基于BIM和大數據的建筑工程質量管理研究

劉明軒

摘要：工程質量是建筑企業生存發展的保證，建筑工程粗放式的質量管理模式使得建筑企業轉向質量效益型集約發展異常艱難，建筑業信息化技術的應用成為轉變發展方式、提升建筑工程質量的重要途徑。BIM 技術是建筑業信息化的關鍵技術，為“數據化”質量管理及大數據分析創造條件。但 BIM 和大數據技術集成在質量管理方面的研究及應用才剛剛起步，應用方法的研究還處于“空白”。本文以建筑工程質量管理為研究對象，創新性地將 BIM 與大數據技術應用于建筑工程質量管理中，系統研究了 BIM 和大數據在質量管理中的實現路徑及應用方法，為基于 BIM 和大數據的建筑工程質量管理提供參考。

關鍵詞：BIM；大數據；質量管理；全面質量管理

傳統的質量管理理論經過實踐檢驗并不斷豐富完善，具有科學合理性，但是操作難度大，難以達到理論效果。質量管理工作在長期實踐中暴露出三方面的問題：全面質量管理意識欠缺。全面質量管理要求組織內部各個部門和工作崗位都承擔質量管理職責，在工程質量形成的全過程中，對工程產品質量及工作質量全面負責。目前，建筑工程質量管理以產品質量控制為主，忽視了工作質量的重要性，本末倒置；質量管理中以事后質量控制為主，當出現質量問題時不惜以人力、物力、財力的消耗為質量策劃和質量保證工作的缺失買單，質量改進工作經常未得到充分的重視，使得質量管理工作經驗教訓未得到有效積累；全員質量管理意識不足，質量管理職責集中于質檢員與現場管理人員，且工作得不到全企業各職能部門的支持。質量管理在技術上存在局限性。質量管理的開展以 CAD 圖紙及合同、規范等文件為基礎，難以滿足建筑工程質量管理對可視化的信息表達方式、高效便捷的溝通方式以及信息化管理等方面的需求。質量管理在工作方式上亟需轉變。建筑工程的復雜性加劇了質量管理工作的難度，亟需新的工具方法，改善現有工作狀態，使各參與方高效協同工作。建筑工程質量管理無法達到理論效果的根本原因是質量管理信息化程度低，缺乏信息集成和共享工具，造成了信息斷層和信息孤島，以致無法滿足各參與方、各專業的協同工作。現有的質量管理方法亟需改進，以滿足建筑企業對質量效益型集約增長的需求，適應信息化、產業化、精細化的新常態。

一、基于 BIM 和大數據的建筑工程質量管理理論基礎

1.BIM 的特征

BIM 技術的核心是信息，以軟件為載體，實現模型構建、模型應用和信息管理，最終目標是實現建筑信息化。依據 BIM 的內涵，一個完整的信息模型，應能夠集成全生命周期的不同階段工程數據和業務數據，動態地實現信息的創建、管理和共享，并始終保持信息的一致性和完備性，為各參與方提供一個協同共享的工作平臺。BIM 技術以其自有的以下特征改變信息共享的方式，提高管理工作效率。信息的完備性：除了對工程對象進行 3D 幾何信息和拓撲關系的描述，還包括對象名稱、對象類別、結構類型、建筑材料的物理和結構性能等設計信息；施工工序、進度（某一構件的施工開始時間、結束時間）、成本（工程量、單價）、質量、安全以及人力、機械、材料資源等施工信息；工程安全性能、材料耐久性（使用年限、維護方法）等維護信息；對象之間的邏輯關系等等。信息的一致性：在建筑工程全生命周期不同階段，信息保持一致性，同一信息只需一次創建，便可在其基礎上自動演化。模型對象在不同階段進行修改和擴展，無需重新創建，減少信息不一致的錯誤。信息的動態性：隨著工程推進，進度、成本、質量等數據時刻動態變化。

2.BIM 技術原理

BIM 技術的基本原理是充分學習及開展 BIM 應用的基礎，從 BIM 模型的創建及BIM 模型應用兩個角度解析 BIM 技術的原理。面向構件的參數化設計基于 BIM 技術構建的 3D 實體模型代表設計成果。基于 BIM 的建筑工程設計，面對的對象不是無關聯關系的點、線、面，而是包含豐富屬性信息且具有雙向關聯關系的建筑構件，如柱、梁、墻、板、門、窗等。每個構件對象繼承其所屬類的屬性，以參數和參數值來表達和運算。構件實體對象中包含描述其自身特征的長、寬、高等幾何屬性；材質等物理結構屬性；功能屬性等等基礎數據，以及技術參數、成本數據、進度數據、施工信息、維保信息等擴展屬性信息，在建筑工程全生命周期中，只需不斷更新完善建筑信息模型的參數信息。基于單一模型協同工作全生命周期各階段項目管理工作的開展，以設計階段的成果——3D 實體模型（包含構件的基礎數據）為基礎，隨著項目的推進，各參與方不斷在 BIM 模型中輸入、更新、提取構件的幾何參數、物理特征參數、功能屬性參數等基礎數據，以及集成項目質量、安全、成本、進度、文明施工等管理因素信息作為構件的擴展屬性信息，實現項目產品與質量管理業務流程信息的集成、全生命周期信息集成和管理組織信息集成，得到全信息模型。同一構件的屬性參數只需輸入一次，BIM 數據庫實時更新，各參與方可在其權限范圍內從不同的角度共享數據信息，協同開展工作。BIM 技術保證了各階段信息的連續性及一致性，有效避免信息孤島的產生，防止信息丟失及衰減，在全生命周期中為各參與方提供協同工作平臺。

