基于BIM與精益建造的工程建設模式

房子涵

摘要：隨著信息技術的不斷發(fā)展，以精益建造為指導思想，以BIM為手段，交互協(xié)調(diào)應用在工程項目管理活動中將會是建筑業(yè)以后發(fā)展的必經(jīng)之路。論文通過分別對精益建造和建筑信息模型概念和特點的分析，提出了基于BIM和精益建造的工程建設模式。并且分析了如何在工廠建設管理中實現(xiàn)BIM與精益建造交互協(xié)同工作。最后提出了最適合“BIM與精益建造”共同發(fā)展應用的IPD模式。

Abstract： With the continuous development of information technology， Lean Construction as the guiding ideology， BIM as the means， interactive and coordinated application in the project management activities will be the only way for the construction industry to develop in the future. Based on the analysis of the concepts and characteristics of lean construction and building information models， the thesis proposes a project construction model based on BIM and lean construction. It also analyzes how to realize the interaction and cooperation between BIM and lean construction in factory construction management. Finally， the IPD model that is most suitable for the common development and application of "BIM and Lean Construction" is proposed.

關鍵詞：精益建造；BIM；IPD

Key words： lean construction；BIM；IPD

中圖分類號：TU17 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0077-03

1 概述

1.1 精益建造

建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱型產(chǎn)業(yè)，一直以來依靠加大生產(chǎn)要素的投資（即增加資金、勞動力、材料、設備等），來加快發(fā)展。這種粗放落后的生產(chǎn)方式消耗了大量的資源，不僅開發(fā)成本居高不下，而且出現(xiàn)了大量的浪費，經(jīng)濟效益低下。據(jù)統(tǒng)計，2016年，我國國內(nèi)生產(chǎn)總值為744，127億元，建筑業(yè)總產(chǎn)值高達193，567億元，同比增長7.09%，實現(xiàn)利潤6745億元，同比增長4.55%[1]。而且近年來，建筑業(yè)發(fā)展緩慢，發(fā)展速度下降明顯（2012-2016年的建筑業(yè)產(chǎn)值和增長率見表1）；加之建筑業(yè)的利潤率遠遠不及行業(yè)平均水準；所以，在經(jīng)濟新常態(tài)下，建筑業(yè)急需改革和創(chuàng)新，通過借鑒制造業(yè)的工業(yè)化和標準化生產(chǎn)來降低成本，減少浪費，增加利潤。

與建筑業(yè)相比，制造業(yè)雖然發(fā)展時間不長，但是無論是理論的發(fā)展還是技術的革新，都對制造業(yè)的生產(chǎn)效率飛速增長做出了巨大貢獻。其中，豐田公司發(fā)展的“精益生產(chǎn)模式”更是被廣大學者研究以進一步發(fā)展和完善。

1992年， Lauris Koskel在1992年提出將“精益生產(chǎn)理論”應用到了建筑業(yè)中以提高工作效率，減少施工過程中的各種浪費，并于1993年在IGLC（International Group of Lean Construction）大會上首次提出“精益建造”（Lean Construction）概念。精益建造的實質就是將精益生產(chǎn)加以改造使其在建筑業(yè)中得以應用，從而達到消除建筑業(yè)中的低效和浪費問題，最大限度地實現(xiàn)工業(yè)化和綠色化建造，實現(xiàn)建筑企業(yè)的經(jīng)濟利潤和社會效率的共同最大化[2]。

中國精益建造技術中心（LCTC，Lean Construction Technology Center）把精益建造定義為：結合工業(yè)生產(chǎn)和建筑施工管理理論并考慮到建筑生產(chǎn)的自身的特點以及建筑項目的整個生命周期，盡最大的努力以減少浪費，提高效率，最大限度地滿足用戶需求的一種工業(yè)化綠色化生產(chǎn)方法[3]。

精益建造以零轉換損耗、零庫存、零浪費、零不合格、零事故、零停工、零傷害為目標，以用戶需求為中心，以最大限度地滿足市場的需求為宗旨，強調(diào)通過最短的時間來最大化的提高建筑質量[4]。對比傳統(tǒng)的建筑管理理論，精益建造強調(diào)以下原則：

