基于BIM 5D 的項目安全與質(zhì)量協(xié)同管理研究

曹源 吳賢國 馮宗寶 李昕奕 劉俊

（1. 重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160；2.華中科技大學(xué)，武漢 430070）

引言

當(dāng)前，中國處于高速發(fā)展階段，“數(shù)字中國”已成為中國的一張新名片，作為中國經(jīng)濟支柱性產(chǎn)業(yè)之一的建筑業(yè)，迎接數(shù)字化轉(zhuǎn)型自然順應(yīng)數(shù)字化變革趨勢[1,2]。BIM5D 技術(shù)隨著建筑業(yè)的信息化應(yīng)運而生，盡管該項技術(shù)已經(jīng)提出了很多年，但由于不同因素的影響，應(yīng)用效果并不理想，還處于初級探索階段，與國外一些發(fā)達(dá)國家相比還存在差距[3]。為此，近年來，國內(nèi)行業(yè)學(xué)者和工程技術(shù)人員圍繞如何將BIM 技術(shù)與工程項目施工過程相融合這一課題開展了研究。例如，張銘等[4]基于BIM 進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)機電多專業(yè)協(xié)同設(shè)計研究。袁俊平等[5]基于BIM 研究大壩可視化安全監(jiān)測。焦迎春等[6]把BIM5D 技術(shù)應(yīng)用在施工階段成本控制中。研究主要集中在大土木范圍項目的可視化應(yīng)用，多側(cè)重利用BIM 技術(shù)解決項目管理中設(shè)計也有涉及建設(shè)過程中質(zhì)量與安全協(xié)同管理及其應(yīng)用模式問題的研究，但基于BIM 技術(shù)的管理操作主要依靠高性能計算機及桌面客戶端，限制了操作人員的使用地點，使得大部分項目的施工管理都是由人工去主導(dǎo)，其工地的施工情況都是在上報處理前，通過現(xiàn)場人工查看確定信息，然后再做出相應(yīng)的處理方案，造成了信息反饋不及時或遺漏，也增加了現(xiàn)場質(zhì)量和安全隱患[7]。同時，還可能出現(xiàn)生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量水平降低、成本提高、施工周期延長、工程事故增多等情況，特別是對于一些重大工程項目，由于工程量普遍較大，難以通過傳統(tǒng)的手工方式記錄信息確保工程質(zhì)量和安全，這就更加迫切地需要信息化管理[8,9]。根據(jù)我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)顯示，建筑行業(yè)成為我國最危險的行業(yè)之一[10,11]。如何保障工程質(zhì)量，保護施工相關(guān)人員的生命財產(chǎn)安全，減少安全事故的發(fā)生，避免安全事故瞞報、漏報，杜絕安全隱患迫在眉睫。為此，系統(tǒng)思考與分析基于BIM5D 的安全與質(zhì)量協(xié)同管理就顯得尤為重要，具有重要的實踐應(yīng)用價值。

鑒于此，筆者將BIM 技術(shù)引入項目安全與質(zhì)量管理工作中，通過“事前預(yù)防”的BIM 技術(shù)（建立Revit模型、深化設(shè)計、施工模擬、可視化技術(shù)交底），和“事中控制”的BIM5D+智慧工地決策系統(tǒng)，實踐驗證了基于BIM5D 的工程安全與質(zhì)量協(xié)同管理的可行性。

1 基于BIM5D 的工程安全與質(zhì)量協(xié)同管理構(gòu)思

BIM 是繼 CAD 之后，建筑業(yè)第二次顛覆性的設(shè)計改革，是AEC（建筑（Architecture）、工程（Engineering）、建造（Construction））行業(yè)中最重要、最具發(fā)展前景的變革之一[10,11]。BIM 模型與傳統(tǒng)的3DCAD 模型不同的是，在傳統(tǒng)的3DCAD 模型中，3DCAD 只描述具有獨立三維視圖的設(shè)施點(如平面、剖面和垂直)。如果修改了其中一個視圖，則必須相應(yīng)地更新其他視圖，而BIM 模型的信息更新則是同步的。此外，3D CAD繪圖中的數(shù)據(jù)只是圖形實體，例如直線、圓弧和圓。相反，BIM 集成更豐富的語義信息，整個生命周期中的所有幾何和功能屬性在一個“智能對象”集合[12]。4D 建模過程引入了另一個維度——時間的虛擬表示，這意味著BIM 過程的所有方面（圖形模型、管理、成本、資源、安全問題等）可以從時間角度表示、查看和分析。如今，包含成本估算的第五維度（5D）被許多研究人員和行業(yè)專業(yè)人士所接受[13]。因此，可以將BIM 的應(yīng)用描述為允許動態(tài)虛擬分析進(jìn)度、成本、資源、安全、質(zhì)量等的3D 數(shù)據(jù)擴展到ND 信息模型的過程。這個nD 模型提供了一個數(shù)據(jù)庫，讓利益相關(guān)者能夠緊密有效地共享資源，通過同一系統(tǒng)檢索所需的信息，從而有利于項目參與各方在整個項目生命周期中協(xié)調(diào)工作[10]。所以，廣義上說，BIM 既是一種信息模型，也是一種數(shù)字化建造的技術(shù)和理念。另外，隨著經(jīng)濟和文化的進(jìn)步以及公眾對質(zhì)量、安全、環(huán)境的關(guān)注，“以人為本的價值”正在逐步提上議程，獲得經(jīng)濟利潤不再是項目管理的最大目標(biāo)，BIM 技術(shù)開始用于項目的質(zhì)量和安全控制領(lǐng)域。