3.基于 BIM 的質量信息管理

信息管理是基于BIM開展質量管理工作及形成大數據的前提。邁克爾·波特在價值鏈理論中闡述到：價值鏈是由相互聯系的價值活動組成的，不但生產經營活動及其輔助活動可以創造價值，活動之間的聯系也可以創造價值，價值活動之間聯系的優化與協調一致可以提高整個價值鏈的總價值，從而提高企業的競爭優勢。基于 BIM 的質量信息管理旨在通過信息的集成、存儲、共享、應用，實現質量管理各階段、各組織、各專業之間信息管理，并通過質量管理信息的優化與協調一致，來輔助和優化全面質量管理各活動之間的聯系，從而提高建筑工程全面質量管理活動的總價值。

4. 基于 BIM 的質量信息集成

BIM 實現管理的支撐是數據集成平臺，因此，數據集成質量直接影響下游質量管理工作以及 BIM 價值的實現。分階段、分布式的信息管理易造成信息斷層、信息孤島，切斷了信息間的聯系，且會出現大量冗余，無法保證信息的連續性和一致性，嚴重阻礙各參與方質量管理活動中信息的有效共享及協同。因此，開展 BIM 在建筑工程質量管理中的應用重點，是實現三個層面的信息集成與管理：工程產品及質量管理業務信息、全生命周期過程的信息、各參與方管理組織的信息。工程產品信息及質量管理業務信息集成在建筑工程全生命周期，隨著各項工作業務的開展，形成信息流，且信息與工作之間具有關聯性，每項工作均不獨立，需要獲取一定的信息作為基礎，并在工作過程中形成新的質量信息。基于此，為了實現下游階段能夠從上游直接獲取全面的信息以支持質量管理工作，信息的集需要進行通盤考慮、全局規劃，為滿足質量管理的持續改進，參照基于 BIM 的質量管理數據結構實現產品信息及質量管理業務活動信息的集成，為 BIM 質量管理大數據的形成提供條件。建筑工程質量管理數據包含兩方面：第一，是對建筑產品的描述信息；第二是對各參與方的質量管理業務活動描述的信息。按照建筑工程質量管理的業務需求，建筑產品屬性應具備產品幾何信息（類型、形狀、長、寬、高、構件間的連接方式、節點詳圖、鋼筋布置圖等信息）、技術信息（材料、材質、技術參數等）、產品信息（供應商、產品合格證、生產廠家、生產日期、價格等信息）、建造信息（施工單位、施工班組、班組長、建造日期、使用年限等）、維保信息（保修年限、維保頻率、維保單位、聯系方式等）等，建筑工程質量管理業務流程的信息化以工程資料的形式呈現。建筑工程資料是承載工程項目全生命周期各項業務活動的重要實踐憑證和原始記錄，是按照國家法律、法規、

規章和規范、標準的要求對工程實施過程進行管理和記錄的。在質量管理業務活動中各參與方依法建設、開展質量管理工作以及新技術應用等方面形成的原始記錄，是反映建筑工程質量的重要資料，對推動下游質量管理工作的開展，及質量責任的回溯追究有著重要作用。按照建筑工程質量形成過程，將質量管理資料分為：決策立項文件、建設用地文件、勘察設計文件、招投標及合同文件、開工文件、商務文件、工程管理資料、工程技術資料、施工進度及造價資料、工程物資資料、施工記錄、施工試驗記錄及檢測報告、施工質量驗收記錄、竣工驗收資料、竣工圖、竣工驗收文件、竣工決算文件、竣工交檔文件、竣工總結文件、運營維護文件等。質量管理活動中，按照業務流程及時集成。管理組織信息集成，管理組織信息集成的核心是協同工作。建筑工程質量管理涉及建設單位、監理單位、

勘測單位、設計單位、施工單位、分包單位、供應商、運營商等管理組織，還包括政府、咨詢機構等。目前，各參與方間缺乏及時有效的溝通平臺，不利于充分發揮各參與方的管理水平，且易造成建筑工程整體利益的損失。基于 BIM 的質量信息管理，歸根結底需要各管理組織實現質量信息的集成，并在此基礎上實現協同工作。為了保證基于 BIM信息集成的質量，必須明確各管理組織在質量信息集成中的職責權限及質量信息的集成方法。

