基于建筑信息模型促進裝配式建筑精益建造的精益管理模式

陳敬武，班立杰

（河北工業大學經濟管理學院，天津 300401）

1 研究背景

建筑業作為國民經濟的支柱產業，市場巨大、發展前景廣闊，但傳統建筑業一直面臨著能耗高、效率低、壽命短、質量差等諸多問題，亟需采用先進的建造體系、技術工具等來轉變管理模式，以滿足當前建筑業發展的要求。近年來，建筑信息模型（building information model，BIM）技術和精益建造思想在建筑項目中廣泛應用，為建筑行業提供了高效的信息化技術手段以及先進的建造管理理念，提高了行業生產效率及項目管理水平［1］。Koseoglu等［2］通過全面的文獻綜述，定義了現場BIM 流程與精益原則之間的相互作用，并進行施工現場應用移動BIM 技術案例評估，認為運用BIM 技術強化了項目流程管理，有助于實現精益建設原則下的目標。Tauriainen 等［3］通過利用BIM 和精益建造引入的新工具和新方法來改進設計管理，使得在建筑設計管理階段即可增加客戶的價值，并消除不增加價值的活動，改善了建筑項目的運營績效。Kim 等［4］通過對具體案例分析，認為精益思想與BIM 技術的契合點較多，得到二者結合可以提高建筑項目的建設效率、增強項目參與方合作性的結論。Sacks 等［5］認為BIM 技術的應用提升了建筑業生產效率，使得各參與方的關系更加緊密，基于BIM 技術來實施精益建造，利用BIM 的可視化功能可幫助建筑項目各參與方對項目的設計、生產、施工等過程進行管理控制，達到設計與施工整合的目標。Ahuja 等［6］認為BIM 技術是實現建筑項目精益化和綠色發展的推動者，并研究確定了施工組織在建筑項目中有效實施BIM 技術所需的組織能力，得出了在建筑項目中采用綜合的BIM 技術方法，將其與精益和綠色理念相結合可以改善建筑項目績效。但由于精益思想源自于制造業，而傳統建筑業在現場施工建造方面與制造業的生產模式和特點等相去甚遠，因此精益建造難以在傳統建筑業的項目管理中充分開展，而裝配式建筑構件在工廠生產預制，通過物流運輸到現場，采用機械化吊裝裝配［7］，這種生產方式與制造業具有很高程度的相似性，因此可從此角度研究裝配式建筑的精益建造模式。

本文認為，在精益思想指導下裝配式建筑可以更好地發揮其優勢，而基于精益建造的裝配式建筑的發展需要實現信息化管理，則與BIM 技術的結合是關鍵。將BIM 技術應用到裝配式建筑的精益建造中是建筑業發展的趨勢，可使精益建造的關鍵技術及其基本目標更好地得以實現，同時大大提高生產效率并符合建筑綠色發展理念。

2 基于BIM 的精益建造信息化平臺框架

建筑工業化是建筑業發展的必然趨勢。建筑工業化類似制造業，以構件為核心進行全產業鏈和全生命周期管理［8］，其發展模式要求對海量的數據與信息的處理能力較高，鑒于此，BIM 技術的推行應用尤為關鍵。BIM 技術是建筑業一項生產力革命性技術，其核心在于對建筑項目產生的海量信息全過程分析以及協同項目全生命周期的各項工作［9］，從而消除建造與管理中的“信息孤島”，使產業鏈上下游信息傳遞暢通，做到真正意義上的信息集成化。BIM 是裝配式建筑精益建造模式的有效支撐技術，是傳統建筑業由粗放型向著集約型轉化的重要手段。

2.1 信息化平臺構建思路

在過去的二三十年里，計算機輔助設計（CAD）技術在建筑業中一直處于統治地位，但應用CAD 的低效率也成為了建筑業中首要解決的問題，BIM 技術則為建筑業的改革發展提供了新方向。對于傳統建筑項目管理中的信息雜亂無序、遺漏、重復等問題，BIM 作為支撐技術可予以有效解決。建筑業的建設活動運行中信息的傳遞流動是關鍵，實現裝配式建筑精益管理要做到管理信息化，基于BIM 的信息化管理要優化改進下述問題：