本研究注重安全和質(zhì)量問題的“事前預(yù)防，事中控制”，借助BIM5D 工程智慧建造安全與質(zhì)量協(xié)同管理原理和廣聯(lián)達(dá)智慧決策系統(tǒng)，構(gòu)建思路如下：

（1）事前智能建造，預(yù)防安全和質(zhì)量問題。

利用智能建造技術(shù)，建立信息模型。設(shè)計階段通過碰撞檢查，施工前通過虛擬建造，對工人及相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行三維可視化培訓(xùn)和技術(shù)交底，提升技術(shù)交底的效果，還可以提前把關(guān)系工程質(zhì)量和安全的問題暴露出來，在縮短工期的同時，達(dá)到消除安全隱患和保證工程質(zhì)量的目的。

碰撞檢查是指在工程項目中各不同專業(yè)(結(jié)構(gòu)、暖通、消防、水電等)利用BIM 技術(shù)對空間碰撞預(yù)先(一般為設(shè)計階段)進(jìn)行檢測。從前在CAD 二維圖紙中，不能清晰的了解管線、設(shè)備等專業(yè)線型空間的走勢，導(dǎo)致在施工階段，才發(fā)現(xiàn)管線產(chǎn)生碰撞，造成工期的延誤、帶來經(jīng)濟損失，嚴(yán)重時甚至影響施工安全和質(zhì)量?，F(xiàn)在利用BIM 技術(shù)，在設(shè)計階段，通過BIM 模型可以直觀地查看管線碰撞問題，并利用軟件生成檢查報告，減少因“錯、漏、碰、缺”等原因造成的經(jīng)濟損失、人工浪費等問題[14]。

虛擬建造是指通過BIM 技術(shù)建立信息模型并對施工過程進(jìn)行模擬，實現(xiàn)施工過程的實時、逼真預(yù)演，進(jìn)而對已有的施工方案進(jìn)行驗證、優(yōu)化和完善。在對施工過程進(jìn)行三維模擬操作后，能預(yù)知在實際施工過程中可能遇到的問題，避免或減少返工導(dǎo)致的工期延長和資源浪費，避免不必要的質(zhì)量和安全問題，提高施工效率[15]。

可視化技術(shù)交底基于BIM 技術(shù)進(jìn)行建筑項目三維可視化交底。建筑行業(yè)一線的建筑工人文化程度普遍不高，傳統(tǒng)的交底不夠直觀，工人往往看不懂，記不住，相關(guān)的措施規(guī)定不能有效傳遞至工地現(xiàn)場，使得技術(shù)交底流于形式，從而埋下安全和質(zhì)量隱患[16]。而BIM的表達(dá)方法“所見即所得”，更有利于施工人員直觀領(lǐng)悟，從而做到心中有數(shù)。尤其對一些復(fù)雜工藝方案和復(fù)雜節(jié)點，在提高效率的同時，可以保障安全和質(zhì)量。

（2）事中信息化管理，控制質(zhì)量與安全問題。

施工安全和質(zhì)量一直是工程施工的一個大問題，很難用數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，控制起來難度大。另外，在傳統(tǒng)的施工方式中，施工管理人員對安全的防范意識很薄弱，總是等到出現(xiàn)問題才去解決和關(guān)注，對于整個工程項目來說，這樣不僅會拖累工程進(jìn)度，還會造成不必要的損失。本研究利用廣聯(lián)達(dá)BIM5D+智慧工地數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)，收集、整理、分析移動終端收集到的各類安全問題，以圖表形式呈現(xiàn)分析結(jié)果，并對重要問題進(jìn)行實時預(yù)警。管理人員可以及時發(fā)現(xiàn)問題并督促整改，保證項目安全，提升工程質(zhì)量。管理人員能及時發(fā)現(xiàn)問題，督促整改，使工程項目安全得到保障，工程質(zhì)量得到提高。

