文/馬智亮   蔡詩瑤  

1、引言

近二十年來，信息技術(shù)具有極強(qiáng)的滲透力，它在建筑行業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展迅速。BIM技術(shù)是信息技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)，已應(yīng)用于大量的建筑工程。目前，行業(yè)專家正在形成這樣的共識：信息技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)歷了信息化階段，正在經(jīng)歷數(shù)字化階段，最終將進(jìn)入智能化階段。但是，三個階段存在一定的搭接，目前雖然建筑行業(yè)仍在經(jīng)歷數(shù)字化階段，但智能化應(yīng)用已經(jīng)開始。建筑施工將建筑設(shè)計藍(lán)圖變成現(xiàn)實的建筑，是建筑工程的重要階段，在其中，項目管理人員需要運用人、機(jī)、料、法、環(huán)等要素，兼顧進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等要素，達(dá)成多目標(biāo)的優(yōu)化實現(xiàn)。

建筑行業(yè)的信息化階段的特征是，信息技術(shù)開始廣泛地應(yīng)用于行業(yè)，先后出現(xiàn)了多種信息系統(tǒng)，用于輔助行業(yè)技術(shù)、管理及操作人員的工作。具體到建筑施工階段，其主要特征是，以功能為核心，通過應(yīng)用相應(yīng)的信息系統(tǒng)，輔助施工管理及作業(yè)人員提高工作效率。例如，管理人員使用概預(yù)算軟件進(jìn)行項目概預(yù)算工作，使用進(jìn)度計劃軟件制定施工進(jìn)度計劃，使用施工項目管理系統(tǒng)進(jìn)行項目的綜合管理。又如，使用專用的控制系統(tǒng)，確保在爬模系統(tǒng)中全部模板的同步提升。但這種應(yīng)用往往是局部化的，容易形成信息孤島。

建筑行業(yè)的數(shù)字化階段的特征是，行業(yè)普遍地應(yīng)用信息系統(tǒng)，能夠集成不同應(yīng)用軟件開發(fā)商開發(fā)的系統(tǒng)，并開始應(yīng)用功能更加全面、更加強(qiáng)大的集成化系統(tǒng)。具體到建筑施工階段，其特征是，系統(tǒng)的集成度更高、功能更強(qiáng)，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞不再依賴人的介入，而是依據(jù)數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自動進(jìn)行。例如，從設(shè)計系統(tǒng)得到的設(shè)計模型可以直接導(dǎo)入到成本預(yù)算系統(tǒng)進(jìn)行成本預(yù)算，其結(jié)果再導(dǎo)入到施工項目綜合管理系統(tǒng)進(jìn)行項目管理。為此，施工管理人員和作業(yè)人員的工作效率可以得到進(jìn)一步提高，信息孤島基本消除。在該階段，BIM技術(shù)發(fā)揮重大作用。例如，基于BIM的系統(tǒng)可以直接利用設(shè)計BIM模型，其提供的碰撞檢查功能可用于提前發(fā)現(xiàn)各專業(yè)構(gòu)件和管線之間的碰撞，使施工過程免于返工；而機(jī)電管線綜合功能則可用于虛擬布置管線，從而實現(xiàn)管線的合理布置及優(yōu)化。

建筑行業(yè)的智能化階段最大的特征將是人工智能技術(shù)在行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。人工智能技術(shù)將帶來工作少人化甚至無人化、決策最優(yōu)化等優(yōu)點。其中，BIM技術(shù)可以發(fā)揮重要作用。對行業(yè)智能化現(xiàn)狀的了解有助于把握其發(fā)展方向，加快其在行業(yè)中的進(jìn)一步研究和開發(fā)。

本文綜述基于BIM的建筑施工智能化的研究和開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。首先，對智能化和BIM技術(shù)的核心內(nèi)容進(jìn)行闡述，為后續(xù)闡述奠定基礎(chǔ)。然后，通過總結(jié)應(yīng)用情形，分析基于BIM的建筑施工智能化的現(xiàn)狀。最后，基于上述分析和作者的認(rèn)識，闡述基于BIM的建筑施工智能化發(fā)展趨勢。

2、智能化與BIM技術(shù)

