郭红领 , 潘在怡
清华大学 建设管理系, 北京 100084

收稿日期：2016-07-28
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51208282，51578318）；清华大学（土水学院）-广联达BIM联合研究中心资助项目
作者简介：郭红领(1978-), 男, 副教授。E-mail:hlguo@tsinghua.edu.cn


摘要：BIM（building information modeling）技术为工程建设行业注入了新的活力，但行业对BIM的应用集中于项目规划设计阶段，较少应用于施工阶段且相关研究主要关注BIM技术的实现，较少考虑BIM实施的管理和组织过程。为了有效拓展BIM在施工阶段的应用，该文通过分析传统工程管理流程存在的问题以及BIM辅助施工管理的优势和价值，提出了施工阶段的BIM应用模式，构建了由模拟BIM系统和实时BIM系统组成的施工管理平台架构，并设计了2个系统的实施流程。结果表明：该文可为施工阶段BIM的深化应用提供参考，也能够为施工阶段的综合信息化管理提供思路。
关键词：BIM应用流程工程管理
The mode and process of BIM-aided construction management
GUO Hongling, PAN Zaiyi
Department of Construction Management, Tsinghua University, Beijing 100084, China


Abstract: BIM (building information modeling) is a promising approach for improving the efficiency of the construction industry, but it is mainly used in the planning and design of construction projects, with less use during construction. Although some research has been done to promote BIM during construction, most research has focused on the development of BIM methods with little work on the management and organization needed to implement BIM. This paper describes how to efficiently implement BIM during the construction phase by analyzing problems related to traditional construction management approaches. A conceptual framework is given for a BIM-aided construction management platform, which consists of a simulated BIM system and a real-time BIM system to further promote system implementation. This research will benefit application of BIM during the construction phase, as well as a comprehensive information management system.
Key words: BIMimplementation processconstruction management
建筑信息模型(building information modeling，BIM)是通过建筑三维数字模型的建立将与建筑工程项目相关的各项信息进行集成的方法与技术，可应用于建筑规划、设计、施工、运营管理过程中，能够显著提高工程项目管理的效率。随着建筑行业信息化的快速发展，BIM技术受到国内外广泛关注，对BIM的技术研究和应用均取得较大进展。然而，目前BIM在建筑行业的应用主要集中于项目的规划设计阶段，其在施工阶段的应用仍不完善。邓波等^[1]通过对实际项目施工阶段中BIM的应用过程分析和优化，总结出BIM在施工企业中的应用流程，认为施工企业的BIM化改造应着眼于BIM团队的构建和企业建模水平的提高。刘献伟等^[2]分析了BIM在工程施工中应用的价值和存在的问题，基于此提出施工阶段BIM的发展对策，即短期利用现有的成熟软件和工具提高效率，长期在企业内部组成BIM团队，研发软件、积累经验。蒋爱明等^[3]总结了虚拟施工技术的特点，并结合多年虚拟施工实践经验设计了利用虚拟施工技术进行工程管理的技术应用框架和工作流程。
BIM在施工阶段的应用研究主要涉及进度管理、资源管理、成本管理、安全管理、质量管理、风险管理等方面的技术实现。Li等^[4]利用4D BIM进行施工进度计划的优化，通过综合建筑模型、资源模型、进度计划、场地规划等实现资源配置和进度计划的优化。赵彬等^[5]对比传统施工过程中的进度管理方法，分析了4D BIM进度管理方法的特点及其在进度管理中的优势，包含完整的建筑信息、具有可视性和操作性、便于协同作业等。张建平等^[6]通过建立4D施工资源信息模型，构建4D施工资源管理子系统，实现了实时的资源管理和成本监控。郑浩凯^[7]分析了BIM技术在施工成本控制中的优势，构建基于BIM的施工成本控制系统，利用该系统做好施工前的成本决策和施工中的成本控制。郭红领等^[8]利用BIM和定位技术构建了工人不安全行为预警系统，通过对工人位置和行为信息的实时获取与处理，实现施工现场的安全预警与管理。李海涛^[9]分析了BIM技术在施工安全管理过程中的应用，包括构建可视化安全管理平台、施工过程预演、对施工过程中的碰撞坠落等危险因素管理。Chen等^[10]将4D BIM模型与质量管理现有的产品、组织和流程(product, organization and process，POP)模型结合，构造了基于BIM的质量管理模型，使项目管理者通过可视化的质量数据对质量管理流程更好的理解，使工程管理中的协同合作更加高效。Kang等^[11]将风险分析系统与4D BIM系统结合，使得量化分析后的风险信息实现可视化呈现。
此外，BIM在工程管理中的应用还包括对4D BIM技术的综合应用以及施工管理系统的构建。柳娟花^[12]通过专业建模软件与软件开发平台相结合的方式，实现施工过程的可视化管理，并利用二次开发实现了BIM模型的构件提取功能和碰撞检测功能。张建平等^[13]研发了基于BIM的4D施工项目管理软件，实现了施工安全的信息化管理，并通过对实际工程案例中系统的应用过程描述，体现了系统的应用效果和价值。Brilakis等^[14]提出了自动创建实时施工模型的技术框架，利用对象识别和匹配技术识别实际建筑中的构件，并自动完成模型构件的转换。张康照^[15]在此基础上利用BIM计划模型，实现BIM实时模型的自动创建，构建了基于BIM实时模型的施工进度自动化监控系统。综上所述，BIM在施工中的应用研究主要关注于相关技术的实现，而较少考虑BIM实施的组织与管理。然而，BIM技术的系统性革新不仅需要技术的进步，同时也需要流程和组织的改变^[16-18]，但大部分使用BIM的项目成员并未意识到BIM在项目组织流程改善方面的价值^[19]，这使得BIM的信息集成与协同管理等价值在施工过程中难以实现，难以促进施工过程中综合信息化管理的发展。
本文通过分析BIM在施工中的应用价值，结合工程管理的特点提出BIM在施工过程中的应用模式，针对项目管理各部门的管理需求构建施工管理平台架构，并给出管理平台中模型的创建流程及其在施工中的应用流程，以期为BIM在施工管理中的拓展应用提供参考，为施工阶段的综合信息化管理提供思路。
1 传统工程管理关键环节为了构建BIM在施工阶段的应用流程，首先应明确传统的工程管理流程。工程项目管理包括许多方面，根据目前BIM技术的发展情况，选取可以运用BIM技术的进度管理、成本管理、安全管理、场地管理4个方面，根据中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《建设工程项目管理规范(GB/T 50326—2006)》，梳理其管理关键环节, 如表 1所示。
表 1 传统工程管理关键环节

