基于多維建筑信息模型（BIM）的項目全生命周期數據管理及其工程應用研究

張烈霞

（中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西西安 710032）

大數據是與自然資源、人力資源一樣重要的戰略資源，是一個國家數字主權的體現。此時，對數據進行管理變得必要且急切［1］。對于建筑領域，隨著我國城市化建設的快速發展，越來越多重大工程項目得以建設。工程項目的施工規模大、技術難度高，在項目的全生命周期中將誕生海量的數據，對數據管理提出新的挑戰［2］。傳統項目數據管理模式已難以達到預期的工程效果［3］。建筑信息建模（building information modeling，BIM）技術為工程全生命周期管理與優化提供了新途徑［4］，通過BIM 技術可優化整體建筑設計、提高工程效率，從而實現智能化項目管理以及建筑業的可持續發展［5］。項目全生命周期中誕生大量的數據，基于BIM 技術的項目全生命周期數據管理不僅可以獲取到BIM 模型中蘊含的大量項目數據，而且可將數據在BIM 模型中可視化。BIM 技術可圍繞工程項目的全生命周期統一集成管理進而提供協調溝通平臺，繼而通過可視化、協調性、優化性來解決實際工程難題。

1 多維建筑信息模型研究現狀

BIM 技術已由發展初期的三維模型拓展到多維模型。如Wang 等［5］提出由建筑模型、設備模型、鋼框架模型和實體模型等構建三維BIM，并將進度管理模型與三維項目管理模型進行集成構建了七維BIM 模型；Ding 等［6］提出將安全、質量、碳排放信息等集成到三維BIM 模型中繼而拓展形成n維BIM模型。另外，宋戰平等［7］從多維體系構架出發提出了考慮時間、成本、質量、安全以及環保等維度信息的BIM 模型的八維架構，如圖1 所示。由此表明，研究者在探究具體某個維度集成到BIM 模型時，較多地考慮了進度管理、成本管理、質量管理、環境管理以及安全管理等5 個維度。

圖1 八維BIM 架構

1.1 基于BIM 技術的工程進度管理

進度管理是工程項目管理中最基本、最常規的內容，直接關系到項目經濟效益。1997 年，英國思克萊德大學的Adjei-Kumi 等［8］學者提出的PROVISYS 模型在施工模擬、進度管理上具有顯著優勢，但在施工計劃管理方面存在明顯不足，繼而BIM 技術被快速引入到工程進度管理中；Sun 等［9］基于BIM 技術建立了建設項目成本、進度風險預警模型（BIM-CPCSREWM），進行有效的風險評估；Kim 等［10］通過BIM 技術4D 屬性進行工程進度管理，實現項目進度可視化、項目竣工數量核算及項目進度評估。國內4D BIM 技術理論的研究最早起源于清華大學［11］，張建平等［12-13］開發了計算機圖像計劃系統（GCPSU），該系統可應用于工程進度管理及現場管理；李勇［14］提出將BIM 技術和LC 關鍵技術集成，實現了施工進度的有效控制；薛維銳［15］基于普適計算和BIM 技術，結合信息融合理論構建了面向協同施工的工程項目進度信息集成模型。另外，馬少雄［16］基于BIM 技術構建了工程施工進度動態預警系統，實現了BIM 模型與監測信息的動態耦合（如圖2 所示）；蔣雅麗［17］基于4D BIM 技術構建了施工進度管理實施框架，分析了施工進度優化中工期、資源、費用的關系。由此可見，BIM 技術已被普遍應用于工程項目進度管理，這為進度管理提供了自動化信息更新，實現了工程進度的可視化管控。同時，BIM 技術為進度管理過程中運用普適計算、人工智能、三維激光掃描等技術提供平臺，增強了進度管理的智能化程度。

