基于BIM的设计施工跨阶段数据交换标准研究

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基于BIM的设计施工跨阶段数据交换标准研究

琚　娟

(上海建科工程咨询有限公司，上海　200032)

【摘　要】基于BIM基准模型的协同项目管理，将原来割裂的投资、质量、进度多目标管理，统一为基于BIM基准模型的动态优化过程，实现了多目标联动，提升了项目管理的效率。从单阶段应用扩展到建筑工程项目多阶段管理应用，需要解决跨阶段数据交换标准问题。本文提出一种基于BIM的从设计到施工的跨阶段协同项目管理数据交换标准，通过标准数据交换文件，解决设计施工跨阶段的模型复用、信息传递和设计变更后多目标的信息联动问题，真正实现协同项目管理。

【关键词】BIM基准模型； 跨阶段数据交换； 协同项目管理

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.04

1　引言

建筑工程项目从开始到结束全生命周期过程中，由于没有统一的载体，项目信息会在不同阶段的衔接处出现断点，导致下游用户无法有效获得上游的数据，不同阶段信息割裂，业主、设计、施工、监理等参建单位难以协同工作[1]。BIM技术的出现，让建筑不同阶段信息有效传递成为可能。

要实现基于BIM的项目管理跨阶段数据交换，必须建立相应的数据标准，这是BIM跨阶段应用的基础和核心。IFC(Industry Foundation Classes，工业基础类)标准解决了BIM的数据模型标准，定义了BIM对象的基础类和基础属性； OmniClass标准给出了BIM技术的信息分类编码标准，解决了信息的多义性问题，二者均已列入美国国家BIM标准(NBIMS-US)[2-3]。中国建筑标准设计研究院提出了《工业基础类平台规范》[4]，其等同采用了IFC标准，根据我国国家标准的制定要求，在编写格式上作了一些改动。周成[5] 提出了设计阶段的信息交付标准，定义了建筑、结构、设备专业在特定阶段所需交付的模型对象与属性信息。马智亮等[6] 提出了基于BIM 的IPD协同工作模型与信息利用框架，但是对目前国内普遍采用的设计-招标-建造(Design-Bid-Build，简称DBB模式)并不适用。陈丽娟等[7] 开发了基于BIM 的大型博览项目全寿命周期管理平台，并以武汉国际博览中心为实例进行了验证，但并未介绍具体的数据交换标准。

由于建筑工程的多样性，项目管理目前尚缺乏统一的跨阶段信息传递内容与质量的数据交换标准，这让参建各方基于BIM的全生命周期协作并不容易。施工运营建筑信息交换标准(Construction Operations Building information exchange，简称COBie)[3] 解决了基于BIM的从施工阶段到运维阶段的跨阶段数据标准问题，定义了数据传递流程、格式和方法，美国国家标准和英国国家标准都将COBie纳入其参考标准之中，BIM主要软件厂商(包括Autodesk Revit和Bentley AECOsim等)也已支持其格式。

本文主要研究从设计阶段到施工阶段基于BIM的跨阶段协同项目管理数据交换标准.首先定义基于BIM基准模型的设计施工协同项目管理流程，阐述BIM基准模型的概念，然后提出基于BIM的设计施工建筑信息交换(Design Construction Building Information Exchange，简称DCBIE)方法，包括交换流程、交换内容、交换格式3部分，并给出了工程应用案例，尝试建立基于BIM的设计施工跨阶段数据标准，解决模型复用、信息传递和设计变更后多目标的信息联动问题，真正实现协同项目管理。

2　基于BIM基准模型的设计施工协同项目管理过程

2.1　基于BIM的项目管理动态优化过程

建筑工程项目管理过程是一个多目标(包括进度、费用、质量、安全等的)整体优化过程，一个目标的变动往往会影响到其他目标的调整，但不同目标管理往往分属不同部门甚至多个单位，造成多目标联动更新困难。

基于BIM基准模型的项目管理过程优化，其核心价值在于将原来割裂的投资、质量、进度等项目管理目标统一为基于BIM基准模型的动态优化过程，不论参建单位的业务流程如何，基于BIM的项目管理过程都可以统一描述为建立BIM基准模型、工程实施、与基准模型检查对标、整改完善的PDCA动态优化过程(如图1所示)。

