全壽命周期BIM深度信息模型的構建

李春紅，林旭霞，李婉嫦，肖皓天

（東莞理工學院，廣東東莞 523808）

0 引言

近年來，建設項目全壽命周期管理的理念已經逐漸被大家所接受。全壽命周期管理的方法可以在建筑工程的規劃、勘察、設計、施工、運營維護等階段，利用信息技術創建、管理和共享建筑工程的信息，有效控制工程投資和進度，保證工程質量和安全，使工程更加環保節能，降低工程運營維護成本，實現工程的最大增值[1]。然而，項目全壽命周期管理時間跨度長，參與建設運營的單位和部門眾多，涉及的人、財、物繁雜，傳統管理鏈條上分段分片割據的現狀，形成了一個又一個的信息孤島。建筑信息模型BuildingInformationModeling/model（簡稱BIM）技術的出現，為建設項目實現全壽命周期管理的愿景提供了強大的技術支持，使項目信息有可能在建筑模型的航母上集中、流動和應用。根據《建筑信息模型應用統一標準》的定義，建筑信息模型是指在建設工程及實施全壽命周期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依此設計、施工和運營的過程和結果的總稱[2]。BIM技術經過二十幾年的發展，人們的關注點已經逐漸從酷炫的三維模型“M”（model）向信息“I”（Information）的多元化應用轉移，建設項目的信息集成化應用是BIM技術發展的方向，也是工程項目管理的發展方向。要應用項目全生命周期信息，關鍵的第一步是要進行信息的采集和結構化整理。截止到2019年底，中國住房城鄉建設部發布了五本關于建筑信息模型的國家標準和一本行業標準，各省市也陸續發布了地方標準和指南，然而，未見全生命周期深度信息模型的詳細建模標準。全壽命周期BIM深度信息模型嘗試從建設項目的基本單元“分項工程”，打通產品-設計-施工-后運維之間的信息關聯，探索一種BIM模型的全生命周期信息收集模式。

1 全壽命周期BIM深度信息模型的涵義

目前，建設項目中使用的BIM模型仍然以三維模型為主。由于缺少項目全壽命周期信息，BIM模型中信息對項目各階段的決策支持顯得乏力。只有獲取了項目全壽命周期的深度信息，才可以進行建設項目全壽命周期推演，才能在建設各階段，為項目定位、設計、施工和采購提供決策支持，用后運維的信息制約前期策劃，使建造與運維形成良好的互動。建設項目由每一個分項工程組成，分項工程的信息是建設項目全壽命周期信息的基礎組成。建設項目全壽命周期BIM深度信息模型是指建設項目中每個分項工程都具有全壽命周期信息，包括建筑產品生產、產品采購、工程設計、可施工性、使用跟蹤、維修更換的信息，達到《建筑信息模型設計交付標準》定義的最大信息深度N4級。

2 模型構建思路

首先，建立全壽命周期BIM深度信息模型要選定模型對象。萬達集團、中國建筑集團、廣聯達科技股份有限公司等一些龍頭企業和科技企業，正在各自探索如何建立構件模型和整體項目的關聯。如萬達的BIM模型技術是在3D模型基礎上輸入數字信息，使之與成本、進度和質量管理需求的信息掛接，滿足施工、監理、造價咨詢各部門的管理需求。建設項目具有工作分解結構，分項工程是工程管理的最常見單元，例如分項工程驗收、分項工程量清單。構件模型是建設項目BIM模型的最小單元，一個分項工程可能由一個或多個構件模型組成。選擇分項工程作為全壽命周期BIM深度信息模型的研究對象，與項目管理的慣例一致，便于與項目管理的質量、造價和進度等維度關聯，并且可以包含相對獨立的分項工程全壽命周期信息。

其次，要確定采集信息的內容和途徑。分項工程的信息從設計施工圖開始出現，在施工圖可以獲得設計信息和施工質量驗收標準。根據設計信息，再查找主要材料的產品標準和材料單價。施工質量驗收標準規定了分項工程施工完畢后應該達到的建筑產品質量指標，結合質量驗收標準、工程技術規范、施工手冊和施工經驗提取施工關鍵信息，再依據此和工程造價定額獲取施工成本?！督ㄖ畔⒛Ｐ驮O計交付標準》規定運營階段的信息包括建筑本體構配件、設備、部品和產品的資產信息和管理信息[3]。分項工程在竣工驗收后成為建設項目固定資產的組成部分，根據建設項目固定資產編碼進一步分解編碼。建筑本體構件的維護維修標準還很缺乏，通過收集使用階段的質量和安全問題，為設計人員和施工人員的決策和應對措施提供參考，提醒其重視并采取措施規避這些風險。

