BIM技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用探索*

陳 翀，李 星，姚 偉，祝 賀

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084； 2.華南理工大學(xué)工商管理學(xué)院，廣東 廣州 510640；3.廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東 佛山 528312； 4.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 珠海 519082； 5.北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，北京 100044)

0 引言

建筑業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中仍占較大比重，并直接關(guān)系到大量勞動(dòng)力就業(yè)和上下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。智能化和信息化是建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求[1]。智能建造是面向工程產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)泛在感知條件下建造生產(chǎn)水平提升和現(xiàn)場作業(yè)賦能的高級(jí)階段，是實(shí)現(xiàn)人工智能與建造要求深度融合的一種建造方式[2]。智能建造將現(xiàn)代信息技術(shù)與土木工程相結(jié)合，成為土木工程行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑[3]。

BIM(building information modeling)技術(shù)被認(rèn)為是繼CAD之后建筑行業(yè)第二次科技革命[4]，提供了貫穿工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維等全生命周期的數(shù)據(jù)信息[5]，所有參建方均可隨時(shí)利用、更新和完善BIM模型信息[6]。建設(shè)項(xiàng)目全生命周期管理引入BIM技術(shù)，創(chuàng)建和使用互相協(xié)調(diào)且內(nèi)部一致的集成化工程信息模型，建立基于統(tǒng)一的信息化模型的不同應(yīng)用，是當(dāng)前建筑行業(yè)信息化的重要內(nèi)容及手段，也是整個(gè)行業(yè)信息技術(shù)水平提升的重要基礎(chǔ)[7]。伴隨著信息化、科技化的興起和快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，以BIM技術(shù)為核心的智能建造體系成為建筑行業(yè)快速發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，使傳統(tǒng)建筑行業(yè)逐步向信息化、智能化、智慧化轉(zhuǎn)變[8]。

1 BIM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 BIM技術(shù)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

BIM技術(shù)面向建筑全生命周期及不同參與方有不同應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]從基本應(yīng)用和間接應(yīng)用層面詳細(xì)指導(dǎo)了BIM技術(shù)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等階段的應(yīng)用。如圖1所示，包括①策劃階段 立項(xiàng)、場地分析等；②設(shè)計(jì)階段 設(shè)計(jì)創(chuàng)作、能耗分析、結(jié)構(gòu)分析、光照分析、機(jī)電分析、綠色評價(jià)、設(shè)計(jì)檢查等；③施工階段 場地利用規(guī)劃、施工體系策劃、數(shù)字建造、3D控制與策劃、3D協(xié)同等；④運(yùn)營階段 維保計(jì)劃、建筑系統(tǒng)分析、資產(chǎn)管理、空間管理、防災(zāi)規(guī)劃、記錄模型等。分期計(jì)劃、成本測算、實(shí)時(shí)建模等應(yīng)用貫穿于主要甚至全部階段。關(guān)于BIM技術(shù)的上述應(yīng)用已有大量研究探索，在此不再贅述。除此之外，BIM技術(shù)還廣泛應(yīng)用于工地管理、裝配式建筑、建筑機(jī)器人等領(lǐng)域。

圖1 BIM技術(shù)在建筑全生命周期管理中的應(yīng)用

1)工地管理領(lǐng)域 利用BIM技術(shù)可視化和高度模擬實(shí)際施工現(xiàn)場特點(diǎn)，可給予項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和施工人員更直觀和全面的技術(shù)和安全交底，預(yù)先發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的問題并予以改善和解決[10]。BIM數(shù)據(jù)庫技術(shù)可幫助施工現(xiàn)場管理人員對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化動(dòng)態(tài)管理[11]，有效提高了建造階段管理效率和質(zhì)量。對于高處墜物、機(jī)械碰撞等施工現(xiàn)場高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和場景，可通過VP(virtual prototyping)、傳感器等技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和識(shí)別[12]，同時(shí)結(jié)合BIM模型和RFID標(biāo)簽對工人進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位[13]，實(shí)現(xiàn)對人機(jī)料等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和處理，建立全方位的安全預(yù)警平臺(tái)[14]，降低施工現(xiàn)場事故率。此外，利用BIM的安全分析軟件可提前做好必要的安全培訓(xùn)、技術(shù)指導(dǎo)及相關(guān)的安全應(yīng)急預(yù)案。BIM技術(shù)包含了建筑項(xiàng)目中所有數(shù)據(jù)信息，可使工人在動(dòng)態(tài)模式下發(fā)現(xiàn)大部分安全隱患，如塔式起重機(jī)在某個(gè)位置時(shí)容易與其他機(jī)械和建筑實(shí)體發(fā)生碰撞，可制定相對應(yīng)的安全措施從而杜絕危險(xiǎn)的發(fā)生[15]。同時(shí)也可在模擬中進(jìn)行施工交通、安全防護(hù)設(shè)施搭建、安全救助等可視化呈現(xiàn)，為項(xiàng)目施工管理帶來精細(xì)化的提升[16]。

