智慧建造技术发展分析报告(中)

3、智慧建造的信息化解决方案

实现智慧建造需要信息化手段来支撑,需要结合建筑行业特点和核心业务规划适用的解决方案。智慧建造的信息化解决方案就是以PM(项目管理)为核心,以BIM为支撑,以DM为持续改进和提升的基础,充分利用云计算和移动应用、物联网等先进技术,实现智慧建造的过程,使建设项目效益最大化,最终实现智慧建筑。即智慧建造信息化应用架构4MC。

图3-1智慧建造信息化应用架构

如图3-1所示,智慧建造信息化应用架构4MC主要包括平台层、应用层、终端层三个层。

平台层可基于云计算技术(CloudComputing)实现传统平台向云服务平台转化。应用层始终围绕以提升项目管理(ProjcetManagement)这一关键业务为核心,实现项目全生命周期的信息化,实现管理效益的提升。从生产作业的角度来讲,通过 “专业工具软件支撑(BIM)”和“数据服务产品支撑(DM)”的支撑实现项目建造与运维的生产效率提高。终端层实现信息化的人机交互,实现从传统PC终端向移动终端(Mobile)和物联网应用拓展。

3.1 4MC—PM 项目全生命周期管理(ProjectManagement)

项目管理业务是建筑行业的核心业务,围绕项目开展生产经营和管理活动是建筑行业业务形态的显著特点。

图3-2 参建各方的项目管理

对于建筑行业,项目管理水平的好坏决定了企业的发展好坏,决定了行业发展的水平,建筑行业的信息化要围绕项目管理(PM)核心业务开展,才能取得价值的最大化。项目管理业务信息化是基于项目全过程的信息化,也是支持集约化经营和精益化管理思想的落地。

3.24MC—BIM 建筑信息模型(Building Information Modeling)

在项目建设过程中,单独的项目管理系统很难发挥作用,最大的问题就在于缺乏真实、实时的数据支持,数据之间难以建立有效关系。因此需要BIM技术及产品的支撑,满足作业层的生产需要,并产生真实有效的基础数据。

BIM(Building InformationModeling)建筑信息模型,是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型。BIM是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。一个完善的信息模型,能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源,是对工程对象的完整描述,可被建设项目各参与方普遍使用。BIM的可视化、参数化、数据化、可模拟化、可优化的特性让建筑项目的管理和交付更加高效和精益。

图3-3 BIM技术应用

如图3-3所示,基于项目全生命周期的BIM技术应用是以BIM服务器为基础,建模为输入,以协同为方向,实现项目各阶段、不同专业、不同软件产品之间的数据交换、集成与共享,为建设项目目标的实现做有力支撑。

3.3 4MC—DM数据管理(Data Management)

随着项目管理系统和BIM系统的深入应用,会产生各种各样的结构化和非结构化数据,面对海量的大数据,如何让这些数据进一步发挥价值,需要DM数据管理系统的支撑。如图3-4所示,DM数据管理包括两个层面:

一个是数据和知识的复用和分析。我们在工作和生产过程中需要数据的支持和服务,需要复用经验数据,历史案例工程数据,需要对数据进行科学分析,以辅助工作和决策支持。例如需要查询和获取市场材料价格,需要获取工程造价指标支持造价估算,通过数据分析找出管理和生产的问题。

另一方面是知识管理。在生产和管理过程中,会积累下很多数据和信息。需要进行加工、处理并形成知识进行复用。应该说建筑行业分散性的特点本身就不利于管理的标准化,各项目的一些好的经验、标准、指标无法有效积累和复用。因此更需数据的管理来支撑企业持续提高,发挥数据的价值。

图3-4 项目全过程的DM数据管理

3.4 4MC—云平台(CloudComputing)

各系统中处理的复杂业务,产生的大模型和大数据如何提高处理效率?这对服务器提供高性能的计算能力和低成本的海量数据存储能力产生了巨大需求。通过云计算与信息化系统及软件的整合,使得建筑的建造过程与运维更加便捷、集约、灵活和高效。

