出現(xiàn)所需遵守的規(guī)范繁雜，并且不易查詢[4]；對(duì)機(jī)電安裝工程往往重視結(jié)果而不重視過(guò)程；出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，權(quán)責(zé)界定不清晰等現(xiàn)象[5]。這些問(wèn)題的存在使得機(jī)電工程質(zhì)量管理難度大，從而導(dǎo)致質(zhì)量事故以及用戶不滿意的情況頻繁發(fā)生。

根據(jù)上述機(jī)電工程質(zhì)量事故成因分析，不少學(xué)者開(kāi)始探索引入新技術(shù)、新工具來(lái)提升質(zhì)量管理流程，進(jìn)而減少質(zhì)量事故的發(fā)生[6～8]。然而，這些研究并沒(méi)有充分利用到設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的信息，陳麗娟[9]提出了基于BIM(Building Information Modeling)的POP(Product、 Organization、 Process)施工質(zhì)量管理模型，通過(guò)POP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立，將施工任務(wù)的施工產(chǎn)品(Product)、責(zé)任人(Organization)、施工產(chǎn)品過(guò)程(Process)界定清晰，從而最大限度確保施工質(zhì)量的可控。然而，由于BIM模型操作依賴(lài)于高性能計(jì)算機(jī)，因此大部分?jǐn)?shù)據(jù)的產(chǎn)生和獲取被限制在室內(nèi)條件下，計(jì)算機(jī)條件下的BIM在施工現(xiàn)場(chǎng)可操作性差，極大地阻礙了BIM在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用[9]。因此亟需一個(gè)便攜設(shè)備用于現(xiàn)場(chǎng)信息采集、傳遞和后臺(tái)數(shù)據(jù)推送媒介。隨著智能手機(jī)的普及和發(fā)展，目前智能手機(jī)大部分配備有觸摸屏、攝像頭、GPS等各類(lèi)傳感器裝置，通過(guò)這些裝置，可實(shí)現(xiàn)快速的信息收集并隨時(shí)進(jìn)行可視化展示。文中將手持設(shè)備和BIM模型相結(jié)合，以手持設(shè)備作為前臺(tái)數(shù)據(jù)采集端口，而B(niǎo)IM則作為后臺(tái)施工信息管理端口，并實(shí)現(xiàn)前臺(tái)數(shù)據(jù)采集和后臺(tái)數(shù)據(jù)管理的信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電工程施工質(zhì)量的全過(guò)程管控。

通過(guò)分析現(xiàn)有機(jī)電安裝工程質(zhì)量管控流程，發(fā)現(xiàn)其中存在的缺陷，而為了彌補(bǔ)其中的缺陷必須要引入信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量信息的動(dòng)態(tài)采集。因此本文在既有BIM施工質(zhì)量管理模型的基礎(chǔ)上引入了手持設(shè)備，創(chuàng)建了質(zhì)量管理方法新模式，改變了質(zhì)量管理的業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)流，充分發(fā)揮了手持設(shè)備攜帶方便，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。與此同時(shí)，也能彌補(bǔ)基于BIM的施工質(zhì)量管理模式對(duì)數(shù)據(jù)采集不及時(shí)和不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。最后，該系統(tǒng)在某國(guó)博分布式能源站項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

1 機(jī)電安裝工程質(zhì)量管控模式優(yōu)化

1.1 機(jī)電安裝工程質(zhì)量管控現(xiàn)狀

機(jī)電工程相較于土建工程存在一些區(qū)別和差異：(1)機(jī)電安裝涉及專(zhuān)業(yè)種類(lèi)眾多，且各專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)差異很大；(2)機(jī)電工程的施工首先要配合土建工程進(jìn)行預(yù)留、預(yù)埋施工，而后要配合裝飾施工，工程協(xié)調(diào)困難；(3)機(jī)電安裝的所需質(zhì)量檢測(cè)方式多，對(duì)質(zhì)量控制精度要求較高。通過(guò)分析機(jī)電工程質(zhì)量管控的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量管控難度較大。

