基于BIM與精益建造的數據驅動式項目管理平臺的探索與應用

張海濱1 王興龍2 張曉娜 穆 瑞

(1.中建六局(天津)綠色建筑科技有限公司，天津 300451；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；3.中建六局建設發展有限公司，天津 300451)

引言

建筑業是我國國民經濟的重要支柱產業，但效率依然比較低。一方面是由項目自身的復雜性、管理過程的非標準化造成的； 另一方面是由數據之間的共享協同存在困難，脫離數據聯動，各業務單元之間難以形成有效協同造成的，沒有實時的準確數據，只能事后整理報表，使管理決策缺乏依據。BIM(Building Information Modeling)作為一項新興的信息化技術，已經成為實現建筑企業生產管理標準化、信息化以及建筑產業化的重要技術基礎之一，國家層面的重視程度也在提高。精益建造(Lean Construction)自1993年被引進建筑業，逐步為業內人士所接受，近年來越來越多企業將管理視角轉向精益建造，旨在以精細化管理減少浪費、增加效益并創造價值。

由于建筑業對BIM與精益建造的重視程度越來越高，對兩者分別進行的研究很多，但很少有人將BIM技術與精益建造作直接聯系并進行應用，事實上兩者之間具有強相關性，趙彬、牛博生等對建筑業中精益建造與BIM 技術的交互關系進行了研究，強調在具體實踐中應該用整體思維去把握兩者的協同作用，不應孤立看待[1]。黃恒振結合BIM的技術優勢和精益建造的組織優勢，對工程進度管理進行了研究[2]，并沒有擴展到項目管理的其他方面。精益建造與BIM都是建筑業先進的建造理念，二者都旨在減少浪費、創造價值，將二者集成有利于實現我國建筑業發展方式的轉變[3]。以往研究多強調兩者結合的優勢，并沒有真正在應用方面結合，因此，我們將精益建造與BIM技術結合來創新數據驅動式項目管理，以期通過兩者的結合完成更高效、精細的項目管理工作。

1 概念描述及現狀分析

1.1 概念描述及分析

BIM技術是一種應用于工程設計建造管理的數據化工具，通過參數模型整合項目的相關信息。BIM模型中的所有數據是施工過程數據的基礎，由此，根據目前BIM應用現狀，BIM作為一個為設計階段決策提供可靠依據的信息交換中心，可以為施工過程精益管理提供強有力的數據支撐[4]。在此，我們不僅要關注BIM的Building Information Modeling這一含義，還要關注國際BIM聯盟對BIM的另一種解釋：Building Information Management，也就是說本文是始于BIM模型，卻終于BIM管理，旨在利用數字模型中的信息對商業過程進行組織與管理，以提高資產全生命周期信息共享的效果。

精益建造是將精益思想與建筑業業務結合應用，它面向建筑產品的全生命周期，協調建造過程各參與方利益和需求，強調信息流的暢通連續性，以持續減少和消除浪費并創造價值，實現建筑企業的利益最大化[5]。過程戰略是精益建造的一個重要發展方向，旨在提升施工現場建造過程[6]。在目前建筑業BIM應用的環境下，過程戰略的一個重要方向是通過應用精益建造管理工具，結合信息化與BIM技術，建立現場管理模型，提升施工建造管理過程。

施工過程的數據信息是控制進度和成本的關鍵因素，數據的真實性、連續性是精益建造對數據流的根本要求，在此基礎上，建造全過程的施工數據聯動、共享不僅可以真實記錄項目施工信息，更重要的是聯動項目各單元，有效提升施工管理水平。數據驅動的施工精益建造管理通過聯合調動施工各參與方，記錄實時生產數據的流轉，數據隨著各施工工序的發生而變化、聯動，再經有效數據平臺的自動分析，達到提前預警并實現產值及進度的自動計算，最終形成可視化的施工進度看板，為管理決策提供依據。

