以BIM為本體的建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頂層設(shè)計(jì)理念研究

唐懷坤，史一飛

(1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司; 2.北京世紀(jì)晟輝咨詢服務(wù)有限公司)

1 引言

當(dāng)前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已在各個(gè)行業(yè)業(yè)縱向滲透，作為建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)也不例外，2018年，工信部與財(cái)政部聯(lián)合組織實(shí)施了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)新發(fā)展工程，依托工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)資金，在平臺(tái)方向支持建設(shè)43個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目，涉及多個(gè)產(chǎn)業(yè)。2018年全年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值900309億元，比上年增長(zhǎng)6.60%。全年全社會(huì)建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值61808億元，比上年增長(zhǎng)4.50%，與建筑相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)總值占比達(dá)1/4以上。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)、建筑工業(yè)化、裝配置建筑、BIM（建筑信息模型）技術(shù)的推進(jìn)，建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展適當(dāng)其時(shí)。

當(dāng)前以BIM為本體的建筑互聯(lián)網(wǎng)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域的討論還比較少，相關(guān)技術(shù)研究如杜明芳提出的智慧建筑2.0和建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的理念和思路[1]；魏子繁提出的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代建筑產(chǎn)業(yè)信息化的阻力與發(fā)展[2]；王濤、杜曉輝等人提出的德國(guó)“工業(yè)4.0”對(duì)我國(guó)綠色建筑工業(yè)化和信息化的啟示[3]；孫璟璐提出了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合探索前沿創(chuàng)新技術(shù)推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展的觀點(diǎn)[4]?？傮w來(lái)說(shuō)，行業(yè)內(nèi)主要探索的領(lǐng)域在建筑工業(yè)化、建筑信息化方向，對(duì)于建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該圍繞哪些本體、有哪些頂層設(shè)計(jì)的思路，目前還沒有論述。論文正是在這個(gè)方向的嘗試探討。

2 我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與問題

1）大型平臺(tái)重復(fù)建設(shè)問題

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念帶來(lái)了市場(chǎng)的一哄而上，每家大型企業(yè)都想做工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的擁有者，中國(guó)已有接近300個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，這些平臺(tái)從一開始定位就過(guò)高，都想基于生態(tài)圈的形式來(lái)做，但是不具備大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、智能分析能力，平臺(tái)形同虛設(shè)，真正有市場(chǎng)前景的平臺(tái)不超過(guò)50家，結(jié)果帶來(lái)了大量的資源浪費(fèi)，根本原因是沒有以最終客戶真正需求為出發(fā)點(diǎn)，而是為了做平臺(tái)而投入開發(fā)搭建平臺(tái)。實(shí)際上當(dāng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各參與企業(yè)已經(jīng)有了一定的數(shù)字化基礎(chǔ)，包括供應(yīng)鏈系統(tǒng)、分銷系統(tǒng)、工控系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)等，企業(yè)之間要做的是分享和互聯(lián)、共建生態(tài)，而不是壟斷。

2）產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不成熟

一個(gè)成熟產(chǎn)業(yè)的標(biāo)志是產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)的供應(yīng)商都相對(duì)比較成熟，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)供應(yīng)商方面，領(lǐng)先的制造企業(yè)占比46%；工業(yè)軟件服務(wù)商占比27%；工業(yè)設(shè)備提供商占比19%；信息通信企業(yè)占比8%，這些企業(yè)的業(yè)務(wù)模型、技術(shù)能力、商業(yè)模式、生態(tài)組織等還在探索中。

3）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議缺乏統(tǒng)一

當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)領(lǐng)域主流的協(xié)議應(yīng)用方面，存在40多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

