基于BIM 5D 的項目安全與質量協同管理研究

曹源 吳賢國 馮宗寶 李昕奕 劉俊

（1. 重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160；2.華中科技大學，武漢 430070）

引言

當前，中國處于高速發展階段，“數字中國”已成為中國的一張新名片，作為中國經濟支柱性產業之一的建筑業，迎接數字化轉型自然順應數字化變革趨勢[1,2]。BIM5D 技術隨著建筑業的信息化應運而生，盡管該項技術已經提出了很多年，但由于不同因素的影響，應用效果并不理想，還處于初級探索階段，與國外一些發達國家相比還存在差距[3]。為此，近年來，國內行業學者和工程技術人員圍繞如何將BIM 技術與工程項目施工過程相融合這一課題開展了研究。例如，張銘等[4]基于BIM 進行建筑結構機電多專業協同設計研究。袁俊平等[5]基于BIM 研究大壩可視化安全監測。焦迎春等[6]把BIM5D 技術應用在施工階段成本控制中。研究主要集中在大土木范圍項目的可視化應用，多側重利用BIM 技術解決項目管理中設計也有涉及建設過程中質量與安全協同管理及其應用模式問題的研究，但基于BIM 技術的管理操作主要依靠高性能計算機及桌面客戶端，限制了操作人員的使用地點，使得大部分項目的施工管理都是由人工去主導，其工地的施工情況都是在上報處理前，通過現場人工查看確定信息，然后再做出相應的處理方案，造成了信息反饋不及時或遺漏，也增加了現場質量和安全隱患[7]。同時，還可能出現生產效率和工程質量水平降低、成本提高、施工周期延長、工程事故增多等情況，特別是對于一些重大工程項目，由于工程量普遍較大，難以通過傳統的手工方式記錄信息確保工程質量和安全，這就更加迫切地需要信息化管理[8,9]。根據我國住房和城鄉建設部發布的數據和文獻顯示，建筑行業成為我國最危險的行業之一[10,11]。如何保障工程質量，保護施工相關人員的生命財產安全，減少安全事故的發生，避免安全事故瞞報、漏報，杜絕安全隱患迫在眉睫。為此，系統思考與分析基于BIM5D 的安全與質量協同管理就顯得尤為重要，具有重要的實踐應用價值。

鑒于此，筆者將BIM 技術引入項目安全與質量管理工作中，通過“事前預防”的BIM 技術（建立Revit模型、深化設計、施工模擬、可視化技術交底），和“事中控制”的BIM5D+智慧工地決策系統，實踐驗證了基于BIM5D 的工程安全與質量協同管理的可行性。

1 基于BIM5D 的工程安全與質量協同管理構思

BIM 是繼 CAD 之后，建筑業第二次顛覆性的設計改革，是AEC（建筑（Architecture）、工程（Engineering）、建造（Construction））行業中最重要、最具發展前景的變革之一[10,11]。BIM 模型與傳統的3DCAD 模型不同的是，在傳統的3DCAD 模型中，3DCAD 只描述具有獨立三維視圖的設施點(如平面、剖面和垂直)。如果修改了其中一個視圖，則必須相應地更新其他視圖，而BIM 模型的信息更新則是同步的。此外，3D CAD繪圖中的數據只是圖形實體，例如直線、圓弧和圓。相反，BIM 集成更豐富的語義信息，整個生命周期中的所有幾何和功能屬性在一個“智能對象”集合[12]。4D 建模過程引入了另一個維度——時間的虛擬表示，這意味著BIM 過程的所有方面（圖形模型、管理、成本、資源、安全問題等）可以從時間角度表示、查看和分析。如今，包含成本估算的第五維度（5D）被許多研究人員和行業專業人士所接受[13]。因此，可以將BIM 的應用描述為允許動態虛擬分析進度、成本、資源、安全、質量等的3D 數據擴展到ND 信息模型的過程。這個nD 模型提供了一個數據庫，讓利益相關者能夠緊密有效地共享資源，通過同一系統檢索所需的信息，從而有利于項目參與各方在整個項目生命周期中協調工作[10]。所以，廣義上說，BIM 既是一種信息模型，也是一種數字化建造的技術和理念。另外，隨著經濟和文化的進步以及公眾對質量、安全、環境的關注，“以人為本的價值”正在逐步提上議程，獲得經濟利潤不再是項目管理的最大目標，BIM 技術開始用于項目的質量和安全控制領域。