（1）建筑項目各參與方信息共享。在傳統的建筑項目管理中，項目各參與方各自為營，缺乏實時溝通交流，加上信息的傳遞多以二維圖紙的方式表達，造成信息傳達不精確，且在傳遞過程中信息容易丟失，致使溝通效率低下，常常出現返工現象，造成不必要的損失，增加成本。究其原因，就是沒有一個統一的平臺來實現信息化管理。因此，亟需以BIM 技術為手段構建信息化管理平臺，消除建筑項目各參與方之間的信息交流障礙，實現信息共享與集成，為裝配式建筑的精益管理模式構建奠定基礎。

（2）建筑項目全生命周期信息化管理。在建筑項目全生命周期的各個階段都會產生海量的數據信息，而各個階段的信息都有一定的關聯性，一個階段完成后其產生的信息不會立刻失去價值，因此，信息管理集成化尤為關鍵。將BIM 技術應用于建筑項目的精益管理，可有效處理項目各個階段的信息，實現項目全生命周期信息的共享和存儲，從而達到整合資源的目的。

2.2 信息化平臺特征

基于BIM 技術的精益建造信息化平臺框架的構建主要從信息集成、信息交換、信息利用3 方面入手，這3 個方面綜合應用組成建筑項目管理信息化平臺體系。

2.2.1 信息集成

建筑項目產生的信息量巨大、繁瑣、類型多樣，諸如數字、圖片、文本、圖紙、音頻、影像等各類信息差別諸多，將各類信息整合尤為關鍵。精益管理認為信息整合是信息的收集、分析、整理、儲存過程。將建設過程產生的各類信息整合是一項復雜的工作，而將BIM 運用到建筑項目中，項目各參與方一方面可整合自身直接產生的各類信息，另一方面可整合外界傳遞而來的信息，并將整合所得的信息存儲到BIM 信息中心，方便與BIM 中心數據庫進行信息的共享。由圖1 可見，建筑項目整合的信息貫穿于各參與方，把內部和外界產生的信息統一到BIM數據庫中并對其進行處理，實現信息的循環利用。

圖1 基于BIM 的建筑項目信息系統

2.2.2 信息交換

信息傳遞是建筑項目全生命周期中各參與方溝通的前提和關鍵。實踐中，建筑項目實施期間信息交換頻繁，但缺乏有效的數據信息交換標準，致使產業鏈上下游銜接不暢通，導致項目計劃與進度不匹配，因此，信息在不同專業、不同階段中的交換和共享需要有統一的標準，即將不同軟件產生的項目相關數據信息利用同一標準形式進行轉換。目前建筑業的數據信息交換標準應用尚處于初級階段，推動BIM 技術在行業內發展還需要克服數據信息交換的兼容性、可靠性等技術問題［10］。建筑項目有關各類信息不但要從項目各參與方得到，而且原始信息要利用BIM 軟件中各種工具重新整合，并且信息在不同環節中涉及到的部門不同，因此在傳統建筑項目信息管理中如果沒有統一的信息交換標準，部門間信息共享很難實現。為了將建筑項目全生命周期所產生信息整合，需要一套有效的信息標準化技術手段，即在BIM 技術的使用過程中，能將不同軟件產生的數據信息通過某一種標準形式進行轉換。本文主要從信息編碼角度思考并解決基于BIM 技術的建筑項目信息管理所遇到的障礙。

圖2 基于BIM 的建筑項目信息編碼方法示意

建筑項目的信息編碼是指經過計算機和人工處理，對所需整合的信息進行賦值，使其獲得唯一并具有現實意義的代碼。信息編碼可將整個信息交換體系解離，從一個小部件層面出發進行研究，為標準化研究提供新思路［11］。信息編碼從信息的歸類開始建立起統一的分解體系，主要依照工作任務分解（WBS）來操作。信息編碼遵從唯一性、規范性、簡明性等原則，將編碼信息依照統一標準添加到構件上，形成統一的分類構件信息代碼，以便易于計算機識別處理。參考我國《建設工程工程量清單計價規范》的編碼方法，可對構件信息做5 級編碼：建筑類別、專業類別、分部工程、分項工程與構件數量［12］，具體如圖2 所示。此外，信息編碼也具有自動拓展的功能，可以增添附加信息，將編碼后的構件進行統一格式處理，便于數據在不同軟件及系統中交互使用。