目前，機(jī)電工程質(zhì)量管控普遍由施工方和監(jiān)理方工程師負(fù)責(zé)，工作方法粗糙[10]。由于缺乏信息化技術(shù)的介入，傳統(tǒng)的監(jiān)理模式對(duì)監(jiān)理工程師本身的主觀判斷過(guò)分依賴(lài)。而另一方面，由于機(jī)電工程的特點(diǎn)使得其對(duì)質(zhì)量控制要求比較高。因此，這樣的形勢(shì)直接導(dǎo)致了機(jī)電工程安裝質(zhì)量往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而機(jī)電工程施工質(zhì)量控制各階段信息也處于碎片狀態(tài)，使得機(jī)電工程施工質(zhì)量處于失控狀態(tài)。

圖1 機(jī)電工程檢驗(yàn)批質(zhì)量管理流程

檢驗(yàn)批是工程驗(yàn)收的最小單位，也是分項(xiàng)、分部及單位工程驗(yàn)收的根據(jù)。因此，在機(jī)電工程施工過(guò)程質(zhì)量控制中，往往通過(guò)對(duì)各檢驗(yàn)批的有效控制，從而達(dá)到全面控制施工質(zhì)量的目標(biāo)。施工現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)批質(zhì)量驗(yàn)收流程如圖1所示?？梢?jiàn)，在檢驗(yàn)批質(zhì)量驗(yàn)收過(guò)程中監(jiān)理單位占據(jù)了很重要的地位。然而，由于缺乏信息化技術(shù)的介入，傳統(tǒng)的監(jiān)理模式對(duì)監(jiān)理工程師本身的主觀判斷過(guò)分依賴(lài)。因此在質(zhì)量管理過(guò)程中要求監(jiān)理工程師專(zhuān)業(yè)水平高、綜合素養(yǎng)好、責(zé)任心強(qiáng)，才能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有效管控和監(jiān)督，反之，則很容易在質(zhì)量監(jiān)管過(guò)程中出現(xiàn)管理漏洞。因此，對(duì)于重大工程、復(fù)雜工程、高風(fēng)險(xiǎn)工程，傳統(tǒng)的監(jiān)理模式就顯得捉襟見(jiàn)肘。

1.2 基于手持設(shè)備的機(jī)電安裝工程質(zhì)量管理

如上文所述，為了更好更全面的描述工程質(zhì)量參與主體、產(chǎn)品質(zhì)量要求及施工過(guò)程等三個(gè)因素，陳麗娟[9]引入了三維POP質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。POP模型將3D建筑產(chǎn)品模型與過(guò)程和組織三個(gè)因素結(jié)合起來(lái)，為可視化設(shè)計(jì)、施工建立了信息更加聯(lián)動(dòng)的質(zhì)量模型。相對(duì)于傳統(tǒng)方法來(lái)說(shuō)，這種建模方法能更好的支持機(jī)電安裝工程質(zhì)量控制與管理。

圖2 POP質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

而利用BIM則能夠?qū)OP質(zhì)量控制信息集成到實(shí)體對(duì)象中，真正實(shí)現(xiàn)了虛擬世界和真實(shí)世界1∶1對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖3所示。因此，最終構(gòu)建了基于BIM的POP施工質(zhì)量管理模型，從而最大限度確保施工質(zhì)量的可控。對(duì)項(xiàng)目各參與方，依托BIM質(zhì)量管理模型，可以準(zhǔn)確的記錄質(zhì)量信息，結(jié)合相應(yīng)的文字信息、圖片、視頻等信息，有效提升現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量記錄準(zhǔn)確度。在BIM的輔助下，在三維模型中準(zhǔn)確直觀地指出質(zhì)量管理的對(duì)象，大大提升了信息傳遞互動(dòng)的準(zhǔn)確性和效率，并且能夠全面有效地獲取相關(guān)質(zhì)量信息，清楚地掌握到工程整體情況。

圖3 基于BIM的機(jī)電工程質(zhì)量控制信息集成

而在建筑工程施工階段，由于施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較復(fù)雜、影響因素多，而且施工環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的，手持設(shè)備這樣便攜式移動(dòng)終端越來(lái)越多地被應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)管理中。而針對(duì)BIM條件下質(zhì)量管理過(guò)程中存在質(zhì)量信息收集不及時(shí)和不準(zhǔn)確的問(wèn)題，在現(xiàn)有BIM質(zhì)量管理模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合手持設(shè)備的應(yīng)用則能夠很好地予以彌補(bǔ)。如圖4所示，基于手持設(shè)備和BIM提出了施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理的新模式。其中手持設(shè)備的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量信息的現(xiàn)場(chǎng)取證，提升質(zhì)量信息采集的準(zhǔn)確性和效率，極大程度地避免了現(xiàn)場(chǎng)工程師質(zhì)量管理的隨意性和自由裁量權(quán)。在質(zhì)量管理新模式的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了基于手持設(shè)備和BIM施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理系統(tǒng)。

