淺析BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術在建筑工程項目材料管理中的應用價值

尚世宇 張煥芳

摘 要：文章通過分析現(xiàn)有建筑工程項目材料管理過程所面臨的管理效率低下，材料質(zhì)量難以控制等問題，利用建筑信息模型和物聯(lián)網(wǎng)技術構建項目材料管理系統(tǒng)，結合材料管理的主要環(huán)節(jié)闡釋了兩項關鍵技術在建筑工程項目材料管理中應用的核心價值是實現(xiàn)信息采集和利用的自動化、準確化和可視化。

關鍵詞：建筑信息模型（BIM）；物聯(lián)網(wǎng)；工程項目；材料管理；物料管理

中圖分類號：TP391.44；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0043-03

建筑工程施工成本構成中，建筑材料成本所占比重最大，占工程總成本的60%以上。建筑施工項目材料管理的成效和效率在施工項目資源管理中占有重要的地位，是降低工程造價，減少工程浪費，節(jié)能減排的重要途徑。工程項目管理的關鍵是信息，信息的獲取，加工，分析，整合，充分利用與透明溝通貫穿工程項目管理全過程，充分利用先進的信息化管理手段是提升工程項目材料管理效率，降低材料管理成本的重要途徑。

1 建筑工程項目材料管理中的問題

1.1 建筑工程項目材料管理的內(nèi)涵和目標

建筑工程項目材料管理是以施工進度為依據(jù)，管控與追蹤材料的設計、采購與收發(fā)、使用等的數(shù)量與時間，使材料的供應能夠達到實時且供需平衡，以確保工程依項目計劃順暢進行。其主要內(nèi)容包括材料的計劃管理、材料的進場驗收、材料的儲存與保管、材料的領用與發(fā)放、材料使用的監(jiān)督、材料的回收及周轉(zhuǎn)材料的現(xiàn)場管理。

建筑工程項目材料管理的目標是將合同范圍內(nèi)所有質(zhì)量合格的材料適時、適量、適質(zhì)、適地的提供給材料的使用者，并降低項目總成本，使正確的材料，在正確的時間，用在正確的位置上。其最終的目的節(jié)約材料費用，降低工程成本。

1.2 工程項目材料管理困難

若工程項目部要達到以上材料管理的目標，從材料的采購到材料的回收及統(tǒng)計核算，工程項目部的材料管理人員需要進行大量管理工作，并和項目部其他工作多有交叉配合，比如預算員的成本核算和計劃員的資源計劃，在工作的交接界面上也容易造成諸多諸如工作量分配、工作進度配合等問題，這項工作在人力資源成本不斷上升的情況下，會顯著的提高人力成本，或者降低材料管理的目標。這一過程可從項目現(xiàn)場材料管理的流程進行分析。

1.2.1 材料計劃管理

準確的材料的使用計劃是材料管理的基礎。開工前的一次性計劃可以以投標時施工圖預算中匯總的材料用量為基礎向企業(yè)的材料采購部門提出，作為備料的依據(jù)。但是在施工中，需要根據(jù)施工的進度，提出供料的月度計劃，這個計劃需要配合施工進度計劃的編制統(tǒng)計每個月的資源需求，還要結合工程變更調(diào)整，在實際施工過程中還會發(fā)生一些不確定的情況，傳統(tǒng)的手算方法很難跟上工程進度的調(diào)整，最終導致工地現(xiàn)場的庫存很難控制，進而導致材料供應計劃名存實亡，被擱置不用。

發(fā)生這樣問題的核心在于使用傳統(tǒng)手算根據(jù)實時進度計算和調(diào)整材料供應的工作量較大，傳統(tǒng)預算的編制方法是為了得到整個工程項目的總費用和整體的材料的用量，在進行施工時，材料用量按照進度和施工局部進行歸集時會遇到困難，工作量大。

1.2.2 材料進場驗收

材料進場時必須根據(jù)進料計劃、送料憑證、質(zhì)量保證書或產(chǎn)品合格證，對材料的數(shù)量和質(zhì)量進行驗收，但是在當前的市場環(huán)境下，項目人員往往缺乏可靠的工具檢驗材料是否存在假冒偽劣，一般的證件防偽手段都比較容易被仿冒。

所以現(xiàn)在除了驗收品種、規(guī)格、型號、數(shù)量、證件外，主要的材料還需要見證取樣，但是為了防止中途化驗樣品更換，檢驗過程一般應由項目管理人員全程跟蹤。過程比較繁瑣，需要等待檢驗合格報告后才可以進場，而如果項目施工人員在拿到正式的材料檢驗報告前施工，一旦材料檢驗報告不合格，施工單位則需要承擔責任。