2.2.3 信息應用

在裝配式建筑的信息化管理過程中，利用BIM 技術進行建模，從而將模型應用到建筑項目的全生命周期中，根據不同階段所需提取相應的模型數據并匯總到各階段的BIM 數據庫中，然后對信息進行收集、分析、整理、共享和應用，形成一個更完善的、適應本階段的信息管理平臺。此平臺類似于人類大腦協調處理各部分的信息，而各部分信息交互融合，從而形成一個龐大的數據庫，最終實現裝配式建筑的信息化管理。其核心為以下4 個階段的信息化管理：

（1）規劃設計階段。精益管理以追求客戶最大價值為宗旨，基于BIM 的項目規劃設計階段是將客戶的各方面需求清晰完整地匯總到模型中的過程［13］。項目規劃設計階段作為項目的起始階段，對項目未來的開展影響深遠，需要參與建筑項目的各專業人員深入溝通交流，做到設計符合實際、可行性較強。在實際設計規劃管理過程中，由于建筑項目各參與者的專業性質不同，其知識構架存在差異，造成規劃設計工作中所表達的信息難以契合，而基于BIM技術令相關信息的溝通與轉換有章可循，且將二維建筑模型轉變為直觀的三維模型，使得參與規劃設計人員對建筑物的功能性判斷更為準確、決策更為高效，方便規劃設計人員進行項目規劃、方案篩選、工程量信息統計、造價控制等，并且便于進一步優化和健全方案；此外，通過BIM 技術與地理信息系統（GIS）結合，規劃設計人員可對場地進行條件和空間信息模擬分析，從而科學評估場地特點，進而作出有效決策［14］。

（2）構件預制生產階段。在構件預制生產階段，構件供應商從BIM 數據庫中提取建立好的構件模型信息，包括構件特性、需求數量、批次順序等，并將所提取的信息整合，完成從設計階段到構件預制的信息傳遞。在此過程中，依據所需精確提取信息，確保構件生產過程準確、及時和有效，實現精益建造的目標；此外，由于構件種類繁多、查找不易，可引用無線射頻技術（RFID）在構件中添加RFID芯片，錄入構件的相關屬性及各類信息，在使用時可利用RFID 閱讀器將構件信息傳輸到BIM 中提取相關信息，確定構件屬性、進出場順序等信息，做到“零庫存，零缺陷”。

（3）施工階段。施工階段是將模型建造成實物、把物料轉變成產品的重要階段，在此階段信息傳遞更加交錯復雜，要應用上兩個階段所產生的相關信息來開展生產活動。當前BIM 技術在裝配式建筑的施工階段發揮作用較大的主要是3 個方面：一是構件入場及儲存管理。在施工現場，類似構件較多且有多種類別，經常出現無法找到構件或找錯構件的問題，要避免此類問題的出現則要求較高水平的施工現場管理信息化，而借助BIM 技術和RIFD 技術可有效解決此問題。由于每一個構件植入了一個RIFD 標簽，將讀出的信息錄入BIM 數據庫可以完成對構件的實時精確追蹤，確定構件入場順序，減少二次搬運；根據施工進度及時將信息傳遞到BIM 數據庫中，根據進度調整構件生產進度、進場時間，減少待工和庫存。二是構件吊裝方案模擬。構件吊裝是決定建設進度和工程質量以及建筑物的安全性、適應性、耐久性及整體性等優劣的關鍵工序，且由于裝配式結構體系的構件及節點繁多，在施工安裝過程中如何實現對構件的安裝順序、位置角度、運行軌跡等的精準控制是吊裝過程中的重點也是難點問題。利用BIM 技術，對構件吊裝裝配環節進行模擬，在可視化的條件下把控吊裝過程，從而及時發現問題并作出相應調整，制定可行的構件吊裝方案。三是施工進度管控。利用BIM 技術建立模型，施工方可直觀、動態地從不同角度分析建筑模型，對施工計劃進行模擬分析，并可將建筑物的3D 模型與時間維度相聯系建立4D 施工模型，實現基于BIM 技術的4D 動態施工模擬，從而對施工進度與工程質量進行實時追蹤、減少沖突，得到最優實施方案。