圖2 基于BIM 技術的關鍵鏈工序動態預警模型

1.2 基于BIM 技術的工程成本管理

圖3 統計了2010—2019 年的施工成本管理的研究趨勢［18］，可以看出BIM 技術越來越多地被應用于施工成本管理中。如劉欣［18］基于語義Web 建立了建筑成本信息管理框架，從工程實際對建筑領域成本信息進行管理；吳宇迪［19］提出利用智慧建設信息模型及子模型對非結構化的成本信息進行集成管理，表明智慧成本管理的優勢及可行性；胡鉑［20］指出BIM 成本控制包括事前糾偏、節約成本，事中糾偏、成本核算；鄭浩凱［21］基于BIM 施工成本決策模型對備選方案進行優化，達到了事前控制的目的；李強年等［22］、趙敬忠［23］通過BIM 技術集成物聯網、RFID、4D 可視化、云計算方法與先進建造技術融合提出了基于智慧建造的智慧施工成本管理體系，從中心度、原因度與結果度三維度提出了工程成本精細化管理的對策和建議；段曉晨等［24］運用PDCA、EVM、BIM 技術建立了運營維護成本預測模型，通過工程數據驗證了運維成本管理的效果。

圖3 2010—2019 年施工成本管理熱點研究

以上分析表明，基于BIM 技術的工程成本管理是項目數字化、智能化成本管理的基礎，BIM 技術為其提供平臺及數據支撐。

1.3 基于BIM 技術的工程質量管理

工程質量是衡量一個工程成功與否的關鍵，而傳統質量管理方法效率低下、管理繁瑣、數據混亂的缺點已無法適應新型工程領域的需求。如孟曉威［25］運用BIM 技術對影響數據中心項目質量的主要因素進行優化，建立了基于多層次灰色綜合評價模型的質量管理效果評價體系并提出了BIM-PDCA 循環理論；楊森森［26］對比分析了BIM 技術施工質量控制優勢，構建的工程質量控制體系為BIM 技術在施工質量控制中的應用提供了新思路；趙才魁［27］結合BIM 技術、數字化管理平臺、智慧工地系統研究了事前、事中、事后的質量管理控制措施；孫浩［28］基于BIM 技術構建了工程施工質量管理體系，優化了PDCA 循環流程及質量控制應用并對評價體系及實施效果進行了量化分析以上表明，與傳統質量管理方法如PDCA 循環、事前事中事后控制及4M1E管理相比，工程質量管理通過引入BIM 技術并與其他技術結合，如三維激光掃描技術、灰色綜合評價模型等，可以有效提高質量管理智能化程度進而為工程體系安全及快速施工提供保障。

1.4 基于BIM 技術的工程環境管理

BIM 技術是一種高效測量新建筑施工碳排放的方法。如Zhou 等［29］提出了一種基于BIM 技術的裝配式建筑項目物化階段的碳排放量測量方法；李雪梅等［30］利用BIM 技術計算了住宅樓全生命周期碳排放量，并結合BIM 技術在運營階段對住宅樓朝向、玻璃材質等環節進行改良；楊云英等［31］基于6D BIM 技術對低碳信息集成管理技術進行研究，實現了碳排放可視化測算、低碳成本和碳排放量分析，如圖4 所示。

圖4 低碳信息集成管理方案

另外，Yang 等［32］將BIM 技術和生命周期評估（LCA）集成模擬了建筑運營的能耗特征；張云翼［33］綜合應用BIM 技術、大數據理論對建筑運維期能耗大數據管理展開了系統研究。隨著可持續發展觀念的深入人心，工程全生命周期中對環境影響的控制將變得越來越重要。運用BIM 技術可以為生命周期可持續性評估提供數據支撐和結果可視化展示，可進行運維階段的能耗分析。

1.5 基于BIM 技術的工程安全管理

BIM 技術對于提高工程安全管理大有益處，但要充分應用尚存在一定障礙［34］。如Mario 等［35］應用BIM 技術進行了建筑物消防安全管理，包括疏散評估、逃生路線規劃、安全教育和設備維護4 個模塊；宋戰平等［7］基于BIM 技術構建的隧道協同管理平臺功能架構包括隧道地形管理系統、隧道施工進度管理系統、隧道成本管理系統、隧道質量管理系統、隧道能耗管理系統、隧道安全管理系統，模塊系統架構與ND 維度架構存在對應關系（見圖1）。