1.2 現狀分析

目前市場已有的BIM產品主要分為前期設計、建模模擬、集成應用三個階段，應用模式主要集中在工程建設前期，施工過程管理相對薄弱，這也是導致BIM技術的應用向施工階段轉移困難、施工單位接受程度有限的主要原因。在施工階段，現有BIM相關產品主要集中在前期數據模擬，但實際施工過程應用深度不足，少數產品具有實際施工數據收集的功能，但多為單點填報式，有些甚至只是以圖片形式上傳，數據之間是相對獨立的，這使原本為一個整體的項目割裂成一個個斷面，喪失了項目的系統性，也無法發揮數據之間的聯動作用，往往使得各個業務單元各自為政。BIM數據處于碎片化、離散狀態，缺乏系統共享性，BIM的優勢沒有發揮到最大。

住建部在《2016～2020年建筑業信息化發展綱要》中提到，要加強BIM技術在施工過程中的基礎應用及集成應用研究，實現全過程信息化[7]。各地區住建委也紛紛出臺相關政策，鼓勵企業推行BIM技術應用，充分發揮BIM技術的應用價值[8]。

基于以上現狀，該平臺主要面向施工單位及施工管理單位，用于數據驅動的施工全過程管理，助力施工建造過程中項目管理工作，獲取施工實時數據，同時通過該平臺建設方也可隨時掌握施工實時情況。平臺開發計劃一年半之內完成，前期致力于基礎功能開發，后期將進一步挖掘工程數據的深度應用。

2 平臺總體架構

平臺總體架構設計以“卓越建設效益管理體系”為理論支撐，構建基于BIM與精益建造的數據驅動式項目管理平臺。系統架構設計為用戶層、應用層、數據層、基礎設施四層設計。平臺基于云主機建立SaaS架構平臺，為施工方、分供方、分包方三方人員提供數據驅動式項目管理服務。平臺系統架構詳見圖1。

圖1 施工精益建造管理平臺總體架構設計

平臺數據驅動設計思路，將總體設計框架主要分為三大模塊：5D-BIM、施工過程精益管理、數據分析。三個模塊相互依賴、相互作用，形成一個完整的基于BIM技術的數據驅動施工精益建造管理系統。平臺數據動設計框架詳見圖2。

圖2 施工精益建造管理平臺數據驅動設計框架

2.1 5D-BIM模塊

5D-BIM模塊是集三維模型、成本預算、進度計劃于一體的施工前所做的綜合模型，是基于計劃信息所構建的計劃模型架構，該架構一方面用于施工計劃信息模擬，發揮著傳統5D-BIM的作用，主要是可視化模擬、碰撞檢查、質量安全定位等，通過模擬發現施工過程中可能出現的問題，據此對施工方案進行優化。另一方面為施工精益建造管理模塊，即實際施工數據流轉提供模型支撐，作為施工數據運行的基礎平臺。

2.2 施工過程精益管理模塊

施工過程精益管理是系統的數據核心，在精益建造系統中起到至關重要的作用，是施工過程數據流轉中心，承載著整個施工過程中形成的實時數據的流轉任務，以數據驅動項目過程管理。具體而言，基于5D模型對項目進行流水段劃分，根據不同流水段具體情況生成相應施工任務，施工任務包含工期、工程量、物資量、分包方等具體信息。各項施工任務之間存在施工流程的前后制約關系，施工任務的制定自動生成關聯的材料計劃、勞動力計劃、機械進場計劃需求表。一項任務的反饋，將引起與之相關的下一工序的開始，施工數據隨著施工任務的轉移同步流轉至下一施工節點，直至全部任務結束。此方式不再依賴于單點式、填報式的數據收集，而是將不同施工任務形成的處于碎片化、離散狀態的數據實現聯動，充分發揮施工精益建造管理的系統性、共享性優勢。施工任務形成施工數據的同時，以施工數據的流轉推動施工任務的進行，獲取施工進度，了解實時施工情況，隨時掌握施工過程數據。