（4）運營維護階段。在運營維護階段，主要是對建筑物進行信息化管理。基于BIM 技術可實現可視化管理，數據信息的記錄不再依賴人工，避免了圖紙等信息資料容易丟失問題的出現；實時監測追蹤設備運行情況，記錄設備運行產生的能耗、性能，對環境績效成本進行評估，從而采取相應的管理和控制措施。

2.3 信息化平臺的核心

要做到精益建造管理信息化，就要使建筑項目的相關信息得到充分利用、準確傳達、及時共享，為此本文構建基于BIM 技術的精益管理平臺，如圖3 所示。該平臺是由信息集成、信息交換以及信息利用3 個部分組成。信息集成即為信息的獲取、分析、處理的過程；信息交換的基礎是要有一套交換的標準，然后將信息編碼、分類，最后進行建模；信息應用是充分利用建筑項目所產生的信息對項目進行管理的過程。建筑項目管理信息化是裝配式建筑發展的重要舉措，基于信息化管理能適應當前建筑業的變革方向。

圖3 基于BIM 的建筑項目信息化平臺核心框架

3 裝配式建筑全生命周期的精益管理

基于BIM 的信息化平臺是裝配式建筑項目實現精益管理的基礎。在建筑工業化的進程中，管理信息化顯得尤為關鍵，而基于BIM 的信息化平臺為建設項目管理過程提供了具體的操作系統，使得信息管理變得高效和簡單，從而使實現裝配式建筑的精益建造成為可能。精益管理思想為裝配式建筑全生命周期的運作提供一套精益建造管理模式，指導裝配式建筑各個階段的生產，實現裝配式建造的精益管理。

3.1 項目設計階段

此階段要實現與建筑項目客戶的密切溝通與聯系，了解客戶的意愿與要求。與此同時，與傳統建筑設計、施工相分離的模式特點不同，精益設計使得傳統的設計模式由分離轉變為合并，促進了設計與施工一體化，相關參與人員將進行協同設計，采用并行工程開展相關工作，各部門共同參與，實現設計過程最優化、項目價值最大化。即在項目設計階段，精益管理依靠設計與施工整合、并行工程來實現。

3.1.1 設計、施工一體化

傳統的項目設計階段與施工階段缺乏信息交流和共享，給整個項目造成諸多弊端。當前建設項目正朝著規模大、施工復雜化發展，設計與施工的聯系越來越密切，而傳統項目設計與施工的分離造成信息分離，使得雙方的表達交流出現偏差、低效率溝通，還造成錯誤信息的出現；先設計后施工的生產方式致使設計人員與施工人員的想法不能充分交流，造成設計方案難以落實，雙方信息脫節，造成了產品類型多變、建造周期長等問題［15］。精益管理的整合思想最初運用在制造業，經過諸多研究后才被引進到建筑業。基于精益管理的設計與施工整合后，信息溝通更加便利、信息傳遞靈活準確，可有效解決設計與施工各方信息偏離的問題，各參與方從項目設計階段便介入工作，增進了各方的相互信任感，促進了團隊合作；設計方與施工方信息自由交換，最終達到資源配置最佳的目標。其中，團隊合作、組織協同和信息共享是設計與施工一體化的基礎，裝配式建筑項目圍繞BIM 數據庫達到無縫鏈接，達到設計與施工整合的目標；在人員層面，設計與施工整合要在各參與方的共同配合下完成，形成一個組織，在技術層面則可引入并行工程的思想。設計與施工一體化使得建筑項目各參與方溝通便捷，可以及時解決出現的問題，從項目初期便共同參與決策，提高了方案的合理性，增加了相互信任感；圍繞著業主、施工方、設計方進行的共同設計、共商施工方案的框架以BIM 技術為核心，在客戶需求的傳達階段共同作出造型設計、功能設計等，在設計時又進行方案設計、深化設計，減少施工過程中構件碰撞、遺漏的發生，材料的供應則要進行供應鏈管理、控制質量、盡最大限度減少庫存量等，整個項目生命周期各階段信息的傳遞要依靠BIM 來維系，做到及時、準確。具體模式如圖4 所示。

