基于CIM平臺的工程項目數(shù)字孿生智能建造系統(tǒng)應(yīng)用研究

文｜韓青 徐翔 孫寶娣 孫建龍 袁釧 石新羽

1 場景定義

2021年3月25日，國家發(fā)展改革委、自然資源部等28 部門聯(lián)合發(fā)布通知，推動城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺建設(shè)，加快推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展。在這樣的大背景下，全面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為眾多建筑業(yè)企業(yè)的核心戰(zhàn)略。由政府統(tǒng)建的CIM 基礎(chǔ)平臺是虛實一體的全數(shù)據(jù)運轉(zhuǎn)平臺，打破各個部門行政壁壘，有效的把數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，結(jié)合企業(yè)豐富的建造經(jīng)驗，集合城市規(guī)劃、建設(shè)、運營管理三方能力，通過數(shù)據(jù)化提煉、可視化運維解決建筑行業(yè)訴求，實現(xiàn)信息交互、信息共享、參數(shù)關(guān)聯(lián)、聯(lián)動互動，提高政府的監(jiān)管能力，推動企業(yè)完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

基于CIM 平臺打造的工程項目數(shù)字孿生智能建造系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動采集項目相關(guān)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合項目施工環(huán)境、工期節(jié)點、施工組織、施工工藝等因素，對項目施工場地布置、施工機械選型、施工計劃、資源計劃、施工方案等內(nèi)容做出智能決策，為項目管理層提供輔助決策的數(shù)據(jù)，避免施工程序不合理、設(shè)備調(diào)用沖突、資源不合理利用、安全隱患、作業(yè)空間不充足等問題。

2 應(yīng)用系統(tǒng)

2.1 建造管理“一張圖”

基于CIM 的資產(chǎn)管理“一張圖”展示系統(tǒng)以項目全生命周期為管控對象，以現(xiàn)場業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)來源，以CIM 數(shù)字仿真為展示背景，從建設(shè)項目管理的“全生命周期”“組織管理”“業(yè)務(wù)板塊”和“地理空間”四個維度，對項目的資產(chǎn)情況和建設(shè)情況，以及各業(yè)務(wù)板塊的綜合指標，以全空間數(shù)字孿生駕駛艙的樣式進行還原及呈現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 “資產(chǎn)一張圖”管理維度

2.2 建設(shè)智慧工地管理系統(tǒng)

基于CIM 的智慧工地管理系統(tǒng)，由地形地貌、建筑的靜態(tài)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，加上工地IoT 的動態(tài)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組成的CIM 數(shù)據(jù)底板，CIM基礎(chǔ)平臺為數(shù)據(jù)提供疊加計算能力、模擬仿真和服務(wù)。智慧工地核心的指揮監(jiān)管中心可以有效輔助管理者更直觀的監(jiān)測、管理和決策，施工現(xiàn)場管理人員也可以通過指揮中心同步看到所有相關(guān)信息，對施工現(xiàn)場的人、機、料、法、環(huán)等資源進行集中管理，以可控化、數(shù)據(jù)化以及可視化的智能系統(tǒng)對項目管理進行全方位立體化的實時監(jiān)管。在重大事件發(fā)生前進行模擬演練等，以實現(xiàn)安全、綠色施工的目的，如圖2所示。

圖2 建設(shè)智慧工地管理系統(tǒng)

2.3 項目模型構(gòu)建

對重點建設(shè)內(nèi)容進行模型構(gòu)建，驗證可視化管理思路，突出項目管控效果。模型使用CIM 基礎(chǔ)平臺的可視化基礎(chǔ)資源，模型內(nèi)容包括地形場景模型和工程結(jié)構(gòu)模型，其中地形場景可由遙感影像、數(shù)字高程模型和傾斜攝影構(gòu)成；工程結(jié)構(gòu)模型則通過項目設(shè)計圖紙將工程的代表性主體結(jié)構(gòu)以數(shù)字孿生建造的維度建模，并關(guān)聯(lián)資產(chǎn)數(shù)據(jù)和建設(shè)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 項目數(shù)字孿生建模1

圖3 項目數(shù)字孿生建模2

2.4 數(shù)字孿生CIM 基礎(chǔ)支撐平臺

平臺宏觀展現(xiàn)資產(chǎn)空間位置、查看資產(chǎn)對象的微觀結(jié)構(gòu)，為智慧工地建設(shè)管控業(yè)務(wù)提供可視化服務(wù)。平臺實現(xiàn)資產(chǎn)基礎(chǔ)管理、建設(shè)管理、驗收管理等資產(chǎn)業(yè)務(wù)管控數(shù)據(jù)的集成對接與展現(xiàn)；能夠?qū)Φ乩硇畔?shù)據(jù)、三維建模數(shù)據(jù)及BIM 模型等可視化數(shù)據(jù)進行管理、加載與維護；能夠?qū)⒄蚱髽I(yè)已有系統(tǒng)，如招投標系統(tǒng)、采購系統(tǒng)、勞務(wù)管理系統(tǒng)、造價管理系統(tǒng)、智慧工地系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)聯(lián)通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸檔與展示。平臺基礎(chǔ)功能包括但不限于：模型輕量化、空間地理信息展示、工程三維模型展示、高精細化材質(zhì)渲染、GIS 地理分析、3D 可視化、移動端查看、數(shù)據(jù)庫兼容等前后端功能，如圖4所示。