本研究注重安全和質量問題的“事前預防，事中控制”，借助BIM5D 工程智慧建造安全與質量協同管理原理和廣聯達智慧決策系統，構建思路如下：

（1）事前智能建造，預防安全和質量問題。

利用智能建造技術，建立信息模型。設計階段通過碰撞檢查，施工前通過虛擬建造，對工人及相關技術人員進行三維可視化培訓和技術交底，提升技術交底的效果，還可以提前把關系工程質量和安全的問題暴露出來，在縮短工期的同時，達到消除安全隱患和保證工程質量的目的。

碰撞檢查是指在工程項目中各不同專業(結構、暖通、消防、水電等)利用BIM 技術對空間碰撞預先(一般為設計階段)進行檢測。從前在CAD 二維圖紙中，不能清晰的了解管線、設備等專業線型空間的走勢，導致在施工階段，才發現管線產生碰撞，造成工期的延誤、帶來經濟損失，嚴重時甚至影響施工安全和質量。現在利用BIM 技術，在設計階段，通過BIM 模型可以直觀地查看管線碰撞問題，并利用軟件生成檢查報告，減少因“錯、漏、碰、缺”等原因造成的經濟損失、人工浪費等問題[14]。

虛擬建造是指通過BIM 技術建立信息模型并對施工過程進行模擬，實現施工過程的實時、逼真預演，進而對已有的施工方案進行驗證、優化和完善。在對施工過程進行三維模擬操作后，能預知在實際施工過程中可能遇到的問題，避免或減少返工導致的工期延長和資源浪費，避免不必要的質量和安全問題，提高施工效率[15]。

可視化技術交底基于BIM 技術進行建筑項目三維可視化交底。建筑行業一線的建筑工人文化程度普遍不高，傳統的交底不夠直觀，工人往往看不懂，記不住，相關的措施規定不能有效傳遞至工地現場，使得技術交底流于形式，從而埋下安全和質量隱患[16]。而BIM的表達方法“所見即所得”，更有利于施工人員直觀領悟，從而做到心中有數。尤其對一些復雜工藝方案和復雜節點，在提高效率的同時，可以保障安全和質量。

（2）事中信息化管理，控制質量與安全問題。

施工安全和質量一直是工程施工的一個大問題，很難用數據進行量化，控制起來難度大。另外，在傳統的施工方式中，施工管理人員對安全的防范意識很薄弱，總是等到出現問題才去解決和關注，對于整個工程項目來說，這樣不僅會拖累工程進度，還會造成不必要的損失。本研究利用廣聯達BIM5D+智慧工地數據決策系統，收集、整理、分析移動終端收集到的各類安全問題，以圖表形式呈現分析結果，并對重要問題進行實時預警。管理人員可以及時發現問題并督促整改，保證項目安全，提升工程質量。管理人員能及時發現問題，督促整改，使工程項目安全得到保障，工程質量得到提高。

2 基于BIM5D 工程安全與質量協同管理實踐

2.1 工程概況

項目擬建地點位于成渝高速以北、興龍大道以東的重慶某校區東北角。項目地上六層、地下兩層、建筑高度23.85 米。建筑工程等級為一級，基礎形式為獨立基礎和樁基礎，主體結構為框架結構，場地類別為Ⅱ類，總建筑面積31 483.08m2，集辦公、教學、實訓一體，地下車庫為三個實訓樓共用。

2.2 工程難點及關鍵問題

2.2.1 技術問題

三棟實訓樓共用一個地下車庫，車庫較大，管線較為復雜，所以對模型進行深化設計及施工模擬就顯得尤為必要。通過深化設計，可以讓問題提前暴露，縮短工期，使整體布局更加美觀從而更好地實現其功能性。

2.2.2 管理問題

工程實施是整個工程周期的關鍵環節，工程實施中會遇到各種管理問題，會遇到類似新冠疫情等突發事件或者設計沖突問題，采用傳統的管理方式效率會有所降低。為此，結合整個實訓區域的項目，有必要采用信息化管理。

