張志明，張國(guó)真

（1、佛山市南海區(qū)散裝水泥辦公室 廣東 佛山 528000；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和科技的快速發(fā)展，建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)模越來(lái)越大，項(xiàng)目的內(nèi)容和細(xì)節(jié)越來(lái)越復(fù)雜，項(xiàng)目進(jìn)度和質(zhì)量要求也越來(lái)越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的合同模式在勘察、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、維護(hù)和管理之間日益呈現(xiàn)出脫節(jié)的關(guān)系，加之施工周期長(zhǎng)、工作效率低和投資效益差。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，當(dāng)今建筑行業(yè)各階段所使用的交付策略也愈加多樣化，但最為關(guān)鍵的問(wèn)題便是建立一個(gè)滿足每個(gè)業(yè)主和每個(gè)項(xiàng)目獨(dú)特需求的交付體系。

然而，隨著目前工程體量愈來(lái)愈大，項(xiàng)目建設(shè)普遍具有投資規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、技術(shù)和專業(yè)技能復(fù)雜、管理復(fù)雜、協(xié)調(diào)困難等特點(diǎn)，并且對(duì)于政府單位可能面臨著十幾個(gè)甚至多達(dá)幾十個(gè)項(xiàng)目的工程管理工作。對(duì)于政府單位而言，為項(xiàng)目監(jiān)管工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)已有的相關(guān)研究調(diào)研，范志強(qiáng)等人［1］基于.net 框架構(gòu)建了鐵路施工管理平臺(tái)，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層共四層應(yīng)用結(jié)構(gòu)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路工程建設(shè)全過(guò)程的信息化管控；齊成龍［2］以Spring Cloud 為技術(shù)框架，開(kāi)發(fā)了支持三維可視化的鐵路橋梁信息化施工管理平臺(tái)；翟文婷等人［3］從系統(tǒng)管理、施工管理、管片跟蹤、人員跟蹤、盾構(gòu)監(jiān)控5 個(gè)功能模塊出發(fā)，開(kāi)發(fā)了基于BIM 的隧道施工管理平臺(tái)。然而，BIM 平臺(tái)的支持水平較低，僅限于BIM 模型的文檔、數(shù)據(jù)管理和可視化。在工程管理中，協(xié)作工作流、控制機(jī)制和評(píng)估機(jī)制同樣重要。

本文針對(duì)三維數(shù)字化建設(shè)管理需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)政府工程管理的現(xiàn)狀和重難點(diǎn)，建立了基于BIM 的協(xié)作平臺(tái)框架，并進(jìn)行了詳細(xì)的功能設(shè)計(jì)?？蓾M足工程管理信息化技術(shù)路線的要求，有效提高了政府單位工程管理水平，促進(jìn)基于BIM 技術(shù)的數(shù)字化管理在理論和實(shí)踐上的發(fā)展。

1 工程管理重難點(diǎn)

1.1 部門之間信息共享不充分

政府單位各部門各司其職，信息化系統(tǒng)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求開(kāi)發(fā)建設(shè)，而與其他部門的信息資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同考慮不足，各部門信息資源多頭管理、重復(fù)采集、碎片化存儲(chǔ)等問(wèn)題，既制約了企業(yè)的整體性治理水平，也妨礙了向公眾提供方便、快捷、一站式的辦事服務(wù)。

1.2 監(jiān)管項(xiàng)目多，工作量大

監(jiān)管事項(xiàng)點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)事項(xiàng)繁多復(fù)雜，現(xiàn)有監(jiān)管體制、監(jiān)管行業(yè)基層治理能力與新形勢(shì)新要求有差距。

1.3 工程管理難以動(dòng)態(tài)掌握

政府部門在對(duì)片區(qū)進(jìn)行工程管理的過(guò)程中，涉及多個(gè)部門，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，且管理信息獲取滯后，工程問(wèn)題處理被動(dòng)滯后。由于信息難以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握，各部門在面對(duì)高度復(fù)雜疑難病癥時(shí)，往往束手無(wú)策，難以及時(shí)處理問(wèn)題［4］。

1.4 工程數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)、分析難

缺乏打通各部門壁壘的信息管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)資源重復(fù)采集，或采集的數(shù)據(jù)僅為當(dāng)前問(wèn)題所用，難以確保數(shù)據(jù)使用的延續(xù)性和完整性，且缺乏數(shù)據(jù)的智能分類、統(tǒng)計(jì)及分析，造成人力、物力的浪費(fèi)［5］。