圖4 基于BIM 的裝配式建筑設計與施工整合應用框架

3.1.2 并行工程

并行工程（concurrent engineering，CE）的目的是加速產品設計開發過程，通過考慮產品全生命周期全部要素，找出問題并加以解決，從而確保設計、建造一次成功［16］。并行工程的實現需要一個高度集成的環境，需要設計人員與其他人員共同工作，組成并行團隊，團隊中所有人擁有共同的工作宗旨、工作方法并且共擔責任。這個團隊中包括業主、施工方、咨詢、監理、客戶等，通過這個由不同知識結構的多方利益群體人員組成的團隊，形成一個新的組織模式。這種并行團隊組織模式與傳統的單一管理團隊不同，避免了由于在建筑項目設計初期未能考慮其他參與主體的利益而導致之后的工作環節出現問題。采取并行團隊的組織模式，有利于在建筑項目工作實施前期理清各方相互關系，達成一致目標，通過共同決策的方式使得整個項目的實施過程和最終的建筑產品都能滿足各方的愿景。并行團隊共同進行設計、錄入構件信息、規定生產流程、總結裝配方法、保證后期運維信息等，具體見圖5所示。

圖5 基于BIM 的并行工程團隊模式下建筑項目構件設計過程

3.2 構件生產階段

在構件生產階段，涉及大批量的構件，容易因信息溝通有誤產生過多庫存，而精益管理中的及時生產制度（just-in-time，JIT）要求在滿足需求的前提下努力實現庫存最小化，即在適當的時間將適當的產品以合適的數量運輸到合適的地點，達到“零等待、零庫存”，從而消除浪費，避免不增值勞動［17］。JIT 不僅是一種生產控制方法，還是一種管理理念，要在構件生產階段實現“零庫存”和避免不增值勞動，就是要在JIT 采購的基礎上針對市場客戶的訂單需求進行供應鏈中供應商和承包商的生產協同優化。主要指導思想為以下兩方面：

（1）JIT 供應鏈要能夠快速迅速響應需求成為當今許多企業的供應鏈管理方式。在選擇供應商時，數量較少甚至單一，屬于戰略性合作，訂購數量多為小批量、多批次，產品質量由供應商控制，到貨不用再檢驗，溝通采用BIM 技術進行數據共享。

（2）JIT 供應鏈要實現高效、穩定運作，對供貨的及時性要求極高。這與供應商的自愿配合息息相關。為了追求共贏的局面，供應鏈管理中涉及到的庫存、產量等方面問題需要供需雙方共同參與決策，在滿足業主需求的同時創造協同的生產環境，共同商議合作方式，形成共贏的JIT 供應鏈。

結合上述 JIT 供應鏈協作優化的基本思想，主要分為合作準備層和生產批量協同優化層兩個層次，所構建的體系如圖6 所示。從市場的產品流角度進行分析，合作準備層進一步遞進為生產批量協同優化層，承包商為減少成本和提高生產效率，選擇將自身不具備生產能力或無法增值的一些產品外包給供應商，而在長期的發展中，雙方的戰略性合作尤為重要。在合作建立初期，供應商根據供應鏈環境來構建評價標準，通過觀察、打分等環節，在高度匹配的JIT 供應鏈中選出契合的合作伙伴，有利于為后續生產批量協同優化提供合作前提，而在合作伙伴共同建立起供應鏈之后，雙方所關注的重點內容就轉移到了供應鏈協作所產生的成本優化之上。JIT 供應鏈對庫存的要求較高，多余的庫存成為一項較大的成本支出，為改善及解決傳統方法帶來的庫存積壓問題，供應鏈合作需要深入到生產和批量配送的優化重置。一個合理的生產批量計劃會使得JIT 內部合作伙伴的共同利益最大化，因此，生產批量優化是JIT 供應鏈合作伙伴穩定長期發展的重要方面。

