基于BIM和大數(shù)據(jù)的建筑工程質(zhì)量管理研究

劉明軒

摘要：工程質(zhì)量是建筑企業(yè)生存發(fā)展的保證，建筑工程粗放式的質(zhì)量管理模式使得建筑企業(yè)轉(zhuǎn)向質(zhì)量效益型集約發(fā)展異常艱難，建筑業(yè)信息化技術(shù)的應(yīng)用成為轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、提升建筑工程質(zhì)量的重要途徑。BIM 技術(shù)是建筑業(yè)信息化的關(guān)鍵技術(shù)，為“數(shù)據(jù)化”質(zhì)量管理及大數(shù)據(jù)分析創(chuàng)造條件。但 BIM 和大數(shù)據(jù)技術(shù)集成在質(zhì)量管理方面的研究及應(yīng)用才剛剛起步，應(yīng)用方法的研究還處于“空白”。本文以建筑工程質(zhì)量管理為研究對(duì)象，創(chuàng)新性地將 BIM 與大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于建筑工程質(zhì)量管理中，系統(tǒng)研究了 BIM 和大數(shù)據(jù)在質(zhì)量管理中的實(shí)現(xiàn)路徑及應(yīng)用方法，為基于 BIM 和大數(shù)據(jù)的建筑工程質(zhì)量管理提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM；大數(shù)據(jù)；質(zhì)量管理；全面質(zhì)量管理

傳統(tǒng)的質(zhì)量管理理論經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)并不斷豐富完善，具有科學(xué)合理性，但是操作難度大，難以達(dá)到理論效果。質(zhì)量管理工作在長(zhǎng)期實(shí)踐中暴露出三方面的問題：全面質(zhì)量管理意識(shí)欠缺。全面質(zhì)量管理要求組織內(nèi)部各個(gè)部門和工作崗位都承擔(dān)質(zhì)量管理職責(zé)，在工程質(zhì)量形成的全過程中，對(duì)工程產(chǎn)品質(zhì)量及工作質(zhì)量全面負(fù)責(zé)。目前，建筑工程質(zhì)量管理以產(chǎn)品質(zhì)量控制為主，忽視了工作質(zhì)量的重要性，本末倒置；質(zhì)量管理中以事后質(zhì)量控制為主，當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)不惜以人力、物力、財(cái)力的消耗為質(zhì)量策劃和質(zhì)量保證工作的缺失買單，質(zhì)量改進(jìn)工作經(jīng)常未得到充分的重視，使得質(zhì)量管理工作經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)未得到有效積累；全員質(zhì)量管理意識(shí)不足，質(zhì)量管理職責(zé)集中于質(zhì)檢員與現(xiàn)場(chǎng)管理人員，且工作得不到全企業(yè)各職能部門的支持。質(zhì)量管理在技術(shù)上存在局限性。質(zhì)量管理的開展以 CAD 圖紙及合同、規(guī)范等文件為基礎(chǔ)，難以滿足建筑工程質(zhì)量管理對(duì)可視化的信息表達(dá)方式、高效便捷的溝通方式以及信息化管理等方面的需求。質(zhì)量管理在工作方式上亟需轉(zhuǎn)變。建筑工程的復(fù)雜性加劇了質(zhì)量管理工作的難度，亟需新的工具方法，改善現(xiàn)有工作狀態(tài)，使各參與方高效協(xié)同工作。建筑工程質(zhì)量管理無法達(dá)到理論效果的根本原因是質(zhì)量管理信息化程度低，缺乏信息集成和共享工具，造成了信息斷層和信息孤島，以致無法滿足各參與方、各專業(yè)的協(xié)同工作。現(xiàn)有的質(zhì)量管理方法亟需改進(jìn)，以滿足建筑企業(yè)對(duì)質(zhì)量效益型集約增長(zhǎng)的需求，適應(yīng)信息化、產(chǎn)業(yè)化、精細(xì)化的新常態(tài)。

一、基于 BIM 和大數(shù)據(jù)的建筑工程質(zhì)量管理理論基礎(chǔ)