1.2.3 材料的儲存與保管

工地現(xiàn)場需要按材料的規(guī)格、類型、性能分類儲存?zhèn)}庫或者特定的儲存場所。倉庫需要安全、干燥，滿足材料的儲存條件。但是如果材料丟失或者被盜，則很難發(fā)現(xiàn)，因為材料員整理清點材料很難做到每天清點，而發(fā)現(xiàn)材料不夠時可能已經(jīng)錯過查找的時機。在現(xiàn)在施工用地越來越緊張的情況下，工地上很難有集中的場地用作倉庫，需要有更加可靠的措施保障材料的安全。

1.2.4 材料領發(fā)與回收

限額領料是控制材料超額領用的好方法，但前提是準確的預估領料的數(shù)量，根據(jù)定額領料固然是好的，但是在企業(yè)沒有自己的企業(yè)定額的情況下，參照國家定額與實際施工是有誤差可能誤差較大。

另外，材料管理員如果對每天的工程進度和實時的施工情況不了解，則無法判斷領料人員是否超額領料，只能進行事后的總量控制，而不是在領料時進行預控。限額領料單的填制與記錄也耗時耗力，由此建立的領發(fā)料臺賬記錄，很難進行多角度的核算和分析，從而確定領發(fā)狀況、節(jié)超狀況和使用效率。特別是異形建筑，預估材料的使用就更加困難，而對于超高層建筑，因為害怕少領材料會多次使用電梯，浪費時間，多余的材料通過施工電梯或者起重機再運送下來也較困難。

1.2.5 材料使用監(jiān)督

現(xiàn)場材料管理人員應對現(xiàn)場材料的使用進行分工監(jiān)督，檢查是監(jiān)督的手段，檢查要做到情況有記錄、原因有分析、責任有明確、處理有結果。但是若各個局部同時施工，監(jiān)督需要大量的人力資源，監(jiān)督管理成本會上升。

2 材料管理中BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術的應用價值

2.1 BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術的概念

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），是當前建筑企業(yè)信息化的核心技術，它將一個建筑項目整個生命周期，從規(guī)劃、設計、施工到運營維護內(nèi)的各種信息和建筑的空間三維信息相聯(lián)系，形成一個多維數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫通常是在建筑項目整個生命周期內(nèi)，通過項目各方結合自己工作，提取建筑的三維信息，并將產(chǎn)生的新信息與之相關聯(lián)而逐步完善的，比如添加建筑材料相關材質(zhì)、價格、供應商等各種信息，形成建筑工程項目材料信息庫。BIM為建筑工程項目提供了良好的信息利用的平臺。

物聯(lián)網(wǎng)技術是通過射頻識別（Radio Frequency Identificati

on，RFID）、GPS全球定位系統(tǒng)、傳感器、激光掃描等設備，將現(xiàn)實世界中的物體以網(wǎng)絡的形式連接起來，實現(xiàn)物體與網(wǎng)絡間的信息交互，最終達到對物體的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能的技術。在物聯(lián)網(wǎng)技術提供的無線傳感、物品標識等技術支持下，工程項目各階段的信息可以實現(xiàn)互聯(lián)、傳遞、分析、處理和反應等過程，為項目決策者提供輔助決策的信息支持。

2.2 BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術在項目材料管理中應用

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術的應用

物聯(lián)網(wǎng)技術正廣泛的運用在物流和供應管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件/快運包裹處理、道路自動收費等領域。物聯(lián)網(wǎng)技術的快速普及在于物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術能夠快速、實時、準確采集與處理信息，從而節(jié)省勞動力成本。通過采用RFID，美國沃爾瑪每年可以節(jié)省約80億美元，其中大部分是因為不需要人工查看進貨的條碼而節(jié)省的勞動力成本。

RFID有助于解決零售業(yè)商品斷貨和因盜竊和供應鏈被攪亂而損失的產(chǎn)品損耗的難題，據(jù)研究機構估計，RFID技術能夠幫助把沃爾瑪失竊和存貨水平降低25%。

對于建筑工程項目，對重要的材料在廠商生產(chǎn)的時候就植入RFID芯片或貼上電子標簽，對施工過程中的材料運輸、進場、出入庫、盤點、領料等都可以采用RFID電子標簽的閱讀器進行信息的快速讀取，通過物聯(lián)網(wǎng)進行跟蹤和監(jiān)控，方便物流、倉庫管理。