1.5 施工圖審查存在問(wèn)題

⑴流程繁瑣：施工方案審查的總體審查流程需要經(jīng)過(guò)提交、審查、響應(yīng)、批準(zhǔn)等多個(gè)程序，完成最終審查。

⑵效率低下：施工圖審查，專家只能在審查機(jī)構(gòu)辦公室審查圖紙，審查過(guò)程只能手動(dòng)審查，每個(gè)專業(yè)審查相對(duì)獨(dú)立，項(xiàng)目單一審查時(shí)間框架長(zhǎng)，審查效率低。

⑶審查不全面：施工圖審查方法主要針對(duì)二維施工圖文件，通過(guò)傳統(tǒng)的圖紙審查方式，很難發(fā)現(xiàn)專業(yè)之間的沖突問(wèn)題，且勘察設(shè)計(jì)文件無(wú)法共享。

2 基于BIM的監(jiān)管平臺(tái)

2.1 需求分析

2.1.1 施工圖審查需求

構(gòu)建基于BIM 的施工圖三維數(shù)字化審查系統(tǒng)，減少人工審查，實(shí)現(xiàn)快速機(jī)審與人工審查協(xié)同配合。通過(guò)施工圖三維數(shù)字化智能審查系統(tǒng)的建設(shè)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)、消防、人防、節(jié)能、綠建五大專項(xiàng)中的規(guī)范強(qiáng)條進(jìn)行審查，并提供三維瀏覽、自動(dòng)審查、手工輔助審查、自動(dòng)出具審查報(bào)告等功能。

2.1.2 施工監(jiān)管需求

通過(guò)平臺(tái)將施工現(xiàn)場(chǎng)的各應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)集成或關(guān)聯(lián)，集中展現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目的信息化數(shù)據(jù)，并結(jié)合BIM 技術(shù)輔助深化設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工方案、模擬現(xiàn)場(chǎng)施工安裝、可視化交底、洞口預(yù)埋、工程成本動(dòng)態(tài)控制等，一目了然地了解施工現(xiàn)場(chǎng)的工程進(jìn)展情況。

2.1.3 竣工驗(yàn)收需求

基于平臺(tái)結(jié)合BIM 模型輔助驗(yàn)收，可以可視化三維驗(yàn)收綁定圖紙，二三維實(shí)時(shí)查看，綁定驗(yàn)收資料標(biāo)記重點(diǎn)驗(yàn)收內(nèi)容，構(gòu)建竣工驗(yàn)收體系，實(shí)現(xiàn)審查驗(yàn)收一體化，最終指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作。平臺(tái)支持竣工驗(yàn)收階段項(xiàng)目BIM 數(shù)據(jù)共享、與施工圖模型比對(duì)分析、輔助現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、電子檔案管理等功能。

2.1.4 BIM平臺(tái)建設(shè)需求

平臺(tái)主要包括六大層建設(shè)，平臺(tái)須支持大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的加載和集成，包含工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、地形影像數(shù)據(jù)、BIM 模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

2.2 平臺(tái)框架（見(jiàn)圖1）

圖1 平臺(tái)框架Fig.1 Platform Framework

BIM 協(xié)同管理平臺(tái)基本功能主要包括6個(gè)層次：

⑴網(wǎng)絡(luò)通信層，主要提供網(wǎng)絡(luò)上云服務(wù)和政務(wù)云，為平臺(tái)提供安全可靠網(wǎng)絡(luò)保障；

⑵數(shù)據(jù)資源層，主要提供數(shù)據(jù)小型中臺(tái)，提供數(shù)據(jù)溯源，數(shù)據(jù)入庫(kù)等功能；

⑶應(yīng)用支撐層，BIM 數(shù)據(jù)管理平臺(tái)即模型輕量化、三維瀏覽展示、查詢統(tǒng)計(jì)和標(biāo)注、后臺(tái)管理、數(shù)據(jù)交換、二次開(kāi)發(fā)接口等功能，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)作為數(shù)據(jù)主要轉(zhuǎn)化和DAL 設(shè)計(jì)以及中間件給上層交互服務(wù)。GIS平臺(tái)根據(jù)工程所在區(qū)域地理位置全方面覆蓋和縱覽整體地貌，地形，結(jié)合BIM 本身模型提供定位服務(wù)以及總體預(yù)覽；

⑷協(xié)同流程管理層，主要針對(duì)信息化建設(shè)整體流程化管理，協(xié)同管理，元數(shù)據(jù)管理，體系維護(hù)，共享交換管理等；

⑸綜合應(yīng)用層，主要包括：BIM施工管理，BIM竣工驗(yàn)收，BIM 運(yùn)維管理，BIM 培訓(xùn)，質(zhì)量管理，進(jìn)度管理，合同管理，成本管理，安全管理，合同管理，構(gòu)件信息追溯，預(yù)制場(chǎng)管理等模塊；

⑹決策支撐層，主要針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理，綜合審批，綜合咨詢，以及BIM＋綜合應(yīng)用。