2 基于BIM5D 工程安全與質(zhì)量協(xié)同管理實踐

2.1 工程概況

項目擬建地點位于成渝高速以北、興龍大道以東的重慶某校區(qū)東北角。項目地上六層、地下兩層、建筑高度23.85 米。建筑工程等級為一級，基礎(chǔ)形式為獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，場地類別為Ⅱ類，總建筑面積31 483.08m2，集辦公、教學(xué)、實訓(xùn)一體，地下車庫為三個實訓(xùn)樓共用。

2.2 工程難點及關(guān)鍵問題

2.2.1 技術(shù)問題

三棟實訓(xùn)樓共用一個地下車庫，車庫較大，管線較為復(fù)雜，所以對模型進(jìn)行深化設(shè)計及施工模擬就顯得尤為必要。通過深化設(shè)計，可以讓問題提前暴露，縮短工期，使整體布局更加美觀從而更好地實現(xiàn)其功能性。

2.2.2 管理問題

工程實施是整個工程周期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工程實施中會遇到各種管理問題，會遇到類似新冠疫情等突發(fā)事件或者設(shè)計沖突問題，采用傳統(tǒng)的管理方式效率會有所降低。為此，結(jié)合整個實訓(xùn)區(qū)域的項目，有必要采用信息化管理。

2.3 前期準(zhǔn)備

2.3.1 信息模型的建立

BIM 信息模型是進(jìn)行項目管理的基礎(chǔ)，該案例項目的信息模型及渲染圖片如圖1 所示。

圖1 項目信息模型及渲染圖片

2.3.2 信息集成模型的建立

BIM5D 的信息模型集成如圖2 所示，可以直觀地呈現(xiàn)建筑模型及構(gòu)件，能夠直接獲取各方面信息。同時，還具備可進(jìn)行模型展示的漫游功能，為項目管理提供數(shù)據(jù)支撐，大大減少了施工方和設(shè)計師的交流障礙，實現(xiàn)有效決策、精細(xì)管理的目的。

圖2 BIM5D 集成模型

2.3.3 BIM5D 智慧工地管理系統(tǒng)界面設(shè)計

BIM5D 工程智能建造安全與質(zhì)量協(xié)同管理研究是采用廣聯(lián)達(dá)數(shù)字管理平臺對工程進(jìn)行創(chuàng)建和管理。登錄電腦端或網(wǎng)頁版會出現(xiàn)一個管理系統(tǒng)，根據(jù)需要進(jìn)行不同的界面設(shè)計和使用。

（1）項目概況

把Revit 模型導(dǎo)入智慧工地系統(tǒng)，為后期安全與質(zhì)量管理做準(zhǔn)備，其界面如圖3 所示。

圖3 BIM ＋智慧工地數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)-項目概況

（2）質(zhì)量管理

該界面可以進(jìn)行質(zhì)量問題統(tǒng)計和分類，還可以把尚未解決、需誰解決的問題進(jìn)行統(tǒng)計和注明，將施工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題類型，質(zhì)量負(fù)責(zé)人，質(zhì)量問題趨向以圖形的方式，直接且全面的展示出來，如圖4所示。

圖4 BIM ＋智慧工地數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)-質(zhì)量管理

（3）安全管理

該頁面能夠把容易發(fā)生的安全隱患、安全隱患類型、安全隱患的趨勢、未銷隱患的負(fù)責(zé)人、未消隱患的分析以圖形的方式直接清楚的表達(dá)出來，工程中的隱患和隱患對應(yīng)負(fù)責(zé)人可以清晰呈現(xiàn)，使竣工與建議復(fù)查更方便快捷，如圖5 所示。

圖5 BIM ＋智慧工地數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)-安全管理

2.4 工程管理的應(yīng)用實施

2.4.1 深化設(shè)計

在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行管綜碰撞檢查時，本項目最多最常見的就是噴淋支管與其他線管產(chǎn)生的碰撞，碰撞數(shù)量高達(dá)123 處，如圖6 所示。通過碰撞檢查，提前把關(guān)系工程質(zhì)量和安全的問題暴露出來，縮短計劃工期1 個月。