圖4 平臺基礎(chǔ)功能

3 應(yīng)用流程

數(shù)字孿生智能建造以項目全生命周期管理、精細化管理、集約化管理為思想，結(jié)合國際先進的業(yè)務(wù)流程分析方法，形成以下項目建設(shè)資產(chǎn)管理的總體業(yè)務(wù)流程：

3.1 模型工具

當前全空間三維地理信息空間數(shù)據(jù)來源復雜、種類繁多，其中包括柵格、矢量、傾斜攝影、手工模型、BIM、點云等眾多數(shù)據(jù)類型，利用模型工具可以簡單、快速的將各類數(shù)據(jù)進行自動化處理，統(tǒng)一格式，方便系統(tǒng)的導入與可視化呈現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)自動化處理流程

3.2 基礎(chǔ)設(shè)置

基礎(chǔ)設(shè)置包含項目概況、模型導入、WBS和構(gòu)件關(guān)聯(lián)、模擬順序四個子功能。

（1）項目概況：主要是對項目的概況信息、區(qū)域信息、各區(qū)域描述、項目形象展示信息的設(shè)置，設(shè)置完成后，可以在進入項目時，即可看到項目的整體介紹。

（2）模型導入：主要完成對設(shè)計模型或施工模型的導入，導入后的自動輕量化處理，輕量化處理完成后的預(yù)覽，以及輕量化合模功能。模型導入包括對實體模型、場地模型和其他模型的導入。

（3）WBS 和構(gòu)件關(guān)聯(lián)：主要完成WBS 與模型構(gòu)件的關(guān)聯(lián)操作，WBS 和構(gòu)件的關(guān)聯(lián)是基于BIM 項目管理的先決條件。關(guān)聯(lián)之后，項目管理過程中的諸多要素便可以體現(xiàn)在BIM 模型上，同時也可以基于BIM 的可視化、協(xié)同性等特點，促進項目管理的便捷性。

（4）模擬順序：主要是按照專業(yè)類型對各類型中涉及的構(gòu)件類型進行增長順序、增長動態(tài)類型（方向）的設(shè)置，此處設(shè)置完成后，在進行虛擬建造時，便可以實現(xiàn)對模型增長的設(shè)置。

3.3 圖紙會審

圖紙會審功能的二維視圖中可以實現(xiàn)二維圖紙在BIM 模型上的展示，方便審圖者了解審批對象所處的位置。三維視圖是對當前圖紙的三維表達，可以基于三維模型，結(jié)合各工具的使用（標注、測量等）在線提交審閱意見。審閱意見提交后會出現(xiàn)在審閱列表中，擁有權(quán)限的人員便可以審查相應(yīng)的信息。

3.4 現(xiàn)場調(diào)度

現(xiàn)場調(diào)度功能可對現(xiàn)場的各項生產(chǎn)資料進行整體規(guī)劃，相比于傳統(tǒng)的平面布置方式，三維場地布置更加形象、直觀，可以方便合理的進行場地規(guī)劃，避免二次搬運，充分利用既有建筑物和周邊的環(huán)境，降低臨時設(shè)置的組建費用。

3.5 物料追蹤

物料追蹤功能可實現(xiàn)對全部物料內(nèi)容的采購、監(jiān)造、物流、驗收內(nèi)容的實時查看。在物料清單的列表中點擊后，可以在模型上定位出當前物料在模型中所應(yīng)用的位置信息；而頂部的詳情追蹤則可查看到當前物料所處的節(jié)點信息，并以不同的顏色進行區(qū)分，紅色代表當前進行中的節(jié)點，綠色代表已經(jīng)完成的節(jié)點，灰色代表未開始的節(jié)點，點擊后可以展示詳情信息。

3.6 工藝工法

工藝工法功能是一個工藝工法的知識庫，知識庫可以是項目級別，也可以是公司級別。根據(jù)數(shù)據(jù)權(quán)限可以進行知識庫內(nèi)容的控制，實現(xiàn)對工藝工法的可視化管理。

