基于BIM的工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管研究

李 弘，謝偉平，江 鑫，王 粟，曾 亮

(1 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070; 2 武漢市漢陽區(qū)建筑管理站，湖北 武漢 430000;3 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)近幾年在國內(nèi)的應(yīng)用如火如荼[1]，極大地促進(jìn)了我國建筑行業(yè)信息化進(jìn)程。BIM技術(shù)作為一種新的信息集成和管理模式，貫穿應(yīng)用于各種建筑工程的勘察、設(shè)計和施工等全生命周期中，為各參建主體(如建設(shè)、設(shè)計、施工和監(jiān)理單位等)和各專業(yè)人員提供了便捷的信息共享和協(xié)同工作平臺基礎(chǔ)[2-3]。

BIM在實際施工過程中主要應(yīng)用在可視化管理、數(shù)字信息管理、風(fēng)險預(yù)防管理、進(jìn)度控制管理等。文獻(xiàn)[4]提出了施工階段的BIM應(yīng)用模式，構(gòu)建了由模擬和實時BIM系統(tǒng)組成的施工管理平臺架構(gòu)，并設(shè)計了2個系統(tǒng)的實施流程。文獻(xiàn)[5]從理論和應(yīng)用兩方面對BIM 技術(shù)進(jìn)行研究，建立了一種云、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)與 BIM 技術(shù)統(tǒng)一集成的應(yīng)用框架。文獻(xiàn)[6]就BIM技術(shù)在綜合管廊全生命周期智慧管控中的應(yīng)用做了相應(yīng)研究。文獻(xiàn)[7]在 Microstation平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)以 EC框架為基礎(chǔ)的 BIM 模型信息擴(kuò)展，以及以外部數(shù)據(jù)庫連接為基礎(chǔ)的圖形元素信息集成。文獻(xiàn)[8]制作了一個完整的盾構(gòu)施工信息模型并設(shè)計了基于BIM的盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]結(jié)合手持設(shè)備在既有的BIM施工質(zhì)量管理模型基礎(chǔ)上開發(fā)了機(jī)電安裝工程的施工現(xiàn)場質(zhì)量管理系統(tǒng)。然而目前BIM模型操作主要依靠高性能計算機(jī)及桌面客戶端，限制了操作人員的使用地點，并且很少與監(jiān)管流程相結(jié)合[10]。

針對目前BIM應(yīng)用存在的缺陷，筆者提出了一種基于BIM實現(xiàn)工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，系統(tǒng)實現(xiàn)方案包括BIM模型輕量化引擎選擇與平臺二次開發(fā)，使BIM模型擺脫軟件端，實現(xiàn)BIM模型在Web端的操作，并對工程建設(shè)項目的質(zhì)量與安全監(jiān)管流程進(jìn)行線上處理，便于監(jiān)管流程的信息化管理。本系統(tǒng)提高了歸口管理政府部門的監(jiān)管效率、創(chuàng)新了監(jiān)管模式，對監(jiān)管過程具有積極作用。

1 工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)督管理

為了構(gòu)建BIM在質(zhì)量與安全監(jiān)督過程的應(yīng)用流程，首先應(yīng)該調(diào)研傳統(tǒng)模式下的質(zhì)量與安全監(jiān)督流程。工程項目監(jiān)督管理包括許多方面，大體可以概括為注冊登記管理、工程質(zhì)量監(jiān)督管理、安全文明監(jiān)督管理、工程問題處理管理等。

注冊登記管理主要是辦理項目的項目登記、質(zhì)量監(jiān)督登記，安全監(jiān)督登記、施工許可證登記等。由建設(shè)單位在施工前提交工程項目的相關(guān)資料，由監(jiān)管部門審核登記。