云计算是分布式处理、并行处理、网格计算、网络存储和大型数据中心的进一步发展和商业实现。如图3-5所示,基于“云”的服务平台、服务模式以让项目参建各方可以通过公有云和私有云,更自由的访问数据,更高效处理数据,更便捷的协作。

图3-5 云平台

3.5 移动应用及物联网(Mobile Application)

图3-6 移动应用及物联网应用

建筑行业的项目分散性、人员的移动性、管理的离散性等特点,对信息化的应用造成了很多障碍。如何有效的进行现场管理、移动办公、数据采集,解决信息化最后“几十米”的问题?可以说以往传统的信息化是“办公室”的信息化,我们需要插上网线,利用PC电脑终端来访问数据和使用软件。尤其建筑施工现场环境复杂,项目管理人员多是在现场作业和管理,抱着笔记本电脑下工地也是不方便的。因此要想实现全面的信息化应用,真正的实现智慧建造,必须关注项目现场的应用问题,利用移动应用技术、物联网等技术切实解决现场人员与信息化系统的交互问题,才能保障数据来源及时、准确。

如图3-6所示,通过PAD、手机等移动终端,结合BIM技术手段,在PAD上进行建筑模型和图纸浏览,进行变更洽商、设计交底、施工指导、质量检查、模型浏览、沟通管理、设施管理等都非常高效。

充分利用物联网技术提高现场管控能力,针对建筑的全生命周期对各阶段、各部位、各实体,通过RFID、电子标签、测量器、传感器、摄像头等终端设备,实现对项目建设过程和运维管理的实时监控、智能感知、数据采集和有效管理,提高作业现场的管理能力,加强了人与建筑的交互。

4 基于建筑全生命周期的智慧建造

一个建筑项目建设生命周期主要可以划分为规划设计、施工建造和设施运维三个大的阶段。规划设计解决的是”做什么“的问题,施工建造解决的是”怎么做“的问题,设施运维解决的是”怎么用“的问题。实现智慧建造就需要科学的、合理的和智慧的去解决三个阶段的主要问题,以BIM为载体结合物联网和云计算成为支撑智慧建造的主要模式。

BIM(Building InformationModeling)是建筑信息模型,是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型。在建造不同阶段的BIM模型结合物联网及云等技术,会产生很多实际应用,下面针对生命周期各阶段的一些热点应用做一阐述。

4.1 规划设计阶段

在规划设计阶段,充分利用BIM的可视化、高效协同、虚拟模拟、设计优化和三维出图等技术提高设计的质量和效率。设计阶段的应用主要包括4个方面。第一,在概念设计阶段,设计师充分利用BIM技术平台集成GIS及相关物联网技术,结合相应分析软件对设计条件进行判断、整理、分析,保证在设计最初就能够充分考虑现场环境等条件下,进行各种面积分析、地形分析、场地通风条件及潜力分析、体形系数分析、收益分析、可视度分析和日照轨迹分析及设计条件整合管理等。

第二,在方案设计阶段。充分利用BIM技术实现方案的设计优化、方案对比和方案可行性分析等。BIM模型集成了建筑物完整的几何、物理和性能等信息,通过软件自动提取各种分析、模拟和优化所需要的数据进行计算,BIM软件平台可以实现建筑物性能分析、能耗分析、采光分析、日照分析和、通风模拟和疏散分析等,有效的提高了建筑物的宜居和智能化水平。

第三,在施工图设计阶段,将BIM模型应如何设计之后,BIM模型作为一个信息平台能够将和专业设计的数据进行统筹管理,实现各种建筑构件被实时调用、统计分析、管理和共享。BIM模型应用主要包括建模和计算,规范校核、三维可视化辅助设计、工程造价信息统计、施工图文档、其他相关信息管理等。

