建筑全過程數字化智慧建造體系研究與實踐

焦 柯1 杜佐龍2 楊 新1 方速昌2 莊志堅

(1.廣東省建筑設計研究院有限公司，廣州 510010； 2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120；3.廣州絡維建筑信息技術咨詢有限公司，廣州 510040)

引言

經過多年數字化設計建造全過程工程實踐，三維BIM相關技術已逐步成熟，多個應用難點通過集中攻關已取得一定的成果。如在設計階段，通過三維BIM平臺及二次開發[1]，能完成滿足加工精度的建造信息模型。在鋼結構建造過程，通過焊接機器人，實現焊接、上下料、磨削拋光等作業應用[2]，并通過定制化的控制系統數據銜接，實現構件深化模型的精細化建造。在裝配式建造構件加工制造過程，采用3D打印技術已具有一定的實用性[3]。

在數字化建造過程中，計算機技術貫穿始終，從計算機輔助設計、建模到計算機輔助建造、施工，虛擬數據成為作業主線。其中沖壓成型、數控切割等技術手段早已廣泛應用于各個行業，但屬于碎片化應用，獨立解決項目的個別基本問題。同時，具體工程實施周期通常持續數年，由于參與企業和人員在時間維度不連貫，不同參與方對成果應用需求各異，導致較難直接承接設計成果進行加工、制造、裝配，也無法充分發揮數字化精細化設計建造的優勢。

本文通過廣泛統籌各專業各階段的數字化成果與實用方法，通過規范化的數字設計建造技術及落地化的施工設備，實現工程建設全過程信息的一體化集成，實現現代先進建造實踐，實現了建設流程的規范化，提高了工程質量與經濟性。

1 數字化設計施工集成體系

基于目前行業多參與方、多工種協作發展模式，本文提出一種設計—建造—交付運維全過程數字化銜接集成體系。該體系的核心，是通過全過程需求反饋與關鍵節點雙向串聯，建立現代產業化設計體系，建立與數字化設計相適應的先進制造工法與生產管理手段，建立設計手段與生產手段的信息化協同平臺，通過數字化交付實現運維階段承接，形成實施全過程的信息化集成和全產業鏈信息閉環，關鍵節點串聯模式見圖1所示。

圖1 數字化集成體系關鍵節點串聯模式

該體系的主要組成有：

(1)數字化設計體系，含適用于產業化建造的建筑設計方法、構件庫、戶型組合庫、項目設計管理體系、模型數據標準等；

(2)智慧建造生產體系，含與數字化設計成果相適應的定位放樣、數字化吊裝、3D打印、產業化施工工法等；

(3)產業鏈集成應用，含數字化預拼裝、設計深化平臺、智慧工地與多方管理平臺、智能加工運輸及物聯追蹤協同管理平臺等；

(4)建筑全周期運維，含施工模型交付標準與運維信息轉換標準、數字化運維架構與應用軟硬件平臺等。

其中，在產業化生產建造環節，通過研發三維深化軟件、模型輕量化軟件、施工運維模型轉換軟件，實現設計+建造的成果資源銜接，解決多方項目管理的問題。在復雜構件、復雜空間關系、復雜地形設計與建造過程，研究基于三維掃描、BIM高精度放樣、3D打印的解決方案，改變傳統粗放、修補式的工程建造模式，實現精細高效建造，提高建造質量與品質。

在資源整合與科學管理環節，施工階段通過與數字化BIM設計成果的無縫承接，對建造過程進度、質量、成本進行動態管控，實現工程建造各方數據有效共享和高效協同管理，對建造過程進度、質量、成本進行動態管控，實現工程建造各方數據有效共享、高效協同，助推設計施工各方深度融合。

本文基于多個工程總承包項目，在設計建造全過程通過需求的正負反饋，整合產業鏈多個環節數字化成果的全過程應用，建立起較為完善的標準機制、建造工法與平臺軟件，經工程實踐驗證，取得較大的經濟效益，并在工程建設質量、多方溝通協調、綠色節能建造等方面都有所提升。

