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BIM技术在整合资源和生产力方面的应用
摘要：
本文介绍了在马里博尔大学建筑信息技术中心进行的一项研究和开发项目的成果，介绍了建筑信息模型（BIM）和建筑施工过程到建筑公司的运营环境的模型。 该项目的首次提议来自这个行业，并作为研究机构和建设公司的共同努力而运行。 这项工作在工业化建设环境范围内开展，主要目的是将批量生产预制工序与施工现场活动结合起来。 BIM是支持制造过程的企业资源规划（ERP）信息系统和建筑对象相关信息之间的联系，主要由CAD工具处理。 这个连接的好处由项目进度监测和物料流量管理体现出来。
关键词：
工业化建设 建筑信息模型 互操作性 材料跟踪 项目监控
1 介绍
工业化进程于几年前开始而现在已经是建筑行业的一个重要趋势，旨在实现产业的多项改善，如生产率水平提高以及建筑产品质量更好。世界各地的报告和案例研究表明，预制和现场组装正在成为常见的做法[2,3]。工业化正在努力解决与其他行业相比利润率低，以及技术工人不足的问题[4,5]。远程设施的建筑构件预制可以节省现场材料储存的空间，确保更好的零件生产质量控制，减少浪费并实现重新设计和更有效的供应链管理。
然而，施工过程的工业化需要高水平的自动化。在这一点上，建筑行业面临诸多问题，特别是在信息处理和数据整合和相关信息系统方面。正如Johnsson [2]所指出的，ICT工程建设不支持自动化制造，为制造业开发的工具缺少结构设计和细节的支持。在我们的研究中，我们专注于绘制在这种异质环境中的未连接数据结构和模型之间的映射。本文所描述的工作是业界主导的研究成果。这项工作的提议来自于一个几年前引进工业化建设的斯洛文尼亚制造和建筑公司。上述提到的研究问题源自公司的日常活动，并努力在多项目的环境中改进项目的进度跟踪和资源管理。这导致了一个包括工作流程分析，综合所有建筑设计和施工流程的共同信息需求，以及克服信息流中发现的差距的数据转换的开发的项目，
2 工作流程分析
公司中等规模并涉及斯洛文尼亚和国外的一些项目，主要生产仓库建筑，工业大厅和大型商店建筑。建筑物由承重钢或混凝土结构组成并用金属屋顶和外墙元件封闭。除了建设项目外，公司还制造了市场上的屋顶和外墙元素。
鉴于预售和纯制造流程组织良好以及得到ICT工具的适当支持，我们的工作在项目合同签订后开始对对项目工作流程进行分析。从项目角度看，公司的工作流程可分为三个部分：（1）详细设计，（2）预制和（3）施工现场活动。详细设计从客户要求和建筑设计开始输入，并有两个输出结果。它是制造的基础同时为建设制作蓝图。该工作在可承受施工设计和外墙元件设计方面得到CAD工具的良好支持，预制批量生产，并且高度自动化。通过企业资源规划（ERP）系统，建筑元件的工业化生产与其他业务活动（如销售，采购和物流）相结合。施工现场活动与项目相关，施工现场活动与项目相关，并包括组织，施工工程，项目进度监测和管理活动，以及施工现场和施工现场的物料流量的跟踪。分析表明，这一组活动没有得到ICT工具的充分支持。与执行的建筑工程有关的详细规划和数据收集没有一致处理，几个软件工具取决于私人的项目经理。
制造和施工过程并行运行，这就是为什么这两组活动之间需要密切协调的原因。在施工现场，如果制造厂没有及时提供足够的建筑元素，则可能会造成昂贵的延误。另一方面，当不需要的时候早期生产建筑构件会增加储存成本，这使现场材料操纵更加复杂，也严重影响着多项目环境中的其他项目。在过程分析中，我们确定了两个主要可以显着提高整体绩效的改进领域。首先，建筑设计和工业化生产的整合应以预制的方式实现，如直接使用最新的建筑设计数据自动计算材料数量。这改善了预制过程的规划和组织。其次，现场项目管理和项目文件相关活动应与制造相结合，这可以提高物流效率，现场物料搬运和项目进度的总体跟踪。作为改进的第一步，短期内的两个具体目标如下：（1）应通过新系统改进项目进度监测，（2）建筑元件的状态跟踪应涵盖预制过程和施工的现场工作，并在整个公司变得透明。
3 BIM方面的相关概述
在工业化建设之后，一体化和互操作性已经是建筑行业的一个非常重要的课题。研发和开发已经引导社区进行产品建模和nD建模，从而最终建立信息模型。这些所有的努力一直反复地为利益相关者或系统之间的数据交换创造需求。这些发展的结果指导我们将我们的整合工作基于一个可扩展的BIM平台，这样我们可以为公司的未来发展奠定基础。