管理维度	编制计划	实施控制	调整计划	编制报告
进度管理	制订进度计划，即确定目标和任务、工作分解并确定里程碑、确定工序及其起止时间、报批	落实责任，交底进度计划；在施工过程中实施进度计划	当出现进度偏差时进行必要的修改	在每一时间节点提交进度报告
成本管理	确定项目的合同价和资源的市场价格，编制成本计划	在施工过程中根据成本计划对成本进行实时控制	比较实际成本与目标成本，进行必要的纠偏和计划调整	施工各节点进行成本核算、结算规定的工程价款；最后编制成本分析报告
安全管理	识别危险源和评价风险，据此编制安全计划，针对不同危险源制定相应对策	在施工过程中实施安全计划	按照实施的结果，不断改进安全措施	在实施之后进行绩效评价
场地管理	规划设计施工平面图，根据施工方案布置现场的机械设备以及脚手架等临时设施	施工过程中严格按照施工平面图布置施工场地，并注意防火、安全通道等场地安全问题	-	-

表选项






由表 1可知，工程管理基本按照编制计划、实施控制、调整计划这3个关键步骤进行。传统工程管理中，计划编制的依据均为二维图纸，而二维图纸缺乏关联性、出错率高、修改效率低；信息的传递和存档以纸质文件为主，施工过程中产生大量信息和数据，致使信息查找困难；方案编制主要依靠规范和技术人员的工程经验，缺少快速验证方案的方法。针对以上不足，本文将使用BIM技术辅助管理优化，以提高工程管理的效率。
2 BIM辅助施工管理的优势分析2.1 可视化4D BIM模型能展示施工各阶段中建筑主体以及机械设备、临时设施等情景，使工程技术人员和一线工人都能清晰地了解整个施工过程。三维展示相对于传统的二维图纸而言更加直观且便于理解，为工程技术人员对施工方案的比较、修改提供了支持，也为施工前对工人的培训和施工过程中工人的操作提供了参考，能减少实际操作中的失误。
2.2 模拟化BIM技术的核心在于“模拟”。在建筑项目开工前，就能对施工工序、材料与设备利用、不安全因素、成本等方面进行模拟，以辅助工程人员对施工方案进行优化，并通过持续“模拟-优化”循环过程，获得较优的施工方案。在项目施工过程中，将工程的实时情况与相关模拟结果进行比较，还可以分析施工方案的执行情况，以辅助施工过程的动态管理。
2.3 集成化BIM模型将工程项目的大量信息集成其中，且随着施工过程的进行，工程的实际信息也会集成进来，模型的信息量会越来越丰富。因此，BIM模型可直接应用于工程的进度、成本、资源、安全管理中，以实现工程的精细化管理；此外通过模型的记录功能，工程人员和公司管理层可即时对施工过程进行重现和检查，为工程项目的信息管理提供技术支持。
由以上分析可知，BIM技术在辅助施工管理方面具有较强的优势，可为施工过程信息化管理提供有效地支持。
3 施工阶段BIM应用模式建立在一项针对使用BIM的建筑施工从业人员的关于“建筑行业中BIM的应用情况的调研”(本次调研发放问卷52份，回收有效问卷45份，有效回收率86.54%)中发现，目前施工中广泛使用的BIM功能，如4D模拟、进度优化、安全管理等，80%由施工方的独立BIM团队或第三方BIM团队提供。这是因为我国施工企业还处于BIM技术应用的初期阶段，BIM的应用方面相对较为单一和分散，且掌握相关技术的人员比例偏低，BIM团队的引入有助于施工方快速、高质量地实现BIM的各种功能。因此，本文所设计的BIM应用模式由工程管理人员和专业BIM团队合作展开，共同完成施工管理任务(如图 1所示)。从施工前的准备阶段到竣工阶段，BIM团队全程介入，建立BIM模型并利用模型辅助作业与管理优化。这样的模式更符合施工企业的实际情况，也更容易发挥BIM在施工阶段的作用。