BIM 技術強大的數據集成能力有利于既有風險數據庫的工程風險識別及風險預警。如Silva 等［36］借助4D BIM 技術實時跟蹤了工程施工過程，分析了潛在風險及安全影響因素；趙向東［37］基于BIM 技術、現場數據及傳輸技術構建了安全信息模型。可見，基于BIM 技術的多維可視化平臺搭建對于評估工程風險、應急管理提供了可能。

2 多維BIM 構架體系構建

Wang 等［5］、Ding 等［6］、宋戰平等［7］提出的架構體系涉及維度相對較少，或是所提架構偏籠統，不夠詳細全面。基于上述已有架構體系以及BIM 技術在進度、成本、質量、安全、環境中的研究，本文提出多維建筑信息模型維度構架體系，如圖5 所示。該體系以三維BIM 技術模型為基礎，將施工進度、工程成本、工程質量、環境因素及工程安全因素進行全生命周期數據管理，從而為項目建設、施工、設計、勘察、政府及其他參與方在項目全生命周期中搭建信息交流平臺，建立的多維建筑信息模型體系可以充分發揮BIM可視化、協同性、模擬性等優勢，以達到描述過去、指導未來的目標。以三維建筑信息模型為例，該模型由建筑、結構、機電、鋼結構、場布及地形地質模型組成，如圖5 所示。

圖5 多維建筑信息模型維度構架體系

由圖6 可以看出，三維BIM 模型主要運用Autodesk Revit 進行建筑模型、結構模型、機電模型、鋼結構模型、場布模型及地質模型的構建，鋼結構模型運用Tekla 進行建模，地形地質模型運用Autodesk Civil 3D 軟件進行建模。首先對設計圖紙上的所有構件進行劃分，明確各三維BIM 模型的范圍及內容。各部分模型完成后被集成到一個模型中，進行碰撞檢測及高程分析從而消除各模型間的重復、沖突部分，調解各部分模型間相對關系。

圖6 三維數據BIM 模型

工程進度是工程三大核心控制之一，直接影響著工程質量及成本。馬少雄等［16］主要運用BIM 技術與BP 神經網絡、灰色預測模型等技術結合，通過進行可視化管理、施工進度模擬等發現存在或可能出現的進度問題。基于此，為側重關注進度問題的分析和解決，圖7 建立了進度管理模型結構。在三維BIM 模型基礎上考慮時間因素對施工進度進行分析，進而提出解決措施。將三維BIM 模型導入到Navisworks 中，在Project 中編制施工進度計劃，根據項目規模、復雜程度選擇合適的進度計劃圖表，實時更新實際進度，進而實現計劃進度和實際進度的對比分析。同時，將贏得值法、S 型曲線法及前鋒線法引入到模型中進行工程進度偏差分析，提出合適的應對措施。根據分析結果合理選擇組織、合同、技術和經濟等措施為項目建設提供保障。

圖7 工程進度數據管理模型

《建筑安裝工程費用項目組成》（建標〔2003〕206 號）指出工程成本主要包括人工費、材料費、機械使用費、企業管理費、利潤、規費及稅金，后四部分相對固定，可控制的程度相對有限。因此，成本管理的主要對象為人工費、材料費及機械使用費。段曉晨等［24］研究了成本預測模型；趙敬忠［23］分析了成本影響因素；胡鉑等［20］重點關注了成本控制。既有研究往往以成本管理過程中的局部因素分析為研究重點。為使成本管理各階段的協調統一，圖8 建立了工程成本管理模型。該模型以三維BIM模型為基礎確定清單工程量，通過清單工程量中相應子項工程量乘以估算指標中相應子項單價得到投資估算，同理獲得設計概算、施工圖預算、施工預算。投資估算用于投資決策階段，設計概算是初步設計階段確定的經濟文件，施工圖預算用于指導招投標過程，施工定額可指導編制施工組織設計。