圖4 機(jī)電工程質(zhì)量管理新模式

2 機(jī)電安裝工程質(zhì)量管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，由移動(dòng)端、服務(wù)器端和以及BIM數(shù)據(jù)庫(kù)3部分構(gòu)成。用戶利用移動(dòng)端設(shè)備在施工現(xiàn)場(chǎng)電子取證，采集施工質(zhì)量信息，服務(wù)器端作為移動(dòng)端與BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)接口傳遞質(zhì)量取證信息，數(shù)據(jù)庫(kù)為BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶在下圖所示結(jié)構(gòu)模型中能夠利用移動(dòng)設(shè)備對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量信息進(jìn)行電子取證，并且可以通過(guò)服務(wù)器端與后臺(tái)BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和更新，據(jù)此可以對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量驗(yàn)收相關(guān)信息進(jìn)行電子化管理，提高施工質(zhì)量驗(yàn)收及質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)管理的效率。

圖5 施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

2.2 系統(tǒng)功能模型

施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理系統(tǒng)功能根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同主要分為前臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)取證與后臺(tái)數(shù)據(jù)管理。前臺(tái)數(shù)據(jù)采集是指用戶利用手持設(shè)備在質(zhì)量驗(yàn)收過(guò)程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量相關(guān)信息進(jìn)行采集的過(guò)程，而后臺(tái)數(shù)據(jù)管理主要是指用戶利用后臺(tái)BIM模型對(duì)質(zhì)量驗(yàn)收信息進(jìn)行高效管理的過(guò)程，如圖6所示為系統(tǒng)功能模型。

圖6 施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理系統(tǒng)功能模型

2.2.1前臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)取證

借助現(xiàn)場(chǎng)工程師熟悉施工現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)取證的工作手段，把施工過(guò)程中重要的隱蔽工程和工藝過(guò)程進(jìn)行“證據(jù)保全”，利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)移動(dòng)終端，第一時(shí)間上傳“取證結(jié)果”，將施工工藝、過(guò)程圖片等信息知會(huì)相關(guān)方，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)相關(guān)部門(mén)、人員對(duì)工程項(xiàng)目管理的聯(lián)防聯(lián)控，確保設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程質(zhì)量和施工安全。以管道標(biāo)高檢測(cè)為例，在取證過(guò)程中通過(guò)手持設(shè)備可以記錄取證過(guò)程，并記錄取證時(shí)間和取證人員，確保施工現(xiàn)場(chǎng)獲取質(zhì)量信息的真實(shí)準(zhǔn)確，如圖7所示為利用手持設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)取證示例。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)取證示例

2.2.2后臺(tái)數(shù)據(jù)管理

對(duì)于質(zhì)量取證信息的管理，由于涉及到大量的圖片以及文本信息，必須借助于后臺(tái)主機(jī)進(jìn)行管理。依據(jù)質(zhì)量控制點(diǎn)信息結(jié)構(gòu)化列表，能夠?qū)崿F(xiàn)前臺(tái)質(zhì)量取證信息與后臺(tái)BIM模型構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)。因此，工程師通過(guò)手持設(shè)備獲取的質(zhì)量取證文本和圖片信息能夠在上傳至后臺(tái)服務(wù)器時(shí)自動(dòng)與相應(yīng)BIM模型構(gòu)件綁定，最終能夠有效實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收取證信息的數(shù)字化管理。

質(zhì)量控制點(diǎn)是為保證工序質(zhì)量而確定的重點(diǎn)控制對(duì)象、關(guān)鍵部位或薄弱環(huán)節(jié)，是進(jìn)行質(zhì)量管理的基本前提工作。為了實(shí)現(xiàn)前臺(tái)質(zhì)量取證信息與后臺(tái)BIM模型構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)必須要對(duì)質(zhì)量控制點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，如表1所示為機(jī)務(wù)工程管道質(zhì)量控制點(diǎn)結(jié)構(gòu)化列表示例。