3 建筑工業(yè)化的新內(nèi)涵

建筑、交通是大部分發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程中主要推動(dòng)力量，發(fā)展中國(guó)家的工業(yè)化也不例外，對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，2007年到2017年間我國(guó)GDP的高速發(fā)展，建筑業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的年均貢獻(xiàn)率達(dá)到了30%以上，房地產(chǎn)經(jīng)濟(jì)、土地經(jīng)濟(jì)成為支撐地方財(cái)政的主要來(lái)源。但是我國(guó)建筑工業(yè)化水平不高，工業(yè)化建筑的結(jié)構(gòu)類型主要為剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)。施工工藝的類型主要為預(yù)制裝配式、工具模板式以及現(xiàn)澆與預(yù)制相結(jié)合式等。當(dāng)前國(guó)內(nèi)發(fā)展階段是對(duì)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)、施工材料實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、工廠供應(yīng)，但是從建筑工業(yè)化的角度，概念、構(gòu)成要素是從“設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工-運(yùn)維”等各個(gè)環(huán)節(jié)都要全流程的工業(yè)化，而且隨著現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)往數(shù)字經(jīng)濟(jì)、智能經(jīng)濟(jì)延伸，呈現(xiàn)工業(yè)化+數(shù)字化+智能化（此文中的智能，不是傳統(tǒng)意義上的“弱電智能化”中的智能，是人工智能的簡(jiǎn)稱，下同）的融合特點(diǎn)。分別呈現(xiàn)裝配式建筑、數(shù)字建筑、智能建筑特點(diǎn)。

1）傳統(tǒng)工業(yè)化建筑

傳統(tǒng)意義上的工業(yè)化建筑主要是指裝配式建筑，當(dāng)前，美國(guó)、德國(guó)、日本、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在裝配式建筑方面的比例已經(jīng)達(dá)到了80%以上，我國(guó)的政策是力爭(zhēng)到2025年,使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%，相對(duì)來(lái)說(shuō)發(fā)展還是很緩慢的，當(dāng)前阻礙我國(guó)裝配建筑發(fā)展的主要因素是傳統(tǒng)作業(yè)模式的路徑依賴、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不成熟、財(cái)稅體制（預(yù)制構(gòu)件增值稅）不合理等三大因素。

2）數(shù)字建筑

數(shù)字建筑是傳統(tǒng)工業(yè)化建筑的數(shù)字化提升，本文所稱數(shù)字建筑就是在“設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工-運(yùn)維”全生命周期中均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，比如設(shè)計(jì)階段要根據(jù)統(tǒng)一接口協(xié)議的在施工階段，設(shè)計(jì)院可以將圖紙以數(shù)據(jù)形式輸入工廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接口，工廠可以根據(jù)圖紙直接生產(chǎn)建筑所需的預(yù)制化構(gòu)件、配件；在施工階段，實(shí)施裝配式建筑的企業(yè)最好熟悉EPC模式，并有一定的BIM技術(shù)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建設(shè)，更好的縮小誤差，每個(gè)施工環(huán)節(jié)能更好的銜接，成本管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理結(jié)果可以在線隨時(shí)可查詢和校核。

3）智能建筑

在“設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工-運(yùn)維”等各個(gè)環(huán)節(jié)是以人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)大數(shù)據(jù)結(jié)果組織機(jī)器學(xué)習(xí)，根據(jù)輸入的建筑規(guī)劃數(shù)據(jù)、限定的高度、體形系數(shù)、節(jié)能水平、樓層承重水平、當(dāng)?shù)氐乩砦恢铆h(huán)境、建筑用途等在線“立等可取”地設(shè)計(jì)出建筑3D圖紙，圖紙數(shù)據(jù)通過(guò)直接與工廠進(jìn)行互聯(lián)，預(yù)制化工廠采用工業(yè)機(jī)器人直接進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)制件、配件，每個(gè)構(gòu)配件采用唯一的物聯(lián)網(wǎng)地址，通過(guò)無(wú)人駕駛物流車輛運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)，然后由現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)器人進(jìn)行施工、組裝。維護(hù)階段根據(jù)每個(gè)預(yù)制構(gòu)件的狀態(tài)、整個(gè)建筑物的狀態(tài)都可以在系統(tǒng)查詢，建筑物維護(hù)機(jī)器人會(huì)根據(jù)可能存在的隱患、故障進(jìn)行提前修復(fù)。