2)裝配式建筑領(lǐng)域 利用BIM技術(shù)可針對裝配式建筑設(shè)計(jì)專業(yè)集成度要求高的特點(diǎn)，通過構(gòu)建BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)間的高效協(xié)同，此外還可通過BIM技術(shù)的云端服務(wù)器、標(biāo)準(zhǔn)化族庫[17]及模塊化設(shè)計(jì)理念和方法[18]，在實(shí)現(xiàn)裝配式預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，通過多樣化的組合豐富住宅戶型種類，優(yōu)化建筑方案，更好地滿足居住者個(gè)性化需求。同時(shí)，還可結(jié)合裝配式建筑生產(chǎn)階段特點(diǎn)，利用BIM技術(shù)進(jìn)行計(jì)劃、調(diào)度、庫存等生產(chǎn)相關(guān)管理，構(gòu)件質(zhì)量信息集成和快速查詢[19]及構(gòu)件物流跟蹤電子標(biāo)簽信息化管理，提升項(xiàng)目生產(chǎn)和管理效率及構(gòu)件生產(chǎn)品質(zhì)。通過BIM技術(shù)與RFID技術(shù)結(jié)合，快速讀取構(gòu)件相關(guān)信息，追蹤構(gòu)件實(shí)時(shí)狀態(tài)，提升構(gòu)件進(jìn)場和吊裝的管理效率[20]。

3)建筑機(jī)器人領(lǐng)域 可通過在BIM模型中提取建筑物相關(guān)幾何信息建立適合于建筑機(jī)器人的導(dǎo)航地圖，結(jié)合相關(guān)算法工具實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃[21]。對于一些裝飾施工天花吊桿、曲面戶型飄板等復(fù)雜放樣工作，基于BIM技術(shù)的放樣機(jī)器人同樣可結(jié)合數(shù)字化模型并通過激光快速精確放樣定位[22-23]。

1.2 BIM技術(shù)在我國的發(fā)展

BIM技術(shù)雖然在我國引入時(shí)間較晚，但建筑行業(yè)和各界對BIM技術(shù)的應(yīng)用和支持，使BIM技術(shù)在我國飛速發(fā)展[24-27]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國各大中型國有企業(yè)基本擁有BIM團(tuán)隊(duì)，大型民營企業(yè)也有BIM顧問，建筑企業(yè)中只有21%未計(jì)劃使用BIM技術(shù)，37%處于計(jì)劃使用BIM技術(shù)，建筑企業(yè)整體應(yīng)用BIM技術(shù)的占比已達(dá)42%[28]。國家在2003年、2011年、2016年陸續(xù)發(fā)布了3個(gè)《建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，要求建筑業(yè)需與BIM、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)相結(jié)合，完善信息化標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目全方位、全過程的智能化技術(shù)集成應(yīng)用[29]。國家有關(guān)部委為推動(dòng)建筑行業(yè)信息化及BIM技術(shù)的普及，近年出臺(tái)了多項(xiàng)政策指引，部分統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 部分BIM相關(guān)政策

2 BIM技術(shù)功能特點(diǎn)及其與新興技術(shù)的結(jié)合使用

2.1 BIM技術(shù)功能特點(diǎn)

經(jīng)總結(jié)歸納前人研究[7,24,30-31]，BIM技術(shù)具有以下功能特點(diǎn)。

1)參數(shù)化建模 參數(shù)信息包括圖元信息和非圖元信息。輸入圖元構(gòu)件信息，BIM即可直接進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、暖通、裝飾裝修等設(shè)計(jì)，自動(dòng)創(chuàng)建三維動(dòng)態(tài)模型。模型還可包含建筑構(gòu)件、設(shè)備、參與方、任務(wù)等功能性和說明性信息，如構(gòu)件數(shù)量、材料性能、材料價(jià)格、參與方信息、任務(wù)資料、管理過程等。所有信息、模型共同構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)的項(xiàng)目BIM數(shù)據(jù)庫。

