BIM技術在智能建造中的應用探索*

陳 翀，李 星，姚 偉，祝 賀

(1.清華大學建筑學院，北京 100084； 2.華南理工大學工商管理學院，廣東 廣州 510640；3.廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528312； 4.中山大學地球科學與工程學院，廣東 珠海 519082； 5.北京建筑大學建筑與城市規劃學院，北京 100044)

0 引言

建筑業在國民經濟中仍占較大比重，并直接關系到大量勞動力就業和上下游產業鏈發展。智能化和信息化是建筑業實現高質量發展的必然要求[1]。智能建造是面向工程產品全生命周期，實現泛在感知條件下建造生產水平提升和現場作業賦能的高級階段，是實現人工智能與建造要求深度融合的一種建造方式[2]。智能建造將現代信息技術與土木工程相結合，成為土木工程行業實現高質量發展的重要途徑[3]。

BIM(building information modeling)技術被認為是繼CAD之后建筑行業第二次科技革命[4]，提供了貫穿工程建設規劃、設計、施工及運維等全生命周期的數據信息[5]，所有參建方均可隨時利用、更新和完善BIM模型信息[6]。建設項目全生命周期管理引入BIM技術，創建和使用互相協調且內部一致的集成化工程信息模型，建立基于統一的信息化模型的不同應用，是當前建筑行業信息化的重要內容及手段，也是整個行業信息技術水平提升的重要基礎[7]。伴隨著信息化、科技化的興起和快速發展，物聯網、大數據、云計算、人工智能等新興技術廣泛應用于建筑行業，以BIM技術為核心的智能建造體系成為建筑行業快速發展的核心驅動力，使傳統建筑行業逐步向信息化、智能化、智慧化轉變[8]。

1 BIM技術發展現狀

1.1 BIM技術行業發展現狀

BIM技術面向建筑全生命周期及不同參與方有不同應用。文獻[9]從基本應用和間接應用層面詳細指導了BIM技術在規劃、設計、施工、運營等階段的應用。如圖1所示，包括①策劃階段 立項、場地分析等；②設計階段 設計創作、能耗分析、結構分析、光照分析、機電分析、綠色評價、設計檢查等；③施工階段 場地利用規劃、施工體系策劃、數字建造、3D控制與策劃、3D協同等；④運營階段 維保計劃、建筑系統分析、資產管理、空間管理、防災規劃、記錄模型等。分期計劃、成本測算、實時建模等應用貫穿于主要甚至全部階段。關于BIM技術的上述應用已有大量研究探索，在此不再贅述。除此之外，BIM技術還廣泛應用于工地管理、裝配式建筑、建筑機器人等領域。

圖1 BIM技術在建筑全生命周期管理中的應用

1)工地管理領域 利用BIM技術可視化和高度模擬實際施工現場特點，可給予項目團隊和施工人員更直觀和全面的技術和安全交底，預先發現施工過程中存在的問題并予以改善和解決[10]。BIM數據庫技術可幫助施工現場管理人員對海量數據進行信息化動態管理[11]，有效提高了建造階段管理效率和質量。對于高處墜物、機械碰撞等施工現場高風險區域和場景，可通過VP(virtual prototyping)、傳感器等技術進行實時監控和識別[12]，同時結合BIM模型和RFID標簽對工人進行動態定位[13]，實現對人機料等相關數據的采集和處理，建立全方位的安全預警平臺[14]，降低施工現場事故率。此外，利用BIM的安全分析軟件可提前做好必要的安全培訓、技術指導及相關的安全應急預案。BIM技術包含了建筑項目中所有數據信息，可使工人在動態模式下發現大部分安全隱患，如塔式起重機在某個位置時容易與其他機械和建筑實體發生碰撞，可制定相對應的安全措施從而杜絕危險的發生[15]。同時也可在模擬中進行施工交通、安全防護設施搭建、安全救助等可視化呈現，為項目施工管理帶來精細化的提升[16]。