最后，是信息錄入模型的方式。采集到的信息先收集到模型信息Excel表中。模型信息表可以對收集到的設計、材料產品、施工工藝、后運維信息進行初步的結構化，后期可以導入到建筑模型中。導入模型的方式有三種：①直接在模型的屬性表一項一項添加，操作簡單直觀，適用于單個模型信息錄入；②采用Excel文件進行參數化建族，可以在Revit中直接操作，適用于建立種類較少而變化參數較多的模型族庫；③通過開發Revit插件把Excel表導入模型，導入效率高，但需要編程進行二次開發，如果參數結構變化要調整程序，適用于模型種類較多數量龐大的情況。目前，信息模型處于探索階段，數量較少，用第二種方法可以滿足使用。

3 模型構建示例

下面以某小學擴建項目3號宿舍樓給水管道安裝分項工程的全壽命周期BIM深度信息模型為例，展示構建過程，探討如何建立全生命周期BIM深度信息模型。通過收集管道產品標準、采購價格、設計標準、施工標準、施工成本、使用階段的常見問題以及維修拆除成本，呈現給水管道安裝分項工程的全壽命周期信息。所收集到的信息整理到Excel表中，用參數化建族的方式建立全壽命周期BIM深度信息模型。管道信息模型圖如圖1所示。

圖1 管道信息模型

3.1 設計信息

選擇室內給水管道安裝分項工程作為信息模型建模對象，管道的設計規范和施工驗收標準一般會在圖紙總說明寫清楚。該工程室內給排水是依據《建筑給水排水設計規范（GB50015—2003）》（2009年版）進行設計，管道的安裝及驗收標準按《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范（GB50242—2002）》和《給水排水管道工程施工及驗收規范（GB50268—2008）》執行。GB是國家強制性標準，強制性標準是國家以行政命令和法律的規定要求相關部門、單位以及個人必須執行的。設計圖紙說明了管道的材質、連接方式和安裝方式等。戶內給水支管采用304薄壁不銹鋼管，環壓連接，埋地或埋墻暗敷，管材壓力等級1.6MPa；泵房內加壓給水管至用戶水表前，加壓供水干管采用304薄壁不銹鋼管，管道公稱直徑DN不大于100mm時環壓連接，公稱直徑DN大于100mm時卡箍式連接，管材壓力等級1.6MPa。通過查看設計圖紙，可以獲得室內給水管分項安裝工程的主要設計信息，收集到模型信息表中。

3.2 材料產品信息

薄壁不銹鋼管是20世紀90年代末才問世的新型管材，已大量應用于建筑給水和直飲水管道。當項目合同和設計圖紙未指定產品標準時，可以參照現行國家、省市、行業標準作為施工和采購的依據。3號宿舍的不銹鋼管可以參考《薄壁不銹鋼管道技術規范（GB/T29038—2012）》和《建筑給水薄壁不銹鋼管管道工程技術規程（T/CECS153—2018）》，規范建議給水管材和管件的材料宜使用S30408、S30403，管道產品宜符合《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管（GB/T12771—2019）》和管件產品符合《不銹鋼環壓式管件（GB/T33926—2017）》。

企業如果積累了歷史采購數據，就可以在結構化后錄入到BIM模型。沒有數據積累，可以通過常見的三種詢價渠道獲取。首先是各省市的工程造價信息，它一般由住房與城鄉建設主管部門指導，各地工程造價協會編制發布，具有較高的權威性，特別是政府投資項目，在合同文件中一般都會指定工程造價信息作為計價依據。其次是廠家詢價，由采購方或咨詢方向3～5個廠家發出詢價請求，對方報價確定。再次就是網絡詢價，常用的材價網站有中國建材網、有色金屬網、廣材網等。這樣的材價信息比較分散，有專門的材料設備價格查詢軟件，如廣材助手和造價通，里面包含了工程造價信息、軟件商測定價格信息和材料設備廠商自主報價信息等。在廣材助手中可以查到304薄壁不銹鋼管單價，如公稱直徑20mm的不銹鋼管14.69元/m；管件7.19元/個，把收集到的施工標準和材料價格信息錄入到信息采集表中。

3.3 施工工藝信息

按照設計圖紙的水平和垂直走向敷設管道，施工的給水管道要符合《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》《給水排水管道工程施工及驗收規范》的要求。規范規定：建筑給水工程施工現場應具有必要的施工技術標準、健全的質量管理體系和工程質量檢測制度，實現施工全過程質量控制。除了上述兩本規范，施工技術人員可以參考《薄壁不銹鋼管道技術規范》《建筑給水薄壁不銹鋼管道工程技術規程》編制施工方案?！侗”诓讳P鋼管道技術規范》給出了施工準備、通用規則、管道敷設、管道連接、驗收的施工全過程指引，附錄D講述了不銹鋼環壓式連接的施工步驟、檢查步驟和注意事項。除了標準，也要收集施工經驗。如3號宿舍的薄壁不銹鋼管道是采用暗埋的方式，標準并沒給出具體的防腐方法。搜索施工經驗，如不銹鋼管防腐，發現實際施工中可采用包扎防腐材料的做法。這些施工信息錄入到模型中，施工技術人員可以參考編制薄璧不銹鋼給水管的施工細則，確保施工質量和安全。