①全生命周期；

②最少的變動；

③杜絕浪費；

④以客戶需求為中心；

⑤團隊合作；

⑥“拉動式”生產(chǎn)。

近年來，雖然精益建造的理論體系的發(fā)展日益完善，但是精益建造在建筑業(yè)的應用效果卻非常一般。究其原因，其一，建筑項目無法向制造業(yè)商品那樣批量化、流水線式的生產(chǎn)；其二，“信息困境”嚴重制約了精益建造的實際應用。精益建造理論體系要求“信息的完全對稱”（即不同的項目參與者對項目信息都有準確、全面、及時、快速的了解）。即使建筑業(yè)發(fā)展了千年，但是現(xiàn)有管理技術依然無法根據(jù)進度計劃準確地計算出計劃進度所需的材料。例如下周進度計劃需要多少塊磚、多少跟鋼筋等信息根本沒有準確數(shù)據(jù)，完全憑借經(jīng)驗；加之由于地理位置不同導致的企業(yè)層無法動態(tài)的掌控項目部的實時信息；項目現(xiàn)場管理人員不能完全確定施工人員提供的信息的準確性，在這種信息困境下，精益建造無法得到有效的貫徹應用[5]。

1.2 建筑信息模型（BIM）

BIM是設施的物理級功能的數(shù)字化表達，其從設施的生命周期開始行程可靠的決策技術信息的共享知識資源。BIM是公開透明、可以重復利用的可持續(xù)的協(xié)同工作模型環(huán)境，在BIM中，所有的項目參與方在項目建設、運營的全生命周期中都可以通過建立起來的信息儲存和共享平臺及時交流、共享項目的實時動態(tài)信息，提高溝通協(xié)調(diào)效率，并通過分析準確實時的信息，做出正確決策和優(yōu)化項目的交付過程，從而實現(xiàn)高效管理[6]。

根據(jù)美國斯坦福大學設施集成工程中心（CIFE）的調(diào)查顯示：BIM可以幫助建筑企業(yè)消除40%的變更；將造價精確度控制在3%以內(nèi)；并且減少80%的造價估算時間；通過碰撞檢測可以為企業(yè)節(jié)省10%的合同價格；并且縮短7%的工期[7]。美國Autodesk公司的另一項研究表明，BIM技術可以改善項目產(chǎn)出和團隊合作79%，3D可視化更便于溝通，提高企業(yè)競爭力66%，減少50%以上的信息請求以及25%以上的不同專業(yè)之間的協(xié)調(diào)時間[8]。

BIM模型中所包含的信息覆蓋了項目建造全生命周期中所有的數(shù)據(jù)和信息，是由概念設計階段開始直到建筑物的廢棄拆除，所有專業(yè)、項目參與方都可以利用BIM提供的平臺上進行信息的交互。隨著項目進度的前進，各專業(yè)和參與方還可以利用BIM平臺實時的更新和共享項目信息，并且對項目信息的任何更改都可以在與其相關聯(lián)的地方自動體現(xiàn)出來。這種良好的互動性和關聯(lián)性，使得BIM成為了解決建筑業(yè)“信息孤島”現(xiàn)象的重要途徑。

2 精益建造與BIM的交互協(xié)調(diào)應用

根據(jù)上章對于精益建造和BIM的概念和特點的介紹可以清楚的分析出：精益建造與BIM有著共同的目標：提高工作效率，降低成本，減少浪費，從而實現(xiàn)社會及經(jīng)濟利益的最大化。以精益建造的理論體系為指導思想，以BIM技術為實現(xiàn)平臺，即在精益建造理論體系的管理模式下，充分利用BIM模型的全部信息以及BIM平臺的信息化技術，將明顯提高建筑業(yè)的工作效率，優(yōu)化工期，減少建設過程中出現(xiàn)的人力物力等資源的浪費，實現(xiàn)經(jīng)濟利益與社會效益的共同最大化。精益建造與BIM的交互協(xié)調(diào)應用主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 并行工程

并行工程是對項目及其相關過程（包括制造過程和支持過程）進行并行、集成化處理的系統(tǒng)方法和綜合技術。并行工程的思想是從項目建設概念階段就要考慮到項目的整個生命周期（從概念模型到廢棄拆除）內(nèi)每個過程中的可能存在的問題（如建造問題、裝配問題、項目進度、質量、成本等等），并強調(diào)不同部門之間應通力協(xié)作，建立起高效的信息交流系統(tǒng)以促進各方各專業(yè)之間的信息傳遞，并且綜合考慮各個過程中問題之間的相互影響，使問題盡可能暴露在設計的早期階段，并快速制定解決方案，從而最大限度地減少設計變更，優(yōu)化項目進度。從而達到縮短項目周期，降低成本投入的目的，是精益建造中控制進度和成本的重要手段[9]。