1.BIM 的特征

BIM 技術(shù)的核心是信息，以軟件為載體，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建、模型應(yīng)用和信息管理，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)建筑信息化。依據(jù) BIM 的內(nèi)涵，一個(gè)完整的信息模型，應(yīng)能夠集成全生命周期的不同階段工程數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)信息的創(chuàng)建、管理和共享，并始終保持信息的一致性和完備性，為各參與方提供一個(gè)協(xié)同共享的工作平臺(tái)。BIM 技術(shù)以其自有的以下特征改變信息共享的方式，提高管理工作效率。信息的完備性：除了對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行 3D 幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系的描述，還包括對(duì)象名稱、對(duì)象類別、結(jié)構(gòu)類型、建筑材料的物理和結(jié)構(gòu)性能等設(shè)計(jì)信息；施工工序、進(jìn)度（某一構(gòu)件的施工開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間）、成本（工程量、單價(jià)）、質(zhì)量、安全以及人力、機(jī)械、材料資源等施工信息；工程安全性能、材料耐久性（使用年限、維護(hù)方法）等維護(hù)信息；對(duì)象之間的邏輯關(guān)系等等。信息的一致性：在建筑工程全生命周期不同階段，信息保持一致性，同一信息只需一次創(chuàng)建，便可在其基礎(chǔ)上自動(dòng)演化。模型對(duì)象在不同階段進(jìn)行修改和擴(kuò)展，無需重新創(chuàng)建，減少信息不一致的錯(cuò)誤。信息的動(dòng)態(tài)性：隨著工程推進(jìn)，進(jìn)度、成本、質(zhì)量等數(shù)據(jù)時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化。

2.BIM 技術(shù)原理

BIM 技術(shù)的基本原理是充分學(xué)習(xí)及開展 BIM 應(yīng)用的基礎(chǔ)，從 BIM 模型的創(chuàng)建及BIM 模型應(yīng)用兩個(gè)角度解析 BIM 技術(shù)的原理。面向構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)基于 BIM 技術(shù)構(gòu)建的 3D 實(shí)體模型代表設(shè)計(jì)成果?；?BIM 的建筑工程設(shè)計(jì)，面對(duì)的對(duì)象不是無關(guān)聯(lián)關(guān)系的點(diǎn)、線、面，而是包含豐富屬性信息且具有雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系的建筑構(gòu)件，如柱、梁、墻、板、門、窗等。每個(gè)構(gòu)件對(duì)象繼承其所屬類的屬性，以參數(shù)和參數(shù)值來表達(dá)和運(yùn)算。構(gòu)件實(shí)體對(duì)象中包含描述其自身特征的長(zhǎng)、寬、高等幾何屬性；材質(zhì)等物理結(jié)構(gòu)屬性；功能屬性等等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及技術(shù)參數(shù)、成本數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)、施工信息、維保信息等擴(kuò)展屬性信息，在建筑工程全生命周期中，只需不斷更新完善建筑信息模型的參數(shù)信息。基于單一模型協(xié)同工作全生命周期各階段項(xiàng)目管理工作的開展，以設(shè)計(jì)階段的成果——3D 實(shí)體模型（包含構(gòu)件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)，隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，各參與方不斷在 BIM 模型中輸入、更新、提取構(gòu)件的幾何參數(shù)、物理特征參數(shù)、功能屬性參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及集成項(xiàng)目質(zhì)量、安全、成本、進(jìn)度、文明施工等管理因素信息作為構(gòu)件的擴(kuò)展屬性信息，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目產(chǎn)品與質(zhì)量管理業(yè)務(wù)流程信息的集成、全生命周期信息集成和管理組織信息集成，得到全信息模型。同一構(gòu)件的屬性參數(shù)只需輸入一次，BIM 數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)更新，各參與方可在其權(quán)限范圍內(nèi)從不同的角度共享數(shù)據(jù)信息，協(xié)同開展工作。BIM 技術(shù)保證了各階段信息的連續(xù)性及一致性，有效避免信息孤島的產(chǎn)生，防止信息丟失及衰減，在全生命周期中為各參與方提供協(xié)同工作平臺(tái)。