每米除了施工質量，還需要考慮施工成本。根據《廣東省通用安裝工程綜合定額》（2018），一個分項工程的施工成本除了主要材料價格，還有人工費、輔助材料費、施工機具費和施工管理費，該綜合定額規定了完成單位工程量所需的人工、材料、機具消耗量以及管理費標準。以室內薄壁不銹鋼給水管公稱直徑20mm為例，分項工程的施工成本是177.70元/10m，未包含不銹鋼管材和管件的費用。該費用包括的工作內容有：調直、切管、管道及管件安裝，水壓試驗及水沖洗。每施工10m的薄壁不銹鋼給水管道，要消耗管材9.86m，前面通過查詢材料單價，已經知道公稱直徑20mm的不銹鋼管14.69元/m；消耗管件11.16個，每個7.19元。加上不銹鋼管材和管件的施工成本是：177.70+14.69×9.86+7.19×11.16=402.78元/10m，換算成每米的施工成本為40.28元。

3.4 使用階段信息

給水管道竣工驗收后就可以投入使用，為3號宿舍樓的食堂和宿舍房間供水。3號宿舍樓設計使用年限為50年。目前，國家還未發布建筑飲用水給水管道系統的維護規范。在建筑后運維領域，還有很多需要完善的標準。建筑給水系統的維護制度主要由物業管理公司制定。收集三個在使用階段出現管道系統功能下降的案例，分析和整理常見的質量安全問題，主要是防止不銹鋼管腐蝕。不銹鋼管的抗腐蝕性能主要是因為管道表面覆蓋著一層極薄的致密的鈍化膜，當這層膜被破壞，就會引起變色或腐蝕。使用階段的問題，往往是設計和施工引起的。在設計時需要特別關注管道熱脹冷縮、管壁厚度和管徑大小的問題。在施工階段關鍵要管路布局合理、安裝人員持證上崗、管道避免長期積水引起不銹鋼管腐蝕。

合格的管材管件、合理的設計和正確的施工，不銹鋼管理論上可以與建筑具有相同的壽命，但是給水系統長期使用后，還是會存在腐蝕滲漏或管道污染水質的問題。那么就需要拆除原有水管，安裝新的水管?！稄V東省房屋建筑和市政修繕工程綜合定額》（2012）中，給出了拆除不銹鋼管施工成本，如公稱直徑20mm以內的定額基價為36.27元/10m，2012年的定額人工單價為51元/工日，調整為2020年1月綜合人工單價為110元/工日，每10m消耗人工為0.539工日，每米不銹鋼鋼管拆除的定額施工成本為：（36.27+（110-51）×0.539）/10=6.81 元。不銹鋼材料可以完全回收使用。

4 模型的應用

建設項目由單項工程組成，單項工程由分部分項工程組成。每一個分項工程都收集了全壽命周期信息，模型就具備了實體工程的全壽命周期信息，可以進行項目建造和運維的推演。結合不同的進度計劃、產品選型、設計方案，推演算出項目在建造階段和運維階段的成本、可施工性、使用效果等，為建設各階段提供決策依據，為后運維提供方案。除了工程應用，全壽命周期信息模型的構建和模擬還可以應用在工程人員的專業教學上。《國家發展改革委住房城鄉建設部關于推進全過程工程咨詢服務發展的指導意見》（發改投資規〔2019〕515號），《工程總承包管理辦法》（建市規〔2019〕12號），《工程造價改革工作方案》（建辦標〔2020〕38號），等建設領域改革的文件和措施的不斷推出，要求工程人員除了掌握所從事的專業的基礎知識和技能，同時還要學習如何把工作進行數字化和信息化。全壽命周期信息模型的構建和推演模擬，涉及工程設計、工程材料、工程管理、物業管理、維修檢測等，是跨學科跨專業的綜合性的新型訓練項目，可以幫助在校學生或在職工程人員從項目全壽命周期的視角理解項目建設。

5 結語

全壽命周期管理與BIM技術的結合是實現建設項目可持續發展的重要舉措。項目全壽命周期信息由每個分項工程的全壽命周期信息組成。探索建設項目全壽命周期BIM深度信息模型的涵義和構建模式，以某宿舍樓給水管道安裝分項工程為例，收集整理管道產品標準、采購價格、設計標準、施工標準、施工成本、使用階段的常見問題以及維修拆除成本，采用參數化建族的方式建立BIM模型，展示了全壽命周期BIM深度信息模型的構建過程。全壽命周期信息模型既可以應用于項目建設，也可以應用于工程人員的專業能力提升。然而，要真正應用于實際項目建設前期決策、輔助設計和施工，模型的數量、信息深度和規模還需要進一步提升。