图1　基于BIM基准模型的设计施工项目管理动态优化过程

建立的BIM基准模型是一个BIM模型，模型中包含了质量、投资、进度等管理目标的基准信息，既可以单独应用，也可以联动分析。工程实施按照既定的业务流程进行，流程中涉及设计和施工两个阶段中业主、设计、施工、造价咨询等多方角色。检查对标是将实际施工的阶段性成果与基准模型进行对比，找出其中的差异性。整改推进是对不一致的地方进行整改，对工程下一步实施工作进行调整。目标计划调整之后，需要对基准模型进行修正，在新的修正基准模型基础上继续实施。

基于BIM基准模型的设计施工项目管理动态优化过程，通过打通底层数据，实现多目标联动，将大幅提高项目管理效率。

与基于二维图纸的项目管理过程相比，基于BIM基准模型的设计施工项目管理动态优化过程具有以下特点：

(1)设计施工的目标统一，从原来相互割裂的投资、质量、进度等项目管理目标统一为BIM基准模型；

(2)设计施工的工作介质统一，从原来无法数据共享的施工图纸统一为基于BIM基准模型不断修正的增量模型；

(3)设计施工的后台数据统一，从原来邮件方式的文件传输到统一平台的多目标流程联动，实现项目管理过程可视化追踪。

2.2　BIM基准模型

BIM基准模型是项目模型库中每个构件版本在特定时期的一个“快照”，它提供一个项目的阶段性标准，施工阶段工作均基于此标准，经过授权后才能修正基准模型。建立一个初始基准模型后，以后每次对其进行的修正都将记录为一个修正记录，包括增加、删除、更改构件及其属性的记录，直到建成下一个基准模型。

BIM基准模型简称H3W模型，包含4个基本要素：

(1)什么时间(When)；

(2)什么位置(Where)；

(3)什么工艺(How)(包括用多少人工、什么材料、什么设备和工艺标准等)；

(4)建造什么构件(What)。

项目管理目标主要包括三个方面：质量、进度和投资。相应的BIM基准模型主要包括质量基准模型、进度基准模型和投资基准模型。不同类别的基准模型是分阶段建立的，基准模型经批准后作为项目实施的基准，也是项目实施控制的依据。

对目前国内普遍采用的DBB承发包模式和对采用清单计价的建筑工程，BIM基准模型的建立顺序通常是：

(1)BIM质量基准模型。以设计单位提交的经施工图审查机构审查合格的施工图设计文件配套的BIM模型作为质量基准模型；

图2　设计施工数据交换流程图

(2)BIM投资基准模型。以业主单位在施工合同清单价格基础上形成的BIM模型作为投资基准模型；

(3)BIM进度基准模型。以工程开工前施工单位提交的、经业主审批通过的进度计划为基础形成的BIM模型作为进度基准模型。

3　基于BIM的设计施工协同项目管理数据交换标准(DCBIE)

要实现基于BIM基准模型的设计施工项目管理动态优化过程，需要从底层打通质量、投资、进度的数据关系，从而实现多目标联动。DCBIE数据交换标准的目的即在于此，它包括数据交换流程、数据交换内容和数据交换格式三部分。

3.1　设计施工数据交换流程

设计施工的数据交换主要涉及业主、设计、施工、造价咨询等单位，要实现基于BIM的项目管理PDCA动态优化过程，同时适应不同建设单位的自定义流程，必须对业务流程进行统一和抽象，而不是基于业务的简单存储。基于BIM的设计施工跨阶段数据交换流程如图2所示。

业主单位与设计单位沟通确定项目需求(包括功能需求、空间需求、设备需求、投资需求等)之后，设计单位负责从概念到BIM质量基准模型的设计，基准质量模型包括建筑设计、结构设计、机电设计、幕墙设计、景观设计等多个专业模型。

在BIM质量基准模型基础上，输入施工合同工程造价信息，形成投资基准模型。

在质量和投资基准模型的基础上，工程开工前，输入施工进度计划信息，形成BIM进度基准模型。

施工过程中，当发生工程变更时，对变更费用和进度进行评估，根据现场签证、工程变更或费用索赔等情况，经业主审批通过后，同步修正投资、质量和进度模型。

3.2　交换内容

要实现DCBIE数据交换，必须对交换内容进行标准化，包括交换项目标准化、项目字段标准化、字段格式标准化和交换文件标准化。其中最有难度的是交换项目的标准化部分，需要从基础底层数据进行抽象，既能覆盖必要的交换项目，又尽可能减少冗余，并具有清晰的逻辑关系。