在實際應用中，可進一步通過應用軟件集成Ethernet或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。

2.2.2 利用BIM技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的結合

BIM技術的出現(xiàn)不僅可整合建筑工程的圖形化及非圖形化資料，提供虛擬建筑實境模型，并納入流程的觀念，降低規(guī)劃、設計、施工、運維各階段轉(zhuǎn)移工程資料的信息遺漏問題。BIM5D是在三維建筑信息模型基礎上，融入“工程進度信息”與“成本造價信息”，形成由3D模型+ 1D進度+ 1D造價的五維建筑信息模型。BIM 5D集成了工程量（包括材料）信息、工程進度信息、工程造價信息，不僅能統(tǒng)計工程量，還能將建筑構件的3D模型與各種工作的施工進度相鏈接，動態(tài)地模擬施工變化過程，實施進度控制和成本造價的實時監(jiān)控。

①材料使用計劃編制。

材料的用量可以利用工程量計算模型在BIM 5D中根據(jù)匹配的定額庫直接計算得出。這個用量主要是按照構件實體的材料統(tǒng)計的，所以可以隨意切割BIM模型，BIM軟件即可統(tǒng)計出切割下局部的工程材料用量。并且根據(jù)BIM5D關系數(shù)據(jù)庫的特點，若發(fā)生工程變更，在修改工程3D模型的同時，工程量會隨之發(fā)生改變，材料數(shù)據(jù)庫會始終保持在最新的狀態(tài)。在和工作分解結構（Work Breakdown Structure ，WBS）以及工程進度結合后，可以方便的按照時間進度統(tǒng)計材料用量并編制月度材料計劃。如果每天將工程進度錄入系統(tǒng)，還可預估出第二天的材料用量。

②材料進場驗收。

利用對RFID標簽的認證和加密，保證材料來源的唯一性，并在電子標簽中添加材料的各種生產(chǎn)信息，比如生產(chǎn)時間、重量、成分組成信息、使用注意事項、甚至生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重要加工信息，這種電子認證可以伴隨質(zhì)量保證書一起提供，從而保證產(chǎn)品的來源，中途不會被更換，從而杜絕假冒偽劣產(chǎn)品。在見證取樣過程中，同樣因為RFID標簽的唯一性，有效防止中途化驗樣品更換，檢驗過程不再項目管理人員全程跟蹤，節(jié)省勞動力成本。檢測人員可將信息寫入檢測報告的電子標簽，并將加密的信息傳回項目部，項目部即可使用材料。

③材料的儲存與保管。

在材料儲存的過程中，因為有了電子標簽，對材料進行盤點，變得非常容易，只需用閱讀器直接閱讀電子標簽，并可將馬上整理出材料的規(guī)格、類型、性能分類等列表和領用表進行對比，發(fā)現(xiàn)材料數(shù)量、規(guī)格是否有異常變化，可以做到日清日結，并且監(jiān)控材料的庫存水平，既不會因為材料的短缺造成停工與誤工，又不會儲存大量材料，增加庫存面積和周轉(zhuǎn)資金。若材料被盜，工地周圍的自動信息閱讀器，一旦檢測到電子標簽，則會觸動報警裝置，保障材料安全。

④材料領發(fā)與回收。

材料管理員在BIM軟件的幫助下，可以判斷領料人員是否超額領料。因為每次領料的記錄會自動錄入到系統(tǒng)，如果領料人員所領取的材料超過了正常使用量與正常損耗之和，系統(tǒng)則會提醒。限額領料單也不需要填寫，可以在系統(tǒng)中選取相關材料規(guī)格和數(shù)量，在由BIM模型所生成的3D建筑界面中直接選取材料相關的位置，系統(tǒng)自動顯示相互材料位置，出庫閱讀器自動閱讀電子標簽，即可完成材料出庫。和視頻監(jiān)控配合，甚至可以做到材料自助出庫。由材料的出庫記錄和與之相連的建筑構件信息，可以領發(fā)料臺賬記錄，并進行多角度的核算和分析，從而確定領發(fā)狀況、節(jié)超狀況和使用效率，通過計劃與實際工程材料的消耗進行對比，分析之間產(chǎn)生差值原因，提高項目材料管理能力，并且，積累的數(shù)據(jù)為逐步形成或者修正企業(yè)自己的材料定額提供充分的依據(jù)，提高施工單位整體的材料管理能力。