圖8 工程成本數據管理模型

工程質量的影響因素主要包括人、材料、機械、方法及環境等，即4M1E。人對工程質量管理影響最大，故施工質量控制的關鍵應是對人的管理。施工質量控制具有影響因素多、終檢局限大等特點，以此根據建筑質量的主要影響因素和質量控制在三維BIM 模型的基礎上進行集成，再通過添加物聯網、視頻監控系統和質量管理系統來獲取建筑工程質量的相關數據。質量管理的實質主要基于數據分析對建筑工程進行的事前、事中和事后控制，由此可以構建質量管理模型構架，如圖10 所示。

圖9 表明，質量保證體系主要是反復按照PDCA循環周而復始地運轉計劃、實施、檢查、處理。該循環相互銜接、相互促進，螺旋式上升，能不斷優化工程質量，事前、事中和事后質量控制是對質量管理PDCA 循環的具體化。

圖9 工程質量數據管理模型

可持續發展作為經濟發展的前提條件，環境問題越來越受關注。將BIM 與生命周期可持續性評估（LCSA）進行集成構建的工程環境管理模型，如圖10 所示。

圖10 工程環境數據管理模型

該模型主要考慮LCSA 融合了經濟、環境和社會三重維度，包括生命周期成本（LCC）、生命周期評估（LCA）和社會生命周期評估（SLCA）。生命周期成本代表著可持續性的經濟維度，生命周期評估代表著可持續性的環境維度，社會生命周期評估代表著可持續性的社會維度。生命周期評估從能源的角度評估建筑在其生命周期中對環境的影響，但其缺點在于僅考慮環境因素而忽視工程成本和社會因素。因此，基于常規環境模型尚不完善的考慮，研究對生命周期成本、社會生命周期評估對生命周期評估進行修正，進而結合三者的綜合作用以考量建筑的可持續發展性。由此，通過三維BIM 模型為工程環境管理模型提供建筑幾何信息，物聯網系統為環境管理模型提供現場實時信息，價格數據庫為計算成本因素提供依據。最后，將建筑的評估結果引入綠色建筑認證系統，為綠色建筑認證提供依據和參考。可見，修正的工程環境管理模型可以進行可行性分析、敏感性分析、不確定性分析、優化LCA 和LCC、綠色建筑認證及情景分析。

根據安全第一、預防為主的方針，預防事故發生是安全管理的主要目標，預防關鍵在于識別危險源。圖11 為工程安全管理模型，安全管理模型的運作分為獲取數據、分析數據及處理三部分。數據獲取階段，利用三維BIM 模型得到建筑構部件三維空間信息；通過視頻監控系統、物聯網系統實時獲得施工現場人、機械、材料、環境相對關系的動態變化信息；使用安全管理系統歸納安全文檔信息。分析數據階段主要由專家系統根據上一階段獲取到的數據來識別危險源并評估。根據《職業健康安全管理體系—實施指南》可以將危險源分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 個風險等級，分別為可忽略風險、可容許風險、中度風險、重大風險和不容許風險，見表1。

表1 風險等級評估

圖11 工程安全數據管理模型

3 基于BIM 的數據管理工程應用

本文依托工程為西安市某超高層建筑，項目參建范圍含1#樓、2#樓、3#樓、4#樓、開閉所、地下車庫等。項目占地總面積17 926 m2，總建筑面積226 443.3 m2。工程現場場地狹小；材料設備進出場、現場平面布置與交通組織困難；混凝土超高層泵送；大型鋼結構安裝；深基坑作業等給工程項目管理帶來挑戰，需要構建多維建筑信息模型進行基于BIM的全生命周期數據管理。

該項目的BIM 應用主要包括以下步驟：

（1）組建BIM 團隊：BIM 管理團隊其中包括BIM 項目經理主管BIM 現場顧問、BIM 建模團隊、BIM 數據管理團隊和BIM 應用團隊，BIM 建模團隊分為建筑建模、結構建模、機電建模、場布建模、地質建模以及鋼結構建模等6 個部分，BIM 數據管理團隊分為物聯網數據、監控數據和文檔數據，BIM應用團隊分為空間管理、進度管理、成本管理、質量管理、環境管理和安全管理，明確了BIM 團隊各成員的任務和職責。

