發布時間：2021-02-05所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 針對我國建筑工程項目 信息傳遞效率低、信息協同和共享性差、信息利用價值低的現狀，基于 BIM 技術，結合工程項目的過程管理、多要素管理、參與方管理以及知識管理，構建在分布式網絡環境下以數據層、信息模型層和功能應用層為核心的信息集成管理的概
摘 要: 針對我國建筑工程項目 “信息傳遞效率低、信息協同和共享性差、信息利用價值低”的現狀，基于 BIM 技術，結合工程項目的過程管理、多要素管理、參與方管理以及知識管理，構建在分布式網絡環境下以數據層、信息模型層和功能應用層為核心的信息集成管理的概念模型，并依據平臺管理和信息集成管理兩大模塊，進行 BIM 信息集成管理系統平臺的功能設計。新型的信息集成管理系統充分挖掘了建設各個階段的信息，實現了建筑項目信息的高效傳遞、交換和共享，為信息管理系統的后續開發提供參考借鑒，促進建筑業信息化的發展。
關鍵詞: BIM; 信息集成管理; 知識集成
建筑業作為我國國民經濟中一大支柱產業，在國民經濟總產值中占有很大的比重，其低效的生產效率造成了資源的巨大浪費和環境的日益惡化[1]。究其原因，主要是由于建設項目生產過程過于分散，建設管理模式集成化程度不高，建筑信息之間的傳遞不暢而造成信息缺失。目前，我國建筑業信息化 率 僅 約 0. 027% ，與國際建筑業信息化率 0. 3% 的平均水平相比，差距高達 11 倍，低效的信息化率成為生產效率嚴重滯后的癥結之一[2]。
隨著對環境的日益關注及綠色建筑的大力推廣，人們對于建筑性能的關注除了常規的功能使用、布局美觀、經濟性能外，更加關注建筑本體的環境性能項目。項目實施階段，對傳統的質量、成本、進度的管理更側重于多目標多方案的總體集成優化[3]。對建筑項目的評價總體上是基于全壽命周期理論，將項目的建設、運營、拆除等各階段綜合集成考慮，因而附加在項目主體上的信息量越來越大。針對我國建筑工程項目 “信息傳遞效率低，信息協同和共享性差，信息利用價值低”的現狀，如何充分挖掘建設各個階段的信息，實現信息的高效傳遞和科學運用，是促進建筑業技術升級的關鍵手段之一。在信息化技術成為 21 世紀重要經濟增長點的大背景下，BIM 技術和計算機模擬輔助設計 應運而生[4]，使建筑信息化集成管理成為可能。本文即是依托于 BIM 技術，以建筑項目管理理論為基礎，建立了建筑數據采集、信息傳遞、信息應用的概念模型，以期為后續信息管理系統的開發提供借鑒。
1 BIM 技術與信息集成管理
BIM( Building Information Modeling) 從內涵上來說，是建設項目物理和功能特性的數字表達，是一個共享知識資源、分享建設項目信息的載體，能夠為項目全生命周期中的決策提供可靠依據的過程。在項目的不同階段，項目各參與方可在 BIM 中插入、提取、更新和修改信息，完成項目各階段、各參與方及各專業軟件間的信息交流和共享[5]。
Chuck Eastman 博士首次提出了建筑信息模型的構想，他認為此模型不僅應該包括幾何、功能、構件性能等信息，還應包括建造過程、施工進度、維護管理等過程信息，建筑全生命周期內的信息都應該整合到建筑模型中[6]。目前要真正運用 BIM 技術來提高建筑業信息化水平，需要解決信息高效傳遞、數據存儲和信息共享等問題。
國外對 BIM 信息集成管理的研究較早，Kevin Y 等( 2005) 通過擴展 IFC( Industry Foundation Classes) 標 準，構建了運營階段中物業管理信息模型[7]。Tauscher E，Mikulakova E 等( 2009) 利用基于 IFC 標準的建筑信息模型施工進度計劃生成方法，實現了施工階段的 4D 模擬[8]。Mahmoud M.R. 等( 2007) 基于 BIM 技術對建筑信息集成平臺也進行了一定研發，但該平臺只具備一些簡單功能，數據的存儲和信息共享性低[9]。