3.基于 BIM 的質(zhì)量信息管理

信息管理是基于BIM開展質(zhì)量管理工作及形成大數(shù)據(jù)的前提。邁克爾·波特在價(jià)值鏈理論中闡述到：價(jià)值鏈?zhǔn)怯上嗷ヂ?lián)系的價(jià)值活動(dòng)組成的，不但生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)及其輔助活動(dòng)可以創(chuàng)造價(jià)值，活動(dòng)之間的聯(lián)系也可以創(chuàng)造價(jià)值，價(jià)值活動(dòng)之間聯(lián)系的優(yōu)化與協(xié)調(diào)一致可以提高整個(gè)價(jià)值鏈的總價(jià)值，從而提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?；?BIM 的質(zhì)量信息管理旨在通過信息的集成、存儲(chǔ)、共享、應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理各階段、各組織、各專業(yè)之間信息管理，并通過質(zhì)量管理信息的優(yōu)化與協(xié)調(diào)一致，來輔助和優(yōu)化全面質(zhì)量管理各活動(dòng)之間的聯(lián)系，從而提高建筑工程全面質(zhì)量管理活動(dòng)的總價(jià)值。

4. 基于 BIM 的質(zhì)量信息集成

BIM 實(shí)現(xiàn)管理的支撐是數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，因此，數(shù)據(jù)集成質(zhì)量直接影響下游質(zhì)量管理工作以及 BIM 價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。分階段、分布式的信息管理易造成信息斷層、信息孤島，切斷了信息間的聯(lián)系，且會(huì)出現(xiàn)大量冗余，無法保證信息的連續(xù)性和一致性，嚴(yán)重阻礙各參與方質(zhì)量管理活動(dòng)中信息的有效共享及協(xié)同。因此，開展 BIM 在建筑工程質(zhì)量管理中的應(yīng)用重點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)三個(gè)層面的信息集成與管理：工程產(chǎn)品及質(zhì)量管理業(yè)務(wù)信息、全生命周期過程的信息、各參與方管理組織的信息。工程產(chǎn)品信息及質(zhì)量管理業(yè)務(wù)信息集成在建筑工程全生命周期，隨著各項(xiàng)工作業(yè)務(wù)的開展，形成信息流，且信息與工作之間具有關(guān)聯(lián)性，每項(xiàng)工作均不獨(dú)立，需要獲取一定的信息作為基礎(chǔ)，并在工作過程中形成新的質(zhì)量信息?；诖?，為了實(shí)現(xiàn)下游階段能夠從上游直接獲取全面的信息以支持質(zhì)量管理工作，信息的集需要進(jìn)行通盤考慮、全局規(guī)劃，為滿足質(zhì)量管理的持續(xù)改進(jìn)，參照基于 BIM 的質(zhì)量管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息及質(zhì)量管理業(yè)務(wù)活動(dòng)信息的集成，為 BIM 質(zhì)量管理大數(shù)據(jù)的形成提供條件。建筑工程質(zhì)量管理數(shù)據(jù)包含兩方面：第一，是對(duì)建筑產(chǎn)品的描述信息；第二是對(duì)各參與方的質(zhì)量管理業(yè)務(wù)活動(dòng)描述的信息。按照建筑工程質(zhì)量管理的業(yè)務(wù)需求，建筑產(chǎn)品屬性應(yīng)具備產(chǎn)品幾何信息（類型、形狀、長(zhǎng)、寬、高、構(gòu)件間的連接方式、節(jié)點(diǎn)詳圖、鋼筋布置圖等信息）、技術(shù)信息（材料、材質(zhì)、技術(shù)參數(shù)等）、產(chǎn)品信息（供應(yīng)商、產(chǎn)品合格證、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、價(jià)格等信息）、建造信息（施工單位、施工班組、班組長(zhǎng)、建造日期、使用年限等）、維保信息（保修年限、維保頻率、維保單位、聯(lián)系方式等）等，建筑工程質(zhì)量管理業(yè)務(wù)流程的信息化以工程資料的形式呈現(xiàn)。建筑工程資料是承載工程項(xiàng)目全生命周期各項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)的重要實(shí)踐憑證和原始記錄，是按照國家法律、法規(guī)、