2)裝配式建筑領域 利用BIM技術可針對裝配式建筑設計專業集成度要求高的特點，通過構建BIM設計平臺實現不同專業間的高效協同，此外還可通過BIM技術的云端服務器、標準化族庫[17]及模塊化設計理念和方法[18]，在實現裝配式預制構件標準化的基礎上，通過多樣化的組合豐富住宅戶型種類，優化建筑方案，更好地滿足居住者個性化需求。同時，還可結合裝配式建筑生產階段特點，利用BIM技術進行計劃、調度、庫存等生產相關管理，構件質量信息集成和快速查詢[19]及構件物流跟蹤電子標簽信息化管理，提升項目生產和管理效率及構件生產品質。通過BIM技術與RFID技術結合，快速讀取構件相關信息，追蹤構件實時狀態，提升構件進場和吊裝的管理效率[20]。

3)建筑機器人領域 可通過在BIM模型中提取建筑物相關幾何信息建立適合于建筑機器人的導航地圖，結合相關算法工具實現自主路徑規劃[21]。對于一些裝飾施工天花吊桿、曲面戶型飄板等復雜放樣工作，基于BIM技術的放樣機器人同樣可結合數字化模型并通過激光快速精確放樣定位[22-23]。

1.2 BIM技術在我國的發展

BIM技術雖然在我國引入時間較晚，但建筑行業和各界對BIM技術的應用和支持，使BIM技術在我國飛速發展[24-27]。據統計，目前我國各大中型國有企業基本擁有BIM團隊，大型民營企業也有BIM顧問，建筑企業中只有21%未計劃使用BIM技術，37%處于計劃使用BIM技術，建筑企業整體應用BIM技術的占比已達42%[28]。國家在2003年、2011年、2016年陸續發布了3個《建筑業信息化發展綱要》，要求建筑業需與BIM、物聯網、人工智能等新一代信息技術相結合，完善信息化標準體系，實現工程項目全方位、全過程的智能化技術集成應用[29]。國家有關部委為推動建筑行業信息化及BIM技術的普及，近年出臺了多項政策指引，部分統計如表1所示。

表1 部分BIM相關政策

2 BIM技術功能特點及其與新興技術的結合使用

2.1 BIM技術功能特點

經總結歸納前人研究[7,24,30-31]，BIM技術具有以下功能特點。

1)參數化建模 參數信息包括圖元信息和非圖元信息。輸入圖元構件信息，BIM即可直接進行建筑、結構、機電、暖通、裝飾裝修等設計，自動創建三維動態模型。模型還可包含建筑構件、設備、參與方、任務等功能性和說明性信息，如構件數量、材料性能、材料價格、參與方信息、任務資料、管理過程等。所有信息、模型共同構成一個動態的項目BIM數據庫。

2)仿真化模擬 與CAD二維圖紙呈現、人腦疊加各專業圖紙不同，BIM可將建立的模型三維可視化呈現，并將不同專業圖紙疊加后呈現，不受個人專業水平、空間想象能力及理解差異影響，減少出錯概率和溝通成本。數據庫可以增加、修改信息，模型可實時自動更新、動態調整，高度仿真模擬建筑物理實體及項目管理實際情況，成為其“數字孿生體”。BIM中數據可計算和運算，通過二次開發或兼容其他分析軟件可實現工程信息統計分析、比對分析、碰撞檢查、參數驗算、指標測算及分析決策等功能。

3)多元化輸出 BIM數據庫中存儲的信息、模型及運算分析結果均可根據需要輸出，包括平面圖、立面圖、剖面圖和三維效果圖等圖形數據及文本、表格等非圖形數據。尤其各類運算分析結果可用于后續計算機處理或人工分析，如輔助設計、成本算量、協同采購、計劃排程及工地管理等。

4)關聯性更新 基于參數化建模和統一的BIM數據庫，數據與模型具有良好的信息一致性和繼承性，任何信息的修改或增減均能自動同步更新至所有相關的圖元及各專業圖紙，無需逐個手工修改圖元、圖層，該特性可減少人工修改的時間和錯誤，保證信息準確性。這些更新能關聯到后續運算分析結果，實現輸出結果的實時更新。

5)開放性共享 2005年，國際協同工作聯盟(IAI，International Alliance for Interoperability)制定了面向三維建筑對象的工業基礎類(IFC，industry foundation classes)數據模型標準。該標準在國際建設工程領域得到了廣泛認可，大部分基于BIM技術的應用軟件均支持IFC標準。只要輸入BIM模型數據、二次開發及其他關聯分析軟件均采用IFC標準，各參與方即可實現數據共享、同步協同及面向特定需求的軟件開發。

