基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺設計

楊增科，樊瑞果，石世英，黃 煒

（1.河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454000；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安 710000）

裝配式建筑作為建筑產業轉型升級的重要組成部分，引領建筑業的變革和產業現代化發展［1］。近年來，在政府政策的驅動和市場引領下，裝配式建筑呈現良好發展態勢，產業鏈內的設計、生產、施工、裝修等相關產業能力快速提升［2］。然而，現階段我國裝配式建筑未形成專業化分工體系，產業鏈仍存在設計、生產、施工等環節主體間信息交互和協作程度低的問題，從而導致產業鏈生產績效達成率不高，裝配式建筑產業鏈各主體間的協作水平亟待提升。信息化驅動下的裝配式建筑能夠推動建筑業的工業化和數字化轉型［3］，幫助產業鏈主體進行協同發展。2020 年，國務院、住建部發布的《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》和《加快新型建筑工業化發展的意見》強調“工業化、信息化、平臺化、智能化”，要求大力發展裝配式建筑，加快推進“新基建”和城市信息模型CIM 平臺建設，通過新一代信息技術驅動打造建筑產業互聯網平臺，整合建筑全產業鏈，實現工程建設高效益、高質量、低消耗、低排放的建筑工業化，推動智能建造與建筑工業化的協同發展，裝配式建筑和全產業鏈信息管理已成為建筑業發展的主要趨勢。此外，通過前期對裝配式建筑產業鏈核心企業協作行為的博弈分析，認為搭建信息化服務平臺是實現政府與裝配式建筑產業鏈核心企業主體間的實時信息共享和溝通的有利手段。因此，在“新基建”背景下，研究適用性的裝配式建筑產業鏈智慧管理平臺，對于提高產業鏈整體性、促進產業鏈主體協同發展具有重要意義。

現有關于裝配式建筑智慧管理平臺的研究多采用BIM 技術手段，認為基于BIM 的裝配式建筑管理能有效提高其生產效率［4］。陳敬武等［5］以及李芊等［6］基于精益管理思想以BIM、物聯網、云計算等信息化技術手段構建了BIM 信息化協同平臺，保證了各階段的信息共享和業務協同工作，實現了裝配式建筑設計、生產與運輸、施工和運維等階段的信息化管理。趙瑞陽等［7］介紹了國內某個依托BIM 技術的裝配式建筑全產業鏈智能建造平臺，通過建立統一標準、平臺等實現項目設計、生產、運輸、施工、運維和監管等全過程信息管理，由此可見，BIM 技術能有效幫助實現裝配式建筑各階段信息化管理和協同發展；CIM（City Information Modeling，城市信息模型）是BIM 在城市范圍內的拓展，學者們普遍認為CIM 是BIM、GIS 與物聯網技術的融合［8-9］，既能儲存城市規模的海量時間、空間信息，又可作為云平臺為城市各行業的智慧管理提供協同工作與數據調閱功能［10］，幫助實現城市的精細化管理，CIM 是智慧城市建設領域的大勢所趨，近年來因其協同性強、模擬程度更為廣泛、層級較高的特點在工程領域也脫穎而出［11］，政府頒布的《關于全面開展工程建設項目審批制度改革的實施意見》提議在工程項目審批活動中，全面推行建筑信息模型（BIM）、城市信息模型（CIM）技術，根據片區規劃指標和城市風貌要求等進行項目審批，從項目伊始將建筑工程項目規劃、投資、建設和運營的全過程信息納入城市信息系統，實現工程建設項目全生命周期優化管理，提高建筑行業的審批效率和全產業鏈資源配置效率，因此，裝配式建筑全產業鏈管理平臺與CIM 的融合應用將是必然的發展趨勢。

綜上，目前學者對于基于BIM 的裝配式建筑管理研究已取得一定成果，但多針對設計、生產、運輸、施工和運維等階段，涉及規劃、招投標階段的產業鏈研究匱乏，CIM 平臺強調全周期集成管理，推進城市規劃、建設、運行、管理的業務協同［12］，在智慧園區、智慧交通、環境管理與房屋安全管理等領域的應用已有一定的研究［13-17］，可有效裝配式建筑提升產業鏈的整體性與集成性［18］。因此，本文將CIM 與區塊鏈、VR 等信息技術手段應用于裝配式建筑產業鏈管理平臺，構建基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺，幫助實現裝配式建筑采購、施工、運營維護以及管理等階段全要素的安全互聯互通和智慧感知，為裝配式建筑產業鏈協作水平和產業核心競爭力的提升提供保障，也可為工業化智能建筑融合城市區塊大數據管理提供前期研究鋪墊。