2)仿真化模擬 與CAD二維圖紙呈現(xiàn)、人腦疊加各專業(yè)圖紙不同，BIM可將建立的模型三維可視化呈現(xiàn)，并將不同專業(yè)圖紙疊加后呈現(xiàn)，不受個(gè)人專業(yè)水平、空間想象能力及理解差異影響，減少出錯(cuò)概率和溝通成本。數(shù)據(jù)庫可以增加、修改信息，模型可實(shí)時(shí)自動(dòng)更新、動(dòng)態(tài)調(diào)整，高度仿真模擬建筑物理實(shí)體及項(xiàng)目管理實(shí)際情況，成為其“數(shù)字孿生體”。BIM中數(shù)據(jù)可計(jì)算和運(yùn)算，通過二次開發(fā)或兼容其他分析軟件可實(shí)現(xiàn)工程信息統(tǒng)計(jì)分析、比對分析、碰撞檢查、參數(shù)驗(yàn)算、指標(biāo)測算及分析決策等功能。

3)多元化輸出 BIM數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的信息、模型及運(yùn)算分析結(jié)果均可根據(jù)需要輸出，包括平面圖、立面圖、剖面圖和三維效果圖等圖形數(shù)據(jù)及文本、表格等非圖形數(shù)據(jù)。尤其各類運(yùn)算分析結(jié)果可用于后續(xù)計(jì)算機(jī)處理或人工分析，如輔助設(shè)計(jì)、成本算量、協(xié)同采購、計(jì)劃排程及工地管理等。

4)關(guān)聯(lián)性更新 基于參數(shù)化建模和統(tǒng)一的BIM數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)與模型具有良好的信息一致性和繼承性，任何信息的修改或增減均能自動(dòng)同步更新至所有相關(guān)的圖元及各專業(yè)圖紙，無需逐個(gè)手工修改圖元、圖層，該特性可減少人工修改的時(shí)間和錯(cuò)誤，保證信息準(zhǔn)確性。這些更新能關(guān)聯(lián)到后續(xù)運(yùn)算分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)輸出結(jié)果的實(shí)時(shí)更新。

5)開放性共享 2005年，國際協(xié)同工作聯(lián)盟(IAI，International Alliance for Interoperability)制定了面向三維建筑對象的工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC，industry foundation classes)數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在國際建設(shè)工程領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可，大部分基于BIM技術(shù)的應(yīng)用軟件均支持IFC標(biāo)準(zhǔn)。只要輸入BIM模型數(shù)據(jù)、二次開發(fā)及其他關(guān)聯(lián)分析軟件均采用IFC標(biāo)準(zhǔn)，各參與方即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、同步協(xié)同及面向特定需求的軟件開發(fā)。

2.2 BIM技術(shù)與新興技術(shù)的結(jié)合使用

基于上述功能特點(diǎn)，BIM技術(shù)以IFC數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以建模軟件(如Revit，CATIA等)為核心工具，以分析、檢查、管理、可視化等軟件(如PKPM，Navisworks、魯班、3D max等)為應(yīng)用工具，滿足建模、繪圖、結(jié)構(gòu)分析、機(jī)電分析、可視化模擬、模型檢查、設(shè)計(jì)深化、造價(jià)管理、運(yùn)營管理等生產(chǎn)需求。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)蓬勃發(fā)展，并逐步與BIM技術(shù)結(jié)合，促進(jìn)智能建造發(fā)展。

新興技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合使用，從數(shù)據(jù)流角度包括數(shù)據(jù)感知采集、傳輸存儲(chǔ)、運(yùn)算分析、呈現(xiàn)應(yīng)用等。數(shù)據(jù)感知采集包括圖片及視頻拍攝、激光掃描、GPS(全球定位系統(tǒng))定位、GIS(地理信息系統(tǒng))采集、聲光熱煙等傳感器感知等。數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、5G技術(shù)等傳輸給數(shù)據(jù)中心，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)、區(qū)塊鏈等技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，再經(jīng)云計(jì)算、邊緣計(jì)算、AI(人工智能)等技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算分析決策，最后以3D(三維)、4D(三維+)、VR(虛擬現(xiàn)實(shí))、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))等技術(shù)將分析決策結(jié)果模擬呈現(xiàn)并發(fā)送給應(yīng)用終端進(jìn)行執(zhí)行。面向智能建造的BIM技術(shù)體系如圖2所示。