2.2 BIM技術與新興技術的結合使用

基于上述功能特點，BIM技術以IFC數據模型標準為基礎，以建模軟件(如Revit，CATIA等)為核心工具，以分析、檢查、管理、可視化等軟件(如PKPM，Navisworks、魯班、3D max等)為應用工具，滿足建模、繪圖、結構分析、機電分析、可視化模擬、模型檢查、設計深化、造價管理、運營管理等生產需求。近年來，物聯網、大數據、云計算、人工智能等新興技術蓬勃發展，并逐步與BIM技術結合，促進智能建造發展。

新興技術與BIM技術結合使用，從數據流角度包括數據感知采集、傳輸存儲、運算分析、呈現應用等。數據感知采集包括圖片及視頻拍攝、激光掃描、GPS(全球定位系統)定位、GIS(地理信息系統)采集、聲光熱煙等傳感器感知等。數據通過互聯網、IoT(物聯網)、5G技術等傳輸給數據中心，運用大數據、云存儲、區塊鏈等技術進行存儲管理，再經云計算、邊緣計算、AI(人工智能)等技術進行運算分析決策，最后以3D(三維)、4D(三維+)、VR(虛擬現實)、AR(增強現實)等技術將分析決策結果模擬呈現并發送給應用終端進行執行。面向智能建造的BIM技術體系如圖2所示。

圖2 面向智能建造的BIM技術體系

為實現上述新興技術與BIM技術的融合，需搭建包括基礎資源平臺、數據管理平臺、分析決策平臺等數據服務平臺。基礎資源平臺包括BIM基礎資源庫和BIM族庫，前者包括標準構件庫、材質庫、構造庫、屬性庫及構件數據匹配、數據校驗等工具；后者包括建筑、結構、水暖電、裝修、景觀等專項族庫定制。數據管理平臺包括BIM編碼體系、BIM空間編碼及數據分級模板等管理。分析決策平臺主要由數字化中臺、算法中臺和決策分析中臺組成，數字化中臺可實現構件智能識別、文件解析、模型解析、圖形壓縮、圖形加密等功能；算法中臺具有智能規劃算法、智能模審算法、智慧工地算法、BIM運維算法及其他AI算法；分析決策中臺包含數據評估、數據可視化、數據指標可視化、業務部門決策支持等模塊。

上述數據服務過程需由IoT基礎、BIM圖形處理、BIM區塊鏈、BIM應用服務等平臺提供基礎技術支持。IoT基礎平臺主要解決設備連接管理、產品管理、數據管理和運維管理等問題。BIM圖形處理平臺主要實現圖形引擎、協同引擎、幾何算法等功能。BIM區塊鏈平臺主要包含數字資產保護應用及BIM信息管理。BIM應用服務平臺聚焦于用戶管理、數據集成和圖譜集成等。

3 BIM技術在智能化管理中的應用

BIM技術在設計管理、成本管理、采購管理和施工管理等環節可實現系統性的智能化管理，如圖3所示。

圖3 BIM技術在智能化管理中的應用

3.1 BIM技術在設計管理中的應用

3.1.1無人機踏勘與測繪

傳統場地踏勘需多方多次前往場地，出差成本高、周期長，易出現關注點不同、踏勘不完整、描述不清晰等問題。傳統測繪為人工RTK單點測繪，外業人員工作量大，成果受人員影響因素大；成果較為單一，二維圖紙不利于理解現場真實情況；當遇到大場地或山地項目時存在人力消耗大、周期長、差旅成本高、安全風險大等問題。

無人機踏勘與測繪具有高精度、高效率、低成本的優勢：全要素采集，厘米級精度，準確反映真實情況；采集速度快，1km2的外業采集與正射建模僅需1人·日；一次采集可輸出實景模型、地形圖、高程展點圖及正射影像等多種成果，可供多個階段的多個參與方多次使用，大幅降低人工及差旅成本，持續創造價值。