如其他地方所述，建筑信息模型（BIM）[6,7]包含建筑物生命周期在特定阶段（调度，分析，成本评估等）所需的信息。它不仅仅是建筑模型的数据容器;它是面向对象的建筑设计。设计的信息结构以建筑元素之间的属性和关系为对象（墙壁，柱子，窗户，门等）而呈现。 BIM通过标准化方法（如STEP或IFC），为这些对象提供了逻辑性和一致性的访问。早期的想法对于以整个建筑生命周期的目的应用一个完整的BIM更为乐观。在这方面，进行可行性研究和测试可以检查是否可以应用现有的标准，如HUT 600 [8,9]。同时，努力扩大建筑信息的使用范围，超越了早期的设计和施工，主要是寻找适合的维护项目支持的解决方案，如LifePlan [7,10]，DESNET [7,11,12]或ProIT [7， 13,14]。由于所有的产品建模提议都没有找到一个通用的和可互操作的数据交换的解决方案，所以更多实际的方案从像BLIS这样的项目中出现，它们将在软件供应商和终端桥梁的用户侧方面定义和实施国际金融公司模型的实用子集。
另一个Ifc-mBomb举措[16]侧重于数据交换中最重要的瓶颈 - 从设计到到维护的数据责任切换。除了纯粹的数据交换外，世界各地的项目都强调流程的重组和整合，以及建立生命周期，其中包括SARA [17,18]和CORENET [19-21]。最新的举措还包括标准化举措，如建筑智能[22,23]或挪威提议[24]，这些举措通过法律要求对产业有很大的影响。
我们利用在BIM领域丰富的知识体系，将ERP系统的信息与建筑设计数据联系起来。 BIM被置于系统的中心位置。它作为一个平台，来整合以信息系统不相关的部分为形式而实施的不同方面。该模型成为使得施工过程更加透明的共同特征。透明度和互操作性反映了ERP系统中的施工现场活动。它有助于更好地了解项目边界，从而有助于构建设计决策的财务状况。建筑工程和制造工艺之间的透明度使得短期规划更加准确，这样施工时间会变短，延迟会减少和材料缓冲需求也会下降。其他作者也认同了类似的结果[25]。反之亦然，它使预制工艺的规划在多项目环境中更有效率。
4 系统架构
其他作者报道的[26]BIM的以往经验清楚地表明，当将基于模型的方法引入施工时，务实和逐步的方法更有效果。因此，我们通过一个相当简单的BIM将我们的工作集中在公司中子系统的互连。在这个阶段，该模型不是建筑信息的主要存储库，它为建筑生命周期中的所有过程提供服务。然而，基于国际金融公司标准的开放式架构为未来的发展提供了依据。整体系统架构如图1所示。
图1显示了通过BIM技术预先存在的ERP系统，CAD工具和施工现场之间的联系。除了这三个主要部分之外，我们还采用了一个处理非结构化项目信息的文档管理系统（DMS）和以公司门户作为基础设施来改进公司内部的项目沟通同时满足外部利益相关者需求的架构。
整体项目规划，售前活动，采购，生产和物流均由ERP系统处理。从其他供应商或公司生产的建筑元件，都由ERP跟踪，直到交付给施工现场。为了通过整个建设过程实现跟踪建筑构件状况的目标，施工现场的状况也应包括在内。这里我们面临一个粒度问题，因为在生产中我们足以跟踪运输单位水平的进度状况。然而，在施工现场，如“现场”或“安装”等状态的跟踪很重要，运输单位的状态信息不再具有实际价值。 BIM提供ERP级别和施工现场粒度级别之间的映射，建筑构件状态信息扩展到施工现场也有助于物流跟踪的透明度。这开启了利用类似RFID技术自动化材料跟踪的可能性，并且还可以在现场快速查看可用和需要的材料。
一个现有实践的分析表明，在详细设计中，两个不同的建模者被使用着，一个用于建模承载结构，一个用于建模屋顶和外墙元件。从这些设计中，工程师们制定了蓝图，并进行了半自动转移和手动输入部分物料清单数据到ERP系统。BIM的引入将这两个模型集成到一个一致的建筑模型中。通常，任何数量的子模型或特定区域的模型视图都可以合并到集成的BIM中。物料清单现在已经从BIM加载到ERP系统中，其目的是组织制造的过程。但这里我们再次遇到了上述的粒度问题，因为特殊设计的建筑元件对于预制过程并不重要。这个问题在下面的小节中会有更详细的描述。
为了实施BIM，我们遵循IAI国际金融公司标准。目前，公司使用的模型并不提供IFC接口。但是，未来这些情况可能会有所改善。为了达到我们的工作的目的，我们把CAD工具的IFC接口和ERP系统开发使用。指出用于阅读IFC数据结构的库已可以使用也非常重要，这大大缩短了软件开发的周期。在我们的努力中，我们使用了TNO的IFC引擎[27]和由Secom IS实验室开发的IFC库[28]。最初，存储在BIM中的构建元素包含有关元素几何的信息。除几何外，该模型还包含跟踪元素状态所需的信息，以及自动准备日常现场报告和计算废料数量所需的所有数据。在第一步中，只有如柱，梁和外墙板等主要的建筑元素被存储在BIM中。有关安装材料和次要元素的信息没有存储在BIM中，但这些信息通过其运输单元被引用到ERP系统中并链接到主要元件中。建筑元素也与项目计划中的活动相关联。目前，这不是由IFC类处理，而项目计划存储在由Microsoft Project生成的XML格式的单独文件中。项目计划的WBS要素和构建要素之间的外部参考资料由国际金融公司的财产集团记录着。我们应该可以得出结论类似这样的4D模型非常详细，但是直到发现建立4D模型更高级自动化，我们的建议是使用更粗略的模型以避免给项目经理和现场经理太多的详细规划的工作量压力。