图 1 施工阶段BIM应用模式

图选项

图 2是上述BIM应用模式下的组织结构图。项目团队中的BIM团队与传统的项目团队各部门较为独立，由BIM经理单独管辖，项目经理直接领导。团队中不同成员分别负责技术、安全、资源、成本及模型管理，与项目团队相应各部门成员协作，进行相应的项目管理活动。施工企业的BIM技术操作能力相对于设计企业有所不足，有施工经验的BIM业务人员也十分稀缺，这样的组织结构能使具备BIM应用能力的技术人员和具备施工经验的工程师相互交流合作，使BIM技术更有效地应用于施工过程中。同时，施工企业也能在不同项目中逐渐积累BIM经验，提高施工过程中BIM应用的水平。

图 2 BIM应用组织架构图

图选项

4 基于BIM的施工管理平台构建为了实现BIM在施工过程中的价值，保证施工各阶段、各参与方有效的信息共享与沟通，本文建立了BIM施工管理平台架构(见图 3)。该平台利用BIM模型进行信息集成和应用，以协助项目管理各岗位进行管理工作。按照施工准备阶段和施工阶段分为模拟BIM系统和实时BIM系统2个子系统；按照信息的不同层次分为数据层、处理层和应用层。

图 3 基于BIM的施工管理平台架构

图选项

4.1 模拟BIM系统1) 数据层。
模拟BIM系统的数据来源主要有设计阶段的交付模型、施工准备阶段编制的施工进度计划、施工平面图以及成本信息。将BIM模型文件转化为IFC (industry foundation classes)标准格式信息，与项目管理软件产生的工程进度信息一起传输到系统。
2) 处理层。
将BIM模型中的构件进行WBS (work breakdown structure)编码，与进度信息链接，整合生成4D施工模型；然后按照施工平面图对模型进行场地布置，录入施工机械和临时设施的几何与非几何信息，并将模型与工程量清单及企业定额信息并联生成5D施工模型；最后结合过程模拟技术实现施工过程模拟，分析施工工序、资源冲突、空间冲突等问题，进而得到模拟BIM施工模型。
3) 应用层。
直接利用BIM施工模型为施工管理提供帮助，如施工进度、资源、成本、安全管理，各专业沟通与协调。
4.2 实时BIM系统1) 数据层。
通过激光扫描和照相测量技术收集施工现场的实时数据。激光扫描仪可以采集已完成的构筑物各构件的3D信息；照相测量技术对现场拍摄，可得到建筑构件的形状等几何信息和材料等非几何信息。
2) 处理层。
对收集到的构件3D坐标和形状、材料等信息进行处理，与模拟模型中的4D BIM模型进行对比，通过对象识别和匹配，用模拟模型中的构件生成实时BIM施工模型。
3) 应用层。
通过对比实时模型与模拟模型各子模型的信息，可以进行进度、成本、资源的监测和安全管理。实时BIM施工模型集成了施工过程中大量的信息，可供项目团队以及其他干系人进行信息调用以及在可视化环境下沟通。工程竣工后，将实时模型进行处理即可得到竣工模型，为运维阶段BIM技术的应用提供条件。
5 BIM在施工阶段应用流程设计本文将分别对模拟BIM系统和实时BIM系统的BIM施工模型构建和应用流程进行梳理。
5.1 模拟BIM系统的实施流程参与人员：施工单位(工程技术部门、成本合约部门、安全质量部门、BIM团队)，业主，监理，设计单位。
应用过程：在模拟BIM系统中，对BIM技术的应用过程主要集中在施工准备阶段模型的构建、施工计划的优化和可视化，以及施工过程中利用模型进行项目管理。设计阶段的BIM模型应考虑施工需求，包含项目的材料、设备等信息，因此本阶段直接使用设计模型进行处理得到施工模型。模拟BIM系统的实施流程，如图 4所示。

