一種基于輕量化BIM的工程全過程管理系統的設計與實現＊

周明升，張 雯

(1.上海外高橋保稅區聯合發展有限公司，上海 200131；2.玫琳凱（中國）化妝品有限公司)

0 引言

工程建設項目涉及計劃、進度、成本、質量、風險、安全等多要素，工程立項、實施、驗收、保修等多環節，投資單位、承建單位、專業分包、監理單位、行業監管部門等多主體。麥強等學者研究了重大工程管理決策中決策關聯性、認知模糊性和偏差性、知識有限性等復雜性因素對決策過程的影響，提出用系統化方法降解重大工程項目管理復雜性[1]。李恒等學者比較了BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）在建筑項目的應用模式，認為建設單位驅動的BIM 應用更加適用我國工程項目管理[2]。

將BIM 虛擬化技術應用到工程管理系統是近幾年的研究熱點，STOTER等以荷蘭為例，構建了國土三維空間系統模型[3]，陳永高等構建了基于BIM 和物聯網的工程風險預警和管理系統架構[4]，程雨婷等按進度管理模式、進度信息管控、進度信息系統過程，構建了基于BIM 的工程項目進度管理系統[5]。張毅等、任萬鵬等分別將BIM 應用于鐵路和公路工程項目管理[6,7]，趙文滟研究了BIM 在亞運場館設計和建造過程中的應用[8]，劉欣悅研究了BIM 技術在建筑工程項目管理中應用[9]。

工程建設項目涉及環節多要素多，數據來源復雜格式多元，工程項目管理系統面對分散的海量異構數據，數據如何準確及時完整采集、處理、存儲、加工和呈現是工程建設項目管理系統發揮效果的關鍵。為解決多源數據匯集管理和BIM 建模加載（傳統BIM 模型比較復雜，加載慢）問題，本文設計一種面向多源數據、基于輕量化BIM 的工程建設項目全過程管理系統架構，實現工程建設項目的全過程全流程管控，全要素直觀展示和動態監管。

1 系統整體架構

1.1 系統架構

系統總體采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）架構，通過瀏覽器訪問。如圖1 所示，系統架構上分為用戶層、展示層、業務層、數據層四層。

圖1 系統整體架構圖

用戶層：系統使用對象包括工程投資建設單位、工程承建單位、專業分包單位、投資監理單位、政府相關監管部門等。展示層：系統可以通過瀏覽器訪問、移動設備訪問、在監管大屏展現。業務層：系統對工程項目管理全過程BIM 應用、GIS項目管理、全程計劃管控、進度管控、過程管控、質量管控、風險管控、安全管控、系統管理等。數據層：系統提供數據采集總線和數據處理總線，分別用于多源數據采集和數據處理。

1.2 數據總線

⑴數據采集總線

如圖2所示，數據采集總線分為數據接口、系統服務、系統接入三類接口，其中數據接口對接BIM 數據、GIS 數據、CAD 圖檔、現場視頻、政策法規和其他數據等多源數據，系統服務對接報批系統、財務系統、資金系統、檔案系統、知識管理系統、其他系統等自建自有系統，系統接入對接承建單位系統、專業分包單位系統、監理單位系統、政府報批報建系統等第三方系統。

圖2 系統數據采集總線架構圖

⑵數據處理總線

數據處理總線進行數據匯集、數據校驗、數據清洗、數據加工和數據呈現。本文構建的系統定義主數據，并對主數據對象實例進行標簽化，以提高系統加載和綜合查詢響應速度。以工程項目標簽化為例，增加檢索頻次、進度標簽、投資標簽、過程標簽、質量標簽、風險標簽、安全標簽等標簽，提高檢索和加載效，見圖3。

圖3 對象實例標簽化處理（工程項目）

2 系統功能模塊

功能模塊見圖4，系統將BIM 模型應用于工程建設項目進度展示、投資管理、安全監測、質量驗收等，通過GIS 進行工程建設項目地理信息、項目進度等管理。系統研發了適用于瀏覽器的項目畫布圖，用于工程項目計劃管控，實現項目進度計劃、投資計劃、銷項計劃等項目進度管控，項目立項及進度變化審批通過系統實現。項目進度管控模塊對項目進度執行情況進行管理，項目督辦和進度管理。項目過程管控模塊對項目立項、工程合同、工程付款、工程項目簽證等進行管控。項目質量管控模塊包括項目質量巡檢、質量整改、質量驗收等功能。項目風險管控模塊包括現場施工風險、交叉施工風險等功能。項目安全管控模塊包括工地安全管理、應急預案演練、現場巡查及整改等功能。系統管理模塊包括用戶信息、角色管理、用戶管理、日志管理等功能。

圖4 系統功能模塊

3 系統流程設計

工程建設項目全過程管理包括進度管理、過程管理、質量管理、風險管理、安全管理等多方面，涉及工程項目進度管控、工程質量巡檢、工程合同及付款申請等流程。

⑴項目進度管控流程

如圖5 所示，編制工程項目立項，進行立項審批，若審批通過則進入項目執行階段，若未通過則返回立項編制環節進行調整，調整后再次報批。項目執行過程中各環節維護項目進度，系統計算各項目進度是否超時，若超時則發出項目督辦單，直至工程項目驗收通過。