圖2 面向智能建造的BIM技術(shù)體系

為實(shí)現(xiàn)上述新興技術(shù)與BIM技術(shù)的融合，需搭建包括基礎(chǔ)資源平臺(tái)、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、分析決策平臺(tái)等數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)?；A(chǔ)資源平臺(tái)包括BIM基礎(chǔ)資源庫和BIM族庫，前者包括標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫、材質(zhì)庫、構(gòu)造庫、屬性庫及構(gòu)件數(shù)據(jù)匹配、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等工具；后者包括建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電、裝修、景觀等專項(xiàng)族庫定制。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)包括BIM編碼體系、BIM空間編碼及數(shù)據(jù)分級(jí)模板等管理。分析決策平臺(tái)主要由數(shù)字化中臺(tái)、算法中臺(tái)和決策分析中臺(tái)組成，數(shù)字化中臺(tái)可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件智能識(shí)別、文件解析、模型解析、圖形壓縮、圖形加密等功能；算法中臺(tái)具有智能規(guī)劃算法、智能模審算法、智慧工地算法、BIM運(yùn)維算法及其他AI算法；分析決策中臺(tái)包含數(shù)據(jù)評估、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)指標(biāo)可視化、業(yè)務(wù)部門決策支持等模塊。

上述數(shù)據(jù)服務(wù)過程需由IoT基礎(chǔ)、BIM圖形處理、BIM區(qū)塊鏈、BIM應(yīng)用服務(wù)等平臺(tái)提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。IoT基礎(chǔ)平臺(tái)主要解決設(shè)備連接管理、產(chǎn)品管理、數(shù)據(jù)管理和運(yùn)維管理等問題。BIM圖形處理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)圖形引擎、協(xié)同引擎、幾何算法等功能。BIM區(qū)塊鏈平臺(tái)主要包含數(shù)字資產(chǎn)保護(hù)應(yīng)用及BIM信息管理。BIM應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)聚焦于用戶管理、數(shù)據(jù)集成和圖譜集成等。

3 BIM技術(shù)在智能化管理中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)管理、成本管理、采購管理和施工管理等環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的智能化管理，如圖3所示。

圖3 BIM技術(shù)在智能化管理中的應(yīng)用

3.1 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)管理中的應(yīng)用

3.1.1無人機(jī)踏勘與測繪

傳統(tǒng)場地踏勘需多方多次前往場地，出差成本高、周期長，易出現(xiàn)關(guān)注點(diǎn)不同、踏勘不完整、描述不清晰等問題。傳統(tǒng)測繪為人工RTK單點(diǎn)測繪，外業(yè)人員工作量大，成果受人員影響因素大；成果較為單一，二維圖紙不利于理解現(xiàn)場真實(shí)情況；當(dāng)遇到大場地或山地項(xiàng)目時(shí)存在人力消耗大、周期長、差旅成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題。

無人機(jī)踏勘與測繪具有高精度、高效率、低成本的優(yōu)勢：全要素采集，厘米級(jí)精度，準(zhǔn)確反映真實(shí)情況；采集速度快，1km2的外業(yè)采集與正射建模僅需1人·日；一次采集可輸出實(shí)景模型、地形圖、高程展點(diǎn)圖及正射影像等多種成果，可供多個(gè)階段的多個(gè)參與方多次使用，大幅降低人工及差旅成本，持續(xù)創(chuàng)造價(jià)值。

無人機(jī)采集的現(xiàn)場照片經(jīng)實(shí)景建模技術(shù)處理，可獲得高精度實(shí)景模型與數(shù)字高程模型。實(shí)景模型可提供項(xiàng)目及周邊建筑的真實(shí)數(shù)據(jù)，分析場地不利因素；與BIM技術(shù)結(jié)合可輔助分析日照、通風(fēng)、可視度等；與方案模型集成可直觀反映設(shè)計(jì)條件，輔助方案論證與決策；與BIM模型集成聯(lián)用可輔助場地布置分析與決策。數(shù)字高程模型可快速生成地形圖，準(zhǔn)確反映項(xiàng)目狀況，用于強(qiáng)排及設(shè)計(jì)方案提資；也可快速生成高程展點(diǎn)圖，用于前期土方量測算。