1 基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺需求分析

裝配式建筑產業鏈主要涉及規劃、招投標、設計、構件生產、運輸及安裝、銷售、運營維護以及拆除和資源化等多個環節，各環節關聯度高，對主體協同化、集成化作業要求更高［19］，由此將平臺的使用者劃分為政府部門、開發商或建設單位、設計單位、材料供應商、構件生產商、物流企業、施工企業、運營商或物業管理企業、消費者、建筑拆除與分揀企業和建筑垃圾資源化企業等用戶，基于平臺統籌協調各方需求，分析各方需求如表1 所示。

表1 用戶需求分析

表1（續）

基于上述需求分析，本文將考慮平臺的安全性、實用性、高效性和易操作性等原則，以CIM、區塊鏈、VR 等信息技術為支撐，構建基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺，力求整合裝配式建筑全產業鏈，打造虛擬產業鏈集群，為用戶提供實時的數據服務和安全的交易服務，保證信息的有效性，增加產業鏈主體間的信任程度，幫助各主體進行信息共享和科學決策，更好地改進規劃審批、招投標、建造運維、營銷推廣等環節，提升產業鏈運行效率，讓產業鏈各主體均能享受到有效合作帶來的提質增效的紅利，促進裝配式建筑協作水平的提高和產業的高質量發展。

2 基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺構建

裝配式建筑的核心是集成，其中信息化平臺是集成的主體。本文構建的基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺將按照裝配式建筑產業鏈各項信息的采集、傳輸、整合應用和決策五個環節進行展開，以標準規范與運行管理、信息安全為保障，分為感知層、傳輸層、數據層、應用層和交互層等五個層面，確保產業鏈各主體相關數據互聯互通和資源共享，整體架構如圖1 所示。

圖1 平臺架構

2.1 感知層

感知層是整個平臺的基礎，幫助用戶收集所需的各項數據信息。平臺通過RFID、傳感器、攝像頭、GPS 等技術手段采集城市基礎設施數據、地理數據、項目各階段的建設數據（包括BIM模型及設計、生產、施工、運維信息等）等多項實時信息，并對接政府部門系統或網站收集政府政策數據，同時用戶也需上傳自身部門或企業信息數據。

2.2 傳輸層和數據層

傳輸層、數據層通過有線或無線網絡等多種通信網絡將感知層收集到的數據進行傳輸、整合和處理，為平臺應用層提供豐富的數據基礎。平臺將各項數據進行標準整合和篩選整理，并基于區塊鏈技術進行加密備份，實現“一個入口、多個出口”的平臺大數據功能，方便用戶查看和高效管理以及未來對項目的質量追溯。

2.3 應用層

應用層是整個平臺的核心，根據平臺用戶的需求配套設置多個功能模塊，主要包括用戶認證、規劃審批、招投標服務、協同建造、監管、銷售服務、安全運維以及資源化處理等模塊，共同服務于政府、裝配式建筑企業及消費者，功能模塊設計具體如圖2 所示。圖中實箭線表示項目實施時平臺功能模塊的使用順序，虛線代表產業鏈用戶與功能模塊之間的雙向信息交互關系。

圖2 平臺功能模塊設計

（1）用戶認證模塊。用戶認證模塊和數據管理模塊都是用戶在使用時必不可少的功能。政府方、裝配式建筑企業方和社會公眾都需首先在平臺中注冊信息，提出各自的認證申請，經審核通過后分配平臺賬戶和密碼，隨后完善用戶自身的各項信息，為之后通過平臺實施產業鏈各環節提供基礎。

（2）規劃審批模塊。規劃審批模塊主要針對開發商和政府部門，智能輔助決策和提升項目審批效率。項目發起人（開發商或建設單位）首先初步設計裝配式建筑項目方案，將項目基本信息（包含建設概況、投資、進度信息等）和BIM 模型數據提交平臺進行項目申請，交由給政府部門審批。政府部門基于政策要求、城市CIM 空間數據等協同審批項目，對建設項目的空間選址和項目落地建設的相關事項和可行性進行可視化分析，有效提高項目的審批效率。審批完成后將項目審批數據，包括行政管理數據和審定的BIM 數據等經由平臺發送給項目發起人。