國內方面，張建平等( 2008) 針對設計和施工階段中數據的集成共享和轉換，研究開發了基于 IFC 的 BIM 數據集成管理平臺[10]。張洋( 2009) 基于 BIM 體系結構，解決了 BIM 模型的信息提取、 BIM 數據存儲與訪問等問題[11]。李犁，鄧 雪 原 ( 2012) 基于 BIM 技術的建筑信息平臺，建立了簡易的以數據層、圖形編輯層和專業層為核心的三層協同信息平臺[12]。局限于當時的計算機技術，上述研究多數是針對工程項目某個特定階段，隨著信息技術發展的日新月異，基于 BIM 技術及全壽命周期理論的信息集成管理從技術上已成為可能，新的信息集成管理系統應滿足數據存儲方便、信息傳遞效率高、系統功能結構完善、信息協同和共享性好的要求。
2 基于 BIM 的信息集成管理系統概念模型
雖然工程建設參與方已經普遍使用了互聯網技術，但很多管理軟件仍然是基于 C / S 架構，B / S 架構、云技術仍然在發展階段。且由于建設不同參與方對信息的需求不同，以及信息處理權限、信息保密等仍然未達成統一協議，導致信息共享程度不夠，形成 “信息孤島”現象。針對現實中存在的問題，由數據層、信息模型層和功能應用層所組成的系統概念模型應該具有結構穩定、聯系緊密、協同交互性好并可擴展的特性。
2. 1 數據層
數據層是一個中央數據庫，包含了建設項目全生命周期內所有的信息，包含結構化數據和非結構化數據兩類。信息隨著工程項目的發展，不斷進行更新。通過該中央數據庫，可實現信息在不同階段、不同參與方之間的傳遞和共享。數據層的主要工作是進行信息的采集、編碼、歸類和存儲，具體如圖 1 所示。
2. 1. 1 信息采集
信息采集主要采用紙質記錄、電子文件記錄以及多媒體記錄等方式。傳統的紙質記錄信息的方式費時費力，文件傳遞過程中容易造成信息的延誤、缺損和丟失。電子文件記錄方式通過基于網絡的云盤平臺，項目各參與方可以將項目各階段的信息 ( 如幾何信息、材料信息、類型信息、質量信息、進度信息、報表信息、成本信息、其他有形信息以及無形信息等) 上傳到該平臺，由信息管理員對采集的信息進行前期的集中管理。
2. 1. 2 信息編碼、歸類
由信息管理人員對云盤上收集來的各種信息逐層進行工程項目結構分解( WBS) ，直至將整個項目分解成可控制的活動，以滿足項目管理過程的順利實施[13]。在完成 WBS 工作后，綜合使用項目編碼四種基本形式( 順序碼、分類碼、結構碼和組合碼) 進行項目信息編碼，以保證信息可以被計算機識別和操作[14]。
對編碼后的信息中包含的各種離散雜亂的數據，按照文件格式和數據標準劃分成非結構化數據與結構化數據。將諸如工程文檔、報表、圖像類多媒體信息、無形信息這類既沒有預定義的數據模型，也不能用二維表結構來邏輯表達的數據，歸類為非結構化數據。基于 IFC( Industry Foundation Classes) 標準所描述的，并可以通過交換或解析存儲到數據庫中的結構化文檔和模型，歸類為結構化數據。
2. 1. 3 信息存儲
BIM 數據庫是一個信息存儲平臺，能保證不同階段不同參與方需要的任何信息都可以隨時從此數據庫中提取，同時各個參與方也可以根據建設項目管理的實際需要，擴展和輸入相應的信息，不斷完善數據庫信息。此外，存儲在 BIM 數據庫中的信息只需要在某一階段由某個參與方輸入一次即可，其他后續參與方只需要根據自己的使用需求提取這些信息，提高了信息使用效率。