2 數字化設計體系

隨著建筑功能的日益復雜和建造水平的日益提升，通過符合需求的技術整合形成數字化設計體系是目前設計行業信息化中后段的著力點。本文針對現代產業化的建筑設計相關方法理論及實踐，提出目前設計體系中的四大主要環節并針對各環節形成相應的技術集成實現。

(1)現代產業化建筑設計原則、設計標準，解決了滿足現代人居要求的產業化設計理論與設計原則，見圖2，通過滿足產業化需求的模組化設計和信息互通原則，為后續生產體系奠定數字化的信息基礎。

圖2 符合產業化生產體系的彈性組合套型設計方法

(2)建立適用于產業化建造的各類建筑一體化節點構造、圖紙表達與實施。在工程實踐過程中，防水、保溫、裝飾層的建造整合，利用數字化技術進行裝飾工程的深化設計，對板縫節點、板材穿管節點、板材固定連接節點、吊頂燈具節點等各種交接節點進行深化，實現工廠的準確預制加工，最大程度發揮總承包單位對資源整合能力，有效發揮集成建造的優勢。

(3)數字化設計的設計方法、成果三維表達方式、項目協同與信息交互、軟件及輔助工具研發，通過數字化技術進行設計原則的封裝，為長效應用與多元應用提供支持。針對協同、建模、拆分、計算、出圖的技術解決方案，建立建筑工程信息模型制圖、交付與應用標準，總結形成全過程成套技術標準。將裝配式構件詳圖集成到部品庫中進行三維模型建模，實現了二維圖紙與三維模型的統一，為設計與施工各階段建筑信息應用提供了重要技術支撐。

(4)針對全過程正向設計和數據共享，編制適用企業項目的管理標準和技術標準，解決企業在推廣BIM技術中控制設計質量和提高標準化程度的問題，解決企業數字化設計項目管理和模型標準問題，提升數字化設計的質量和效率。

3 智慧建造生產體系

在現代化建造過程中，針對高難度、高精度節點施工技術，本文也展開了相應的施工工法實踐與研制，研究適用于現代信息技術的先進工法。上述新型工法有效承接了數字化設計成果，并在新型工業化建造中，通過信息化管理平臺進行一體化集成，實現數字化三維設計+先進工法+施工管理平臺三者相結合，解決實施問題，具體包括以下兩個內容：

(1)基于3D打印的現代先進加工裝備及其生產體系

針對工業化建造的模式，本文研制RC柱、RC梁、RC節點的3D打印的新型建筑工業化建造設備，并通過配套的數字化下料、吊裝定位、測量等輔助軟硬件設備、編制工藝流程通用標準和平臺，實現了數字化成果與建造的統一，在某多層住宅中開展應用試點，見圖3。

圖3 構件3D打印及數字化裝配

(2)數字化的總承包管理體系及工藝管理平臺

在傳統計劃管控下難以實現較大體量和復雜結構多體系、多部門的聯動，同時工程參建各方工程項目管理人員、各專業分包、建設單位難以高效溝通，對施工時間與施工成本的控制造成較大負面影響，不利于進度、質量、安全的高效有序管理。

常規協同管理軟件中僅做到計劃與模型互通，仍無法高效應用于實際，需要專職BIM人員手動進行模型更新管理，模型更新的管控與利用也只限于專職BIM人員，其他管理人員難以監管流程模型可能與現場實際的偏差，也失去了協同管理的意義。另外，因需要專人維護進行手動更新，這大大增加了重復工作量且時效性較差。本文針對上述應用需求，建立總承包管理平臺，采用物料追蹤等系列功能，一方面承接設計階段的交付模型，并進行編碼轉換與施工階段適應性重劃分； 另一方面，二維碼功能的模型構件作為工程中的信息載體，通過對模型構件(材料)的跟蹤使建筑施工流程與各追蹤節點一一對應，緊密關聯。同時，對模型構件標以不同顏色區分不同的進度狀態，也可對各構件的施工時間、施工狀態進行查看管理。