圖5 工程建設項目進度管控流程

⑵工程合同及付款管理流程

如圖6所示，根據工程項目立項，進行工程招標和評標，若中標單位不是已有合格供應商則先進行合格供應商入庫，確定供應商后進行合同簽訂，合同簽訂后進入合同執行環節，合同執行過程中發生變化，可通過補充協議或工程簽證進行調整，協議或簽證審批通過后調整合同金額。根據工程項目進度發起工程付款申請，若需要決算則進行決算，直至工程項目驗收。若有質保金，則質保金到期后發起質保金請款申請。

圖6 工程建設項目合同及付款管理流程

4 BIM全程應用

本文構建的工程建設項目管理系統全過程應用BIM 模型，通過BIM 建模工具和輕量化引擎實現模型快速搭建和快速加載，通過BIM 全程應用，對工程建設項目的進度、投資計劃、安全監測、工程質量等進行全過程管控。

4.1 BIM建模和輕量化

BIM模型建模和加載通常需要Revit等專業軟件，服務器資源占用大，加載速度慢，為提高加載和響應速度，本文對BIM 模型進行輕量化，可通過Chrome、Edge 等瀏覽器加載。如圖7，本文構建的BIM 模型輕量化引擎包括模型信息提取、模型輕量化、模型文件轉化三種功能[10]，通過快速建模工具、快速修改工具和批量化檢查工具實現模型信息快速提取，通過場景空間劃分、對象增量繪制、對象內存池圖元合并減少等，實現BIM 模型輕量化，通過構建模型流、對象惟一表達、模型數據壓縮等模型文件轉換實現BIM 模型快速加載。

圖7 BIM模型輕量化引擎

4.2 BIM模型應用

本文構建的BIM 在項目進度、投資計劃、安全監測、項目風險、工程質量等工程建設項目全程應用BIM 模型。①工程項目進度管理：系統實時傳感數據綁定BIM 模型，展示工程建設項目實時情況，基于BIM 技術展示工程進度及施工模擬、工程安全隱患、工程監測信息、質量驗收等信息數據。②投資計劃管理：將工程建設項目工作量和財務支出情況通過BIM模型方便系統用戶直觀的監控項目實際投資與項目進度投資差異，輔助做出建設成本判斷。③安全檢測管理：基于BIM 模型，集成監測點數據，實現三維可視化數據分析和展示，及時掌握工程安全風險情況。④工程質量驗收：基于BIM 模型，現場實際與計劃比對，對現場施工進行質量驗收。⑤交叉施工管理：用戶通過系統BIM 模型，能夠更加清晰、直觀地查看工程交叉施工狀況，可在系統中記錄交叉風險點位置、周邊環境、采取措施、地質條件等信息，進行交叉施工風險管理。

5 項目全程計劃管控

本系統研發了適用于瀏覽器的工程項目畫布圖，實現工程建設項目全程計劃管控，如圖8示，通過項目進度畫布圖對工程項目節點及完成情況進行管理，縱向為各個線路，橫向為時間軸。各節點中，關鍵節點通過小旗子來強調，灰色節點代表還未達到，綠色節點表示準時完成，紅色節點表示超時。

圖8 工程建設項目進度管控

通過顯示比例、回到左上角、顯示/隱藏節點名稱、顯示全部、下載進度圖、顯示/隱藏欄等功能鍵對畫布顯示進行調整。進度管理人員可新增、編輯、禁用各項目節點，定義和維護工程項目節點計劃。項目管理人員根據實際維護各節點完成情況。

6 系統功能實現

系統采用B/S架構，通過瀏覽器訪問，如圖9，界面上部為系統名稱、頁面名稱、用戶信息、系統登錄退出等信息，左側的分類欄可以根據頁面功能出現或隱藏（如工程立項中可列示工程類型、園區列表等），右側分上下兩部分，上半部分為檢索條件，下半部分展示查詢結果列表或詳情。

圖9 系統功能界面

系統各功能模塊可以按需選配，該系統已在上海自貿區（外高橋片區）得以實施和應用，覆蓋10平方公里區域[11]，部分功能如圖10～圖12所示。

圖10 系統首頁

圖11 工程項目立項

圖12 工程合同管理

7 總結與展望

本文構建了面向多源數據、基于輕量化BIM 的工程建設項目全過程管理系統架構，實現工程建設項目計劃管控、進度管控、過程管控、質量管控、風險管控、安全管控等全過程全流程管控。本文解決了傳統BIM 模型建模復雜、加載慢的問題，通過BIM 建模和呈現的輕量化技術、對象標簽化等方法，使系統可以在主流瀏覽器快速加載。通過數據采集總線和處理總線進行數據管理，解決了多源數據匯集和處理問題。通過適用于主流瀏覽器的工程項目畫布圖，對工程進度進行動態化管控，使數據更加客觀透明和有效。該平臺在上海自貿區實施和應用，工程進度、計劃、安全等管控水平大幅提升，工程造價每年節省幾千萬元。

后續，可在系統功能深度和廣度上擴展，推進系統數據積累和應用，不斷提升工程全過程管理信息化、數字化、智能化水平。①與更多供應商的信息系統實現互聯互通，實現更多業務系統級交互。②與工程項目成果運行維護階段的信息系統（如房產經營、園區管理、項目運維等系統）互聯互通，建立建設、管理、應用一體的管理系統，持續推進BIM 可視化應用，通過機制/體制創新，使各類數據得以持續更新，更大程度上發揮模型價值。③建立健全工程建設項目標準化體系，實現建設單位、承建單位、監理單位等管理程序體系的一體化，形成良好的工程建設項目管理生態體系。