規(guī)章和規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)工程實(shí)施過程進(jìn)行管理和記錄的。在質(zhì)量管理業(yè)務(wù)活動(dòng)中各參與方依法建設(shè)、開展質(zhì)量管理工作以及新技術(shù)應(yīng)用等方面形成的原始記錄，是反映建筑工程質(zhì)量的重要資料，對(duì)推動(dòng)下游質(zhì)量管理工作的開展，及質(zhì)量責(zé)任的回溯追究有著重要作用。按照建筑工程質(zhì)量形成過程，將質(zhì)量管理資料分為：決策立項(xiàng)文件、建設(shè)用地文件、勘察設(shè)計(jì)文件、招投標(biāo)及合同文件、開工文件、商務(wù)文件、工程管理資料、工程技術(shù)資料、施工進(jìn)度及造價(jià)資料、工程物資資料、施工記錄、施工試驗(yàn)記錄及檢測(cè)報(bào)告、施工質(zhì)量驗(yàn)收記錄、竣工驗(yàn)收資料、竣工圖、竣工驗(yàn)收文件、竣工決算文件、竣工交檔文件、竣工總結(jié)文件、運(yùn)營維護(hù)文件等。質(zhì)量管理活動(dòng)中，按照業(yè)務(wù)流程及時(shí)集成。管理組織信息集成，管理組織信息集成的核心是協(xié)同工作。建筑工程質(zhì)量管理涉及建設(shè)單位、監(jiān)理單位、

勘測(cè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、分包單位、供應(yīng)商、運(yùn)營商等管理組織，還包括政府、咨詢機(jī)構(gòu)等。目前，各參與方間缺乏及時(shí)有效的溝通平臺(tái)，不利于充分發(fā)揮各參與方的管理水平，且易造成建筑工程整體利益的損失?；?BIM 的質(zhì)量信息管理，歸根結(jié)底需要各管理組織實(shí)現(xiàn)質(zhì)量信息的集成，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。為了保證基于 BIM信息集成的質(zhì)量，必須明確各管理組織在質(zhì)量信息集成中的職責(zé)權(quán)限及質(zhì)量信息的集成方法。

二、基于 BIM 的質(zhì)量信息存儲(chǔ)

BIM 的數(shù)據(jù)支撐是工程數(shù)據(jù)庫。BIM 數(shù)據(jù)庫將集成的信息存儲(chǔ)于其后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同實(shí)施分類存儲(chǔ)。BIM 模型中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)又分為結(jié)構(gòu)化模型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化文檔數(shù)據(jù)。BIM 數(shù)據(jù)庫將存儲(chǔ)于其中的結(jié)構(gòu)化文檔及結(jié)構(gòu)化模型數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)交換處理后存儲(chǔ)于 IFC 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。結(jié)構(gòu)化模型數(shù)據(jù)需要經(jīng)過 IFC 模型解析器，生成 IFC 對(duì)象模型數(shù)據(jù)。由于 IFC 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是基于關(guān)系模型建立的，因此需建立 IFC 對(duì)象模型與 IFC 關(guān)系模型之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化模型數(shù)據(jù)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)。結(jié)構(gòu)化文檔在 BIM 數(shù)據(jù)庫中采用 XML（Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語言）技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，用戶自定義不同類型的需交換的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的集成體組成一個(gè) XML 的 schema，以此來實(shí)現(xiàn)不同軟件間定義的、存儲(chǔ)在其相應(yīng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中實(shí)體屬性和關(guān)系屬性的數(shù)據(jù)交換。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于文件數(shù)據(jù)倉庫，并最終存儲(chǔ)于 BIM 數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)文本數(shù)據(jù)倉庫通過 IFC 關(guān)系實(shí)體與 IFC 關(guān)系型據(jù)庫建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。質(zhì)量管理過程中，模型應(yīng)用及信息管理均基于 BIM 數(shù)據(jù)庫展開

BIM 數(shù)據(jù)庫為信息的共享及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1.基于 BIM 的全過程質(zhì)量管理

建筑工程全生命周期是指建筑工程項(xiàng)目從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工，再到運(yùn)營維護(hù)，直到拆除為止的全過程，涵蓋了建筑工程的質(zhì)量?jī)r(jià)值從規(guī)劃、形成到價(jià)值傳遞，并最終退出建筑市場(chǎng)的全過程。質(zhì)量管理全過程中，由于各階段參與方不同，且部門、專業(yè)間協(xié)同難度大，信息斷層和信息孤島的存在，削弱了管理者對(duì)信息的掌控能力，使建筑工程質(zhì)量得不到實(shí)質(zhì)性的提升?！豆こ藤|(zhì)量安全提升行動(dòng)方案》（建質(zhì)[2017]57 號(hào)）中提出要加快推進(jìn)建筑信息模型（BIM）技術(shù)在建筑工程質(zhì)量管理全過程的集成應(yīng)用[85]。BIM 技術(shù)在建筑工程質(zhì)量管理方面的價(jià)值，涵蓋全生命周期，旨在優(yōu)化質(zhì)量管理活動(dòng)及其活動(dòng)之間的聯(lián)系，從而提升建筑工程質(zhì)量。因此，從全過程的角度出發(fā)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析成果，研究大數(shù)據(jù)環(huán)境下，應(yīng)用 BIM 技術(shù)提升建筑工程質(zhì)量及質(zhì)量管理效率的方法。