3.7 技術(shù)交底

系統(tǒng)通過施工方案模擬的方式進行技術(shù)交底，施工方案模擬的目的用于在重要施工區(qū)域或部位，以BIM 方式表達、推敲，驗證施工方案的合理性，檢查方案的不足，協(xié)助施工人員充分理解和執(zhí)行方案的要求。模擬的內(nèi)容包括了節(jié)點大樣、幾何外觀、內(nèi)部構(gòu)造、工作原理、作業(yè)工藝、施工工序等。施工方案模擬展示應(yīng)能真實充分地反映施工重點難點，并對實際操作起到良好的指導作用。

3.8 虛擬建造

模擬建造的過程是先試后建的過程，可對施工過程的工程設(shè)計、現(xiàn)場環(huán)境和資源使用狀況等進行模擬，具有更大的可預(yù)見性，可直觀的展示相應(yīng)時間節(jié)點相關(guān)構(gòu)件已發(fā)生的成本、質(zhì)量、安全等信息，并可預(yù)測未來時間相應(yīng)模型相應(yīng)構(gòu)件、相對應(yīng)的預(yù)估成本、資金等信息，使項目參與者更好的理解項目范圍，從而達到施工方法可視化、施工方法可驗證、施工組織可控制的目的。

3.9 進度沙盤

進度沙盤主要包括進度分析、進度匯報和進度協(xié)同等功能，其中進度分析又包括設(shè)計與施工分析、實際與計劃比對分析兩部分。在設(shè)計與施工中，主要是通過專業(yè)分類展示設(shè)計模型與施工模型的比對，也可以通過選擇指定專業(yè)來進行比對。在實際與計劃比對中，主要是分專業(yè)進行實際與計劃之間的比對，并且可以在模型區(qū)域展示相應(yīng)的差異信息，包括超前、滯后、一致等信息，如圖6所示。

圖6 模型對比進行進度管理

3.10 質(zhì)安沙盤

質(zhì)安沙盤主要完成了對質(zhì)量和安全問題的查閱，通過對時間、質(zhì)量類型、安全類型的篩選，實現(xiàn)了問題信息的檢索，并且可以在BIM 模型上直觀的展示這些質(zhì)量問題、安全問題的分布情況。

3.11 資料沙盤

資料沙盤主要是通過時間維度，對圖紙、現(xiàn)場施工、工藝工法資料信息進行查閱和展現(xiàn)。

3.12 電子沙盤

電子沙盤是對專項、質(zhì)量、安全、資料、進度等信息的綜合展示沙盤，在一個界面上同時展示了各項資料信息，并且可以通過配置條件，更快地獲取自己所關(guān)注的信息內(nèi)容。電子沙盤可以應(yīng)用于領(lǐng)導駕駛艙，以可觸摸的大屏形式展現(xiàn)，通過詳盡的指標體系實時反映施工的運行狀態(tài)，將采集的數(shù)據(jù)形象化、直觀化、具體化。

3.13 數(shù)字化移交

數(shù)字化移交包含配置功能和預(yù)覽功能。配置功能主要實現(xiàn)了對移交內(nèi)容選擇，預(yù)覽功能是對配置之后結(jié)果的展示。系統(tǒng)可以通過對WBS 構(gòu)件樹進行檢索或者點選操作，實現(xiàn)對模型的定位，也可以直接通過點選模型，實現(xiàn)對該構(gòu)件內(nèi)容詳情信息的查閱，包括設(shè)計信息、施工工藝信息、圖紙信息、設(shè)備屬性信息、竣工資料信息等。

3.14 智慧工地系統(tǒng)

智慧工地平臺包括項目概覽、門禁與考勤管理、起重機/升降機監(jiān)控、高精度人員定位、配電箱管理、深基坑邊坡監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測和聯(lián)動、AI 監(jiān)控、消防設(shè)施監(jiān)控、工程項目管理、統(tǒng)一APP 等建設(shè)內(nèi)容，如圖7所示。

圖7 慧工地模擬系統(tǒng)1

圖7 智慧工地模擬系統(tǒng)2

4 應(yīng)用價值

基于CIM 基礎(chǔ)平臺的數(shù)字孿生智能建造系統(tǒng)具有可視化、模擬性、關(guān)聯(lián)性和一致性的特點，可以有效解決建筑工程在項目管理過程中面臨的信息化管理問題。而基于數(shù)字孿生技術(shù)的工程項目信息管理模式的構(gòu)建，更使工程項目信息管理“如虎添翼”，保證項目工程的成本控制和科學開展，提高企業(yè)的市場競爭能力，夯實企業(yè)經(jīng)濟效益提升的根基。基于CIM 基礎(chǔ)平臺的工程項目數(shù)字孿生智能建造系統(tǒng)是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合的發(fā)展方式，通過智能信息化技術(shù)的廣泛運用，提高數(shù)據(jù)、信息、技術(shù)對社會經(jīng)濟發(fā)展的貢獻率，也使我們的城市運行更安全、更高效、更便捷、更綠色、更和諧。