一種基于輕量化BIM的工程全過程管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)＊

周明升，張 雯

(1.上海外高橋保稅區(qū)聯(lián)合發(fā)展有限公司，上海 200131；2.玫琳凱（中國）化妝品有限公司)

0 引言

工程建設(shè)項目涉及計劃、進度、成本、質(zhì)量、風險、安全等多要素，工程立項、實施、驗收、保修等多環(huán)節(jié)，投資單位、承建單位、專業(yè)分包、監(jiān)理單位、行業(yè)監(jiān)管部門等多主體。麥強等學者研究了重大工程管理決策中決策關(guān)聯(lián)性、認知模糊性和偏差性、知識有限性等復雜性因素對決策過程的影響，提出用系統(tǒng)化方法降解重大工程項目管理復雜性[1]。李恒等學者比較了BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）在建筑項目的應(yīng)用模式，認為建設(shè)單位驅(qū)動的BIM 應(yīng)用更加適用我國工程項目管理[2]。

將BIM 虛擬化技術(shù)應(yīng)用到工程管理系統(tǒng)是近幾年的研究熱點，STOTER等以荷蘭為例，構(gòu)建了國土三維空間系統(tǒng)模型[3]，陳永高等構(gòu)建了基于BIM 和物聯(lián)網(wǎng)的工程風險預警和管理系統(tǒng)架構(gòu)[4]，程雨婷等按進度管理模式、進度信息管控、進度信息系統(tǒng)過程，構(gòu)建了基于BIM 的工程項目進度管理系統(tǒng)[5]。張毅等、任萬鵬等分別將BIM 應(yīng)用于鐵路和公路工程項目管理[6,7]，趙文滟研究了BIM 在亞運場館設(shè)計和建造過程中的應(yīng)用[8]，劉欣悅研究了BIM 技術(shù)在建筑工程項目管理中應(yīng)用[9]。

工程建設(shè)項目涉及環(huán)節(jié)多要素多，數(shù)據(jù)來源復雜格式多元，工程項目管理系統(tǒng)面對分散的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如何準確及時完整采集、處理、存儲、加工和呈現(xiàn)是工程建設(shè)項目管理系統(tǒng)發(fā)揮效果的關(guān)鍵。為解決多源數(shù)據(jù)匯集管理和BIM 建模加載（傳統(tǒng)BIM 模型比較復雜，加載慢）問題，本文設(shè)計一種面向多源數(shù)據(jù)、基于輕量化BIM 的工程建設(shè)項目全過程管理系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)工程建設(shè)項目的全過程全流程管控，全要素直觀展示和動態(tài)監(jiān)管。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，通過瀏覽器訪問。如圖1 所示，系統(tǒng)架構(gòu)上分為用戶層、展示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層四層。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

用戶層：系統(tǒng)使用對象包括工程投資建設(shè)單位、工程承建單位、專業(yè)分包單位、投資監(jiān)理單位、政府相關(guān)監(jiān)管部門等。展示層：系統(tǒng)可以通過瀏覽器訪問、移動設(shè)備訪問、在監(jiān)管大屏展現(xiàn)。業(yè)務(wù)層：系統(tǒng)對工程項目管理全過程BIM 應(yīng)用、GIS項目管理、全程計劃管控、進度管控、過程管控、質(zhì)量管控、風險管控、安全管控、系統(tǒng)管理等。數(shù)據(jù)層：系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集總線和數(shù)據(jù)處理總線，分別用于多源數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

1.2 數(shù)據(jù)總線

⑴數(shù)據(jù)采集總線

如圖2所示，數(shù)據(jù)采集總線分為數(shù)據(jù)接口、系統(tǒng)服務(wù)、系統(tǒng)接入三類接口，其中數(shù)據(jù)接口對接BIM 數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)、CAD 圖檔、現(xiàn)場視頻、政策法規(guī)和其他數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，系統(tǒng)服務(wù)對接報批系統(tǒng)、財務(wù)系統(tǒng)、資金系統(tǒng)、檔案系統(tǒng)、知識管理系統(tǒng)、其他系統(tǒng)等自建自有系統(tǒng)，系統(tǒng)接入對接承建單位系統(tǒng)、專業(yè)分包單位系統(tǒng)、監(jiān)理單位系統(tǒng)、政府報批報建系統(tǒng)等第三方系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集總線架構(gòu)圖

⑵數(shù)據(jù)處理總線

數(shù)據(jù)處理總線進行數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。本文構(gòu)建的系統(tǒng)定義主數(shù)據(jù)，并對主數(shù)據(jù)對象實例進行標簽化，以提高系統(tǒng)加載和綜合查詢響應(yīng)速度。以工程項目標簽化為例，增加檢索頻次、進度標簽、投資標簽、過程標簽、質(zhì)量標簽、風險標簽、安全標簽等標簽，提高檢索和加載效，見圖3。