（2）編寫項目BIM 標準：項目BIM 管理團隊組建完畢后根據項目實際情況編寫《高新二路榮民科創園項目BIM 建模標準》，項目BIM 標準以企業BIM 標準為基礎，在其基礎上結合項目實際工程特點具體細化。

（3）創建BIM 模型：BIM 建模團隊基于項目圖紙，運用Autodesk Revit、Tekla、Autodesk Navisworks 等BIM 建模軟件，各專業在協同環境下分別創建各專業BIM 模型。

（4）建立基于BIM 技術的多維建筑信息模型系統架構：多維建筑信息模型系統通過BIM+數字化技術的融合創新體系全方位獲取項目全生命周期中各階段產生的各項數據。綜合考慮對上述數據的利用，建立基于BIM 技術的多維建筑信息模型系統架構，以充分進行數據管理，如圖12 所示。

圖12 基于BIM 技術的多維建筑信息模型系統架構

（5）基于多維建筑信息模型系統進行項目數據管理：基于所提出的多維建筑信息模型架構體系以及系統具體實現軟件開發架構，結合項目實際情況和建設目標，開發項目管理信息系統。

本工程采用基于多維建筑信息模型進行項目全生命周期數據管理，現已取得較好成效，在施工進度、施工質量、成本節約、安全管理等方面進行保障與改進。具體包括：通過本模型的應用，簡化了工程數據管理的復雜性，施工現場工作效率得到提升；無紙化在線審批與傳統的報告流程不同，在線報告、線上審批、審核減少了審批時間，提高了效率；數據中心存儲項目利于多方查詢，調用和管理，突破了傳統建設中單一數據管理鏈條上出現的“數據孤島”；經過長時間精確數據累積，后期能夠為項目人工智能提供大量學習數據；為項目建設智能化奠定堅實的基礎；以施工過程的數字化精細化管理來提升施工質量和保障施工效率，以現場智能化布置，大型混凝土澆筑件預埋件監控，智能化的現場人管理，精細的排管設計和塔吊電梯的數據監控來控制現場的人，料和工程質量，提升了工程質量，保障了項目施工現場的人的安全，輔助管理人員合理地安排施工計劃。

4 結論與展望

在信息時代，數據管理變得至關重要，同時，中國城市建設進程不斷加快，對工程數據管理提出更高的要求，使得BIM 技術得到廣泛的應用。5G技術、大數據、物聯網等技術的發展進一步推動了BIM 技術應用。基于BIM 的項目全生命周期數據管理具有極高的應用前景。通過對現有研究動態進行回顧，探討了多維建筑信息模型構架體系及BIM 技術在進度、成本、質量、環境、安全五維度的數據管理研究現狀，提出了考慮建筑全生命周期理念的多維建筑信息模型構架體系，并通過實際工程驗證所提出的基于多維BIM 體系進行項目全生命周期數據管理的可行性。本文的主要研究工作和結論如下：

（1）通過大量文獻回顧了基于BIM 的多維建筑信息模型研究現狀，詳細分析了基于BIM 的進度、成本、質量、安全、環境管理，并對現有多維信息模型相關研究進行分析和總結。

（2）構建多維BIM 架構體系，詳細描述該體系內具體的BIM 模型組成，即進度、成本、質量、安全、環境數據管理子模型。

（3）依托西安市某超高層建筑，基于提出的多維BIM 架構體系進行項目全生命周期數據管理，取得較好成效，驗證了所提出的基于多維BIM 體系進行項目全生命周期數據管理的可行性。

當前研究仍存在許多問題有待進一步研究解決，具體包括：多維BIM 架構體系間各維度間的關聯性有待提高；BIM 技術需要更多地結合實際工程進行二次開發和實踐應用；基于BIM 進行數據管理有待與更多新興信息技術進行深度融合。