將模型與實際施工進度、實際資源投入按照一定的規則進行關聯，可自動生成施工過程模擬動畫，從而得到實際數據運轉的5D模型，以多維度表達工程的建造過程。與此同時，基于基礎數據的各類工程報表也可隨著項目的進展一鍵生成。生成的施工實時可視化施工模型和實時報表可用于指導現場施工，為項目管理人員及時發現問題并制定相應管理決策提供實時數據支撐，從而真正實現以數據驅動項目現場施工過程管理。

2.3 數據分析模塊

數據分析模塊以5D-BIM基礎架構和施工精益建造管理為基礎，進行計劃數據與實際數據的實時對比分析，以分析結果為依據指導施工管理決策。在項目層面，隨著項目進展施工實時數據的產生，相應的進度、成本、質量、安全等信息都將隨之產生，系統自動統計生成實際進度表、人材機用量表、質量檢查表、安全檢查表等。這些信息可與模型中的計劃數據形成對比，進行商務三算對比分析，偏差超過警戒值，管理人員可以根據實時對比情況尋找問題根源，及時糾偏，提高問題響應效率，制定管理措施。在公司層面，不僅可以實時掌握每個項目數據，還能獲取不同項目對比數據，了解項目整體情況，以數據對比分析結果輔助企業管理決策，提高企業管理水平。

3 功能的實現

3.1 數據驅動施工精益建造管理

通過系統可實現5D-BIM模型模擬、數據驅動施工過程精益建造管理、實時數據對比分析三個基礎功能。5D-BIM模型是整個平臺基礎架構，數據主要基于建模標準建立模型信息，以通用標準建立便于數據的后期應用，將模型轉換成IFC格式，方便施工過程中的數據應用，不再局限于建模工具內的應用。前期基礎架構的搭建和數據的準備，為后期應用提供基礎，在此基礎上進行應用功能的開發，確保數據的一致性。施工過程精益管理模塊與5D-BIM模型，采用標準化接口進行數據傳遞，保證數據交換的高效性，該模塊主要集中于施工過程中的數據驅動式管理，該功能是以基于現場實際施工流程的數據之間關聯關系實現的，以緊密的關聯來嚴格控制數據流轉。同時平臺將實際工程數據與模型關聯，通過兩者的掛接實現實際數據與計劃數據的對比，通過內置數據邏輯關系實現施工數據的處理分析，進而實現數據分析功能。

3.2 工程數據成果交付，實現追溯及維護功能

基于上述數據驅動施工精益建造管理功能的實現，施工過程中形成的施工數據等重要信息經過數據化分析處理并存儲在數據庫中，工程項目完工后，包含BIM模型及項目實際施工數據在內的工程數據成果都將移交建設單位，保證數據完整、準確，通過施工精益建造管理平臺可隨時查詢項目模擬數據及項目實際數據資料，從而實現對工程數據全過程、全方位的追溯。運維管理單位在接收竣工模型基礎上，充分利用上游模型及數據信息完善后期運營維護模型，進行運營維護管理。

3.3 大數據為企業項目分析及決策提供數據支撐

各項目基礎數據形成后構成數據倉庫，可將各BIM數字化應用信息有效關聯，數據既相互獨立又互聯互通，因此可在數據倉庫中進行數據挖掘與數據分析，建立建筑業三級“數字化看板”管理模式。該看板面向建設投資方、建設施工方、分包分供方等各建設參與者。

一級看板為項目層看板(以“數字”為主要顯示內容)：面向建設方項目管理人員及監理人員，施工方項目部管理人員，分包方施工管理人員及企業管理者。主要展示包括工期進度、形象進度、物資使用、現場質量管理、勞務信息、產值信息等的實時建設數據信息，風險預警信息，項目報表。

二級看板為管理層看板(以“圖表”為主要顯示內容)：面向建設方項目管理中層管理者及監理中層管理者，施工方公司級各業務線管理人員及中層管理者，分包方施工管理人員及中層管理者。主要展示包括履約進度匯總、產值完成匯總、質量安全匯總等的選定范圍內匯總信息及趨勢，范圍內匯總風險預警信息，項目黑白名單排名等。