第四,在设备专业设计中的应用。建筑机电设备专业属于交叉 学科,在设计中既要考虑管线设备的安装顺序,还要保证足够的安装空间,以及设备和管线的维修和更换要求。传统的二维设计很难解决管线综合问题,引入BIM模型进行设计,有效地解决了空间管线综合及碰撞问题,同时还能够充分利用BIM模型的参数化特征,进行管线路径自动创建和自动计算,具有很高的智能型。

4.2 施工建造阶段

施工阶段是实现智慧建造最重要的阶段,也是BIM应用范围最广、人员最多、阶段最长的一个阶段。主要包括:

第一,在施工方案阶段实现虚拟施工、方案优化。运用三维建模和建筑信息模型(BIM)技术,建立用于进行虚拟施工和施工过程控制、成本控制的施工模型,结合虚拟现实技术,实现虚拟建造,验证施工组织设计方案可行性,并按时间进度进行施工安装方案的模拟和优化。同时,对一些重要的施工环节或采用新施工工艺的关键部位、施工现场平面布置等施工指导措施进行模拟和分析,不断优化方案,以提高计划的可行性,提前可以分析施工过程中的难点、重点以及风险点。

第二,在施工设计中进行碰撞检查、减少返工。在传统施工中建筑工程建筑专业、结构专业、设备及水暖电专业等各个专业分开设计,导致图纸中平立剖之间、建筑图和结构图之间、安装与土建之间及安装与安装之间的冲突问题数不胜数,随着建筑越来越复杂这些问题会带来很多严重的后果。通过三维模型,在虚拟的三维环境下方便地发现设计中的碰撞冲突,在施工前快速、全面、准确的检查出设计图纸中的错误、遗漏及各专业间的碰撞等问题,减少由此产生的设计变更和工程洽商,更大大提高了施工现场的生产效率,从而减少施工中的返工,提高建筑质量,节约成本,缩短工期,降低风险。

第三,在施工全过程造价管理中实现精确算量、成本控制。工程量统计结合4D的进度控制,即所谓BIM在施工中的5D应用。施工中的预算超支现象十分普遍,缺乏可靠的基础数据支撑是造成超支的重要原因。BIM是一个富含工程信息的数据库,可以真实地提供造价管理需要的工程量信息,借助这些信息,计算机可以快速对各种构件进行统计分析,进行砼算量和钢筋算量。大大减少了繁琐的人工操作和潜在错误,非常容易实现工程量信息与设计方案的完全一致。通过BIM获得的准确的工程量统计可以用于成本测算、在预算范围内不同设计方案的经济指标分析,不同设计方案工程造价的比较,以及施工开始前的工程预算和施工过程中的结算。

第四,在施工二次加工过程实现数字化加工、工厂化生产。建筑工业化是工厂预制和现场施工相结合的建造方式,这将是未来建筑产业发展的方向。BIM结合数字化制造能够提高承包工程行业的生产效率。实现建筑施工流程的自动化。建筑中的许多构件可以异地加工,然后运到建筑施工现场,装配到建筑中。通过数字化加工,可以准确完成建筑物构件的预制,这些通过工厂精密机械技术制造出来的构件不仅降低了建造误差,并且大幅度提高构件制造的生产率,这样一种综合项目交付(IPD)方式可以大幅度地降低建造成本,提高施工质量,缩短项目周期,同时减少资源浪费,并体现先进的施工管理。对于没有建模条件的建筑部位还可以借助先进的三维激光扫描技术,快速获取原始建筑物或构件模型信息。

第五,充分利用物联网技术提高现场管控能力。目前工程建设规模不断扩大,工艺流程复杂,如何搞好现场施工现场管理,减少事故发生,一直是施工企业、政府管理部门关注焦点。在工程施工现场条件下,利用物联网技术推进施工现场管理、物资管理、地下空间施工等方面的信息化应用。针对建筑的重点部位和施工关键工序、危险性较大的分部分项工程、实现对工程施工各阶段、各部位的安全、质量的实施监控和施工现场能耗、人员、设备、材料的有效监控。实现信息化与工业化的有效融合。提高工程施工的质量、安全监控能力,推进建筑施工企业科技水平提高。