圖3 對象實例標簽化處理（工程項目）

2 系統(tǒng)功能模塊

功能模塊見圖4，系統(tǒng)將BIM 模型應(yīng)用于工程建設(shè)項目進度展示、投資管理、安全監(jiān)測、質(zhì)量驗收等，通過GIS 進行工程建設(shè)項目地理信息、項目進度等管理。系統(tǒng)研發(fā)了適用于瀏覽器的項目畫布圖，用于工程項目計劃管控，實現(xiàn)項目進度計劃、投資計劃、銷項計劃等項目進度管控，項目立項及進度變化審批通過系統(tǒng)實現(xiàn)。項目進度管控模塊對項目進度執(zhí)行情況進行管理，項目督辦和進度管理。項目過程管控模塊對項目立項、工程合同、工程付款、工程項目簽證等進行管控。項目質(zhì)量管控模塊包括項目質(zhì)量巡檢、質(zhì)量整改、質(zhì)量驗收等功能。項目風險管控模塊包括現(xiàn)場施工風險、交叉施工風險等功能。項目安全管控模塊包括工地安全管理、應(yīng)急預案演練、現(xiàn)場巡查及整改等功能。系統(tǒng)管理模塊包括用戶信息、角色管理、用戶管理、日志管理等功能。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

3 系統(tǒng)流程設(shè)計

工程建設(shè)項目全過程管理包括進度管理、過程管理、質(zhì)量管理、風險管理、安全管理等多方面，涉及工程項目進度管控、工程質(zhì)量巡檢、工程合同及付款申請等流程。

⑴項目進度管控流程

如圖5 所示，編制工程項目立項，進行立項審批，若審批通過則進入項目執(zhí)行階段，若未通過則返回立項編制環(huán)節(jié)進行調(diào)整，調(diào)整后再次報批。項目執(zhí)行過程中各環(huán)節(jié)維護項目進度，系統(tǒng)計算各項目進度是否超時，若超時則發(fā)出項目督辦單，直至工程項目驗收通過。

圖5 工程建設(shè)項目進度管控流程

⑵工程合同及付款管理流程

如圖6所示，根據(jù)工程項目立項，進行工程招標和評標，若中標單位不是已有合格供應(yīng)商則先進行合格供應(yīng)商入庫，確定供應(yīng)商后進行合同簽訂，合同簽訂后進入合同執(zhí)行環(huán)節(jié)，合同執(zhí)行過程中發(fā)生變化，可通過補充協(xié)議或工程簽證進行調(diào)整，協(xié)議或簽證審批通過后調(diào)整合同金額。根據(jù)工程項目進度發(fā)起工程付款申請，若需要決算則進行決算，直至工程項目驗收。若有質(zhì)保金，則質(zhì)保金到期后發(fā)起質(zhì)保金請款申請。

圖6 工程建設(shè)項目合同及付款管理流程

4 BIM全程應(yīng)用

本文構(gòu)建的工程建設(shè)項目管理系統(tǒng)全過程應(yīng)用BIM 模型，通過BIM 建模工具和輕量化引擎實現(xiàn)模型快速搭建和快速加載，通過BIM 全程應(yīng)用，對工程建設(shè)項目的進度、投資計劃、安全監(jiān)測、工程質(zhì)量等進行全過程管控。

4.1 BIM建模和輕量化

BIM模型建模和加載通常需要Revit等專業(yè)軟件，服務(wù)器資源占用大，加載速度慢，為提高加載和響應(yīng)速度，本文對BIM 模型進行輕量化，可通過Chrome、Edge 等瀏覽器加載。如圖7，本文構(gòu)建的BIM 模型輕量化引擎包括模型信息提取、模型輕量化、模型文件轉(zhuǎn)化三種功能[10]，通過快速建模工具、快速修改工具和批量化檢查工具實現(xiàn)模型信息快速提取，通過場景空間劃分、對象增量繪制、對象內(nèi)存池圖元合并減少等，實現(xiàn)BIM 模型輕量化，通過構(gòu)建模型流、對象惟一表達、模型數(shù)據(jù)壓縮等模型文件轉(zhuǎn)換實現(xiàn)BIM 模型快速加載。

