“四維”數(shù)字化建造項目管理框架與系統(tǒng)建設研究

譚 河

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100020）

隨著近年來基建項目的發(fā)展，項目信息除了類型多樣化、信息來源主體廣泛及會不斷地發(fā)生動態(tài)變化等特征之外，不同的項目參與者對項目數(shù)據及信息的應用有不同的要求，并且對同一信息的處理和應用有不同的要求。因此，項目數(shù)據的組織和管理必須充分考慮到數(shù)據信息的應用要求，這些要求均可以反映在數(shù)據的分類和編碼中[1-2]。在處理信息時，很難僅依靠人工處理，因此使用計算機處理技術是當前工程的主要手段。

隨著計算機技術的發(fā)展，工程信息管理系統(tǒng)被逐步應用于現(xiàn)代工程項目，這種系統(tǒng)既可以提高效率，同時也可以節(jié)約資源，完成多方面業(yè)務協(xié)同管理[3-4]。其中技術手段起到至關重要的作用，很多學者就此展開了研究。陸偉東[5]采取面向對象、數(shù)據庫與數(shù)據挖掘三位一體的技術優(yōu)化設計了建筑工程管理系統(tǒng)；王繼果等[6]分析了利用BIM技術進行項目信息管理的便捷與發(fā)展前景；祁孜威[7]研究了基坑工程中基于BIM技術的信息模型分類和編碼方式；饒平平等[8]利用多種計算機應用技術實現(xiàn)了一種精細化管理平臺的設計。雖然有很多學者對工程項目信息化管理技術進行研究并取得了一些成果[9-10]，但是取得的實際管理效果仍然存在不足，比如管理理念和管理模式還需進一步優(yōu)化[11]?；诖?，本文圍繞4個維度構建了數(shù)字化建造項目管理框架體系，并以貴州中交沿印松高速公路項目為例，對基于“四維”數(shù)字化建造項目管理框架的系統(tǒng)架構及部分子系統(tǒng)進行了詳細分析，最后再次強調了BIM及GIS等技術在數(shù)字化建造項目中管理信息的重要性。

1 數(shù)字化建造項目管理框架體系

要實現(xiàn)數(shù)字化建造項目管理，其框架體系要從項目生命周期、建設管理過程、建設項目管理要素和全產品價值鏈4個維度進行全面考慮，才能全面、有效地集成建設項目管理，建立起清晰、全面、結構化和層次化的建設項目管理體系框架，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化建造項目管理框架體系

1.1 建設項目全生命周期

不同類型工程、不同的項目管理模式，有其特定的生命周期。例如，交通工程項目一般按項目決策階段、項目設計階段、項目施工階段、項目驗收和總結劃分為4個階段。

1.2 項目全管理過程

管理過程是會產生特定結果的一系列管理行動。一個建設項目全生命周期內的管理行動需要按照一定的管理過程進行，而一般的管理包含5個過程。①啟動過程。在這個過程中，項目需要通過正式批準才能進入下一階段。②計劃過程。當項目啟動后，開始進入項目計劃的編制階段。③執(zhí)行過程。按照計劃制定，整合各種資源按照計劃進行。④控制過程。對執(zhí)行過程進行監(jiān)控，利用各項控制措施確保項目按照既定計劃進行。⑤結束過程。這是項目結束的階段，該過程主要完成項目驗收竣工過程。這5個過程形成的項目管理全過程可以適用于絕大多數(shù)項目全生命周期的每個階段中。項目的每個階段都必須遵循上述的項目管理過程來完成管理活動，整個過程緊密聯(lián)系，環(huán)環(huán)相扣，以確保整個項目可以順利完成。

1.3 建設項目管理全要素

管理要素指的是項目全生命周期中涉及管理的各個領域?！俄椖抗芾碇R體系指南》（PMBOK）的規(guī)定指出，考慮建設項目的管理目的與特征，管理要素可以劃分為項目管理主客體（范圍管理、人力資源管理2要素）、項目管理成果（工期管理、投資管理、質量管理和知識管理4個要素）和項目管理方法（溝通、風險、采購、合同和整合5個要素）3個方面、11個要素。這11個管理要素幾乎涵蓋了建筑工程管理的所有領域，整個建筑工程管理的成功實施取決于這些要素的管理情況。

1.4 產品價值鏈

一個項目的整個價值鏈是產品開發(fā)和實現(xiàn)項目價值的過程，而在建筑項目中這就是建筑生產的過程。產品價值鏈從活動開始，產生相應的交付物則是結果，一個交付物的產生需要一個或多個活動，因此交付物和活動是相互關聯(lián)的，每個交付物的創(chuàng)造產生最終形成了交通規(guī)劃項目的產品。