（3）招投標服務模塊。招投標服務模塊是擇優選擇裝配式建筑設計、生產和施工方的模塊，主要針對招標方（開發商或代理機構）以及設計單位、材料供應商、構件生產商、施工企業等項目相關主體，實行電子化招標。招標人（建設單位或代理機構）在平臺發布招標文件（應明確BIM、CIM 等技術的應用要求）后，投標人遞交投標文件，通過資格預審、開標、評標、中標等環節，考慮項目特點和企業綜合實力擇優確定設計單位、材料供應商、構件生產商、施工企業等項目相關主體，并基于區塊鏈技術簽訂裝配式建筑產業鏈智能合約，明確各環節合約雙方的利益分配與風險共擔，雙方通過智能合約自動進行交易，有效提高工作效率。

（4）協同建造模塊。協同建造模塊重點對裝配式建筑產業鏈中的設計、生產、運輸、施工等環節進行協同管理，主要包括協同設計、供應、生產、運輸和施工等五個模塊。設計單位與開發商、構件生產商、施工企業可通過協同設計模塊，考慮材料、技術、經濟等因素設計出綠色環保的裝配式建筑BIM 模型，并通過仿真模擬在設計和建造過程不斷優化方案，依據設計方案導出建筑材料和預制構件的各項信息。平臺基于大數據、人工智能算法、GIS等技術為其他產業鏈主體設計出合理的構件材料供應、生產、運輸和施工組織計劃。材料供應商、構件生產商、物流企業和施工企業基于協同供應、生產、運輸和施工模塊，按照計劃進行材料的供應以及構件的生產、運輸，施工人員基于VR 技術在設計人員的指導幫助下充分了解協同設計的BIM 模型，進行構件的安裝，同時實時監控施工現場的安全情況，及時向平臺管理人員發送安全預警，在遇到危險時基于城市空間信息數據向附近的應急部門求助。各主體要及時上傳各階段的實時進度信息至平臺數據庫，既方便進行信息共享和協同管理，在計劃與進度出現偏差時，及時調整構件的生產、運輸和安裝計劃，幫助減少返工、待工、待料情況的發生，提高構件的生產、運輸和安裝效率，又有助于未來的全過程信息回溯，改善裝配式建筑項目的進度、成本和質量管理，提高裝配式建筑產業鏈的生產績效。

（5）監管模塊。主要對裝配式建筑項目招投標環節、建設環節和運營階段的履行情況進行監管，并設置以大數據和區塊鏈技術為基礎的企業和個人信用評價體系。政府和開發商加強對招標投標大數據智能分析，對招標人或代理機構、投標人、評標專家等主體和人員進行全方位數據采集和研判分析進行信用評價，同時應用BIM、CIM 技術等，加強合同的履約管理，重點監控項目經理和生產施工人員的履約情況，是否存在轉包和違法分包、設計變更，項目生產、施工、質量是否符合安全生產要求，據此對各中標主體進行信用評價，并將信用評價指數納入平臺的信用評價體系。各主體的信用評價指數將實時公布，對其下次投標產生一定的影響，多次違反規定的單位或人員將失去參與工程項目建設的資格，以此來降低項目招投標和建設過程中的決策風險和廉政風險。此外，在項目運營階段的銷售、維護和拆除環節，政府和開發商也可實時查看項目的運營情況，對其交易、質量及資源利用程度進行有效監管。

（6）銷售服務模塊。主要用以幫助運營商與消費者進行銷售環節的各項流程。在裝配式建筑產品的銷售階段，運營商在平臺的建筑信息模型上標注建筑內部各元素的屬性和價格，為消費者提供建筑的體驗式購買服務，提供其關于視覺等感官的模擬，讓消費者有身臨其境的感覺。有意愿購買的消費者可通過VR 設備遠程感受裝配式建筑住宅內部以及周邊環境等，在確定購買意愿后，基于平臺與運營商簽訂購房合同，合同基于區塊鏈技術上傳至數據庫得到保護，不得篡改以維護合同雙方的權益。

（7）安全運維模塊。主要用于裝配式建筑項目后期的運維階段。物業管理部門基于RFID、傳感器等多種平臺技術手段及時采集構件各項性能信息（包含構件節點、隱蔽工程等信息等）以及建筑物附近的城市基礎設施數據信息等，以此對建筑實行安防、能源、車輛的可視化管理，打造數字化裝配式建筑設施，通過智能設備為住戶提供安全服務，及時規避安全風險或進行安全預警，并做出應急方案，實現運維信息追溯。