图 4 模拟BIM系统实施流程

图选项

1) 4D模型创建。
BIM团队应完成对BIM设计模型的处理，对模型进行WBS分解，并将建筑构件分类形成构件集，赋予相应的WBS编码。如有需要，还应将设计模型中缺乏的施工经济和技术信息添加于模型中，保证模型信息的完整性。然后，对进度计划进行梳理，将施工顺序、起止时间等信息提取出来，形成4D BIM模型。
2) 场地布置、成本关联。
BIM团队根据施工平面图，在4D BIM模型的基础上集成机械设备和临时设施的模型，进行施工场地的平面布置，然后对机械设备(如塔吊等)的运作路线进行模拟、对工人作业空间进行设置，实现施工作业空间布置。同时，针对模型中的每项WBS工作进行工程量与企业定额的关联，获得每项工作的成本。
3) 施工过程模拟与优化。
通过上述模型进行施工过程的模拟，对模拟过程中发现的设计问题，反馈给设计单位进行修改；对发现的施工设备使用冲突、不合理工序、空间冲突等施工方案问题，提交工程技术部门进行修改，修改结果交由业主与监理审批通过后，用于修改模拟BIM模型。然后再次进行施工过程模拟，直至模拟结果符合要求，即完成模拟BIM模型的创建。
4) 施工安全管理。
利用模拟BIM施工模型，可以对施工难点进行渲染得到动画视频，用于工人安全培训，以加深工人的理解，规范操作。此外，可以利用模型进行安全管理，如对洞口、临边安全隐患自动识别和标记，并设置防坠落栏杆模型等，亦可对其他安全隐患(如架体坍塌、物体打击、触电等)进行人工识别并标记。因此，针对这些安全隐患，可编制相应的施工安全管理计划，以提高施工现场的安全管理水平。
5.2 实时BIM系统的实施流程参与人员：施工单位(工程技术部门、成本合约部门、BIM团队), 业主，监理，设计单位。
应用过程：实时BIM施工模型是指与工程的实际进度同步、与实际建设状态一致的三维模型^[20]。在施工过程中，实时模型要根据施工进度不断更新，项目管理人员将实时模型中的实际施工信息与模拟模型中的模拟或计划数据进行比较，可以准确地判断工程的建设情况，以便对未来情况进行预测及对施工计划作出调整。实时BIM系统的实施流程，如图 5所示。

图 5 实时BIM系统实施流程

图选项

1) 实时BIM模型创建。
将模拟BIM施工模型中构件的参数信息和材料信息与实时采集的信息进行比对，识别出模拟模型中的对应构件，并将模拟模型中的构件根据实际位置进行一定变换，即可得到实时模型的构件，最终得到实时BIM施工模型。
2) 实时模型辅助进度管理。
一方面可以直接查看三维模型，直观了解项目的施工进度，在工程例会或者向更高级别的领导汇报时更加具体直观、易于沟通；另一方面可以利用实时模型统计工程量，与模拟模型中相应进度下的工程量进行对比，评估进度完成情况，以便进度预测和调整。
3) 实时模型辅助成本管理。
将施工实际进度下的资源消耗量输入模型，与成本管理子信息模型中的预算成本进行对比，根据分析结果进行成本控制，并利用实时模型分析未来的成本情况。
4) 实时模型生成竣工模型。
工程竣工后，修改实时模型直至其能表达实际建筑的所有正确信息，并删除施工过程中输入的冗余信息，保存运维阶段需要的建筑设备等信息，形成竣工模型。利用竣工模型可以生成竣工图纸、竣工决算报告等。
6 结论结合中国建筑业的发展现状以及BIM辅助工程管理的优势，即可视化、模拟化和集成化，本文提出了以独立的BIM团队辅助工程管理的BIM应用模式，设计了此模式下的应用组织结构，构建了由模拟BIM系统和实时BIM系统组成的施工管理平台架构，并设计了针对2个系统的实施流程。本研究可为中国施工企业在施工阶段深入应用BIM技术提供一定参考，有利于BIM的成功实施及应用价值最大化。

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