二、基于 BIM 的質量信息存儲

BIM 的數據支撐是工程數據庫。BIM 數據庫將集成的信息存儲于其后臺數據庫，并依據數據類型的不同實施分類存儲。BIM 模型中的結構化數據又分為結構化模型數據和結構化文檔數據。BIM 數據庫將存儲于其中的結構化文檔及結構化模型數據經過一系列數據交換處理后存儲于 IFC 關系型數據庫中。結構化模型數據需要經過 IFC 模型解析器，生成 IFC 對象模型數據。由于 IFC 關系型數據庫是基于關系模型建立的，因此需建立 IFC 對象模型與 IFC 關系模型之間的映射關系，實現結構化模型數據在關系型數據庫中的存儲。結構化文檔在 BIM 數據庫中采用 XML（Extensible Markup Language，可擴展標記語言）技術進行存儲，用戶自定義不同類型的需交換的數據結構，這些結構的集成體組成一個 XML 的 schema，以此來實現不同軟件間定義的、存儲在其相應的關系型數據庫中實體屬性和關系屬性的數據交換。非結構化數據存儲于文件數據倉庫，并最終存儲于 BIM 數據庫中，同時文本數據倉庫通過 IFC 關系實體與 IFC 關系型據庫建立關聯關系。質量管理過程中，模型應用及信息管理均基于 BIM 數據庫展開

BIM 數據庫為信息的共享及應用提供數據支持。

1.基于 BIM 的全過程質量管理

建筑工程全生命周期是指建筑工程項目從規劃設計到施工，再到運營維護，直到拆除為止的全過程，涵蓋了建筑工程的質量價值從規劃、形成到價值傳遞，并最終退出建筑市場的全過程。質量管理全過程中，由于各階段參與方不同，且部門、專業間協同難度大，信息斷層和信息孤島的存在，削弱了管理者對信息的掌控能力，使建筑工程質量得不到實質性的提升。《工程質量安全提升行動方案》（建質[2017]57 號）中提出要加快推進建筑信息模型（BIM）技術在建筑工程質量管理全過程的集成應用[85]。BIM 技術在建筑工程質量管理方面的價值，涵蓋全生命周期，旨在優化質量管理活動及其活動之間的聯系，從而提升建筑工程質量。因此，從全過程的角度出發，結合大數據分析成果，研究大數據環境下，應用 BIM 技術提升建筑工程質量及質量管理效率的方法。

2. 設計階段基于 BIM 的建筑工程質量管理

建筑工程設計是知識加工與綜合的過程，交付成果是以工程圖紙及計算書為載體的智力成果，是工程質量目標的具體化。從方案設計、初步設計、至施工圖設計的完成，是一個循序漸進、逐步細化的過程，需要各參與方、各專業的信息及知識有效交匯和傳遞，才能最大限度的提高設計質量。BIM 平臺可為各參與方、各專業提供協同設計平臺，真正做到“你見即我見”，基于 BIM 的建筑工程設計采用基于構件對象的參數化設計，可以進行建筑性能模擬分析，提高設計的合理性和經濟性，為施工及運行維護階段的質量管理奠定基礎。建筑工程設計包括三個階段的工作：方案設計階段、初步設計階段與施工圖設計階段，各階段的工作環環相扣。方案設計是通過場地分析、對各種結構類型進行建筑性能模擬分析，完成方案的比選，最確定結構選型；初步設計階段是在方案設計的基礎上進行建筑、結構的設計，并進行結構內力分析，保證滿足項目質量要求及標準；施工圖設計階段完成各專業模型的構建，并對建筑空間合理優化，使其符合質量要求和標準，并滿足建設方對項目功能的需求，以及各參建方對施工圖紙可施工性的要求。主體結構質量問題文本挖掘的結果顯示，施工階段常見的質量問題，如：筋節點復雜導致施工困難，出現鋼筋缺失、損壞等現象；構件尺寸標注不明；平面、立面、剖面及明細表中信息不一致；未按圖紙施工等等造成的質量問題，均可通過精細化的規劃設計予以解決，因此從規劃設計階段介入，將質量問題前置，開展全過程的質量管理。基于 BIM 的建筑工程設計全過程，主要由三方面的優勢：

化設計，賦予構件以名稱、幾何尺寸、材料信息、力學性能等定量化屬性信息以及構件間的關聯關系，保證了 BIM 模型的完整性、數據的一致性及信息的關聯性，同時使 BIM 模型具有可計算性。各參與方、各專業以 BIM 模型為載體協同工作，并基于可視化的模型進行溝通、協調，淡化了設計階段各專業間清晰的工作界面，克服了各專業無法及時提取其他專業的中間設計成果而不得不采用分段、有序的串聯的工作方式。可視化的優勢無論在確定建筑物與周圍環境的聯系、場地總平面空間布置、建筑物的空間方位、立面效果，還是建筑內部空間場景，均能迅速得到與實際情況匹配的空間立體場景，便于跨越專業界限，實現各參與方充分有效的溝通。基于這三方面優勢開展設計工作，將大大提高設計階段的溝通協調效率，保證設計質量。