表1 機(jī)務(wù)工程質(zhì)量控制點(diǎn)結(jié)構(gòu)化列表示例

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

武漢國(guó)博分布式能源站項(xiàng)目為燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的能源站(含燃機(jī)間、鍋爐間、制冷機(jī)房、水泵房、冷卻塔等)，場(chǎng)地面積約7100 m2，位于停車(chē)場(chǎng)地下負(fù)一層。整個(gè)項(xiàng)目由于涉及管線部分構(gòu)成十分復(fù)雜，項(xiàng)目位于地下室，空間場(chǎng)地非常有限。因此根據(jù)武漢國(guó)博分布式能源站項(xiàng)目實(shí)際情況，施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理系統(tǒng)主要側(cè)重于施工現(xiàn)場(chǎng)電子取證，質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)管理。下面以項(xiàng)目實(shí)例詳細(xì)介紹施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理系統(tǒng)在該項(xiàng)目中的應(yīng)用情況。

3.1 施工現(xiàn)場(chǎng)電子取證

手持端系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖8所示，該系統(tǒng)界面包括用戶登錄、項(xiàng)目選擇、取證指南、信息錄入、取證列表以及取證信息。用戶在登錄手機(jī)端系統(tǒng)之后，選擇需要取證的項(xiàng)目并且根據(jù)取證指南進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信息的采集，在錄取取證信息之后可以查詢已完成取證項(xiàng)目，并且可以查詢每一個(gè)取證項(xiàng)目的具體信息。

現(xiàn)場(chǎng)工程師通過(guò)手持設(shè)備可以有效采集施工現(xiàn)場(chǎng)的信息或是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程質(zhì)量驗(yàn)收等，并將信息進(jìn)行上報(bào)。同時(shí)，手持設(shè)備也可以作為一個(gè)信息獲取工具，后臺(tái)相關(guān)資料也可以上傳到施工現(xiàn)場(chǎng)人員的手持設(shè)備中。從而實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)和場(chǎng)外信息的有效溝通。通過(guò)手持設(shè)備對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的電子取證能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)質(zhì)量控制點(diǎn)的一鍵驗(yàn)收，提供及時(shí)的工程信息反饋。

圖8 手持設(shè)備系統(tǒng)界面

3.2 質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)管理

對(duì)于分布式能源站質(zhì)量取證數(shù)據(jù)的管理，由于涉及到大量的圖片和文本信息，必須借助于后臺(tái)主機(jī)進(jìn)行管理。依據(jù)質(zhì)量控制點(diǎn)信息結(jié)構(gòu)化列表，能夠?qū)崿F(xiàn)前臺(tái)手持采集數(shù)據(jù)與后臺(tái)BIM模型構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)。因此，工程師通過(guò)手持系統(tǒng)獲取的質(zhì)量取證文本和圖片信息能夠在上傳至后臺(tái)服務(wù)器時(shí)自動(dòng)與相應(yīng)BIM模型構(gòu)件綁定，最終有效實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收取證信息的數(shù)字化管理。

圖9 質(zhì)量取證信息后臺(tái)管理平臺(tái)

如圖9所示為后臺(tái)質(zhì)量取證信息BIM管理平臺(tái)。圖9a所示為分布式能源站BIM模型，并且依據(jù)結(jié)構(gòu)化之后的質(zhì)量控制點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了切分。因此用戶在選中質(zhì)量控制點(diǎn)關(guān)聯(lián)的BIM構(gòu)件之后(如圖9b所示)，后臺(tái)用戶可以實(shí)時(shí)獲取該構(gòu)件質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收?qǐng)D片、驗(yàn)收人員、驗(yàn)收時(shí)間以及驗(yàn)收結(jié)果等(如圖9c所示)。通過(guò)BIM模型對(duì)質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)的管理，能夠幫助用戶快速掌握工程項(xiàng)目質(zhì)量管理狀況。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)電安裝工程質(zhì)量管理模式的充分調(diào)研，并針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理的特點(diǎn)、管理人員的需求，應(yīng)用移動(dòng)計(jì)算技術(shù)和BIM技術(shù)，建立了基于手持設(shè)備和BIM的施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理新模式。此外，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了基于手持設(shè)備和BIM的施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理應(yīng)用系統(tǒng)，并在武漢國(guó)博分布式能源站項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，提高了項(xiàng)目管線施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理水平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程項(xiàng)目管線施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量信息的實(shí)時(shí)獲取和高效管理。