3.1.2施工圖正向設(shè)計(jì)與集成設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)協(xié)同過程中各專業(yè)的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、不同項(xiàng)目階段之間信息的有效傳遞，并為后續(xù)項(xiàng)目應(yīng)用提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支持，研發(fā)基于BIM技術(shù)的施工圖正向設(shè)計(jì)解決方案顯得尤為重要。方案主要包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)資源庫、族庫管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成、智能設(shè)計(jì)插件等功能。建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，打造適用于正向設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化組織方式、操作流程和管理模式。建立標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)資源庫，涵蓋標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等，支持快速輸出圖紙和業(yè)務(wù)清單，并為各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)拉通提供基礎(chǔ)。族庫包含建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝飾等全專業(yè)構(gòu)件管理；審查入庫功能確保上傳構(gòu)件數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一；云端、本地互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)批量下載。方案還可提供設(shè)計(jì)過程工具集，協(xié)助完成設(shè)計(jì)過程的模型建立、快捷標(biāo)注、圖紙生成；提供設(shè)計(jì)管理工具集，實(shí)現(xiàn)樣板維護(hù)、材質(zhì)管理、協(xié)同交互等功能；提供數(shù)據(jù)管理工具集，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的批量編輯、編碼體系的靈活反寫等功能。

正向設(shè)計(jì)具有多重優(yōu)勢：①輸出成果多樣 基于BIM模型可輸出模型、數(shù)據(jù)、圖紙、圖片等多種格式成果，滿足不同業(yè)務(wù)需求；②成果質(zhì)量更高 基于BIM模型輸出的成果一致、信息閉合，節(jié)省校審及修改時(shí)間；③出圖速度更快 定制輔助設(shè)計(jì)工具，為正向設(shè)計(jì)賦能，降低設(shè)計(jì)人員門檻；④成果自動(dòng)校審 基于BIM平臺(tái)的自動(dòng)審查工具可實(shí)現(xiàn)模型智能化合規(guī)性校審；⑤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)打通 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、成本、質(zhì)量、計(jì)劃各業(yè)務(wù)間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，為BIM平臺(tái)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

傳統(tǒng)木模消耗大量木材資源、污染環(huán)境、危害工人健康、重復(fù)利用率低、施工質(zhì)量受工人個(gè)體水平影響大?？杀苊馍鲜龆贪宓匿X模工藝正在替代木模工藝。傳統(tǒng)腳手架安全隱患大、占用大量材料、消耗大量人工，爬架可有效解決上述弊端。鋁模及爬架施工前需在施工圖基礎(chǔ)上進(jìn)行專項(xiàng)深化設(shè)計(jì)。BIM模型在建筑圖、結(jié)構(gòu)圖和施工圖基礎(chǔ)上集成設(shè)計(jì)鋁模、爬架可增強(qiáng)圖紙的集成性、整體性和準(zhǔn)確性，為相關(guān)施工提供準(zhǔn)確、安全保障。

3.2 BIM技術(shù)在成本采購管理中的應(yīng)用

3.2.1成本算量

傳統(tǒng)工程算量工作需多方成本人員識(shí)別圖紙建模計(jì)算，耗時(shí)耗力，易產(chǎn)生理解爭議及重算漏算等錯(cuò)誤?；贐IM技術(shù)的成本算量系統(tǒng)通過分析完整的BIM模型、快速云計(jì)算，可提供各階段工程量清單及材料用量清單。系統(tǒng)內(nèi)置算法規(guī)則庫，該庫基于企業(yè)清單編制，涵蓋算量規(guī)則，與BIM模型構(gòu)件元素分類關(guān)聯(lián)，確保各專業(yè)構(gòu)件精準(zhǔn)出量。系統(tǒng)還內(nèi)置了成本清單庫，該庫含清單分類、清單編碼、項(xiàng)目特征、計(jì)量單位、計(jì)算規(guī)則等，并通過配套算法，實(shí)現(xiàn)云端快速算量及工程量核對。此外，系統(tǒng)可進(jìn)行構(gòu)件多維度快速過濾、屬性項(xiàng)精準(zhǔn)過濾，支持構(gòu)件與清單工程量的聯(lián)動(dòng)查看；內(nèi)置的多維度標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表模板支持用戶自定義報(bào)表。

BIM成本算量優(yōu)勢：①快速高效 云端算量可提升算量速率90%以上，統(tǒng)一建筑信息來源、建模規(guī)范及計(jì)算規(guī)則，一模多用，減少對量、減少爭議；②計(jì)算準(zhǔn)確 算法庫清單庫配套，精準(zhǔn)計(jì)算；③用戶友好 WEB端操作，快速生成清單、可視化呈現(xiàn)。