2.3 前期準備

2.3.1 信息模型的建立

BIM 信息模型是進行項目管理的基礎，該案例項目的信息模型及渲染圖片如圖1 所示。

圖1 項目信息模型及渲染圖片

2.3.2 信息集成模型的建立

BIM5D 的信息模型集成如圖2 所示，可以直觀地呈現建筑模型及構件，能夠直接獲取各方面信息。同時，還具備可進行模型展示的漫游功能，為項目管理提供數據支撐，大大減少了施工方和設計師的交流障礙，實現有效決策、精細管理的目的。

圖2 BIM5D 集成模型

2.3.3 BIM5D 智慧工地管理系統界面設計

BIM5D 工程智能建造安全與質量協同管理研究是采用廣聯達數字管理平臺對工程進行創建和管理。登錄電腦端或網頁版會出現一個管理系統，根據需要進行不同的界面設計和使用。

（1）項目概況

把Revit 模型導入智慧工地系統，為后期安全與質量管理做準備，其界面如圖3 所示。

圖3 BIM ＋智慧工地數據決策系統-項目概況

（2）質量管理

該界面可以進行質量問題統計和分類，還可以把尚未解決、需誰解決的問題進行統計和注明，將施工過程中出現的質量問題類型，質量負責人，質量問題趨向以圖形的方式，直接且全面的展示出來，如圖4所示。

圖4 BIM ＋智慧工地數據決策系統-質量管理

（3）安全管理

該頁面能夠把容易發生的安全隱患、安全隱患類型、安全隱患的趨勢、未銷隱患的負責人、未消隱患的分析以圖形的方式直接清楚的表達出來，工程中的隱患和隱患對應負責人可以清晰呈現，使竣工與建議復查更方便快捷，如圖5 所示。

圖5 BIM ＋智慧工地數據決策系統-安全管理

2.4 工程管理的應用實施

2.4.1 深化設計

在模型基礎上進行管綜碰撞檢查時，本項目最多最常見的就是噴淋支管與其他線管產生的碰撞，碰撞數量高達123 處，如圖6 所示。通過碰撞檢查，提前把關系工程質量和安全的問題暴露出來，縮短計劃工期1 個月。

圖6 噴淋支管與其他線管產生的碰撞結果

2.4.2 事前施工模擬及可視化技術交底

利用廣聯達BIM 施工現場布置GCB 軟件對本工程進行施工模擬，將施工順序、資源調配等問題進行提前預演，模擬結果如圖7 所示。在此基礎上，進行可視化技術交底，如圖8 所示。

圖7 本項目施工動畫模擬結果截圖

圖8 可視化技術交底

2.4.3 事中質量與安全信息化管理

在質量安全信息化管理要做到以下幾點。

（1）質量安全問題庫的建立

創建問題時，相應的負責人、審核人、整改人就會收到質量問題信息。整改人整改完成后，同時可以把未銷項問題部位導出Excel 表格，審核人的手機平臺就能立即更新記錄，及時上傳文字、照片、視頻等信息資料，即便甲方或項目經理不在現場也不影響整個工程進度，實現了數字化工地全程實時監控。

（2）質量與安全問題的統計與查詢

BIM 智慧決策系統通過問題統計及問題臺帳等維度進行大數據分析，質安經理及項目經理可隨時進入網頁及手機端質量或安全管理模塊查看質量和安全問題臺帳。

（3）質量與安全問題定點巡視

①管理層可在系統質量和安全管理模塊設置巡查點、巡視內容、巡查要求、巡查頻次，在BIM 模型中進行標記并推送給指定巡視人員。具有安全、質量從業資格的現場巡檢人員通過手機端接收巡視任務，在施工現場相應位置，根據巡視具體要求進行針對性定點巡檢，將問題添加巡視記錄，發現問題及時進行預警和上報，降低巡檢給各個部門增加工作量。所有數據自動分析，為后期追責及分包管理提供科學數據支撐；

②通過巡檢信息顯示的位置，結合施工圖，找到需要修整的位置，然后拍照上傳，待復查Web 能發布非常詳細數據，能第一時間解決問題或把解決問題的權限移交給能夠解決該問題的人。

（4）質量與安全問題整改動態跟蹤

利用BIM5D 智慧決策系統對質量和安全問題進行多視口可視化動態管控，工人未佩戴或者未正確佩戴安全帽、脫離正常工作范圍等不安全行為都會及時進行預警。另外，系統每天對任務完成情況進行自動分析，全面掌握施工進展。針對以上巡查的質量、安全問題進行整改，對整改過程進行動態跟蹤，具體步驟如下：