圖6 噴淋支管與其他線管產(chǎn)生的碰撞結(jié)果

2.4.2 事前施工模擬及可視化技術(shù)交底

利用廣聯(lián)達(dá)BIM 施工現(xiàn)場布置GCB 軟件對本工程進(jìn)行施工模擬，將施工順序、資源調(diào)配等問題進(jìn)行提前預(yù)演，模擬結(jié)果如圖7 所示。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行可視化技術(shù)交底，如圖8 所示。

圖7 本項目施工動畫模擬結(jié)果截圖

圖8 可視化技術(shù)交底

2.4.3 事中質(zhì)量與安全信息化管理

在質(zhì)量安全信息化管理要做到以下幾點。

（1）質(zhì)量安全問題庫的建立

創(chuàng)建問題時，相應(yīng)的負(fù)責(zé)人、審核人、整改人就會收到質(zhì)量問題信息。整改人整改完成后，同時可以把未銷項問題部位導(dǎo)出Excel 表格，審核人的手機平臺就能立即更新記錄，及時上傳文字、照片、視頻等信息資料，即便甲方或項目經(jīng)理不在現(xiàn)場也不影響整個工程進(jìn)度，實現(xiàn)了數(shù)字化工地全程實時監(jiān)控。

（2）質(zhì)量與安全問題的統(tǒng)計與查詢

BIM 智慧決策系統(tǒng)通過問題統(tǒng)計及問題臺帳等維度進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，質(zhì)安經(jīng)理及項目經(jīng)理可隨時進(jìn)入網(wǎng)頁及手機端質(zhì)量或安全管理模塊查看質(zhì)量和安全問題臺帳。

（3）質(zhì)量與安全問題定點巡視

①管理層可在系統(tǒng)質(zhì)量和安全管理模塊設(shè)置巡查點、巡視內(nèi)容、巡查要求、巡查頻次，在BIM 模型中進(jìn)行標(biāo)記并推送給指定巡視人員。具有安全、質(zhì)量從業(yè)資格的現(xiàn)場巡檢人員通過手機端接收巡視任務(wù)，在施工現(xiàn)場相應(yīng)位置，根據(jù)巡視具體要求進(jìn)行針對性定點巡檢，將問題添加巡視記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行預(yù)警和上報，降低巡檢給各個部門增加工作量。所有數(shù)據(jù)自動分析，為后期追責(zé)及分包管理提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐；

②通過巡檢信息顯示的位置，結(jié)合施工圖，找到需要修整的位置，然后拍照上傳，待復(fù)查Web 能發(fā)布非常詳細(xì)數(shù)據(jù)，能第一時間解決問題或把解決問題的權(quán)限移交給能夠解決該問題的人。

（4）質(zhì)量與安全問題整改動態(tài)跟蹤

利用BIM5D 智慧決策系統(tǒng)對質(zhì)量和安全問題進(jìn)行多視口可視化動態(tài)管控，工人未佩戴或者未正確佩戴安全帽、脫離正常工作范圍等不安全行為都會及時進(jìn)行預(yù)警。另外，系統(tǒng)每天對任務(wù)完成情況進(jìn)行自動分析，全面掌握施工進(jìn)展。針對以上巡查的質(zhì)量、安全問題進(jìn)行整改，對整改過程進(jìn)行動態(tài)跟蹤，具體步驟如下：

①巡查問題發(fā)布后，作為整改人的手機數(shù)字項目管理平臺APP 上，就會收到一個整改提醒，登錄后整改問題就會清晰呈現(xiàn)，包括問題的產(chǎn)生、現(xiàn)狀、危急程度以及在工程的哪個部位。整改人整改完成后，在數(shù)字項目管理平臺APP 上傳整改好的質(zhì)量問題部位，然后轉(zhuǎn)交復(fù)查人。復(fù)查人復(fù)查確認(rèn)沒有問題后交由審核人，如果有問題，就會發(fā)回整改人，重新整改。審核人確認(rèn)無誤后問題才算整改完成。如果遇到?jīng)]有辦法整改的問題，復(fù)查和審核的人還可以進(jìn)行權(quán)限轉(zhuǎn)交，問題整改記錄；

②整改完成后，上傳整改數(shù)據(jù)，由復(fù)查人員進(jìn)行復(fù)查，復(fù)查時拍照上傳現(xiàn)場照片或者視頻以確保信息的準(zhǔn)確性并留存檔案，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。移動端接收整改數(shù)據(jù)，通知復(fù)查人員進(jìn)行復(fù)查，復(fù)查合格給予通過，退回或移交權(quán)限，讓高一級的人員核檢，進(jìn)一步加強質(zhì)量和安全；