4 設計體系與生產體系的一體化集成

在工程實踐過程中，設計成果與建造過程管理的有機結合是充分發揮工程總承包價值的體現，也是集成體系的核心所在。因此，通過采用深化模型+數據表的形式，能有效地將建造數據正向傳遞至下游，建立中心化協同管理平臺，配合施工階段采用虛擬樣板、機電安裝綜合管線數字化模擬與加工等多個技術進行研究，實現復雜管線建造、數字化放樣與智能加工、數字預拼裝與施工模擬等全方位保障技術，研發配套軟件，為實現復雜工程建設提供技術支撐，典型應用有設計建造的數字化管理集成和全過程虛擬孿生集成。

4.1 設計建造數字化管理集成

高度集成化是建筑產業化的一大特點，在運用數字化技術進行建筑設計、加工、施工的整個過程中，模型信息如何有效地傳遞到后續工業化生產體系中，是建筑產業化的一大要點。

目前數字化建造主要向3D可視化、三維快速成型、逆向三維掃描等方向快速發展。較為先進的BIM數字軟件，不僅包括了原材料的管控，還包括了節點的質量標準、驗收標準，每一個流程都在數字化建造管控體系內得以實現。數字化建造打破了以往建筑藍圖的束縛。例如管道長度、內徑、外徑等數字可以直接讀取，各種管線的立體設計一目了然，不會在施工時才發現管線交叉、碰撞，減少了設計失誤帶來的成本。

本文參考傳統制造業信息化工業化的相關做法，對在分包單位中應用較廣泛的ERP(企業資源計劃)系統和制造過程的PDM(產品數據管理)、CAPP(計算機輔助工藝過程設計)加工輔助平臺開展數據對接工作。通過建立數據庫，將模型構件相應的ID編號及基本信息存儲在數據庫中，建立總承包工藝管理的系統，指導分包單位對數據庫內容進行補充和完善，實現數字化模型信息全過程利用與閉環，見圖4、圖5所示。

圖4 項目一體化管理流程

圖5 設計生產集成體系

4.2 設計建造的全過程虛擬孿生集成

隨著國家經濟技術發展與建筑工程復雜程度日益提高，不可避免地出現一些超高層、大型復雜、結構施工困難、建筑造型獨特的建筑，此類項目的建筑施工是一個高度動態的過程，采用傳統的設計方法無法考慮施工過程中可能出現的各類情況。采用設計建造過程數字化模擬分析，可以對現場施工進行提前預演，其意義在于：

(1)發現施工過程中可能出現的最不利工況以及各類安全隱患，并及時給出解決方案，從而保障建筑施工階段的安全可靠；

(2)指導現場施工找平、構件下料切割尺寸、組立組裝矯正等工藝流程；

(3)設立施工關鍵階段的預警值；

(4)數字化施工模擬分析與現場建造過程的實時監測數據進行對比，為施工現場的建筑安全和工人安全保駕護航。本文在大疆天空之城超高層建筑塔樓項目中，通過物聯網技術進行工地現場的數據采集，并對其進行數據處理，最終通過智能算法實現對人、機、料、法、環等各要素的精細化管理，實現對有效數據的智能處理，為項目各要素的精細管理提供依據(圖6)。

圖6 數字化模型與施工實測

5 數字化建造平臺集成研發

目前在工程建造分階段均有各類型的數字化平臺，然而在實際工程實踐中，無論在流程層面、權限層面還是數據層面，平臺之間均存在不同程度的斷層。本文認為，工程建設的復雜程度決定了多平臺有其必要性，但平臺整合對工程推進的作用有限。因此，本文提出采用標準化數據體系，通過設計協同施工，將具有共性的數字化成果通過BIM模型實現統一。除此以外，采用基于離散化的數據管理模式，各階段數據采用多個獨立分層維護，層間采用基于ID互通的方式，兼顧多平臺間的獨立性與互通性。基于該模式，本文主要圍繞設計深化平臺、集成管理平臺、物聯管理平臺開展相應的應用實踐。