3 平臺(tái)應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)應(yīng)用

3.1.1 模型輕量化

通過(guò)BIM 管理平臺(tái)輕量化組件，快速將BIM 模型一鍵輕量化上傳至BIM 管理平臺(tái)，同時(shí)形成離線模型包，在應(yīng)用平臺(tái)的過(guò)程中輕量化模型支持在線瀏覽和讀取離線模型包兩種模式［6］。

3.1.2 數(shù)據(jù)可視化

平臺(tái)駕駛艙主要進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析展示，如圖2 所示，可實(shí)時(shí)查看參與各方在現(xiàn)場(chǎng)工作產(chǎn)生的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)。項(xiàng)目個(gè)人數(shù)據(jù)看板主要用于集中式的查看單項(xiàng)目的最新工作情況，包括數(shù)據(jù)圖表分析、個(gè)人協(xié)作流程審批、最新資料查閱、項(xiàng)目進(jìn)度照片等內(nèi)容，更直觀、高效［7］。

圖2 平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化Fig.2 Platform Data Visualization

3.1.3 模型對(duì)比

項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種變更，同步更新變更后的BIM 模型，隨著項(xiàng)目推進(jìn)產(chǎn)生多版本的BIM 模型。在平臺(tái)中將兩個(gè)版本的BIM 模型合并對(duì)比，兩個(gè)版本的構(gòu)件增刪改變化通過(guò)不同顏色高亮顯示，并自動(dòng)將變更的實(shí)物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，大提高了變更成本計(jì)算的工作效率。

3.1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)

平臺(tái)提供資源目錄管理、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)更新、結(jié)構(gòu)化建模、模型單體化、模型特征提取、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等功能。數(shù)據(jù)的管理包括BIM 模型管理、空間數(shù)據(jù)管理、服務(wù)管理、數(shù)據(jù)授權(quán)等。支持大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的加載和集成，包含工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、地形影像數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

3.1.5 3D GIS 平臺(tái)

綜合利用GIS 及BIM 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在真實(shí)地形環(huán)境下研究、比選施工技術(shù)方案設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)技術(shù)方案研究、設(shè)計(jì)方式，極大地提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。如圖3 所示，真實(shí)地形快速建模技術(shù)基于從網(wǎng)絡(luò)獲取的DEM 數(shù)據(jù)及衛(wèi)星影像構(gòu)建［8］。

圖3 BIM+GIS 數(shù)據(jù)整合Fig.3 BIM+GIS Data Integration

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管

3.2.1 塔吊安全監(jiān)測(cè)［9］

如圖4 所示，曲線平面橫坐標(biāo)是起重機(jī)行駛距離分布，即吊鉤行駛的水平距離，縱坐標(biāo)是該距離時(shí)塔吊起重重量。計(jì)算該指示器是為了了解起重機(jī)是以更短的距離還是更長(zhǎng)的距離移動(dòng)物體。在第二種情況下，這可能意味著站點(diǎn)上的取放點(diǎn)或區(qū)域管理不善。

圖4 塔吊作業(yè)重量分布Fig.4 Handing Weight of Tower Crane Lifting

數(shù)據(jù)記錄器實(shí)時(shí)對(duì)塔吊整個(gè)工作日內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，如圖5 所示。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了“方法”一節(jié)中詳述的前兩個(gè)步驟和刪除“風(fēng)向標(biāo)”數(shù)據(jù)。X（紅色）和Y（藍(lán)色）坐標(biāo)來(lái)自圓柱坐標(biāo)系（回轉(zhuǎn)角度和小車距離）到笛卡爾坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。Z（綠色）表示提升高度。最后，負(fù)載（黑色）顯示隨時(shí)間測(cè)量的負(fù)載。根據(jù)建筑工地經(jīng)理的說(shuō)法，這里唯一有趣的原始格式數(shù)據(jù)是負(fù)荷。這樣就很容易知道和理解，起重機(jī)取下了一個(gè)物體，運(yùn)輸了它，然后把它放下了。

圖5 塔吊數(shù)據(jù)分析Fig.5 Data Analysis of Tower Crane

3.2.2 場(chǎng)布監(jiān)控管理

如圖6所示，以BIM三維模型作為載體，查找施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控盲區(qū)和重點(diǎn)忽視區(qū)域，利用安裝監(jiān)控探頭、無(wú)人機(jī)等遠(yuǎn)程監(jiān)控方式，做到施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)死角覆蓋和全方位監(jiān)控，同時(shí)將監(jiān)控與圖像識(shí)別算法結(jié)合［10］，實(shí)現(xiàn)包括人臉識(shí)別、安全帽佩戴檢測(cè)識(shí)別、車牌識(shí)別、工地違章現(xiàn)象監(jiān)控等功能。