根据以上分析，本文提出以基准模型-偏差-变更为核心要素的信息族，描述基于BIM的设计施工协同项目管理的交换项目，如图3所示。

图3　DCBIE交换内容框架图

BIM基准模型由构件组成，构件具有三维几何模型及属性信息，构件属性信息包含了构件编码、位置和工序属性，并继承了构件类型的工艺属性。根据实际需要，多个构件可以组成不同的树形构件组，如设计阶段建筑构件、结构构件、机电构件等，或者施工阶段的单位工程、分部工程、分项工程等。所有构件的质量信息构成质量基准模型，包括构件编码、位置、几何形状、材料、标准等属性； 所有构件的投资信息构成投资基准模型，包括构件编码、单价、数量、合同价等属性； 所有构件的进度信息构成进度基准模型，包括构件编码、计划开始时间、计划完成时间、人工、设备等信息。

偏差是工程实施现状与基准模型对标的结果，包括构件编码、偏差类型、目标值、实际值等属性。变更是对基准模型的修正，包括构件编码、变更类型、位置、工序、工艺等属性。偏差和变更涉及的证据、流程文件作为文件属性输入到相应构件中。

BIM构件类型是非常重要的概念，是指具有固定特征的一类结构组件，相当于三维建模环境中的类对象，如钢筋混凝土矩形梁、PHC管桩等。同一种构件类型，其几何特征和工艺特征相同，几何尺寸可变。建筑工程BIM构件分类及编码尚无国家标准，本文参考文献[8]中的项目名称和项目编码，构件类型及编码在参数选用表中选择。构件工艺标准参考文献[9]中的标准进行。另外，位置是描述构件在某一时刻的局部坐标位置，用楼层和轴网表示。工序表示构件随时间从开始到完成的施工过程。

在设计阶段，设计单位定义了构件及构件的位置、材料属性，确定了质量基准模型； 造价咨询单位定义了构件的单价、数量、合同价属性，确定了投资基准模型； 在施工阶段，施工单位定义了构件的工序、工艺属性，确定了进度基准模型。通用信息在设计或施工阶段均可定义和更新。

3.3　交换格式

在图3 DCBIE交换内容框架图中，所有交换内容用一个Excel文件表示； 这个Excel文件一共包含20张工作表，每一种交换内容用一个表格表示； 每一个表格包含固定的字段，代表该交换内容的属性； 每一字段具有明确的格式，如文本型、数值型、日期型等。

DCBIE通过电子表格进行数据交换，其交换格式有以下特性：

(1)所有交换内容都包含于一个电子表格内；

(2)电子表格需要符合设定的标准格式；

(3)可参考外部文件信息。

4　应用案例

下面以一座两层楼的简单住宅为例，说明基准模型的概念，验证基于BIM进行设计施工数据交换标准(DCBIE)的可行性。示例项目包括3个BIM模型：设计阶段BIM模型(质量基准模型和投资基准模型)、施工阶段BIM模型(进度基准模型)和施工阶段设计变更(假设某个构件尺寸发生变化)后修正的基准模型分别如图4～图6所示。设计阶段BIM模型共包含85个构件，施工阶段BIM模型共包含88个构件(删除3个，增加6个)， 1个构件发生设计变更。

数据交换步骤如下：

图4　设计阶段BIM模型

图5　施工阶段BIM模型

图6　设计变更BIM模型

设计阶段设计单位建立BIM质量基准模型(见图4)及并输入质量信息(见表1)；

2)设计阶段造价咨询单位读取质量基准模型，输入投资信息(见表2)，生成BIM投资基准模型(模型仍是图5)；

3)施工阶段施工单位读取投资基准模型，并进行局部修正，假设根据施工模拟需要，楼板和屋顶分别分成2块施工，删除原来的2个楼板和屋顶，分别新增2个，见图5中圆形圈注部分和表4加粗部分(楼板被遮挡看不见)，输入进度信息(见表3)，生成BIM进度基准模型(见图5)；

4)施工阶段设计变更时，对基准模型进行局部修正，假设一层西侧窗户类型和尺寸进行变更(见图6中圆形圈注部分所示)，相应的质量、投资、进度信息同步更新(见表4加粗部分)。