①巡查問題發布后，作為整改人的手機數字項目管理平臺APP 上，就會收到一個整改提醒，登錄后整改問題就會清晰呈現，包括問題的產生、現狀、危急程度以及在工程的哪個部位。整改人整改完成后，在數字項目管理平臺APP 上傳整改好的質量問題部位，然后轉交復查人。復查人復查確認沒有問題后交由審核人，如果有問題，就會發回整改人，重新整改。審核人確認無誤后問題才算整改完成。如果遇到沒有辦法整改的問題，復查和審核的人還可以進行權限轉交，問題整改記錄；

②整改完成后，上傳整改數據，由復查人員進行復查，復查時拍照上傳現場照片或者視頻以確保信息的準確性并留存檔案，保證數據的準確性。移動端接收整改數據，通知復查人員進行復查，復查合格給予通過，退回或移交權限，讓高一級的人員核檢，進一步加強質量和安全；

③核檢人員接收數據，進行核檢。移動端通知核檢人員進行核檢，合格給予通過，不合格退回或移交權限，讓高一級的人員核檢，保證現場施工的質量和后期安全。

綜上所述，在施工質量管理方面，廣聯達BIM5D智慧決策系統比起傳統施工方式的質量管理提供了新的管理工具，能在BIM 模型中將出現質量問題的構件標明，還可以在現場記錄問題并進行動態跟蹤，對于后面的整改人員來說，大大提高了工作效率，也保證了工程質量。在施工安全管理方面，廣聯達BIM5D 智慧決策系統也打破了傳統的管理模式，通過系統對施工安全問題進行錄入及采集，可以實時查看施工中出現的安全問題。系統會自動統計問題并生成問題曲線，通過曲線可以知道安全問題數量、類型、發展趨勢等等。我們可以根據曲線判斷安全隱患是否排除，處理的時間。這樣提高了工程中安全問題的發現率、整改率和管理人員的工作效率，更好地保障了項目的安全。

3 結論

數字時代的到來，迫使建筑行業轉型升級。本文基于BIM5D 工程智慧建造進行安全與質量協同管理構思實踐框架，并基于實際案例進行研究分析。首先，建立了廣聯達BIM5D 所需要的信息模型，并依托廣聯達智慧工地管理系統進行界面設計。然后，在施工前，對信息模型進行深化設計和施工模擬，將質量和安全問題提前暴露。最后，依托廣聯達智慧工地管理系統對質量與安全管理進行協同管理。通過以上研究得出了如下結論：

（1）建立信息模型并進行地下室管綜深化設計，可以減少返工造成的不必要麻煩，提前把工程質量和安全問題暴露出來；

（2）通過施工虛擬模擬可以保證物資的有序進場和合理堆放，為安全文明施工提供基礎；

（3）通過BIM5D+智慧工地數據決策系統將移動端采集的各類質量與安全問題進行歸集、整理、分析，將分析結果以圖表形式呈現，并對關鍵問題進行預警，及時發現問題，保證項目安全，提升工程質量。

4 展望

傳統施工管理主要依靠管理人員的經驗和水平判斷，更多采用事中和事后控制，難以實現項目的全面管控，難以實現各參與主體的及時協調。本項目基于PDCA 循環原理對項目進行“事前虛擬預防”，“事中智能管理”，并借助智慧建造技術和廣聯達BIM5D+智慧工地數據決策系統進行項目安全與質量協同管理。但研究并不深入，主要存在以下問題：

（1）研究廣度需要提升。在應用過程中，僅對安全和質量這兩個施工中最為關注的話題進行了挖掘，沒有考慮其他成本、進度、碳排放等方面的問題，應用的廣度有待提升，后續研究廣度方面同樣需要繼續努力；

（2）研究深度有待挖掘。質量和安全問題是很難進行量化的，后續研究需要關注質量和安全問題的量化方法，爭取做到與成本、進度一樣的量化和多目標優化，進而推進信息技術驅動的建筑行業創新發展。

在建筑行業進入信息化時代的路上，信息管理必將會與5G 技術、物聯網技術結合，必將給建筑行業帶來更多的效益，我們期待未來更深、更廣的研究和探討。