圖6 施工場(chǎng)地監(jiān)控Fig.6 Construction Site Monitoring

3.3 協(xié)同管理

3.3.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)由以下三類構(gòu)成：模型數(shù)據(jù)庫(kù)、視圖數(shù)據(jù)庫(kù)、資料數(shù)據(jù)庫(kù)。

⑴模型數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)工程項(xiàng)目基礎(chǔ)信息和BIM 信息，主要包括：項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目地址、建筑總面積、項(xiàng)目開(kāi)工竣工日期、建筑層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)形式、各專業(yè)模型構(gòu)件數(shù)據(jù)等。

⑵視圖數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)審圖流程中各類與視圖和注釋顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)。內(nèi)容包括BIM 模型瀏覽視圖數(shù)據(jù)、PDF 二維圖紙瀏覽視圖數(shù)據(jù)、DWG 二維圖紙瀏覽視圖數(shù)據(jù)、各類資料文件（瀏覽視圖數(shù)據(jù)、視圖控制數(shù)據(jù)、視圖切換數(shù)據(jù)（前、后、左、右等多模型視角）、三維模型數(shù)據(jù)等。

⑶ 資料數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)項(xiàng)目中的圖紙、圖檔和各種備案信息等。

3.3.2 數(shù)字化移交

⑴工程文檔數(shù)字化移交

受制于傳統(tǒng)方式下工程項(xiàng)目文檔管理方式和管理觀念，當(dāng)今文檔管理普遍存在的文檔質(zhì)量不高、文檔更新率低和工程進(jìn)度同步性差等缺點(diǎn)［11］。

如圖7 所示，建立工程文檔文件系統(tǒng)。利用數(shù)字化三維技術(shù)，將工程建設(shè)中各階段設(shè)計(jì)資料、工程三維模型、各類工程圖紙檔案以及歷史資料以“電子化”形式進(jìn)行管理和使用。同時(shí)基于數(shù)字化成果移交規(guī)范，對(duì)成果進(jìn)行嚴(yán)格審查，確保數(shù)字化成果的利用率最大化。

圖7 文件系統(tǒng)示意圖Fig.7 Files System Diagram

⑵模型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)字化移交

數(shù)字3D 模型為信息管理提供了開(kāi)放、有效和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息，并提供了必要的技術(shù)手段，使這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠在工程建設(shè)的安裝和調(diào)試階段以及運(yùn)行和維護(hù)階段得到有效使用和擴(kuò)展，充分利用3D 模型獨(dú)特的空間概念和3D 實(shí)體建模，幫助施工經(jīng)理更直觀地組織和優(yōu)化安裝進(jìn)度和流程。在運(yùn)行和維護(hù)階段，它幫助生產(chǎn)經(jīng)理更直觀、方便地進(jìn)行設(shè)備管理、運(yùn)行條件、維護(hù)模擬和輔助教學(xué)［12］。

3.3.3 數(shù)字化審批報(bào)建

審批內(nèi)容數(shù)字化—以數(shù)字化促進(jìn)審批制度改革，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)項(xiàng)目的審批業(yè)務(wù)流程的信息化、載體的電子化、內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化。

審查過(guò)程自動(dòng)化—研發(fā)具備自動(dòng)化、可配置、可擴(kuò)展的三維數(shù)字化審批功能，打造三維數(shù)字化智能審批系統(tǒng)的“模式”。

審批監(jiān)管協(xié)同化-應(yīng)用BIM 技術(shù)對(duì)工程從設(shè)計(jì)、施工到竣工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度、資金、質(zhì)量、安全、環(huán)境、合規(guī)性等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管與審計(jì)。

4 總結(jié)

本文基于BIM 的工程建設(shè)全過(guò)程監(jiān)管平臺(tái)的需求，深入探討了平臺(tái)整體框架設(shè)計(jì)和功能模塊，以及相應(yīng)的協(xié)同工作模式。

⑴提出了平臺(tái)架構(gòu)和功能模塊設(shè)計(jì)。在各個(gè)階段有效使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和BIM，利用模型輕量化、可視化和數(shù)據(jù)管理，充分發(fā)揮BIM 數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使項(xiàng)目參與者能夠加強(qiáng)信息共享，促進(jìn)工程數(shù)據(jù)的全過(guò)程傳遞和應(yīng)用。

⑵平臺(tái)與工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)工程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，提高了管理效率。

⑶平臺(tái)能夠有效將參建各方的工作進(jìn)行協(xié)同化管理，從審批報(bào)建到數(shù)據(jù)移交等，通過(guò)數(shù)字化方式完整、準(zhǔn)確傳遞工程建設(shè)資料，提高了工程建設(shè)的全過(guò)程管控。