考慮將項目全生命周期、全管理過程、全管理要素及全產品價值鏈4個方面進行全面集成，最后形成建設工程項目的整個項目管理體系。

2 數(shù)字化建造系統(tǒng)的構建

根據數(shù)字化建造管理框架體系，以貴州中交沿印松高速公路項目為依托，根據信息化基礎設施的國家標準和規(guī)范，以現(xiàn)代化、安全性、可用性和可持續(xù)性為原則，系統(tǒng)整體架構以平臺為基礎，以多層分區(qū)為原則，基于面向服務的架構（SOA）的理念，共有6層結構，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

2.1 6層結構

2.1.1 統(tǒng)一信息門戶層

客戶端可以與服務器實現(xiàn)在線通信，有些版塊可以擴展到PDA、手機和其他移動設備。統(tǒng)一信息門戶為交建公司、項目指揮部和社會公眾等提供統(tǒng)一的信息訪問入口和界面，并為項目參與方預留了綜合管理平臺統(tǒng)一訪問入口。本架構將把網站信息集成到門戶中，增強和優(yōu)化信息發(fā)布和展現(xiàn)功能，整合綜合管理系統(tǒng)應用平臺和支撐性應用系統(tǒng)，保證綜合管理信息的對外發(fā)布，有利于對外宣傳工程建設項目的綜合管理信息，實現(xiàn)各投資項目基本建設信息、建設進展、文件審批、投資進度和公告等信息的發(fā)布。

2.1.2 業(yè)務應用層

業(yè)務應用層包含工程項目管理系統(tǒng)和輔助管理工具軟件系統(tǒng)。

2.1.3 系統(tǒng)應用環(huán)境支撐層

對GIS平臺、BIM平臺等外部環(huán)境的支持。

2.1.4 數(shù)據層

構建統(tǒng)一的項目數(shù)據中心是該系統(tǒng)建設的重要工作，其是一項復雜的社會-技術系統(tǒng)工程，其核心標志性工程就是數(shù)據環(huán)境重建與數(shù)據庫工程。主要內容包括基礎數(shù)據庫、面向業(yè)務主題數(shù)據庫和專業(yè)數(shù)據庫（如BIM）、數(shù)據倉庫（DW）的建設等。

2.1.5 物力資源層

通信-計算機網絡基礎設施平臺建設，這包括建立現(xiàn)代化的計算機和通信網絡、現(xiàn)代化計算機房、完整的電纜和互聯(lián)網連接、數(shù)據收集和監(jiān)測設施，建立統(tǒng)一的運營控制中心和運營管理中心所需的設備，以及數(shù)據存儲、歸檔和備份。

2.1.6 感知層

利用移動互聯(lián)設備、物聯(lián)網實現(xiàn)固定資產現(xiàn)場數(shù)據采集。

2.2 業(yè)務應用層——工程建設項目管理系統(tǒng)

工程建設項目管理系統(tǒng)是業(yè)務應用層中重要的一部分，其主要包含工程建設項目管理系統(tǒng)和工程建設質量安全管理系統(tǒng)。

2.2.1 工程建設項目管理系統(tǒng)

工程建設項目管理系統(tǒng)包含了項目執(zhí)行管理系統(tǒng)及物資管理系統(tǒng)。前者的結構圖如圖3所示，可見該部分內容涉及了全壽命周期及建設管理全要素內容；而后者則充分考慮到物資管理在項目單位和公司層面的不同作用，且所涉及的工作性質的極大不同，基本的材料信息、需求計劃、材料庫存管理、供應商管理、倉庫管理、固定資產管理、工廠和機器管理需要以不同的方式應用。

圖3 項目執(zhí)行管理系統(tǒng)結構

2.2.2 工程建設質量安全管理系統(tǒng)

系統(tǒng)對于工程質量的把控主要包含重點區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)、試驗設備聯(lián)網監(jiān)控、瀝青混凝土拌合站數(shù)據監(jiān)測系統(tǒng)、水泥混凝土拌合站數(shù)據監(jiān)測系統(tǒng)和智能張拉與壓漿數(shù)據聯(lián)網系統(tǒng)等11個分系統(tǒng)，這些小型系統(tǒng)全面綜合地考量了工程建設質量。將這幾個小型系統(tǒng)聯(lián)合呈現(xiàn)在可視化平臺上，工程參與各方即可最大程度地了解工程進展及質量監(jiān)控。