5.1 設計深化加工平臺

建筑設計行業的BIM技術應用大都選擇了Revit軟件作為平臺，故基于Revit結構模型實現直接建模、計算、自動出圖和裝配式深化設計是大勢所趨。本文針對目前Revit結構設計功能較弱，尚不滿足中國制圖規范和設計規范要求的問題，在Revit上開發一套滿足中國設計規范要求的結構CAD平臺，實現基于Revit的結構BIM正向系統，實現報建、設計、深化加工、施工管理、造價控制、竣工交付全過程的數字化三維集成平臺。在平臺基礎上，研發GSOPT建筑工程的數字化智能優化設計系統(圖7)，實現滿足我國需要的建筑行業精細化與經濟性的并行發展，實現BIM技術的落地應用。

5.2 集成管理平臺

隨著移動互聯網、云計算、物聯網的發展，建筑信息化管理的手段也在不斷拓寬，本文利用設計+施工的數字化模型信息，采用相應的編碼系統對BIM模型信息進行輕量化后，存儲于網絡數據庫中進行管理應用，研發基于數字化建造信息的多方協同管理系統(圖8)，應用到各類建筑的設計、加工、施工全過程。同時，通過API接口與相關系統數據對接，進一步挖掘數字孿生模型的信息價值。

圖7 數字化加工模型

圖8 體系集成管理平臺

5.3 物聯管理平臺

通過建立物料管理平臺對構件進行全過程管理，以項目為單位的模型及結構信息轉換為以工序為單位的加工準備、采購、制造和其它跟蹤信息，并具備過程管控功能，見圖9。鋼構數字化建造主要體現在深化設計、材料采購、構件制造、構件安裝等階段的數據轉換、數據共享、數據采集、數據跟蹤等方面。平臺以條碼為橋梁，全面接駁物聯網系統，無縫跟蹤和接受物聯網信息，并通過對全過程大數據的分析，輔助項目管理。

6 建造—運維數據流承接體系

根據項目在不同階段所需要的信息，制定與運維有關的信息，并由施工BIM團隊按既定交付標準開展工作，刪減與運維階段所需信息無關的數據后，進行模型交付與運維管理階段的應用，信息交換見圖10。

圖9 物聯網接駁示意圖

圖10 南航大廈可視化空間庫存管理與分配

在項目的設計、施工階段，有關的BIM模型靜態數據與IBMS(智能化集成系統)動態數據對于后期的運維階段可謂是至關重要，這些數據構成了運維管理門戶，其中包括圖檔管理、空間管理、運維管理以及應急預案。運維數據流會根據運維業主的需要，完善竣工BIM模型的信息部分，從而保證竣工模型數據準確、無遺漏地直接應用于后期運營平臺。本文結合現階段技術路線，確定搭建了以“IBMS+FM+BIM”為中心的智能化集成平臺，強調分散控制、集中管理，保證建筑空間持續、高效運轉。全生命周期的BIM模型為平臺提供靜態的物業設施數據，IBMS向平臺傳輸動態的樓宇自控數據； 而在FM軟件的選擇中，考慮到軟件功能模塊全面性、數據標準支持度、能耗集成等方面的需求，最終確定了ARCHIBUS作為FM軟件平臺； 最終依托FM系統集成空間管理、資產管理、設施設備管理三大運維模塊，實現可視化的智能運營管理。

隨著業主單位等運維理念的轉變以及國家建筑行業信息化、工業化的發展趨勢，BIM+FM技術自身強大的功能及對建筑工程項目后期運維管理巨大的價值終將實現，BIM+FM技術的應用已是大勢所趨。

7 總結

本文針對設計—建造—運維三階段中的產業化設計方法邏輯、數字化加工、數據標準及轉換等關鍵應用環節，通過工程總承包等方式進行需求反饋與集成，聯合設計—建造—運維提出并完善了全過程數字化集成應用體系，在工程實踐中，將目前建筑BIM應用從點狀應用進一步鋪開，形成串聯多方、涵蓋多專業多工種的帶狀、面狀工程實踐應用，取得了一定的經濟效益和社會價值。