而BIM作為一個共享信息資源的平臺，能夠成為包含項目全部信息的項目全生命周期的信息數(shù)據(jù)庫，因此，這個特點使得BIM非常適合成為工程并行的一個信息交互平臺。通過BIM信息平臺，各項目參與者之間能夠進行及時、準確、有效地進行信息交流和互換，各項目參與方也可將最新信息及時更新到BIM平臺，使項目各參與方對項目進展進行實時動態(tài)掌控，將可以并行的工作盡量同時展開，提高工作效率，優(yōu)化縮短項目進度。并且BIM可以使項目各參與方盡早的參與到項目的前期設計階段。例如：承包方和供應商盡早的參與到設計階段可以減少由于設計施工分離導致的重復設計，節(jié)省工期和成本，減少浪費。

2.2 減少變更

設計變更在建筑過程是十分常見的，也是影響項目進度和成本的最主要的因素之一。一方面，由于業(yè)主的思想理念一直變動，更重要的一方面是由于在設計階段并未考慮施工難度和可行性以及2D設計無法有效的審核設計圖紙的弊端。這種變更引起的返工、浪費是相當巨大的，嚴重的違背了精益建造“零返工”和“零浪費”的先進生產(chǎn)理念。利用BIM技術則可以有效地減少這類變更，因為BIM提供的虛擬建造功能可以在項目開始建造前就為我們提供與實際相符的虛擬模型。并且可以利用BIM軟件對模型進行各種修改和查看，這種功能使可能到施工時才會發(fā)現(xiàn)的問題在早期設計階段就暴露出來，從而可以提前預知可能發(fā)生的錯誤，盡早進行整改，從而有效地減少了變更，降低了由于變更而導致的成本和進度增加，更好地確保項目按時按計劃完成[10]。

2.3 減少浪費

“零浪費”使精益建造追求的最主要目標之一。這一點和BIM的優(yōu)勢不謀而合。在項目設計初期階段，BIM可以對擬建的建筑物進行能耗分析（比如能量分析，風向分析，日照分析，熱量分析等），并且對分析后的結果進行有效優(yōu)化設計，降低建筑物能耗；在施工準備階段，BIM可以通過虛擬建造可以提早預知施工過程中可能存在的問題，盡量減少變更，避免變更以及最大幅度地減少施工過程中變更所帶來的浪費。同時，BIM平臺中包含的項目全部信息可以幫助管理人員制定出一份詳細高效的資源調(diào)度使用計劃，減少資源浪費；在施工階段，利用Revit等軟件可以對建筑物進行詳細的碰撞檢查，并且及時進行調(diào)整，減少大量的返工。據(jù)統(tǒng)計，上海虹橋樞紐項目由于沒有使用BIM進行碰撞檢查，單單在管道碰撞問題上的損失就高達了5000萬元[11]。

2.4 業(yè)主利益

精益建造的面向對象是業(yè)主，滿足業(yè)主的需求，實現(xiàn)業(yè)主利益的最大化是精益建造最主要的目標和意義。BIM平臺可以使業(yè)主、設計方、施工方等項目的主要參與方之間的交流更加直接，信息傳遞更加流暢，業(yè)主的需求更加清晰地傳遞到設計方、施工方，同時設計方與施工方能夠更加完整地領悟業(yè)主的意圖[12]。BIM將項目所有信息儲存在一個模型上，所有的項目參與者在自己的權限里都可以查看、更改、更新信息。BIM建立的信息模型在項目運行中就起到了連接不同參與方，有效地促進溝通、傳遞完整實時信息等作用，為業(yè)主決策提供了依據(jù)，對于管理項目，降低成本，優(yōu)化工期等方面起到了很大的作用，力求達到業(yè)主利益的最大化。