（8）資源化處理模塊。主要用于裝配式建筑的拆除和資源化處理階段，建筑拆除企業在拆除建筑后，可以通過查看監測到的構件信息，將質量良好的構件運輸至構件生產企業進行二次回收利用，將其他建筑垃圾轉移到建筑垃圾資源化企業進行處理，減少建筑垃圾的胡亂堆放，避免“垃圾圍城”現象的發生。

以上各功能模塊分別對應著裝配式建筑產業鏈的各環節，彼此相互關聯，為各環節主體提供了政策、技術、信息、資金和環境等要素的支持，實現從裝配式建筑規劃、招投標、設計、構件生產、構件運輸、構件安裝、銷售、運營維護以及拆除和資源化等多個環節的協同工作，為實現裝配式建筑產業鏈各主體有效合作和智慧化管理提供支撐，保證了產業鏈各環節的順利進行，幫助實現裝配式建筑產業鏈的價值增值。

2.4 交互層

交互層是平臺用戶進行信息交互和決策的層面，為用戶提供直觀、便捷的操作界面。裝配式建筑產業鏈各主體可基于此層面對裝配式建筑產業鏈各環節實行數字化監控，實時查看裝配式建筑的各項政策和建設信息，對數據進行分析和修改，方便各主體進行決策和協同管理。

3 平臺建設及運行建議

平臺用戶的參與積極性是保證平臺良性構建和穩定運行的基礎，為提高用戶的參與積極性，使平臺在裝配式建筑產業鏈中發揮有效協同作用，對政府及產業鏈核心主體提出以下建議：

（1）完善裝配式建筑信息建設相關政策和標準，為平臺建設和運行提供指導

政府有關部門在提供各項城市規劃和裝配式建筑政策數據的同時，應不斷完善平臺的基礎網絡設施及相應配套體系，制定裝配式建筑信息網絡安全相關的政策和標準，以保證平臺的安全運行；其次，政府應鼓勵科研機構、高校或企業進行工業化、信息化建設等關鍵技術的研發和創新工作，對有杰出貢獻的機構、企業或個人給予政策補貼或減免稅收等支持，營造裝配式建筑智慧建造產業生態圈，吸引相關企業進入產業鏈并參與建設平臺，提高裝配式建筑企業的參與積極性；另外，政府應建立專業的信息化咨詢服務機構，為裝配式建筑產業鏈運行管理平臺的構建和運行提供咨詢服務；最后，政府應通過建立相關的信息化示范工程，向裝配式建筑相關企業或機構進行宣講智慧城市其他行業或項目智慧管理平臺的實踐和成功經驗，為企業參與基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺的建設和運行提供良好的指導。

（2）組建專業服務機構并壯大信息化人才隊伍，為平臺建設和運行提供基礎

裝配式建筑產業鏈鏈條較長，涉及開發商、設計單位、材料供應商、構件生產商、施工企業等多個主體，結構相對復雜。基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺的構建是一個持續改進的過程［20］，產業鏈各主體必須清楚地認識到信息化技術和裝配式建筑融合是建筑業未來發展的主要趨勢，要打破傳統建造模式下企業間的隔閡，組建一個服務于平臺建設和運營的專業組織機構，基于平臺與裝配式建筑項目其他主體進行有效合作，對項目進行全過程管理；其次，裝配式建筑產業鏈各主體，如設計單位、構件生產商、施工企業等需要立足自身技術提高技術成熟度和創新能力，將自身技術與CIM、BIM 等信息化技術相融合，提升企業自身的市場競爭力，爭做裝配式建筑的行業先鋒；最后，裝配式建筑產業鏈各主體在參與構建平臺的網絡設施、軟件和硬件的同時，必須進行信息化人才的培訓或引進工作，壯大各主體的信息化人才隊伍，保證政府、企業和施工人員均具備扎實的業務能力以及對平臺系統的操作和維護能力，解決平臺運行過程中的各類問題，為平臺的穩定建設和運行提供基礎。

4 結語

本文基于CIM+的裝配式建筑產業鏈運行管理平臺不僅能實現裝配式建筑的智慧建設與運維，增強其管理的時效性與信息共享性，促進產業鏈主體的協同發展，同時為智慧城市的CIM 平臺提供更多的數據支撐和技術支持，提高城市建筑的智慧管理效率。上述研究幫助提升裝配式建筑行業的信息化水平，為提高其核心競爭力和產業鏈資源配置效率提供了新思路，具有一定的理論價值。此外，筆者在實操層面基于魯班Motor 二次開發軟件建設相關平臺，但仍處于初級階段，有待進一步的完善。