工程質(zhì)量監(jiān)督管理主要包括質(zhì)量監(jiān)管計劃管理和質(zhì)量監(jiān)督過程管理兩個部分。質(zhì)量監(jiān)管計劃管理主要包括監(jiān)督交底、資料審查、監(jiān)督計劃、監(jiān)督檢查工作預(yù)警等工作。質(zhì)量監(jiān)督小組(含項目監(jiān)督工程師)接到監(jiān)督任務(wù)后，對受監(jiān)工程現(xiàn)場進(jìn)行首次質(zhì)量監(jiān)督抽查，并對建設(shè)各方主體進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督交底，以及對各責(zé)任主體質(zhì)量行為資料進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督檢查，制定質(zhì)量監(jiān)督計劃。質(zhì)量監(jiān)督過程管理主要包括質(zhì)量監(jiān)督檢查、竣工管理、工程質(zhì)量檔案管理等工作，是質(zhì)量監(jiān)督的核心。在施工工程中，質(zhì)量監(jiān)督小組依據(jù)工程進(jìn)度和質(zhì)量監(jiān)督計劃，對工程責(zé)任主體單位(建設(shè)五方)的質(zhì)量行為進(jìn)行抽查，在工程項目竣工后，對工程項目進(jìn)行質(zhì)量驗收備案。

安全文明監(jiān)督管理主要包括安全文明監(jiān)管計劃管理和安全文明監(jiān)管過程管理兩個部分。安全文明監(jiān)管計劃管理主要包括安全監(jiān)督交底、資料審查、安全監(jiān)督工作預(yù)警等工作。安全監(jiān)督小組(含項目監(jiān)督工程師)接到安全監(jiān)督任務(wù)后，進(jìn)行現(xiàn)場安全檢查、技術(shù)交底、資料審查，制定安全監(jiān)督計劃。安全文明監(jiān)管過程管理主要包括安全監(jiān)督檢查、危大工程管理、安全驗收監(jiān)督和竣工管理等工作，是安全監(jiān)督的核心。在施工工程中，安全監(jiān)督小組依據(jù)工程進(jìn)度和監(jiān)督計劃，按程序展開日常抽查工作，對危大工程項目進(jìn)行資料審核，在工程項目竣工后，對工程項目進(jìn)行安全驗收備案。

工程問題處理管理是監(jiān)督工程師在監(jiān)督檢查過程中發(fā)現(xiàn)違法違規(guī)行為時，會對工程責(zé)任主體進(jìn)行相應(yīng)處罰。處罰方式主要包括限期整改、暫停施工、中止施工、施工約談、不良行為記錄、行政處罰等。

傳統(tǒng)工程項目管理中，主要是以紙質(zhì)文件作為信息傳遞和存檔的資料，監(jiān)管過程中會產(chǎn)生大量信息和數(shù)據(jù)，致使信息查找困難，監(jiān)管規(guī)范主要依靠監(jiān)督工程師的工程經(jīng)驗，監(jiān)管過程中的管理和服務(wù)質(zhì)量有待提高。針對傳統(tǒng)監(jiān)督管理過程中出現(xiàn)的問題，本文將使用BIM技術(shù)輔助監(jiān)督管理過程，以優(yōu)化監(jiān)管流程，提高監(jiān)管效率。

2 基于BIM的工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管系統(tǒng)

2.1 BIM模型輕量化引擎選擇與平臺二次開發(fā)

傳統(tǒng)的BIM模型只能在桌面客戶端進(jìn)行操作瀏覽，操作人員被限制在室內(nèi)。隨著信息化的發(fā)展，BIM模型從桌面客戶端走向Web端和移動端是大體的發(fā)展趨勢[11]。在施工監(jiān)管過程中，操作人員可以直接在移動設(shè)備上對模型進(jìn)行操作瀏覽將大大提升工作效率。但是由于目前瀏覽器計算能力的限制，必須對傳統(tǒng)的BIM模型進(jìn)行輕量化處理[12]。

三維模型輕量化主要可從模型輕量化顯示和模型文件轉(zhuǎn)換兩方面進(jìn)行處理。

模型輕量化顯示需要基于三維顯示引擎來搭建基于Web的模型瀏覽應(yīng)用，如WebGL標(biāo)準(zhǔn)、HTML5和Threejs技術(shù)等。在輕量化模型時主要從圖元合并、幾何構(gòu)件對象化、場景八叉樹劃分、LOD技術(shù)、模型文件壓縮等方面進(jìn)行處理。在模型輕量化顯示方面，本系統(tǒng)主要基于BIM輕量化引擎進(jìn)行二次開發(fā)。