⑤材料使用監(jiān)督。

在工地現(xiàn)場，材料管理人員可以使用閱讀器對材料的電子標簽進行驗證，確認材料的使用，在后臺的系統(tǒng)中可以看到材料被使用的記錄，對于某些特殊的材料，還可以將電子標簽嵌入到結構構件之中，后期可以進行讀取以監(jiān)控材料的使用狀態(tài)。

所以，BIM技術的可視性、可模擬性以及形成多維數(shù)據(jù)庫是物聯(lián)網(wǎng)在建筑工程中應用的理想平臺和基礎數(shù)據(jù)模型。而物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的有效延伸，包含并兼容了互聯(lián)網(wǎng)所有的應用和資源。工程項目材料管理作為連接建筑項目供應鏈的紐帶，并且具有多目標、多維度管理的特點，是BIM技術和物聯(lián)網(wǎng)技術應用的良好平臺。

3 BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術在建設工程項目材料管理中的 應用案例分析

3.1 2008年北京奧運村內(nèi)物流管理系統(tǒng)的應用

“奧運村空間規(guī)劃及物資管理信息系統(tǒng)”即是在物聯(lián)網(wǎng)和BIM聯(lián)合應用的雛形。

首次在奧運村信息系統(tǒng)中使用的BIM技術，與傳統(tǒng)的物資管理信息系統(tǒng)難以直觀、準確、快捷相比，BIM實現(xiàn)了在虛擬的世界中進行現(xiàn)實的奧運村的物流管理，顯著提升了龐大物流管理的直觀性、降低了操作難度，得以讓奧運村物流管理在物資品種多、數(shù)量大、空間單元復雜、空間單元及資產(chǎn)歸屬要求絕對準確、物資進出頻繁、作業(yè)集中度高的情況下高效、有序和安全地運行。

奧運村房間的格局、所有物資器材信息等都被數(shù)字化的導入到奧運村的三維模型中。設計師創(chuàng)建奧運村空間規(guī)劃及設施的建筑信息模型，在完成奧運村空間規(guī)劃的同時，自動產(chǎn)生與奧運村三維模型對應的物資、設施數(shù)據(jù)庫，確保了奧運村的資產(chǎn)管理、物流服務可視化和高效性。這可以讓非專業(yè)人員直觀、可視地看到所服務目標的各種變化帶來的影響和要求。

3.2 上海中心項目

上海中心項目中，通過以BIM技術，以管道預制化為基礎，實現(xiàn)了物資歸類統(tǒng)計、分區(qū)段配送與錯峰運輸?shù)拇怪边\輸方案。

首先，利用魯班BIM軟件對各類建筑材料進行按系統(tǒng)、按施工作業(yè)區(qū)域進行歸類統(tǒng)計，并要求材料供應商按統(tǒng)計結果將管道、配件進行分裝后運送到材料配送中心。改變了以往供應商按規(guī)格配送，施工人員領用后自行運送至作業(yè)面的現(xiàn)象，改用以作業(yè)面為包裝及配送單位的物流辦法。

這種辦法通過BIM模型對材料進行的精確歸類統(tǒng)計，大幅度地減少了材料發(fā)放審核的管理工作。

其次，以系統(tǒng)與作業(yè)區(qū)域相結合的配送方式可以有效控制材料領用的誤差，減少了不必要的人員與材料運輸成本。并通過夜間運輸、錯峰運輸?shù)仁侄危梢宰畲笙薅鹊亟鉀Q施工高峰期垂直運輸矛盾。對于市區(qū)工程，有助于提升材料的預制加工件現(xiàn)場裝配比例，減少現(xiàn)場對加工場地的空間需求、減少噪音污染和能耗、降低生產(chǎn)事故比例。

4 結 語

通過構建并應用基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術的建筑工程項目材料管理體系，可以實現(xiàn)大量材料信息的錄入，保證材料統(tǒng)計計算的準確和及時，通過材料的全程監(jiān)控控制材料質(zhì)量，提高材料管理工作效率，方便施工單位對工程材料和成本進行管理控制。

目前，BIM模型研究還偏重于設計階段的應用，RFID等物聯(lián)網(wǎng)技術還只是片段化應用，整個建筑產(chǎn)業(yè)鏈還未實現(xiàn)數(shù)字化管理，圍繞材料的制造、運輸、現(xiàn)場管理、建造的全過程動態(tài)可視化管理，還需要進一步研究。

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