圖6 建筑項目的JIT 供應鏈優化結構

3.3 施工階段

在施工階段，通過BIM 技術進行模擬施工來確定最優方案，可根據構件中植入的芯片明確其運輸信息和裝卸信息，按照制定的安裝方案確定需要裝車的構件及其類型和數量，實行相應的構件生產、運輸計劃。由于施工現場情況復雜、物料較多，構件的進場順序要按照安排好的施工順序及需求按部就班地進行，則在構件進場時要對進場順序進行合理安排，防止放置雜亂的問題出現，力爭現場“零庫存”；當施工所需構件進場后，進行吊裝，施工吊裝基于BIM 技術進行進度管理，一方面通過進行施工模擬記錄容易出現問題的環節以減少二次施工，另一方面在若出現二次施工時要根據施工計劃對比跟蹤當前進度從而調整施工進度，如果超出計劃則之后計劃相應修改提前，反之要根據實時監測跟蹤找出進度滯后原因并進行調整，保證按時完工。施工計劃編排要從項目全局出發，根據最后計劃者體系進行編制（如圖7）。首先制定出一個階段計劃，但計劃的細節無需設計，而是在后續計劃實施的拉動下確定階段計劃的具體實施方案［18］，一般為未來幾個月的建造計劃，參與建設各部門通過階段計劃來確定后續施工進度的合理性，例如工序安排是否合適、物料的供應是否及時等；然后制定前瞻計劃，時間一般以幾周作為一個考核點，要確定工序的合理性以及執行計劃的速度，力爭做到計劃與能力相匹配，并細分為工作包的形式使活動執行更易操作，為每周計劃的制定提供依據；最后，充分考慮施工人員的技術水平及生產能力來制定每周工作計劃，要通過考慮現場的施工條件、衡量方案的可實施性來擬定工作的先后順序、估算工作組的工作能力、安排合適的工作量，保證所安排的工作都是可以實施的。在最后計劃者系統中，計劃完成率（percent of plan complete，PPC）作為度量指標用以評估計劃的執行情況，一般情況下PPC 值較高則代表計劃的執行情況較好，因此可通過此數值找出施工進度偏差并進行調整，對未完成任務及時分析、改善計劃，避免同類問題再度出現。

圖7 建筑項目施工計劃的最后計劃者流程

3.4 運營維護階段

在精益建造理論的指導下，建筑項目實現了從設計到施工高效率的運作，運營維護階段（以下簡稱“運維階段”）則是在BIM 技術的基礎上進行管控，做到運維的精益化。在運維階段的管理中，要充分利用設計階段建立好的模型來進行管理控制。充分利用BIM 技術的可視化功能，根據構件、設備等的電子標簽隨時掌握建筑的使用情況，管理人員由此可提取構件、設備的運行信息進行評估，便于對有故障的構件、設備進行維修、替換及記入檔案；基于BIM 的建筑項目信息管理平臺可登記住戶信息、訪客記錄、停車位使用情況等，為建筑物小區安全提供保障；此外，還可基于BIM 模型直觀了解建筑物周圍環境的空間富余情況，以確保空間利用最優化。

4 結論

作為一種新型的建造體系，裝配式建筑的發展勢必引起建筑業效率的極大提升，BIM 技術為裝配式建筑的推行奠定了技術基礎，推動了建筑工業化的實現，而精益建造為裝配式建筑的發展提供了一種先進的管理模式，指導裝配式建筑全生命周期各個階段的運作。本文以裝配式建筑為研究對象、以BIM 為技術支持，剖析裝配式建筑的精益管理模式，得出以下結論：

（1）建筑工業化是現代建筑業發展的趨勢，裝配式建筑是建筑工業化的重要表現形式，極大地提高了建筑業的效率。

（2）BIM 作為一種信息化手段，為裝配式建筑全生命周期各階段的運作提供了技術基礎。本文搭建了基于BIM 技術的信息化平臺，實現了裝配式建筑的信息化管理，同時也為裝配式建筑的精益管理提供了載體。

（3）用精益建造理論指導裝配式建筑可提高建筑效率并帶來更高效益，可為建筑業發展提供參考借鑒。