圖7 BIM模型輕量化引擎

4.2 BIM模型應(yīng)用

本文構(gòu)建的BIM 在項目進度、投資計劃、安全監(jiān)測、項目風險、工程質(zhì)量等工程建設(shè)項目全程應(yīng)用BIM 模型。①工程項目進度管理：系統(tǒng)實時傳感數(shù)據(jù)綁定BIM 模型，展示工程建設(shè)項目實時情況，基于BIM 技術(shù)展示工程進度及施工模擬、工程安全隱患、工程監(jiān)測信息、質(zhì)量驗收等信息數(shù)據(jù)。②投資計劃管理：將工程建設(shè)項目工作量和財務(wù)支出情況通過BIM模型方便系統(tǒng)用戶直觀的監(jiān)控項目實際投資與項目進度投資差異，輔助做出建設(shè)成本判斷。③安全檢測管理：基于BIM 模型，集成監(jiān)測點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維可視化數(shù)據(jù)分析和展示，及時掌握工程安全風險情況。④工程質(zhì)量驗收：基于BIM 模型，現(xiàn)場實際與計劃比對，對現(xiàn)場施工進行質(zhì)量驗收。⑤交叉施工管理：用戶通過系統(tǒng)BIM 模型，能夠更加清晰、直觀地查看工程交叉施工狀況，可在系統(tǒng)中記錄交叉風險點位置、周邊環(huán)境、采取措施、地質(zhì)條件等信息，進行交叉施工風險管理。

5 項目全程計劃管控

本系統(tǒng)研發(fā)了適用于瀏覽器的工程項目畫布圖，實現(xiàn)工程建設(shè)項目全程計劃管控，如圖8示，通過項目進度畫布圖對工程項目節(jié)點及完成情況進行管理，縱向為各個線路，橫向為時間軸。各節(jié)點中，關(guān)鍵節(jié)點通過小旗子來強調(diào)，灰色節(jié)點代表還未達到，綠色節(jié)點表示準時完成，紅色節(jié)點表示超時。

圖8 工程建設(shè)項目進度管控

通過顯示比例、回到左上角、顯示/隱藏節(jié)點名稱、顯示全部、下載進度圖、顯示/隱藏欄等功能鍵對畫布顯示進行調(diào)整。進度管理人員可新增、編輯、禁用各項目節(jié)點，定義和維護工程項目節(jié)點計劃。項目管理人員根據(jù)實際維護各節(jié)點完成情況。

6 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，通過瀏覽器訪問，如圖9，界面上部為系統(tǒng)名稱、頁面名稱、用戶信息、系統(tǒng)登錄退出等信息，左側(cè)的分類欄可以根據(jù)頁面功能出現(xiàn)或隱藏（如工程立項中可列示工程類型、園區(qū)列表等），右側(cè)分上下兩部分，上半部分為檢索條件，下半部分展示查詢結(jié)果列表或詳情。

圖9 系統(tǒng)功能界面

系統(tǒng)各功能模塊可以按需選配，該系統(tǒng)已在上海自貿(mào)區(qū)（外高橋片區(qū)）得以實施和應(yīng)用，覆蓋10平方公里區(qū)域[11]，部分功能如圖10～圖12所示。

圖10 系統(tǒng)首頁

圖11 工程項目立項

圖12 工程合同管理

7 總結(jié)與展望

本文構(gòu)建了面向多源數(shù)據(jù)、基于輕量化BIM 的工程建設(shè)項目全過程管理系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)工程建設(shè)項目計劃管控、進度管控、過程管控、質(zhì)量管控、風險管控、安全管控等全過程全流程管控。本文解決了傳統(tǒng)BIM 模型建模復雜、加載慢的問題，通過BIM 建模和呈現(xiàn)的輕量化技術(shù)、對象標簽化等方法，使系統(tǒng)可以在主流瀏覽器快速加載。通過數(shù)據(jù)采集總線和處理總線進行數(shù)據(jù)管理，解決了多源數(shù)據(jù)匯集和處理問題。通過適用于主流瀏覽器的工程項目畫布圖，對工程進度進行動態(tài)化管控，使數(shù)據(jù)更加客觀透明和有效。該平臺在上海自貿(mào)區(qū)實施和應(yīng)用，工程進度、計劃、安全等管控水平大幅提升，工程造價每年節(jié)省幾千萬元。

后續(xù)，可在系統(tǒng)功能深度和廣度上擴展，推進系統(tǒng)數(shù)據(jù)積累和應(yīng)用，不斷提升工程全過程管理信息化、數(shù)字化、智能化水平。①與更多供應(yīng)商的信息系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，實現(xiàn)更多業(yè)務(wù)系統(tǒng)級交互。②與工程項目成果運行維護階段的信息系統(tǒng)（如房產(chǎn)經(jīng)營、園區(qū)管理、項目運維等系統(tǒng)）互聯(lián)互通，建立建設(shè)、管理、應(yīng)用一體的管理系統(tǒng)，持續(xù)推進BIM 可視化應(yīng)用，通過機制/體制創(chuàng)新，使各類數(shù)據(jù)得以持續(xù)更新，更大程度上發(fā)揮模型價值。③建立健全工程建設(shè)項目標準化體系，實現(xiàn)建設(shè)單位、承建單位、監(jiān)理單位等管理程序體系的一體化，形成良好的工程建設(shè)項目管理生態(tài)體系。