除了构建对象本身的结构化信息之外，项目中还有许多非结构化文档正在使用。通过我们的努力，我们用公司现有的工具处理了这些信息。大多数文档通过一个作为简化的DMS系统的项目门户进行管理。
所提出的架构和信息链接能够实现规划和施工现场控制的功能。在项目信息链接近结束时，项目进展情况的数据会记录在日常实地报告中。在新工具投入使用之前，大多数每天的现场报告都是以纸张格式处理的。站点管理员手动填写数据，制作所有必要的草图，并手动计算数量。新架构为网站管理员提供了一个可以收集有关录制的项目进度的信息和准备数字素描的工具。它还可以计算数量并生成每日字段报告表单，过一段时间可以由站点管理器更新，但是可用的信息不能从系统中导出。对ERP系统存储的要求的可追溯性提供了当前项目的财务状况，而建筑元素与项目计划之间的联系提供了有关计划和完成工作之间差异的信息。施工现场采用同样的工具对建筑构件的可用性进行监测，并记录建筑物的3D模型的施工活动状态。无线网络连接（GPRS或UMTS）被使用来进行制造工厂和施工现场的建筑元件数据数据。所有有关制造过程和施工现场流程的进度信息都透明地提供给项目参与者。
4.1 CAD与ERP之间的互操作性
在我们的研究中，我们发现CAD和ERP系统之间的互操作性以及双向信息传递都受建筑元件标识从设计到施工现场过程转移的影响。这个问题源于现场施工过程的本质。在特定建筑元素层面上执行可追溯性将产生大量的组织和物流问题，因为许多建筑元素是可互换的。为了避免这些问题，我们有必要将设计的建筑构件与材料和/或预制建筑构件区分开来。
另一方面，为了实现对材料流动的追踪和控制，我们有必要建立上述两种构件之间的联系。一个可能的解决方案是引入更抽象的元素类型。构建模型定义了元素类型，并将类型分配给元素特定的存在区域。以这种方式，所有可互换的建筑构件都能相互联系。映射的建立，为算法的定义提供了基础，这对于整个项目的材料需求和流程的计算是有必要的的。同时，这种抽象对后勤流程和现场材料处理没有负面影响，因为它保留了交换可互换元素的能力。抽象本身也不影响模型的初始细节，这对建筑工地的报告和管理是很重要的。
5 施工现场申请
建设系统实施的第一阶段，从施工现场，跟踪建筑构件的生产和交付的角度重点介绍项目的进度监测。在前几节中，我们描述了BIM在这方面的作用。本节中描述的两个例子会说明ERP和CAD数据集成的好处。
在跟踪预制过程和材料流向施工现场的过程中，供应链的双方都会被涉及到。在生产中生产单位会跟踪和更新建筑元素的状态。这些信息从ERP系统传播到BIM系统，并可供现场管理员使用，管理员可以使用这些信息进行施工作业的详细规划。使用建筑物的3D模型进行规划，其中元素的状态是明显的。管理员必须立即意识到计划活动缺少的任何元素。另一方面，建筑物在特定时刻的计划状况会使生产单位了解施工作业动态，并能够让生产单位更好地组织生产和快一步的物资供应。
项目进度监测也可以通过描述系统来加强。现场经理定期对施工现场的工作进行报告。在基于模型的工作中，站点管理员通过在3D模型上选择建筑物的构造部分来报告所执行的工作。建筑元素可以通过2D或3D中的空间（如图2所示）或通过使用元素列表和/或不同的分组标准（如项目活动或建筑物的一部分）来选择（例如，层1，北面，屋顶等），工作进度的状态分配给每个特定元素。这对进一步的报告进展有更深层次的影响。
根据建筑元件的状态，应用程序可以计算耗材的数量，并为建筑物的已建成部分生成2D预测，这样以便日常现场报告。通常负责多个项目和施工现场的项目经理，会获取不同地点活动的及时信息。他通过电子格式的注释蓝图和报告获得信息，或直接连接到他可以探索模型，建筑元素的状态以会不同的颜色显示的系统来获得信息。项目经理可以按计划和建成情况进行比较，来确定与材料生产和交付有关的现有或即将出现的困难。在更抽象的层面上，客户也
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