3.2.2采購協(xié)同

動(dòng)態(tài)模擬項(xiàng)目施工進(jìn)度的虛擬建造系統(tǒng)可與BIM模型中的進(jìn)度計(jì)劃比對，實(shí)時(shí)預(yù)警各項(xiàng)材料采購節(jié)點(diǎn)，預(yù)警觸發(fā)點(diǎn)功能已考慮材料下單、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^程所需的時(shí)間。結(jié)合BIM成本算量系統(tǒng)獲得的各階段材料用量清單及企業(yè)與供應(yīng)商之間前置確定的集采流程與價(jià)格，包含建設(shè)單位、施工單位和供應(yīng)商的BIM平臺(tái)可一鍵智能下單。下單后進(jìn)度管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測排產(chǎn)、送貨、進(jìn)場驗(yàn)收、臺(tái)賬登記，提高工作效率、減少人為跟進(jìn)的錯(cuò)誤和延誤?；贐IM成本算量系統(tǒng)輸出的材料用量清單完整準(zhǔn)確，可減少超量采購、早采積壓及緊急零采帶來的浪費(fèi)、延誤，降本增效，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目高質(zhì)量管控。

3.3 BIM技術(shù)在智慧工地中的應(yīng)用

構(gòu)筑一個(gè)以BIM模型為核心、集成物聯(lián)設(shè)備、智能設(shè)備為基礎(chǔ)的智能、高效、精益的智慧工地施工管理一體化平臺(tái)，有利于管理精細(xì)化、效益最大化。人員管理、視頻監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)管和自動(dòng)排程是實(shí)現(xiàn)智慧工地進(jìn)度、質(zhì)量、安全、環(huán)境管理的基礎(chǔ)：①身份證自動(dòng)識(shí)別 快速錄入工人實(shí)名信息，自動(dòng)采集考勤數(shù)據(jù)；設(shè)置工人或勞務(wù)分包隊(duì)伍黑名單，在項(xiàng)目間共享，可加強(qiáng)控制用工風(fēng)險(xiǎn)。②實(shí)時(shí)錄制、存儲(chǔ)監(jiān)控畫面 支持電腦端、手機(jī)端查看、抓拍、回放等功能，幫助管理人員隨時(shí)了解施工現(xiàn)場及場周實(shí)際情況。③利用IoT物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)場大型設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，配合設(shè)備檔案，做到“事前監(jiān)督、事中監(jiān)測、事后分析”。④根據(jù)事先輸入的用戶計(jì)劃管理標(biāo)準(zhǔn)及輸入的項(xiàng)目信息，BIM模型可自動(dòng)鋪排總進(jìn)度計(jì)劃及單項(xiàng)施工計(jì)劃，輸出自動(dòng)排程結(jié)果。

智慧工地系統(tǒng)通過運(yùn)算決策可實(shí)現(xiàn)更多高階智能化功能：①項(xiàng)目實(shí)時(shí)進(jìn)度信息輸入BIM動(dòng)態(tài)模型形成“虛擬建造”，由其可提取出進(jìn)度日報(bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表，將其與排程結(jié)果進(jìn)行比對，可有效預(yù)警進(jìn)度超前或滯后、不平衡推進(jìn)等情況，并及時(shí)聯(lián)動(dòng)采購協(xié)同、質(zhì)量管理等；虛擬建造中同步記錄了施工日志及相冊，為管理復(fù)盤、事后追責(zé)提供依據(jù)。②移動(dòng)端通過輸入圖片、文字，并啟動(dòng)、跟進(jìn)和關(guān)閉質(zhì)量管理流程；設(shè)置節(jié)點(diǎn)提醒、逾期提醒，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)發(fā)現(xiàn)、隨時(shí)處理、節(jié)點(diǎn)跟蹤、責(zé)任到人，有效提高質(zhì)量整改效率。③安全法規(guī)、重點(diǎn)檢查項(xiàng)可輸入到基于BIM模型的管理系統(tǒng)中，安全檢查隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題隨時(shí)發(fā)起整改流程，整改銷項(xiàng)、逾期提醒、驗(yàn)收記錄全部智能化管理、數(shù)字化記錄。④通過IoT物聯(lián)網(wǎng)可對施工用水、用電、粉塵和噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警，有助于節(jié)約資源、減少環(huán)境污染。