以智能張拉與壓漿數(shù)據聯(lián)網系統(tǒng)為例進行詳細說明。該系統(tǒng)通過對智能預應力張拉設備及智能壓漿設備力值、伸長量、注漿數(shù)量和保壓時間等數(shù)據的實時采集，實現(xiàn)張拉過程及壓漿過程的全過程監(jiān)控，一旦發(fā)生偏差，系統(tǒng)以短信報警的方式及時通知技術管理者，確保張拉及壓漿過程規(guī)范可控。相對于傳統(tǒng)張拉設備而言，智能張拉設備要求具備計算機控制系統(tǒng)，能夠運用計算機自動控制技術進行張拉操作，同時將張拉過程數(shù)據及結果數(shù)據自動保存成數(shù)據庫文件或文檔文件，生成相應的記錄報表或報告。

2.3 工程建設數(shù)據可視化平臺

貴州省銅仁市沿印松高速公路項目大數(shù)據云平臺采用GIS、BIM相關技術，對整個項目從宏觀到微觀進行展示，包括從整個項目到具體的分部分項工程，以及地理位置、周邊環(huán)境、工程造價等信息。對具體的主體結構物可選取并展示其三維立體的效果圖。

2.3.1 三維GIS+BIM系統(tǒng)

1）建立三維地理信息系統(tǒng)平臺。針對不具備無人機航拍條件的路段提供中心線兩側2.5 km的不低于0.5 m的衛(wèi)星影像。針對具備無人機航拍的路段提供中心線兩側2.5 km的不低于0.2 m的航拍影像，DEM精度達1∶2000，局部重點區(qū)域應達到1∶1000，為建立BIM管理平臺提供基礎地理信息。

2）建立BIM管理平臺。以最小工程構件或零件為劃分單位，建立工程全線的精細模型，提供建模、空間定位、組織與工程劃分結構關聯(lián)、更新、發(fā)布和BIM信息集成的功能。BIM精細模型如圖4所示。

圖4 BIM精細模型

3）建立基于BIM的項目決策支持系統(tǒng)。以三維地理信息系統(tǒng)平臺和BIM平臺為基礎，通過疊加建設項目管理信息，建立基于BIM的項目決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)三維可視化的設計管理、綜合審批和綜合查詢。

2.3.2 數(shù)據可視化平臺

數(shù)據可視化平臺是將項目所有生產要素利用大數(shù)據技術、可視化技術及3S技術整合在1個平臺中，實現(xiàn)對項目的動態(tài)把控。

1）可視化技術?？梢暬夹g可以將科學數(shù)據如測量值、來自現(xiàn)場的圖像或用于計算的數(shù)字信息，轉化為物理現(xiàn)象或在空間和時間上發(fā)生變化的變量的直觀圖形，使決策者能夠進行觀察、模擬和計算。這項技術是智能場所三維表現(xiàn)的先決條件。

2）3S技術。3S技術是1個通用術語，包括遙感（Remote Sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography Information Systems，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning Systems，GPS）。該技術是空間技術、傳感器、衛(wèi)星定位和導航及先進信息技術的結合，能夠實現(xiàn)高度集成和跨學科的空間信息收集、處理、管理、分析、表達、傳播和利用。

3）數(shù)據庫技術。BIM技術的應用是基于數(shù)據庫技術來進行大數(shù)據處理，包括綜合利用大規(guī)模并行處理（MPP）數(shù)據庫、數(shù)據挖掘網絡、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據庫、云計算平臺及可擴展存儲等，來實現(xiàn)數(shù)據的集中展現(xiàn)，融合安全數(shù)據、質量數(shù)據、進度數(shù)據、投資數(shù)據及日常數(shù)據進行多角度地動態(tài)展示。

3 結束語

本文根據現(xiàn)代工程建設項目信息管理發(fā)展現(xiàn)狀與不足之處，提出了圍繞項目生命周期、建設管理過程、建設項目管理要素和全產品價值鏈4個維度的數(shù)字化建造項目管理框架體系?；谠摗八季S”體系并結合貴州中交沿印松高速公路信息管理系統(tǒng)平臺，從系統(tǒng)架構及其中的工程建設項目管理系統(tǒng)和工程建設數(shù)據可視化平臺的建設等方面分析了公路工程信息化管理的流程和目的，進一步說明了數(shù)字化信息管理需要一定的理念更新和技術創(chuàng)新，可以為相關行業(yè)和工程提供一定的參考價值。