基于BIM的水電工程施工管理系統(tǒng)框架研究

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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(gè)工作面同步施工，在空間、時(shí)間、專業(yè)、工序上相互干擾，并存在資源上的約束。同時(shí)，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(xiàng)目屬于并行的、面向約束的項(xiàng)目群結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目群施工管理是指綜合考慮集群個(gè)體項(xiàng)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(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)組織的戰(zhàn)略目標(biāo)和利益。在此過程中會(huì)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(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)共享和集成管理，是達(dá)成水電工程項(xiàng)目群施工管理目標(biāo)的關(guān)鍵。

國內(nèi)外學(xué)者對項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)目群管理信息集成模型，為項(xiàng)目產(chǎn)品、全壽命過程和管理組織3個(gè)維度信息的集成提供了思路[6]。在水電工程項(xiàng)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(gè)平臺、多個(gè)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(shí)際工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、費(fèi)用等信息與模型掛接，實(shí)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與施工流程的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

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?jiǎng)澐帜Ｐ?，并在模型上關(guān)聯(lián)施工管理信息，實(shí)現(xiàn)對所有子項(xiàng)目施工情況的直觀查詢。通過移動(dòng)終端和Web端電子簽檔，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)時(shí)共享，實(shí)現(xiàn)水電工程項(xiàng)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(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(jì)、施工、運(yùn)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(xiàng)目參與方可通過BIM模型查詢、修改項(xiàng)目信息，從而實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)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(xiàng)目質(zhì)量、進(jìn)度、費(fèi)用、安全等方面的管理，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目群碰撞檢測、協(xié)同施工、工程計(jì)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(xiàng)目施工管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在輸入輸出時(shí)，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(shí)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(xiàng)目施工過程，還可靈活地向設(shè)計(jì)階段和運(yùn)維階段擴(kuò)展，以滿足用戶在各個(gè)階段的數(shù)據(jù)需求，從而實(shí)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(shí)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(jì)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(xiàng)工程-單位工程-分部工程-分項(xiàng)工程-單元工程”劃分，從而得到作為項(xiàng)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(fèi)用、安全等數(shù)據(jù)的信息模型[12]。項(xiàng)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(xiàng)目的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)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(xiàng)目相關(guān)信息，且能縮短項(xiàng)目的完成時(shí)間，減少工程變更，實(shí)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(jì)思路

BIM能幫助用戶隨時(shí)檢索3D實(shí)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(fèi)用和安全等方面的管理信息形成BIM施工管理系統(tǒng)，實(shí)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(shí)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(jì)思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(chǔ)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(diǎn)，按照一定規(guī)則將施工BIM模型進(jìn)行拆分，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中；同時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，抽象出進(jìn)度、質(zhì)量、費(fèi)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(yùn)用信息技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)開發(fā)基于Web端的BIM施工管理系統(tǒng)，實(shí)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(gè)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(gè)子項(xiàng)目施工管理信息的集成，包括各子項(xiàng)目的合同信息、進(jìn)度計(jì)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(fèi)用、安全等動(dòng)態(tài)信息。

(2)項(xiàng)目群施工管理信息的集成，包括各子項(xiàng)目的水工建筑物3D模型集、各子項(xiàng)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(xiǎn)。