第六,利用移动技术实现工程移动检查。施工企业的分散性、人员的移动性、项目的临时性等特点,对信息化的应用造成了很多障碍。尤其是工地现场的环境非常复杂,项目管理人员多是在现场作业和管理,抱着笔记本电脑下工地也是不方便的。通过PAD或手机终端设备,结合BIM技术手段,在PAD上进行建筑模型和图纸浏览,进行变更洽商、设计交底、施工指导、质量检查、虚拟施工、沟通管理非常高效。

4.3 设施运维阶段

项目的运营和维护阶段,是项目生命周期中时间最长的阶段,也是项目经历了策划、设计、施工阶段之后,在项目竣工时信息积累最多的时刻。基于BIM模型的运维管理使得不同阶段的建筑信息被重复利用,避免了信息丢失等问题。在运维阶段,基于三维模型实现了设施管理,人员管理,运维管理,信息管理等。运维阶段应用主要包括:

第一,多手段建模应用。经过设计阶段和施工阶段的BIM模型数据可以被应用于运维阶段管理,它可以作为整个建筑物的运维阶段的模型基础。同时,对于一些既有的建筑物来讲,完全可以应用一些先进的激光扫描仪,对建筑进行扫描,然后进行模型、建模,然后形成数字建筑。

第二,模型支持可视化管线管理,也可以应用到设备管理。管线管理是将物联网的RFID埋入管线,并在BIM模型上进行定位。以管理复杂的管网,如污水管、排水管、网线、电线以及相关管井。在建筑改扩建或二次装修的时候可以避开现有管网位置,便于管网维修、更换设备和定位。

第三,设备资产管理。设备资产管理系统集成了对设备的搜索、查阅、定位功能。通过BIM模型可视化模型进行设备追踪,可以查阅所有设备信息,如供应商、使用期限、联系电话、维护情况、所在位置等;该管理系统可以对设备生命周期进行管理,比如对寿命即将到期的设备及时预警和更换配件,防止事故发生;通过在管理界面中搜索设备名称,或者描述字段,可以查询所有相应设备在虚拟建筑中的准确定位;管理人员或者领导可以随时利用四维BIM模型,进行建筑设备实时浏览。设备运行和控制是结合BIM与物联网技术,可以让运维管理更加智能化,在设备上安装了RFID和传感器后,则能更加智能的对温度、压力、运行等情况进行监控。所有设备是否正常运行在BIM模型上直观显示。有异常情况时候,通过传感器连接的系统进行预警。

第四,设备的运行控制管理。可以更合理制定维护计划,分配专人专项维护工作,以降低建筑物在使用过程中出现突发状况的概率。对一些重要设备还可以跟踪维护工作的历史记录,以便对设备的适用状态提前作出判断。这些都通过物联网进行感知,通过BIM模型进行集成。对管线进行检查和维修时,可以通过对电子标签的扫描,在BIM模型上迅速定位,并查询出管线的历史维修记录和相关信息。

第五,建筑物能耗管理。绿色建筑、节能减排已经是建筑行业的发展必然趋势。建筑能耗关系国计民生,量大面广,节约建筑用能,具有重要意义。因此建筑在运维使用阶段,首先,结合物联网技术,在各楼层设置能源监控设备,自动采集数据,并集成进入系统,与模型进行关联,及时查看个楼层的用电、用水、用气的情况;其次,实现重点建筑能耗的在线监测和动态分析。通过可视化展示,对能源指标进行预警设置,对于进入不同预警区间的楼层使用不同的颜色进行标识,可以直接了解有哪些楼层能源超标,并点击进行追溯,查看具体的数据。最后,通过安装于特殊房间的传感器,将房间的温度、湿度、空气含量等信息展示在系统中。并标以不同颜色进行警示。及时发现、纠正用能浪费现象。

(未完待续!)

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