4 建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的頂層設(shè)計(jì)與長(zhǎng)期演進(jìn)

數(shù)字建筑發(fā)展要經(jīng)歷三大階段：建筑數(shù)字化階段、建筑工業(yè)互（物）聯(lián)網(wǎng)階段、建筑信息化階段，這個(gè)發(fā)展過(guò)程可以用2維到6維描述，即從2維的平面電子化圖紙，向基于空間、時(shí)間、數(shù)據(jù)6個(gè)維度演進(jìn)的全產(chǎn)業(yè)鏈、建筑全生命周期演進(jìn)，建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頂層設(shè)計(jì)是數(shù)字建筑的最終模型，必然要經(jīng)歷臨數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與信息化三大階段，因此是一個(gè)長(zhǎng)期演進(jìn)的過(guò)程。

建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的頂層設(shè)計(jì)要基于一個(gè)中心、六大維度、全產(chǎn)業(yè)鏈：

1）一個(gè)中心

即以圍繞BIM為本體中心，圍繞建筑信息模型為中心，統(tǒng)一信息標(biāo)識(shí)規(guī)范、接口標(biāo)準(zhǔn)、套件和名稱。無(wú)論何時(shí)何地都能夠以一種BIM定義來(lái)做信息交互。

2）六大維度

即圍繞BIM本體，構(gòu)建三維空間、時(shí)間、數(shù)據(jù)、人的完整體系，三維空間能夠?qū)犹摂M化設(shè)計(jì)、圖像化展示、三維游走、實(shí)體化實(shí)施。時(shí)間維度就是支持建筑的全生命周期的全過(guò)程應(yīng)用，從可研、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、報(bào)批、施工、室內(nèi)外裝飾、建筑維修保養(yǎng)、建筑拆除資源回收等。數(shù)據(jù)層面，支持圍繞建筑開展的所有活動(dòng)的數(shù)據(jù)記錄、所有日志痕跡、可以跳轉(zhuǎn)到任一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可以對(duì)接外部數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)庸I(yè)制造、現(xiàn)場(chǎng)施工安裝等。人，包括企業(yè)法人和自然人， 根據(jù)人對(duì)建筑產(chǎn)權(quán)的權(quán)限設(shè)定系統(tǒng)對(duì)人的服務(wù)范圍、服務(wù)等級(jí)、訪問權(quán)限等級(jí)、數(shù)據(jù)操作等級(jí)、并支持人機(jī)交互式的活動(dòng)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)修改、定制化、虛擬現(xiàn)實(shí)可視化VR、全息投影等。

3）全產(chǎn)業(yè)鏈維度

建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參與者包括投資者、使用者、維護(hù)者、咨詢方、設(shè)計(jì)方、施工方、生產(chǎn)商、監(jiān)理商等。當(dāng)前的建筑活動(dòng)基本上在不同參與方之間的數(shù)據(jù)是分割的，無(wú)法共享，大部分生產(chǎn)活動(dòng)是通過(guò)紙質(zhì)化進(jìn)行交互，效率低、重復(fù)勞動(dòng)量大，不利于產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。未來(lái)，以BIM為本體的建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將著力解決這個(gè)問題，可以大大節(jié)省整個(gè)工程的投資成本、縮短建設(shè)工期、提高建筑可用度和質(zhì)量。

5 建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本體：BIM

對(duì)人工智能做出突出貢獻(xiàn)的著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家John McCarthy在1950年代就提出了計(jì)算最終會(huì)成為公共基礎(chǔ)設(shè)施，國(guó)際領(lǐng)先平臺(tái)開始將云端模型導(dǎo)入邊緣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并通過(guò)雙向迭代優(yōu)化實(shí)現(xiàn)邊緣—云端協(xié)同。任何一個(gè)模型都要有一個(gè)核心的本體，以智慧城市為例，常見的本體是按照云計(jì)算模式的三層結(jié)構(gòu)，通過(guò)底層傳感器、中層數(shù)據(jù)處理、上層應(yīng)用三層，分別對(duì)應(yīng)IaaS、PaaS、SaaS。智慧城市信息模型將物理的城市，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)將城市映射到數(shù)字世界，實(shí)現(xiàn)智慧城市，并為未來(lái)智能城市打下基礎(chǔ)。