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(gè)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(gè)部分，總體框架設(shè)計(jì)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(chǔ)等方式，實(shí)現(xiàn)建設(shè)管理過程中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成存儲(chǔ)，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(shí)查詢。邏輯層采用B/S(Browser/Server 瀏覽器-服務(wù)器)、M/S(Mobile/Server 移動(dòng)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(dòng)，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(shí)現(xiàn)整個(gè)水電工程項(xiàng)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(bào)驗(yàn)，再將該單元記為已完工項(xiàng)，納入系統(tǒng)實(shí)際施工進(jìn)度、質(zhì)量和費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)分析范疇。對各子項(xiàng)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(xiàng)目群施工信息，最終實(shí)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(shí)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(shí)性和可獲取性，從而對工程施工進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，保證工程竣工交付時(shí)間。根據(jù)“項(xiàng)目分解結(jié)構(gòu)(WBS-Work Breakdown Structure)+施工BIM模型+時(shí)間軸”的進(jìn)度控制模型，進(jìn)度管理功能包括進(jìn)度計(jì)劃編排、實(shí)際進(jìn)度反饋、實(shí)際進(jìn)度查詢和進(jìn)度對比分析模塊。系統(tǒng)進(jìn)度計(jì)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(shí)間屬性，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃進(jìn)度的3D模擬建造，并統(tǒng)計(jì)工程量。在施工過程中將工程的實(shí)際進(jìn)度實(shí)時(shí)反饋到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)際進(jìn)度的可視化查詢。同時(shí)可以對實(shí)際進(jìn)度與計(jì)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(jì)任務(wù)數(shù)量。對比的時(shí)間區(qū)間、計(jì)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(shí)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(bào)驗(yàn)、質(zhì)量消缺和報(bào)驗(yàn)消缺查詢模塊。通過選擇報(bào)驗(yàn)部位、所處工序，填寫相應(yīng)報(bào)驗(yàn)表單，啟動(dòng)質(zhì)量評定流程，報(bào)驗(yàn)人、報(bào)驗(yàn)狀態(tài)等流程信息實(shí)時(shí)更新，已完成質(zhì)量評定的單元作為已完工項(xiàng)顯示在模型中，與進(jìn)度管理進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)面向過程的工程投資統(tǒng)計(jì)，提高施工預(yù)算的精度。根據(jù)“費(fèi)用分解結(jié)構(gòu)(CBS，Cost Breakdown Structure)+施工BIM模型+時(shí)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(jì)和投資統(tǒng)計(jì)模塊。系統(tǒng)按照單元工程劃分原則自動(dòng)組合模型構(gòu)件工程量，通過篩選單元ID、分組、完成時(shí)間等屬性信息，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)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(jì)，生成工程量臺賬。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合單價(jià)，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的計(jì)劃合同支付、實(shí)際合同支付、變更費(fèi)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(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)(RBS，Risk Breakdown Structure)+施工BIM模型+時(shí)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(xiǎn)源排查和安全整改模塊。實(shí)時(shí)監(jiān)控重點(diǎn)施工部位，將排查到的危險(xiǎn)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(xiǎn)源內(nèi)容、類型、排查時(shí)間等，同時(shí)對需要安全整改的項(xiàng)目進(jìn)行整改內(nèi)容、要求閉合時(shí)間、實(shí)際閉合時(shí)間等信息的跟蹤，落實(shí)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(xiàng)目為研究對象。該項(xiàng)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(gè)子項(xiàng)目?；贐IM的水電工程施工管理系統(tǒng)項(xiàng)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(xiàng)目之間的協(xié)同管理能力，并將進(jìn)度、質(zhì)量、費(fèi)用、安全等信息集成管理，可以快速查詢項(xiàng)目信息、實(shí)時(shí)追蹤施工情況，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程施工過程3D可視化表達(dá)和施工管理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，如圖4所示。

圖4 水電工程施工信息查詢

該項(xiàng)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(xiàng)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(shí)時(shí)動(dòng)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(xiàng)，通過對已完工項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)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(shí)，在進(jìn)度管理界面中導(dǎo)入該水電工程的施工進(jìn)度計(jì)劃，采用3D模型和橫道圖兩種形式進(jìn)行實(shí)際與計(jì)劃施工進(jìn)度對比，方便了解各項(xiàng)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)的及時(shí)處理、多維查詢和實(shí)時(shí)共享。按照施工管理單元?jiǎng)澐諦IM模型，采用單元工程作為核心驅(qū)動(dòng)，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(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，實(shí)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?xiàng)目群施工信息集成管理模式，開發(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(xiàng)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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