具體來說，BIM 數據庫要滿足結構化數據和非結構化數據的存儲要求。IFC 關系數據庫用于存儲結構化文檔數據和模型數據。數據倉庫用于存儲非結構化數據，其中文件數據庫用于組織和管理各種類型的非結構化文檔。采用 XML( Extensible Markup Language) 技術對結構化文檔信息進行存儲，用戶自定義不同的需交換的數據結構，這些結構的集合體組成一個 XML 的 schema。不同的 XML schema 實現不同軟件之間對存儲于相應的關系數據庫中定義了實體屬性和關系屬性的數據交換。
對結構化模型數據先通過 IFC 模型解析器處理成 IFC 對象的模型數據。由于 IFC 的信息描述是基于對象模型的，而關系型數據庫則建立在關系模型之上，用二維表的數據結構記錄和存儲數據。因此就要建立 IFC 對象數據模型與關系型數據模式的映射關系，實現從對象模型到關系型數據模型之間的轉換，并最終存儲于關系數據庫中。對于非結構化數據可建立統一的數據倉庫以及專門的非結構化數據庫，進行非結構化數據的集中存儲和數據管理。如文件元數據庫專門用于存儲非結構化文檔的元數據。它根據文件的不同類型建立不同的數據表來記錄文件的元數據，并通過 IFC 關系實體與 IFC 數據庫建立關聯，從而形成完整的 BIM 數據存儲。
2. 2 信息模型層
信息模型層是建筑信息管理系統中的核心部分，連接著數據層和功能應用層，主要是利用從 BIM 數據庫中提取的數據，進行建筑信息模型的創建，并利用擴展的數據進行信息模型的更新完善，為工程項目各參與方提供各自需要的模型信息。如圖2 所示。
相關期刊推薦：《森林工程》Forest Engineering(雙月刊)曾用刊名：森林采運科學，1985年創刊，是森林資源建設與保護、開發與利用中的非生物工程，是熔學術、技術、知識、信息于一爐，主一反映森林資源建設與保護、森工產品加工與利用、森工企業管理、森工技術、森林工程機械設備、森工土木建筑等方面的科技成果、科技動態、林業建設方針政策、生產管理與技術經驗、學術研究、技術革新與技術引進等內容。
模型圖元定義了所有構配件對象及其屬性和操作，因此創建 BIM 建筑信息模型，首先要從 BIM 數據庫中進行模型圖元數據的提取。其中，提取的模型圖元基本數據( 如幾何數據、物理數據、功能數據等) 是描述模型構件的自身特征和屬性，用于創建 BIM 幾何模型。其擴展數據是項目管理過程中所產生的與模型圖元關聯的信息或資料，如成本數據、技術數據、進度數據等。通過將大量的、非直接的與模型元素相關聯的各種擴展數據不斷整合到信息模型中，逐步完善建筑信息模型[15]。針對建筑工程全生命周期不同階段，還可生成相應的建筑信息各階段的子模型，各階段子模型又可生成面向應用主體的子模型，如項目設計子階段又可生成建筑設計子模型、結構設計子模型以及 MEP 設計子模型等。
2. 3 功能應用層
功能應用層主要由工程項目各參與方對信息模型層獲取的各類共享模型信息( 如設計信息、成本信息、進度信息等) ，運用相應 BIM 軟件進行分析應用，并將各自應用分析得到的信息進行相互交流和共享。例如，在設計階段，將 Revit Architecture 建立的 3D 建筑信息模型導入到 Navisworks 中進行建筑信息模型的碰撞檢查; 3D 建筑信息模型導入到 Ecotect Analysis 中進行光照、熱能等建筑綜合性能分析; 在施工階段，3D 建筑信息模型結合 Project 創建的施工進度信息進行項目 4D 進度管理等。但由于目前各軟件公司開發的數據存儲格式標準不同，出現了各專業軟件之間信息無法共享的問題。 IFC 作為一個公開的數據表達和存儲標準，使得工程類軟件能夠以其作為數據交換的中轉站，完成數據的無縫鏈接，實現建筑項目各專業之間高效的信息交換。利用網絡協作平臺創建的虛擬網絡環境，來實現工程項目各參與方各專業之間遠程的信息交流和協同工作，完成全生命周期內模型信息的傳遞 和共享。PIP( Project Information Portal 項目信息門戶) 技術作為網絡協作平臺的核心技術，通過為建設項目各參與方提供一個基于網絡的信息獲取的單一入口，個性化的用戶權限和用戶界面設置，創造了項目各參與方各專業間安全、高效地信息交流和共享環境。