表1　质量基准模型构件信息表

表2　投资基准模型构件信息表

表3　进度基准模型构件信息表

表4　设计变更后基准模型构件信息表

根据DCBIE定义的数据标准，通过在Revit和Navisworks中开发插件，可以自动实现上述设计施工阶段的数据交换。

5　结语

本文基于BIM基准模型重新定义了项目管理流程，在此基础上提出一种基于BIM的从设计阶段到施工阶段的数据交换标准，称为DCBIE数据交换标准，包括数据交换流程、数据交换内容和数据交换格式，从数据底层打通了质量、投资、进度等的数据关系。通过对模型的局部更新解决了从设计阶段到施工阶段的BIM模型复用问题，而不必重新建模； 通过标准的数据交换格式解决了信息传递的有效性，避免了信息的重复输入； 另外，设计变更后项目管理多目标联动更新，避免了不同目标单独修正及可能存在的冲突等问题。

DCBIE数据交换标准结合了我国的计量规范和施工质量验收规范，符合我们的设计和施工习惯。同时，由于数据交换以表格文件方式进行，可与绝大部分建筑工程项目管理软件进行数据交换。在实际应用中，通常适用于DBB工程项目管理模式，由业主牵头操作，这种模式最突出的特点是强调工程项目的实施必须按设计-招标-建造的顺序进行，基准模型的建立和修正也按照此顺序进行。DBB模式下，参与项目的各方即业主、设计、承包商等在各自合同的约定范围内，行使基于BIM基准模型进行项目管理的相应权利和义务，在不同阶段输入输出不同的模型和信息，各方的权、责、利分配明确。IPD(项目集成交付)管理模式下同样可以适用，仍然由业主牵头，基于BIM基准模型的动态优化过程仍然成立，参建各方关于建模及数据交换的职责没有明显区别，但是质量、投资、进度等基准模型建立的时间提前到概念设计阶段，并在后续过程中持续优化，可以获得更高的实施效率和效益。

参考文献：

[1]黄玮征. 建筑工程BIM信息交换研究[J].建筑经济， 2014(7)：P106-108.

[2]李建成， 王广斌.BIM应用导论[M].上海：同济大学出版社， 2015.

[3]National BIM Standard-United States Version 3，National Institute of Building Sciences buildingSMART alliance， 2015.

[4]GB/T25507-2010工业基础类平台规范[S].2010.

[5]周成. 基于IDM的建筑工程数据交付标准研究[D].上海：上海交通大学， 2013.

[6]马智亮， 张东东，马健坤.基于BIM 的IPD协同工作模型与信息利用框架[J].同济大学学报(自然科学版)， 2014(9)：P1325-P1333.

[7]陈丽娟， 骆汉宾，辛宏妍.基于BIM 的大型博览项目全寿命周期管理平台开发与应用[J].土木工程与管理学报， 2015(9)：P54-P61.

[8]GB50854-2013房屋建筑与装饰工程工程量计算规范[S].2013.

[9]GB50300-2013建筑工程施工质量验收统一标准[S].2013.

Research on the Design Construction Building Information Exchange(DCBIE)based on BIM

Ju Juan

(Shanghai JIANKE Engineering Consulting Co.，Ltd.， Shanghai 200032，China)

Abstract：The collaborative project management method based on BIM benchmark model can improve our efficiency of project management，because it represents the project as a multi-objective dynamic optimization processfrom original fragmented management of investment，quality and schedule to a benchmark BIM model.The data exchange standards are fundamental and important when we talk about the exchange based on the benchmark model from one single stage to multi-stages of construction projects.In this article，one standard of design construction building information exchange based on BIM is put forward to realize the collaborative project management，which uses a standard data exchange file to solve many problems such as model reuse，information transfer and multi-objective dynamic modification after design changes.

Key Words：Benchmark BIM； Design Construction Building Information Exchange； Collaborative Project Management

【基金项目】上海市科学技术委员会科研计划项目“房屋建筑工程信息模型协同管理应用技术研究和示范”(项目编号： 15DZ1203401)； 上海市企业技术中心能力建设项目“上海建科工程咨询有限公司技术中心能力建设项目”(项目编号：沪创新J-2014-05)

【作者简介】

【中图分类号】F407.9

【文献标识码】A

【文章编号】1674-7461(2016)04-0021-06