無人機采集的現場照片經實景建模技術處理，可獲得高精度實景模型與數字高程模型。實景模型可提供項目及周邊建筑的真實數據，分析場地不利因素；與BIM技術結合可輔助分析日照、通風、可視度等；與方案模型集成可直觀反映設計條件，輔助方案論證與決策；與BIM模型集成聯用可輔助場地布置分析與決策。數字高程模型可快速生成地形圖，準確反映項目狀況，用于強排及設計方案提資；也可快速生成高程展點圖，用于前期土方量測算。

3.1.2施工圖正向設計與集成設計

為實現設計協同過程中各專業的數據聯動、不同項目階段之間信息的有效傳遞，并為后續項目應用提供高質量數據支持，研發基于BIM技術的施工圖正向設計解決方案顯得尤為重要。方案主要包括技術標準、基礎資源庫、族庫管理、業務數據集成、智能設計插件等功能。建立統一的技術標準，打造適用于正向設計的標準化組織方式、操作流程和管理模式。建立標準化基礎資源庫，涵蓋標準部品部件庫、結構化數據等，支持快速輸出圖紙和業務清單，并為各業務數據拉通提供基礎。族庫包含建筑、結構、機電、裝飾等全專業構件管理；審查入庫功能確保上傳構件數據和標準的統一；云端、本地互動，實現批量下載。方案還可提供設計過程工具集，協助完成設計過程的模型建立、快捷標注、圖紙生成；提供設計管理工具集，實現樣板維護、材質管理、協同交互等功能；提供數據管理工具集，實現參數的批量編輯、編碼體系的靈活反寫等功能。

正向設計具有多重優勢：①輸出成果多樣 基于BIM模型可輸出模型、數據、圖紙、圖片等多種格式成果，滿足不同業務需求；②成果質量更高 基于BIM模型輸出的成果一致、信息閉合，節省校審及修改時間；③出圖速度更快 定制輔助設計工具，為正向設計賦能，降低設計人員門檻；④成果自動校審 基于BIM平臺的自動審查工具可實現模型智能化合規性校審；⑤數據關聯打通 實現設計、成本、質量、計劃各業務間數據關聯，為BIM平臺應用提供數據支持。

傳統木模消耗大量木材資源、污染環境、危害工人健康、重復利用率低、施工質量受工人個體水平影響大。可避免上述短板的鋁模工藝正在替代木模工藝。傳統腳手架安全隱患大、占用大量材料、消耗大量人工，爬架可有效解決上述弊端。鋁模及爬架施工前需在施工圖基礎上進行專項深化設計。BIM模型在建筑圖、結構圖和施工圖基礎上集成設計鋁模、爬架可增強圖紙的集成性、整體性和準確性，為相關施工提供準確、安全保障。

3.2 BIM技術在成本采購管理中的應用

3.2.1成本算量

傳統工程算量工作需多方成本人員識別圖紙建模計算，耗時耗力，易產生理解爭議及重算漏算等錯誤。基于BIM技術的成本算量系統通過分析完整的BIM模型、快速云計算，可提供各階段工程量清單及材料用量清單。系統內置算法規則庫，該庫基于企業清單編制，涵蓋算量規則，與BIM模型構件元素分類關聯，確保各專業構件精準出量。系統還內置了成本清單庫，該庫含清單分類、清單編碼、項目特征、計量單位、計算規則等，并通過配套算法，實現云端快速算量及工程量核對。此外，系統可進行構件多維度快速過濾、屬性項精準過濾，支持構件與清單工程量的聯動查看；內置的多維度標準報表模板支持用戶自定義報表。

BIM成本算量優勢：①快速高效 云端算量可提升算量速率90%以上，統一建筑信息來源、建模規范及計算規則，一模多用，減少對量、減少爭議；②計算準確 算法庫清單庫配套，精準計算；③用戶友好 WEB端操作，快速生成清單、可視化呈現。

3.2.2采購協同

動態模擬項目施工進度的虛擬建造系統可與BIM模型中的進度計劃比對，實時預警各項材料采購節點，預警觸發點功能已考慮材料下單、生產、運輸等過程所需的時間。結合BIM成本算量系統獲得的各階段材料用量清單及企業與供應商之間前置確定的集采流程與價格，包含建設單位、施工單位和供應商的BIM平臺可一鍵智能下單。下單后進度管理系統可實時監測排產、送貨、進場驗收、臺賬登記，提高工作效率、減少人為跟進的錯誤和延誤。基于BIM成本算量系統輸出的材料用量清單完整準確，可減少超量采購、早采積壓及緊急零采帶來的浪費、延誤，降本增效，實現項目高質量管控。