2.5 團隊協(xié)作

精益建造強調(diào)團隊成員之間通力協(xié)作，BIM作為一個覆蓋項目全生命周期的信息模型，包含了所有專業(yè)的項目信息（如建筑、結構、暖通），并且每個專業(yè)會將信息實時同步更新到BIM平臺，有助于解決傳統(tǒng)建筑中信息傳遞冗長緩慢、各專業(yè)之間交流互動困難的問題；同時BIM的可視化功能可以將項目的所有信息在權限范圍內(nèi)呈現(xiàn)出來，進行查閱和修改，打破了各專業(yè)之間的“信息壁壘”，促進了各專業(yè)對項目整體的理解以及不同專業(yè)之間的通力協(xié)作。通過BIM平臺，所有為項目服務的工作人員不再以專業(yè)和公司為界限，而是融為了一個整體，將項目為首要目標，協(xié)同合作，共同解決項目建造過程中遇到的問題。

3 基于BIM與精益建造的IPD模式生產(chǎn)過程

美國建筑師學會（AIA）將項目集成交付（Integrated Project Delivery）定義為： “一種項目交付方法，即將人員、系統(tǒng)、業(yè)務結構和實踐全部整合到一個流程中，整合后的所有參與者充分利用智慧才華和實踐經(jīng)驗，在項目所有階段優(yōu)化與改善項目，為業(yè)主增加價值、減少浪費、最大限度地提高項目整體效率與價值。它是一種以相互尊重和信任、團隊互利共享、協(xié)同創(chuàng)新決策、目標價值早期制定、重視項目計劃、前沿技術運用為實施原則的項目交付方式[13]。

IPD模式下，項目各參與方在項目早期就組建團隊協(xié)同合作，以信任為基礎，積極溝通手段，將項目成功作為各方共同的最終目標。IPD模式就是團結一切能夠團結的各方人員，整合各方資源，協(xié)調(diào)各方通力合作，以保證項目的成功。

IPD模式非常契合基于精益建造和BIM的生產(chǎn)方式，以客戶需求為中心，以“全面質量管理、拉動式生產(chǎn)、并行工程、最后執(zhí)行者計劃等”為手段，追求效益和綠色，以實現(xiàn)項目價值最大化和浪費最小化。而BIM更作為一個促進各方團隊協(xié)同合作的平臺，通過共享實時動態(tài)的信息，緊密的團結各方人員，促進整個團隊成員協(xié)同作業(yè)[14]。

同時，IPD模式也是一種追求項目整體效益最大化的管理模式。精益建造可以滿足IPD對建造方式的要求，BIM為IPD的實現(xiàn)提供了強大技術支撐，BIM技術的成熟也是促成IPD模式發(fā)展的關鍵，同時精益建造的實施又為BIM提供了理論指導。在IPD模式下，基于BIM實施精益建造體系所帶來的價值遠遠高于單獨運用精益建造或者BIM所帶來的價值，實現(xiàn)了“1+1>2”。

最后，IPD模式對協(xié)同工作程度有著很高的要求。精益建造的思想就是改善生產(chǎn)過程中的信息交流，提高信息傳遞過程中時效性和準確性，促使協(xié)同工作更加容易[15]。但是隨著項目的深入進行，項目相關的信息逐漸增多，通過傳統(tǒng)的檔案信息管理很難達到高效的信息傳遞和交流，BIM技術的出現(xiàn)，恰好解決了IPD模式下實施精益建造體系對處理大量信息困難的問題，解決了建筑信息孤島的困境。

4 結論

基于BIM和精益建造的工程建設模式解決了工程項目實施過程中溝通協(xié)調(diào)困難，不同專業(yè)間“信息壁壘”等建筑業(yè)難題。傳統(tǒng)的建筑業(yè)已無法滿足我國走可持續(xù)發(fā)展的綠色化道路和工業(yè)化道路的方向。以精益建造的核心理念與BIM的實踐結合將會為建筑產(chǎn)業(yè)全生命周期的發(fā)展開辟出一條綠色化、工業(yè)化、信息化的道路，對建筑業(yè)未來發(fā)展具有重要意義。同時，IPD模式作為創(chuàng)新思維非常契合作為精益建造和BIM的結合的工程建設模式，可以更好地為業(yè)主增加效益、降低浪費、提高項目效率。IPD模式下基于BIM合作平臺可以很好地解決精益建造實施過程中的信息傳遞困難的問題；同時精益建造的實施，也優(yōu)化了BIM的應用環(huán)境，提升了BIM在建筑業(yè)中發(fā)揮的作用。IPD作為一種建筑工程整體交付的方式，是實現(xiàn)BIM和精益建造的最佳建設模式。

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