2. 設(shè)計(jì)階段基于 BIM 的建筑工程質(zhì)量管理

建筑工程設(shè)計(jì)是知識(shí)加工與綜合的過程，交付成果是以工程圖紙及計(jì)算書為載體的智力成果，是工程質(zhì)量目標(biāo)的具體化。從方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、至施工圖設(shè)計(jì)的完成，是一個(gè)循序漸進(jìn)、逐步細(xì)化的過程，需要各參與方、各專業(yè)的信息及知識(shí)有效交匯和傳遞，才能最大限度的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。BIM 平臺(tái)可為各參與方、各專業(yè)提供協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，真正做到“你見即我見”，基于 BIM 的建筑工程設(shè)計(jì)采用基于構(gòu)件對(duì)象的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行建筑性能模擬分析，提高設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性，為施工及運(yùn)行維護(hù)階段的質(zhì)量管理奠定基礎(chǔ)。建筑工程設(shè)計(jì)包括三個(gè)階段的工作：方案設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段與施工圖設(shè)計(jì)階段，各階段的工作環(huán)環(huán)相扣。方案設(shè)計(jì)是通過場(chǎng)地分析、對(duì)各種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行建筑性能模擬分析，完成方案的比選，最確定結(jié)構(gòu)選型；初步設(shè)計(jì)階段是在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，保證滿足項(xiàng)目質(zhì)量要求及標(biāo)準(zhǔn)；施工圖設(shè)計(jì)階段完成各專業(yè)模型的構(gòu)建，并對(duì)建筑空間合理優(yōu)化，使其符合質(zhì)量要求和標(biāo)準(zhǔn)，并滿足建設(shè)方對(duì)項(xiàng)目功能的需求，以及各參建方對(duì)施工圖紙可施工性的要求。主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題文本挖掘的結(jié)果顯示，施工階段常見的質(zhì)量問題，如：筋節(jié)點(diǎn)復(fù)雜導(dǎo)致施工困難，出現(xiàn)鋼筋缺失、損壞等現(xiàn)象；構(gòu)件尺寸標(biāo)注不明；平面、立面、剖面及明細(xì)表中信息不一致；未按圖紙施工等等造成的質(zhì)量問題，均可通過精細(xì)化的規(guī)劃設(shè)計(jì)予以解決，因此從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段介入，將質(zhì)量問題前置，開展全過程的質(zhì)量管理?；?BIM 的建筑工程設(shè)計(jì)全過程，主要由三方面的優(yōu)勢(shì)：

化設(shè)計(jì)，賦予構(gòu)件以名稱、幾何尺寸、材料信息、力學(xué)性能等定量化屬性信息以及構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證了 BIM 模型的完整性、數(shù)據(jù)的一致性及信息的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)使 BIM 模型具有可計(jì)算性。各參與方、各專業(yè)以 BIM 模型為載體協(xié)同工作，并基于可視化的模型進(jìn)行溝通、協(xié)調(diào)，淡化了設(shè)計(jì)階段各專業(yè)間清晰的工作界面，克服了各專業(yè)無法及時(shí)提取其他專業(yè)的中間設(shè)計(jì)成果而不得不采用分段、有序的串聯(lián)的工作方式?？梢暬膬?yōu)勢(shì)無論在確定建筑物與周圍環(huán)境的聯(lián)系、場(chǎng)地總平面空間布置、建筑物的空間方位、立面效果，還是建筑內(nèi)部空間場(chǎng)景，均能迅速得到與實(shí)際情況匹配的空間立體場(chǎng)景，便于跨越專業(yè)界限，實(shí)現(xiàn)各參與方充分有效的溝通?；谶@三方面優(yōu)勢(shì)開展設(shè)計(jì)工作，將大大提高設(shè)計(jì)階段的溝通協(xié)調(diào)效率，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。