BIM（Building Information Modeling）是單體建筑模型，也是城市物理環(huán)境下的細(xì)胞，可以用于建筑全生命周期，將BIM與GIS系統(tǒng)（Geographic Information System）相結(jié)合，將形成CIM 系統(tǒng)（City Information Modeling）。因此BIM首先是CIM的基礎(chǔ)，而CIM基本上覆蓋了城市的所有室內(nèi)外環(huán)境，徹底將城市建筑環(huán)境數(shù)字化。

基于BIM的本體可以滿足政府、業(yè)主、裝配式建筑廠家、建筑施工方、建筑監(jiān)理方、建筑圍護(hù)、建筑設(shè)計(jì)、最終用戶的不同的工程管理和應(yīng)用需求，從建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維全生生命周期圍繞一個(gè)核心模型開展，使產(chǎn)業(yè)鏈各方可以圍繞一個(gè)模型、一個(gè)平臺(tái)、一套數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上在時(shí)間維度上進(jìn)行變化，每個(gè)建筑房間都有唯一的數(shù)據(jù)集，使建筑結(jié)構(gòu)、土建、暖通、給排水、景觀、電氣、智能化等方面都能在系統(tǒng)中唯一呈現(xiàn)，真正使建筑成為一個(gè)統(tǒng)一的整體系統(tǒng)。

5.1 建筑規(guī)劃階段

BIM+GIS融合技術(shù)，搭建多規(guī)合一系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)遵循“一個(gè)模型、一組數(shù)據(jù)、一個(gè)平臺(tái)、多個(gè)窗口”核心理念。統(tǒng)一信息標(biāo)準(zhǔn)，基于多規(guī)銜接的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工作機(jī)制，消除空間矛盾。通過(guò)對(duì)多規(guī)模型信息要素疊加，集成多種地理信息數(shù)據(jù)資源，建立統(tǒng)一的規(guī)劃協(xié)同信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多規(guī)信息的融合匯聚、多方共享和在線審批。

5.2 建筑設(shè)計(jì)階段

當(dāng)前BIM技術(shù)主要應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)企業(yè)，方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)，施工深化設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目BIM實(shí)施的全過(guò)程以BIM模型為核心，在項(xiàng)目工作范圍內(nèi)各單項(xiàng)工程各階段的設(shè)計(jì)行為均按照“3D建模-模型應(yīng)用-2D出圖”的正向流程實(shí)施。

1）方案設(shè)計(jì)階段

本階段是為后續(xù)建筑設(shè)計(jì)提供依據(jù)及指導(dǎo)性文件；根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)環(huán)境的關(guān)系，提出空間建構(gòu)設(shè)想、創(chuàng)意表達(dá)形式及結(jié)構(gòu)方式等初步解決方案和方法。主要應(yīng)用點(diǎn)是場(chǎng)地分析、虛擬仿真漫游（可視化展示）、建筑性能分析、專業(yè)協(xié)調(diào)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2）初步設(shè)計(jì)

本階段主要目的是通過(guò)深化方案設(shè)計(jì)，論證工程項(xiàng)目的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。本階段主要工作內(nèi)容包括：制訂設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方案、重大技術(shù)手段方法、基礎(chǔ)形式等；詳細(xì)考慮建/結(jié)/水/暖/機(jī)/電/弱/等各專業(yè)設(shè)計(jì)方案，協(xié)調(diào)相互間技術(shù)矛盾，合理確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，建筑性能分析、機(jī)電分析、結(jié)構(gòu)分析、建筑性能分析、虛擬仿真漫游（可視化展示）、專業(yè)協(xié)調(diào)、成本估算、工程量統(tǒng)計(jì)、虛擬仿真漫游。