3.3 BIM技術在智慧工地中的應用

構筑一個以BIM模型為核心、集成物聯設備、智能設備為基礎的智能、高效、精益的智慧工地施工管理一體化平臺，有利于管理精細化、效益最大化。人員管理、視頻監控、設備監管和自動排程是實現智慧工地進度、質量、安全、環境管理的基礎：①身份證自動識別 快速錄入工人實名信息，自動采集考勤數據；設置工人或勞務分包隊伍黑名單，在項目間共享，可加強控制用工風險。②實時錄制、存儲監控畫面 支持電腦端、手機端查看、抓拍、回放等功能，幫助管理人員隨時了解施工現場及場周實際情況。③利用IoT物聯網將現場大型設備進行實時監測，配合設備檔案，做到“事前監督、事中監測、事后分析”。④根據事先輸入的用戶計劃管理標準及輸入的項目信息，BIM模型可自動鋪排總進度計劃及單項施工計劃，輸出自動排程結果。

智慧工地系統通過運算決策可實現更多高階智能化功能：①項目實時進度信息輸入BIM動態模型形成“虛擬建造”，由其可提取出進度日報表、周報表、月報表，將其與排程結果進行比對，可有效預警進度超前或滯后、不平衡推進等情況，并及時聯動采購協同、質量管理等；虛擬建造中同步記錄了施工日志及相冊，為管理復盤、事后追責提供依據。②移動端通過輸入圖片、文字，并啟動、跟進和關閉質量管理流程；設置節點提醒、逾期提醒，可實現隨時發現、隨時處理、節點跟蹤、責任到人，有效提高質量整改效率。③安全法規、重點檢查項可輸入到基于BIM模型的管理系統中，安全檢查隨時發現問題隨時發起整改流程，整改銷項、逾期提醒、驗收記錄全部智能化管理、數字化記錄。④通過IoT物聯網可對施工用水、用電、粉塵和噪聲進行實時監測預警，有助于節約資源、減少環境污染。

3.4 BIM技術在協同平臺中的應用

招采、施工、交付甚至后期運維等多階段多用戶會多次瀏覽或使用BIM模型中的設計成果和招采施工信息，將相關信息集中于BIM協同平臺，有助于實現上述需求。該平臺主要包括以下功能：①設計文檔管理 設計成果文檔統一管理，數據源統一，版本管理清晰可追溯，支持PC，PAD及手機端，方便文檔管理操作，提高圖模查看借閱效率；下發接收精準實時，減少圖模不一致導致的工作誤差；文檔瀏覽記錄清晰，文檔安全有保障；②在線輕量化瀏覽 兼容多種設計軟件格式的2D圖紙、3D模型在線輕量化、平臺化快速解析、渲染、瀏覽，用戶無需安裝各類專業軟件，實現建筑工程項目快速準確作業；輕量化瀏覽便于用戶在各應用場景中瀏覽、操作圖紙和模型；③多端協同 各階段各專業多角色跨平臺協同，覆蓋多業務場景、多端信息協同，保障信息同步不滯后、問題解決形成閉環。

4 BIM技術在建筑機器人施工中的應用

BIM技術應用于建筑機器人的研究逐步出現，如機器人仿真系統、建筑3D打印、組件裝配作業、協助焊接作業等[32-35]，但應用于工程施工現場的研究鮮見報道。

4.1 FMS機器人協同管理系統

基于Fleet Management System開發的FMS機器人協同管理系統通過對接項目BIM數據平臺、測量數據平臺、仿真系統、智能排程系統、物料供給系統、智能升降機系統等，為機器人提供作業任務管理、動態路徑規劃、多設備協同服務，完成機器人補料、機器人跨樓層作業、機器人清洗及充電等功能。系統構成及功能如圖4所示。