3.4 BIM技術(shù)在協(xié)同平臺(tái)中的應(yīng)用

招采、施工、交付甚至后期運(yùn)維等多階段多用戶會(huì)多次瀏覽或使用BIM模型中的設(shè)計(jì)成果和招采施工信息，將相關(guān)信息集中于BIM協(xié)同平臺(tái)，有助于實(shí)現(xiàn)上述需求。該平臺(tái)主要包括以下功能：①設(shè)計(jì)文檔管理 設(shè)計(jì)成果文檔統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)源統(tǒng)一，版本管理清晰可追溯，支持PC，PAD及手機(jī)端，方便文檔管理操作，提高圖模查看借閱效率；下發(fā)接收精準(zhǔn)實(shí)時(shí)，減少圖模不一致導(dǎo)致的工作誤差；文檔瀏覽記錄清晰，文檔安全有保障；②在線輕量化瀏覽 兼容多種設(shè)計(jì)軟件格式的2D圖紙、3D模型在線輕量化、平臺(tái)化快速解析、渲染、瀏覽，用戶無需安裝各類專業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)建筑工程項(xiàng)目快速準(zhǔn)確作業(yè)；輕量化瀏覽便于用戶在各應(yīng)用場景中瀏覽、操作圖紙和模型；③多端協(xié)同 各階段各專業(yè)多角色跨平臺(tái)協(xié)同，覆蓋多業(yè)務(wù)場景、多端信息協(xié)同，保障信息同步不滯后、問題解決形成閉環(huán)。

4 BIM技術(shù)在建筑機(jī)器人施工中的應(yīng)用

BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑機(jī)器人的研究逐步出現(xiàn)，如機(jī)器人仿真系統(tǒng)、建筑3D打印、組件裝配作業(yè)、協(xié)助焊接作業(yè)等[32-35]，但應(yīng)用于工程施工現(xiàn)場的研究鮮見報(bào)道。

4.1 FMS機(jī)器人協(xié)同管理系統(tǒng)

基于Fleet Management System開發(fā)的FMS機(jī)器人協(xié)同管理系統(tǒng)通過對接項(xiàng)目BIM數(shù)據(jù)平臺(tái)、測量數(shù)據(jù)平臺(tái)、仿真系統(tǒng)、智能排程系統(tǒng)、物料供給系統(tǒng)、智能升降機(jī)系統(tǒng)等，為機(jī)器人提供作業(yè)任務(wù)管理、動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃、多設(shè)備協(xié)同服務(wù)，完成機(jī)器人補(bǔ)料、機(jī)器人跨樓層作業(yè)、機(jī)器人清洗及充電等功能。系統(tǒng)構(gòu)成及功能如圖4所示。

圖4 FMS機(jī)器人協(xié)同管理系統(tǒng)

FMS機(jī)器人協(xié)同管理系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)包括：①場景展示 樓層場景、樓棟場景、項(xiàng)目場景，分層次展示和管理。②地圖服務(wù) 編輯地圖空間信息、動(dòng)態(tài)生成地圖和任意高度地圖、設(shè)置特征點(diǎn)。③路徑規(guī)劃 規(guī)劃作業(yè)路徑及行走路徑，對走廊通道等狹窄區(qū)域進(jìn)行交通管制，提升機(jī)器人作業(yè)效率和安全性。④設(shè)備管理 機(jī)器人注冊、資產(chǎn)、狀態(tài)及計(jì)時(shí)器管理。⑤任務(wù)管理 任務(wù)接收、拆分，機(jī)器人分配，多機(jī)器人及關(guān)聯(lián)智能系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)；打通智能電梯，機(jī)器人作業(yè)面不再局限于樓層、樓棟，降低整體作業(yè)成本。⑥數(shù)據(jù)管理 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)作業(yè)量、作業(yè)時(shí)長、作業(yè)功效和故障情況，用于分析改進(jìn)、迭代升級(jí)。

4.2 BIS機(jī)器人仿真平臺(tái)

BIS(building industry simulation)機(jī)器人仿真平臺(tái)通過對建筑機(jī)器人仿真建模，并對接BIM模型與FMS機(jī)器人協(xié)同管理系統(tǒng)，為建筑機(jī)器人研發(fā)與檢測提供工藝、功能、性能測試仿真服務(wù)，為FMS機(jī)器人協(xié)同管理系統(tǒng)提供計(jì)劃任務(wù)仿真驗(yàn)證服務(wù)，包括施工周期模擬、施工計(jì)劃模擬驗(yàn)證、機(jī)器人施工仿真及3D場景展示等。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)兼容，支持跨平臺(tái)交互運(yùn)行，測試仿真使用便捷。根據(jù)作業(yè)數(shù)據(jù)和機(jī)器人數(shù)據(jù)進(jìn)行智能評估，生成仿真分析報(bào)告，輸出仿真結(jié)果與優(yōu)化建議。支持倍速仿真和微觀序列仿真多模式，仿真效率高，執(zhí)行速度快，提升機(jī)器人生產(chǎn)效率和需求部門工作效率。模擬突發(fā)場景，不受場地控制，安全性高。