模型文件轉(zhuǎn)換需要定義適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈募M織方式，把原始的模型文件轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸和輕量化顯示的文件格式。Forge平臺是目前主流的轉(zhuǎn)換服務(wù)架構(gòu)，它是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和拓展接口APIs的集合。系統(tǒng)首先通過Forge服務(wù)實現(xiàn)RVT、NWC 等多種主流模型文件的轉(zhuǎn)換，自動下載并部署至業(yè)務(wù)服務(wù)器(阿里云)；然后通過Nodejs服務(wù)環(huán)境，在前端架設(shè)Nginx，實現(xiàn)BIM系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能，以及模型資源的訪問，具備應(yīng)付高并發(fā)、大流量訪問的性能特點；最后網(wǎng)頁客戶端解析轉(zhuǎn)換后的模型資源，渲染展示模型。

通過輕量化技術(shù)處理后，系統(tǒng)支持海量BIM數(shù)據(jù)在云端結(jié)構(gòu)化存儲，獲取數(shù)據(jù)方便快捷；支持多模型聚合拼接，模型篩選查看；支持瀏覽模型中的2D圖紙；支持模型中構(gòu)件搜索、過濾、瀏覽構(gòu)件屬性；可手動在模型上設(shè)置檢查點，并跟具體構(gòu)件相關(guān)聯(lián)等。

2.2 工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管流程的線上處理策略

為保證施工各階段、各參與方都能進(jìn)行高效的溝通，在將傳統(tǒng)線下模式轉(zhuǎn)化為線上模式時，系統(tǒng)制定了兩種線上處理策略。

1)業(yè)務(wù)流程兼具流程引導(dǎo)和項目引導(dǎo)兩種不同方式。

用戶在使用系統(tǒng)時，可以通過流程引導(dǎo)和項目引導(dǎo)兩種不同的方式進(jìn)入業(yè)務(wù)流程。流程引導(dǎo)是指用戶可以按照既定的模塊進(jìn)入業(yè)務(wù)流程，該模塊列表中會列出當(dāng)前用戶在本階段中參與的所有項目，用戶可以階段化的處理問題。項目引導(dǎo)是指用戶可以通過項目視圖模塊進(jìn)入項目列表，項目列表中會列出當(dāng)前用戶參與的所有項目，用戶通過進(jìn)入具體項目來了解項目的進(jìn)程，可以項目化的處理問題。兩種不同的引導(dǎo)方式如圖1所示。

圖1 兩種不同的引導(dǎo)方式

2)業(yè)務(wù)流程以消息通訊方式實現(xiàn)多角色的協(xié)同和交互。

多角色的協(xié)同和交互是本系統(tǒng)的一大特點，因此在設(shè)計業(yè)務(wù)流程時，每條業(yè)務(wù)流程都進(jìn)行了流程分步處理，每一步驟對應(yīng)一個角色，第一步為本流程的發(fā)起步，通過用戶主動觸發(fā)，后面每一步驟都是在前一步驟提交后以消息通訊方式對下一角色進(jìn)行通知，對應(yīng)角色通過消息列表進(jìn)入下一步驟。多角色協(xié)同交互方式如圖2所示。

圖2 多角色協(xié)同交互方式

多業(yè)務(wù)線和多角色協(xié)同是目前工程建設(shè)項目監(jiān)管的兩大特點。本系統(tǒng)的流程引導(dǎo)和項目引導(dǎo)策略使得使用者在操作時可以根據(jù)自己的需求，動態(tài)地調(diào)整操作的視角，分別從單一維度和整體維度快速進(jìn)行相關(guān)操作。消息通訊的業(yè)務(wù)流程策略則使得各角色可以明確自身的責(zé)任步驟，同時實時查看目前的流程進(jìn)展，避免了流程指向不明確的情況。兩種線上處理策略確保了系統(tǒng)在多業(yè)務(wù)線和多角色交互的業(yè)務(wù)流程中能夠高效的運行。