圖4 FMS機器人協同管理系統

FMS機器人協同管理系統核心業務包括：①場景展示 樓層場景、樓棟場景、項目場景，分層次展示和管理。②地圖服務 編輯地圖空間信息、動態生成地圖和任意高度地圖、設置特征點。③路徑規劃 規劃作業路徑及行走路徑，對走廊通道等狹窄區域進行交通管制，提升機器人作業效率和安全性。④設備管理 機器人注冊、資產、狀態及計時器管理。⑤任務管理 任務接收、拆分，機器人分配，多機器人及關聯智能系統協同作業；打通智能電梯，機器人作業面不再局限于樓層、樓棟，降低整體作業成本。⑥數據管理 自動統計作業量、作業時長、作業功效和故障情況，用于分析改進、迭代升級。

4.2 BIS機器人仿真平臺

BIS(building industry simulation)機器人仿真平臺通過對建筑機器人仿真建模，并對接BIM模型與FMS機器人協同管理系統，為建筑機器人研發與檢測提供工藝、功能、性能測試仿真服務，為FMS機器人協同管理系統提供計劃任務仿真驗證服務，包括施工周期模擬、施工計劃模擬驗證、機器人施工仿真及3D場景展示等。該平臺可實現多平臺兼容，支持跨平臺交互運行，測試仿真使用便捷。根據作業數據和機器人數據進行智能評估，生成仿真分析報告，輸出仿真結果與優化建議。支持倍速仿真和微觀序列仿真多模式，仿真效率高，執行速度快，提升機器人生產效率和需求部門工作效率。模擬突發場景，不受場地控制，安全性高。

4.3 BIM-FMS-BIS集成體系

BIM模型根據計劃排程，將BIM模型數據及排程工單發送給FMS，FMS將機器人計劃施工作業任務發送給機器人列隊，使多款多臺機器人按FMS系統規劃的路徑及設備協同結果實施機器人作業。機器人可將施工現場狀態數據實時傳回FMS，再由FMS形成改進參考建議并發送給BIM模型。BIM-FMS-BIS聯用工作流程如圖5所示。

圖5 BIM-FMS-BIS聯用工作流程

與此同時，FMS將BIM數據和路徑驗證需求、機器人施工作業算法及仿真任務等發送給BIS機器人仿真平臺，BIS機器人仿真平臺根據BIM模型輸入的施工工序、導航地圖、施工物料及質量模型等信息進行路徑驗證、機器人作業仿真及策略優化，并將仿真及優化結果發送給FMS。BIS機器人仿真平臺生成仿真分析報告及3D模擬展示結果供用戶查看使用。

4.4 應用實例

以某樓層內施工任務的取料、作業為例，機器人施工管理流程如圖6所示。

圖6 機器人施工管理流程

BIM模型根據計劃排程，下發排程工單給FMS，FMS分析決策形成備料指令并發送給攪拌站，備料完成后反饋給FMS，FMS進行確認前置檢查。FMS發送運料指令給物流機器人并調度智能升降機，生成路徑、校準地圖，由物流機器人將物料經智能升降機送至施工作業位置。FMS連接作業機器人，生成作業路徑及運動路徑，發送施工指令，作業機器人完成作業。物流機器人、作業機器人將工單進度反饋給FMS，同步形成施工日志、作業報告，并將結果發送給BIM模型，實時更新BIM模型，形成現實世界中建設項目的“數字孿生體”，即虛擬建造。建筑機器人施工現場如圖7所示。

圖7 建筑機器人施工現場

5 結語

1)智能建造是建筑業高質量發展的重要途徑，BIM技術廣泛應用于建設項目全生命周期不同階段，推動智能建造快速發展，具有顯著的社會效益及廣闊的市場前景。

2)本文梳理了BIM技術發展現狀和功能特點，并從數據流、數據服務和技術支持等層面對BIM技術與新興技術的結合使用進行了探討。

3)全生命周期智能化管理是BIM技術在建設項目中的重要應用，是智能建造的重要表現形式。本文對BIM技術在設計管理、成本采購管理、智慧工地、協同管理等拓展應用進行了探討。

4)建筑機器人施工是智能建造的新興表現形式，本文對FMS機器人協同管理系統、BIS機器人仿真平臺及其與BIM模型的聯合施工體系進行了開創性探討。