4.3 BIM-FMS-BIS集成體系

BIM模型根據(jù)計(jì)劃排程，將BIM模型數(shù)據(jù)及排程工單發(fā)送給FMS，F(xiàn)MS將機(jī)器人計(jì)劃施工作業(yè)任務(wù)發(fā)送給機(jī)器人列隊(duì)，使多款多臺(tái)機(jī)器人按FMS系統(tǒng)規(guī)劃的路徑及設(shè)備協(xié)同結(jié)果實(shí)施機(jī)器人作業(yè)。機(jī)器人可將施工現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回FMS，再由FMS形成改進(jìn)參考建議并發(fā)送給BIM模型。BIM-FMS-BIS聯(lián)用工作流程如圖5所示。

圖5 BIM-FMS-BIS聯(lián)用工作流程

與此同時(shí)，F(xiàn)MS將BIM數(shù)據(jù)和路徑驗(yàn)證需求、機(jī)器人施工作業(yè)算法及仿真任務(wù)等發(fā)送給BIS機(jī)器人仿真平臺(tái)，BIS機(jī)器人仿真平臺(tái)根據(jù)BIM模型輸入的施工工序、導(dǎo)航地圖、施工物料及質(zhì)量模型等信息進(jìn)行路徑驗(yàn)證、機(jī)器人作業(yè)仿真及策略優(yōu)化，并將仿真及優(yōu)化結(jié)果發(fā)送給FMS。BIS機(jī)器人仿真平臺(tái)生成仿真分析報(bào)告及3D模擬展示結(jié)果供用戶查看使用。

4.4 應(yīng)用實(shí)例

以某樓層內(nèi)施工任務(wù)的取料、作業(yè)為例，機(jī)器人施工管理流程如圖6所示。

圖6 機(jī)器人施工管理流程

BIM模型根據(jù)計(jì)劃排程，下發(fā)排程工單給FMS，F(xiàn)MS分析決策形成備料指令并發(fā)送給攪拌站，備料完成后反饋給FMS，F(xiàn)MS進(jìn)行確認(rèn)前置檢查。FMS發(fā)送運(yùn)料指令給物流機(jī)器人并調(diào)度智能升降機(jī)，生成路徑、校準(zhǔn)地圖，由物流機(jī)器人將物料經(jīng)智能升降機(jī)送至施工作業(yè)位置。FMS連接作業(yè)機(jī)器人，生成作業(yè)路徑及運(yùn)動(dòng)路徑，發(fā)送施工指令，作業(yè)機(jī)器人完成作業(yè)。物流機(jī)器人、作業(yè)機(jī)器人將工單進(jìn)度反饋給FMS，同步形成施工日志、作業(yè)報(bào)告，并將結(jié)果發(fā)送給BIM模型，實(shí)時(shí)更新BIM模型，形成現(xiàn)實(shí)世界中建設(shè)項(xiàng)目的“數(shù)字孿生體”，即虛擬建造。建筑機(jī)器人施工現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 建筑機(jī)器人施工現(xiàn)場

5 結(jié)語

1)智能建造是建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑，BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目全生命周期不同階段，推動(dòng)智能建造快速發(fā)展，具有顯著的社會(huì)效益及廣闊的市場前景。

2)本文梳理了BIM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和功能特點(diǎn)，并從數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)服務(wù)和技術(shù)支持等層面對BIM技術(shù)與新興技術(shù)的結(jié)合使用進(jìn)行了探討。

3)全生命周期智能化管理是BIM技術(shù)在建設(shè)項(xiàng)目中的重要應(yīng)用，是智能建造的重要表現(xiàn)形式。本文對BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)管理、成本采購管理、智慧工地、協(xié)同管理等拓展應(yīng)用進(jìn)行了探討。

4)建筑機(jī)器人施工是智能建造的新興表現(xiàn)形式，本文對FMS機(jī)器人協(xié)同管理系統(tǒng)、BIS機(jī)器人仿真平臺(tái)及其與BIM模型的聯(lián)合施工體系進(jìn)行了開創(chuàng)性探討。