2. 4 BIM 信息集成管理系統概念模型
全面的建筑工程項目 BIM 信息集成管理是運用 BIM 技術，進行項目全過程、多要素以及各參與方的綜合集成管理。其中，BIM 技術提供集成管理的技術支撐; 過程集成管理將項目的全壽命周期，通過虛擬化組織模式和集成化的項目管理系統串聯成一個整體; 多要素集成管理將成本、質量、工期、安全、風險等多要素進行綜合性管理; 參與方集成管理通過信息集成管理系統加強了各參與方之間 的 信 息 共 享、交 流 和 協 同 工 作[16]。此 外， BIM 信息集成的過程還應是一個知識集成的過程，通過知識的獲取、積累、傳遞、運用、交流和共享實現知識的循環。
因此，基于已構建的數據層、信息模型層和功能應用層三大模塊，結合工程項目的過程管理、多要素管理、參與方管理以及知識管理，搭建了分布式網絡環境下基于 BIM 技術的信息集成管理系統概念模型，如圖 3 所示。
2. 5 BIM 信息集成管理系統平臺功能設計
BIM 信息集成管理系統平臺由平臺管理和信息集成管理兩大模塊組成。其中，平臺管理模塊主要是針對于系統平臺的管理人員，它們主要對平臺的用戶進行管理以及系統的更新維護。信息集成管理模塊主要針對項目各參與方的用戶，用戶進行注冊登錄后，可以通過數據存儲與訪問、BIM 模型應用等功能模塊對工程項目信息實施管理與應用。該模塊是信息集成管理系統平臺的核心。BIM 信息集成管理系統平臺的功能模塊如圖 4 所示。
其中數據存儲與訪問功能在設計時，宜選用 Oracle 和 SQL Server 等大型關系型數據庫，滿足多項目多專業對海量數據的存儲與使用需求，支持多用戶的并 行 數 據 訪 問。采用基于角色的訪問控制[17]，根據人員的不同角色設置相應的權限，如結構專業人員一般情況下只能對本專業有讀寫權限，而對其他專業數據沒有讀寫的權限，來對數據的讀、寫、修改、刪除或提取進行控制，保證數據訪問與使用的安全性。
軟件開發功能設計時通過提供統一的 API( Application Programming Interface，應 用 程 序 編 程 接口) ，使用戶能直接對 IFC 數據進行編程擴展，免于處理 IFC 標準復雜的實體之間的關系，而根據專業應用需求進行程序開發[18]。
BIM 模型應用功能提供的模型視圖展示以及 BIM 軟件應用功能，使得用戶可以直接對信息模型進行瀏覽，選擇不同的信息模型顯示選項，查看組成信息模型的構件并獲取構件的相關屬性，再通過各專業軟件對建筑信息模型進行各種性能模擬分析，完成各專業間數據的交換和共享，實現項目各參與方之間的協同工作。
4 結論與展望
論文基于 BIM 技術和知識集成理論，構建了分布式網絡環境下以數據層、信息模型層和功能應用層為核心的信息集成管理的概念模型，并依據平臺管理和信息集成管理兩大模塊，進行了 BIM 信息集成管理系統平臺的功能設計。通過知識庫和網絡協作平臺實現了建設項目全壽命期的信息獲取、存儲、使用、共享、交流與循環，提高了信息的利用效率，促進了項目各參與方各專業之間的協同工作。盡管本文構建的基于 BIM 的建筑信息集成管理系統概念模型在系統功能結構方面已經比較完善，但要更好地實現信息的協同和實時共享傳遞，后期仍需要進行基于 BIM 的二次開發，這也是今后研究的重點和方向。——論文作者：李明瑞，李希勝* ，沈 琳
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