3）施工圖設(shè)計(jì)

本階段主要目的是為施工安裝、工程預(yù)算、設(shè)備及構(gòu)件的安放制作等提供完整的模型和圖紙依據(jù)；本階段主要工作內(nèi)容包括：根據(jù)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案編制可供施工和安裝的設(shè)計(jì)文件，解決施工中技術(shù)措施、工藝技法、材料使用等問題。專業(yè)協(xié)調(diào)、三維管線綜合、凈空優(yōu)化、工程量統(tǒng)計(jì)、虛擬仿真漫游（可視化展示）、專業(yè)協(xié)調(diào)。

5.3 建筑施工階段

1）施工深化設(shè)計(jì)

本階段主要目的是完成合同規(guī)定的全部工程量任務(wù)，以達(dá)到驗(yàn)收交付要求；本階段主要工作內(nèi)容包括：按照施工方案完成項(xiàng)目建造至竣工，同時(shí)，統(tǒng)籌調(diào)度施工現(xiàn)場(chǎng)的人、機(jī)、料等資源。三維管線綜合、凈空優(yōu)化、虛擬仿真漫游（可視化展示）、可視化交底、施工深化設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)、施工方案模擬、施工進(jìn)度管理、設(shè)備材料管理、質(zhì)量安全管理、竣工交付。

2）建筑施工管理

將BIM本體與建筑施工項(xiàng)目管理平臺(tái)對(duì)接，可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成本的精確分析，包括項(xiàng)目、單項(xiàng)、分部分項(xiàng)、工序、工區(qū)、時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并能動(dòng)態(tài)優(yōu)化項(xiàng)目進(jìn)步管理的關(guān)鍵路徑，實(shí)現(xiàn)成本、進(jìn)度的可預(yù)期管理，對(duì)于質(zhì)量管理的難點(diǎn)——隱蔽工程來(lái)說(shuō)，BIM本體平臺(tái)可以將隱蔽工程信息同步錄入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息留存，監(jiān)理情況、驗(yàn)收情況一目了然。

5.4 運(yùn)維階段

建筑工程完工后作為一個(gè)大型“產(chǎn)品”交付給業(yè)主。在運(yùn)維階段的建筑主要是為了滿足建筑正常運(yùn)行，包括內(nèi)部裝修時(shí)可以對(duì)剪力墻、承重梁柱進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)和監(jiān)管，業(yè)主的裝修圖紙中的非承重墻體柱的打穿應(yīng)通過(guò)BIM本體平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)管認(rèn)可后方可開工，對(duì)接政府安全生產(chǎn)監(jiān)管范疇?；贐IM技術(shù)的運(yùn)維可以管理復(fù)雜的地下管網(wǎng)，如污水管、排水管、網(wǎng)線、電線及相關(guān)管井，并可在圖上直接獲得相對(duì)位置關(guān)系。當(dāng)改建或二次裝修時(shí)可避開現(xiàn)有管網(wǎng)位置，便于管網(wǎng)維修、更換設(shè)備和定位。對(duì)于照明、消防、設(shè)備位置、建筑設(shè)施可以納入維護(hù)周期，詳細(xì)記錄每個(gè)器件的位置和維護(hù)維修備注，作為物業(yè)管理公司的工程量依據(jù)。

另外在應(yīng)急管理方面，BIM平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景包括消防報(bào)警、火災(zāi)疏散、安全監(jiān)管、洪澇應(yīng)急等。大樓的能耗是運(yùn)營(yíng)維護(hù)的主要成本，通過(guò)BIM本體的平臺(tái)、照度感應(yīng)器、溫濕度感應(yīng)器、人流量感應(yīng)器等進(jìn)行統(tǒng)一的節(jié)能管理，智能分析單位面積能耗值，進(jìn)行能耗優(yōu)化。