2.3 流程與模型的交互功能設(shè)計

在施工過程中，業(yè)務(wù)流程與BIM模型的結(jié)合可以明顯提高工作效率。在流程與模型的交互功能上，進(jìn)行了以下設(shè)計：

1)BIM模型的基本操作(瀏覽、漫游、旋轉(zhuǎn)等，及分層分部位瀏覽等)；

2)在BIM模型中可以對施工信息添加和屬性進(jìn)行拓展；

3)各種資料可以與BIM模型中不同層次的構(gòu)件或部件綁定；

4)在BIM模型上可以添加檢查點，并快捷關(guān)聯(lián)質(zhì)量和安全監(jiān)管等具體業(yè)務(wù)流程；

5)在具體業(yè)務(wù)流程中可以反查BIM模型。

用戶在使用BIM模型或者處理業(yè)務(wù)流程時，可以實時進(jìn)行兩者的交互，能夠直觀的對工作中的問題進(jìn)行處理。

2.4 基于BIM的工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管系統(tǒng)

為促進(jìn)信息共享和優(yōu)化工程建設(shè)監(jiān)管模式[13-15]，開發(fā)了基于BIM的工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管系統(tǒng)。微服務(wù)架構(gòu)是一種最新的軟件架構(gòu)方式，它將復(fù)雜應(yīng)用按業(yè)務(wù)領(lǐng)域劃分為小模塊的自治服務(wù)。鑒于微服務(wù)架構(gòu)具有服務(wù)注冊、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)容錯、服務(wù)依賴，不同服務(wù)可以使用不同的技術(shù)架構(gòu)并且可以獨立完成交付等優(yōu)勢，系統(tǒng)開發(fā)采用微服務(wù)架構(gòu)。系統(tǒng)以GO語言(golang)做為主要開發(fā)語言，支持協(xié)程并發(fā)，多個協(xié)程之間通過Channel通信。數(shù)據(jù)庫采用分庫分表設(shè)計，將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和表按照既定的規(guī)則進(jìn)行拆分，把原本存儲在一個庫的數(shù)據(jù)分塊存儲到多個庫中，把原本存儲到一個表的數(shù)據(jù)分塊存儲到多個表中。分庫分表設(shè)計能夠有效緩解單機(jī)和單庫的性能瓶頸和壓力，突破IO、連接數(shù)、硬件資源的瓶頸，從而更好的提供數(shù)據(jù)服務(wù)。在頁面布局設(shè)計中采用響應(yīng)式布局，頁面能自動識別屏幕寬度并做出相應(yīng)的調(diào)整，布局和展示的內(nèi)容都有所變動，以一種前端頁面設(shè)計方案兼容了不同屏幕分辨率，實現(xiàn)了“一次設(shè)計，普遍適用”。系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架

用戶可以通過手機(jī)或者PC進(jìn)入系統(tǒng)Web端，在用戶進(jìn)行操作時，系統(tǒng)會進(jìn)行實時監(jiān)控，對訪問進(jìn)行控制，處理系統(tǒng)緩存，使負(fù)載達(dá)到均衡，以提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，確保用戶實現(xiàn)對BIM模型的操作以及業(yè)務(wù)流程的進(jìn)行。

3 應(yīng)用

基于BIM的工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管系統(tǒng)在武漢某政府部門的監(jiān)督管理流程中得到了成功應(yīng)用。系統(tǒng)包括我的工程臺、注冊登記、BIM模型、質(zhì)量監(jiān)督、安全監(jiān)督、報告聯(lián)動、項目視圖、輔助監(jiān)管等共13個模塊，包含了監(jiān)督管理的全部流程，可以為監(jiān)督管理的全生命周期提供服務(wù)。