三級看板為決策層看板(以“分析”為主要顯示內容)：面向建設方管理高層及監理管理高層，施工方集團級高層管理者，分包方管理高層。主要展示選定范圍內數據分析結果以及預測，資金預測、建設預測、建設風險等，決策數據模擬。

數字化看板管理模式不僅能實時監控項目數據變化，準確掌握項目質量、安全、成本、進度的實際情況，還可通過項目數據的綜合，了解企業各個項目的綜合情況，形成企業數據運營中心，數據中心可將BIM數字應用結果按建筑類型、行業、投資方、建設方等多種方式分類進行多種數據分析，分析結果應用于建造管理、行業分析、建筑質量追溯、企業信用評價等。

4 平臺應用

本平臺已進入初步試用階段，目前將該平臺應用于天津某住宅項目，通過基本功能的實現對平臺進行討論、修改，發揮平臺應用價值協助項目進行精益管理。施工精益建造管理平臺界面展示如圖3，平臺應用主要包括內容有：

圖3 平臺界面展示 圖4 BIM模型

圖5 物資流轉流程圖

圖6 施工工單 圖7 材料計劃表

(1)BIM模型：5D-BIM實現平臺的基本架構，通過5D-BIM模型的構建對小區項目進行施工模擬，實現項目計劃信息的模型化，為項目模型查看及相關討論提供展示平臺，并以該平臺進行可視化交。

圖8 工單領料 圖9 工單反沖

(2)施工過程精益管理：主要是施工過程的數據流轉，通過項目數據的流轉實時了解施工過程情況，施工過程是一個前后關聯的動態系統，對該施工過程信息進行模擬，項目施工過程任務單流轉的部分流程如圖5，在數據流轉中部分過程數據見圖6-10。

圖10 完工結算

圖11 實際進度表與計劃進度對比表

圖12 已完工程成本匯總表

圖13 三級數字看板

(3)數據分析：以上述BIM模塊與施工過程精益管理模塊數據為基礎，對施工過程形成的數據信息進行處理，自動生成相應報表，通過對報表數據的分析，幫助項目盡早掌握項目實時情況，為管理人員采取糾偏措施提供了數據支撐。圖11、圖12分別列示了實際進度表與計劃進度對比表和已完工程成本匯總表。

(4)工程成果交付的可追溯：工程交付后，建設單位可根據施工過程數據信息進行追溯，隨時查看項目實際施工數據，方便歷史數據查找及后期運行維護。

(5)數字化看板：隨著項目進展，進行了項目層看板的展示，從施工進度、物料消耗等多維度了解項目施工情況、企業項目管理情況。隨著企業應用的拓展，還可形成管理層及決策層看板。

5 總結

施工精益建造管理平臺是建立在5D-BIM模型基礎之上，以精益建造理論為指導，以數據驅動施工管理為重要內容的一個施工全過程管理平臺。將研究重點放在施工建造階段，重視施工實際數據的流轉，發揮數據聯動作用，實現數據驅動的施工過程管理，較之目前市面上已有產品，更強調利用精益建造理論的實際應用，發揮BIM技術在建造階段實際應用過程中的作用，扎根項目，使施工過程管理更加精益化，使管理決策更加有據可依。

施工精益建造管理平臺通過將精益建造與BIM技術的融合，充分發揮數據驅動的價值，對項目成本管控及項目履約的實現具有重要作用。平臺實現項目前期施工模擬、項目施工實時數據管控、項目數據分析及企業級數據中心的建立，實現項目自我管控能力提升，助力企業管理能力提升的同時提高企業綜合競爭力。

團隊將繼續進行理論學習及對實際應用的深入探索，致力于對平臺功能的拓展及應用的深入研究，將研究成果應用于項目，充分發揮數據中心的作用，通過對實時數據的監控，掌握項目質量、安全、成本、進度等信息的實時變化，通過平臺的構建和進一步完善，實現對全過程成本的實時管控、實時歸集、實時預警，提高成本管控能力，同時實現業務財務一體化功能。繼續推廣BIM技術與精益建造的深入應用，推進項目的全生命周期管理，助力建筑業全產業鏈的數字化、智能化轉型。