③核檢人員接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行核檢。移動端通知核檢人員進(jìn)行核檢，合格給予通過，不合格退回或移交權(quán)限，讓高一級的人員核檢，保證現(xiàn)場施工的質(zhì)量和后期安全。

綜上所述，在施工質(zhì)量管理方面，廣聯(lián)達(dá)BIM5D智慧決策系統(tǒng)比起傳統(tǒng)施工方式的質(zhì)量管理提供了新的管理工具，能在BIM 模型中將出現(xiàn)質(zhì)量問題的構(gòu)件標(biāo)明，還可以在現(xiàn)場記錄問題并進(jìn)行動態(tài)跟蹤，對于后面的整改人員來說，大大提高了工作效率，也保證了工程質(zhì)量。在施工安全管理方面，廣聯(lián)達(dá)BIM5D 智慧決策系統(tǒng)也打破了傳統(tǒng)的管理模式，通過系統(tǒng)對施工安全問題進(jìn)行錄入及采集，可以實時查看施工中出現(xiàn)的安全問題。系統(tǒng)會自動統(tǒng)計問題并生成問題曲線，通過曲線可以知道安全問題數(shù)量、類型、發(fā)展趨勢等等。我們可以根據(jù)曲線判斷安全隱患是否排除，處理的時間。這樣提高了工程中安全問題的發(fā)現(xiàn)率、整改率和管理人員的工作效率，更好地保障了項目的安全。

3 結(jié)論

數(shù)字時代的到來，迫使建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。本文基于BIM5D 工程智慧建造進(jìn)行安全與質(zhì)量協(xié)同管理構(gòu)思實踐框架，并基于實際案例進(jìn)行研究分析。首先，建立了廣聯(lián)達(dá)BIM5D 所需要的信息模型，并依托廣聯(lián)達(dá)智慧工地管理系統(tǒng)進(jìn)行界面設(shè)計。然后，在施工前，對信息模型進(jìn)行深化設(shè)計和施工模擬，將質(zhì)量和安全問題提前暴露。最后，依托廣聯(lián)達(dá)智慧工地管理系統(tǒng)對質(zhì)量與安全管理進(jìn)行協(xié)同管理。通過以上研究得出了如下結(jié)論：

（1）建立信息模型并進(jìn)行地下室管綜深化設(shè)計，可以減少返工造成的不必要麻煩，提前把工程質(zhì)量和安全問題暴露出來；

（2）通過施工虛擬模擬可以保證物資的有序進(jìn)場和合理堆放，為安全文明施工提供基礎(chǔ)；

（3）通過BIM5D+智慧工地數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)將移動端采集的各類質(zhì)量與安全問題進(jìn)行歸集、整理、分析，將分析結(jié)果以圖表形式呈現(xiàn)，并對關(guān)鍵問題進(jìn)行預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)問題，保證項目安全，提升工程質(zhì)量。

4 展望

傳統(tǒng)施工管理主要依靠管理人員的經(jīng)驗和水平判斷，更多采用事中和事后控制，難以實現(xiàn)項目的全面管控，難以實現(xiàn)各參與主體的及時協(xié)調(diào)。本項目基于PDCA 循環(huán)原理對項目進(jìn)行“事前虛擬預(yù)防”，“事中智能管理”，并借助智慧建造技術(shù)和廣聯(lián)達(dá)BIM5D+智慧工地數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)進(jìn)行項目安全與質(zhì)量協(xié)同管理。但研究并不深入，主要存在以下問題：

（1）研究廣度需要提升。在應(yīng)用過程中，僅對安全和質(zhì)量這兩個施工中最為關(guān)注的話題進(jìn)行了挖掘，沒有考慮其他成本、進(jìn)度、碳排放等方面的問題，應(yīng)用的廣度有待提升，后續(xù)研究廣度方面同樣需要繼續(xù)努力；

（2）研究深度有待挖掘。質(zhì)量和安全問題是很難進(jìn)行量化的，后續(xù)研究需要關(guān)注質(zhì)量和安全問題的量化方法，爭取做到與成本、進(jìn)度一樣的量化和多目標(biāo)優(yōu)化，進(jìn)而推進(jìn)信息技術(shù)驅(qū)動的建筑行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

在建筑行業(yè)進(jìn)入信息化時代的路上，信息管理必將會與5G 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，必將給建筑行業(yè)帶來更多的效益，我們期待未來更深、更廣的研究和探討。