其中，“我的工作臺”模塊為用戶登錄的主界面，主要針對不同角色需求將其關(guān)心的信息進(jìn)行梳理，為用戶提供個性化信息統(tǒng)計?！白缘怯洝蹦K為注冊登記管理提供服務(wù)，建設(shè)單位可以在線提交相應(yīng)資料，監(jiān)督工程師在線進(jìn)行審查?！癇IM模型”模塊提供BIM模型的在線操作、對施工信息添加和屬性拓展和在BIM模型上添加檢查點，并快捷關(guān)聯(lián)質(zhì)量和安全監(jiān)管等具體業(yè)務(wù)流程等功能，用戶可以實時進(jìn)行業(yè)務(wù)流程與BIM模型的交互?！百|(zhì)量監(jiān)督”模塊和“安全監(jiān)督”模塊分別為工程質(zhì)量監(jiān)督管理和安全文明監(jiān)督管理提供服務(wù)，監(jiān)督工程師在監(jiān)督過程中可以實時記錄現(xiàn)場情況，并以BIM模型做為輔助，更加直觀的了解項目工程施工具體情況，在項目竣工后，系統(tǒng)會自動工程項目進(jìn)行分類管理，簡化了監(jiān)管過程，優(yōu)化監(jiān)管流程?！皥蟾媛?lián)動”模塊為工程責(zé)任主體單位(建設(shè)五方)提供窗口，在項目工程的各階段，工程責(zé)任主體單位需上傳各項工程報告，監(jiān)督管理部門可以通過工程報告實時了解工程項目進(jìn)度以及出現(xiàn)的問題?！绊椖恳晥D”模塊使用戶可以通過項目引導(dǎo)方式進(jìn)入業(yè)務(wù)流程，為引導(dǎo)方式提供了多樣性?！拜o助監(jiān)管”模塊提供投訴和群訪處理臺賬、施工設(shè)備取證取牌管理和設(shè)計變更管理等功能?！皥蟊斫y(tǒng)計”模塊提供各類報表自動生成和推送功能，較傳統(tǒng)人工統(tǒng)計，報表統(tǒng)計自動生成功能提高了用戶工作效率并確保了統(tǒng)計結(jié)果的準(zhǔn)確性?！跋螺d中心”模塊主要提供規(guī)范文件的存儲、上傳、下載、查看和檢索功能?！跋⒐妗蹦K主要提供消息提醒和發(fā)布公告等功能，用戶可以通過消息提醒進(jìn)入業(yè)務(wù)流程中，方便用戶指向待辦理的業(yè)務(wù)。“歷史庫”模塊將為已完成項目提供存儲功能?！跋到y(tǒng)管理”模塊主要提供角色設(shè)定、賬號分配等功能。

基于BIM的工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管系統(tǒng)充分利用BIM技術(shù)，將監(jiān)管流程與BIM模型相結(jié)合，實現(xiàn)監(jiān)管信息和BIM模型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，將工程項目監(jiān)督管理信息化、模型化，為監(jiān)管部門提供更直觀的管理界面。由于BIM信息交流的便利性，工程項目從設(shè)計、施工到監(jiān)管階段都能進(jìn)行有效地信息溝通，系統(tǒng)可以滿足工程項目監(jiān)督管理全生命周期的要求。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)從建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管的實際監(jiān)管需求出發(fā)，首先對傳統(tǒng)的工程項目監(jiān)督管理流程進(jìn)行調(diào)研，對BIM模型進(jìn)行二次開發(fā)，提出了基于BIM的建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管線上處理策略的可行性方案，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于BIM實現(xiàn)工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管的系統(tǒng)。本系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于：1)提出了建立基于BIM的工程建設(shè)項目質(zhì)量與安全監(jiān)管的思路和設(shè)計方案，為監(jiān)管信息的集成化管理和后續(xù)擴(kuò)展提供了支撐。2)建立了基于BIM的可視化Web操作平臺，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程與BIM模型的實時交互。3)創(chuàng)新了傳統(tǒng)監(jiān)管模式，優(yōu)化監(jiān)管流程，提高監(jiān)管效率。

本系統(tǒng)在武漢某政府部門進(jìn)行了應(yīng)用試點，對歸口管理政府部門的監(jiān)管模式、監(jiān)管流程、監(jiān)管效率等方面均具有積極的意義。本研究可以給政府部門在BIM技術(shù)的應(yīng)用上提供一定參考，開拓BIM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。