同其他行業(yè)一樣，建筑行業(yè)利用信息系統(tǒng)進(jìn)行信息收集、傳遞、統(tǒng)計、分析、計算、加工處理等，以滿足具體的業(yè)務(wù)、管理及決策需求。從管理的角度看，信息系統(tǒng)主要起工具的作用，可以幫助人們提高工作效率。智能化的目的是，使這些工具具有知識和智力，從而部分甚至完全取代人。因此，建筑施工智能化意味著使建筑施工階段應(yīng)用的信息系統(tǒng)具有知識和智力。其意義在于，一方面可以通過減少對人的需求，使人得到幫助，獲得解放；另一方面，對于需要高層次人才的工作，智能化可以解決高層次人才供不應(yīng)求的問題。智能化技術(shù)基礎(chǔ)是人工智能技術(shù)，其相關(guān)技術(shù)包括云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動物聯(lián)網(wǎng)等。智能化技術(shù)使信息系統(tǒng)能夠感知、認(rèn)知、學(xué)習(xí)、推理，甚至進(jìn)行專家水平的決策。

BIM的本質(zhì)是，不僅使建筑數(shù)字化，而且使建筑過程數(shù)字化，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化管理，便于利用信息系統(tǒng)進(jìn)行處理。其核心特征是，以三維幾何模型為基礎(chǔ)形成BIM模型；除三維幾何信息外，BIM模型中還包含相關(guān)的屬性信息，例如構(gòu)件材料、加工要求等，以及管理信息，例如成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全等信息；同時，BIM模型中還應(yīng)包含這些信息之間的關(guān)聯(lián)信息，例如，對于一個窗口，不僅它的尺寸大小及位置，連它開在哪個墻上這樣的信息在BIM模型中也是具備的，從而可以支持自動化處理。從信息維度上看，BIM模型不僅包含空間信息，而且可以包含進(jìn)度信息（4D），甚至再附加上成本信息（5D）、質(zhì)量信息（6D）、安全信息（7D）等管理信息。

容易理解，BIM技術(shù)在建筑施工智能化發(fā)揮的最重要作用主要將體現(xiàn)為，為智能化應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因為建筑施工需要統(tǒng)籌人、機(jī)、料、法、環(huán)等人、物理對象或過程的特性，它的智能化既離不開空間信息，也離不開進(jìn)度信息、成本信息等管理信息。如果沒有BIM技術(shù)，這些信息需要專門輸入，其數(shù)據(jù)量之大，數(shù)據(jù)關(guān)系之復(fù)雜，必然阻礙智能化技術(shù)的應(yīng)用。因此，集成應(yīng)用BIM技術(shù)是必然趨勢。從智能化的本質(zhì)看，BIM技術(shù)雖然不是人工智能技術(shù)，它同樣為信息系統(tǒng)增加了信息感知和認(rèn)知的知識和智力。

3、基于BIM的建筑施工智能化現(xiàn)狀

基于BIM的建筑施工智能化可以分為兩個方面，即，智慧工地和智慧施工。前者面向施工環(huán)境和條件，聚焦于施工要素（包括：人、機(jī)、料、法、環(huán)）的管理和一般過程管理（包括進(jìn)度、質(zhì)量、安全以及成本方面的管理），適用于各種建筑類型；后者面向特定施工過程，聚焦于施工技術(shù)運用和特定過程管理，一般因不同建筑類型（例如超高層建筑或大型公共建筑，鋼結(jié)構(gòu)建筑或混凝土結(jié)構(gòu)建筑）而異。

在智慧工地方面，目前已發(fā)表的、以BIM應(yīng)用為基礎(chǔ)的智能化應(yīng)用技術(shù)可歸納如下：

（1）基于BIM的作業(yè)人員智能化管理系統(tǒng)[1]。讓工人佩戴內(nèi)嵌智能芯片的安全帽，將BIM模型導(dǎo)入系統(tǒng)。系統(tǒng)具有門禁功能，不僅可以自動進(jìn)行人員的出勤統(tǒng)計，而且可以記錄人員在項目場地中軌跡和分布，并可以對在場人員進(jìn)行實時語音提示。

（2）基于BIM的物料智能化管理系統(tǒng)[1]。導(dǎo)入BIM設(shè)計模型，集成施工進(jìn)度計劃、流水段、清單項目、分包隊伍等信息。在系統(tǒng)中選擇單體、樓層、構(gòu)件，均可提取相應(yīng)的材料用量，輔助制定材料采購計劃及進(jìn)行限額領(lǐng)料管理；支持材料的模型量和實際量間的對比，方便物料控制。

（3）基于BIM的混凝土建筑鋼筋智能化加工系統(tǒng)[1]。以建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)的BIM模型為輸入，實現(xiàn)鋼筋的自動翻樣，并通過與數(shù)控加工設(shè)備配合，實現(xiàn)鋼筋的半自動或全自動加工。

（4）基于BIM的智能化質(zhì)量管理系統(tǒng)[2]。以施工BIM模型為輸入，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，自動生成質(zhì)量驗收計劃；支持在施工現(xiàn)場利用移動終端，通過定位功能動態(tài)識別現(xiàn)場的構(gòu)件和模型中的構(gòu)件的對應(yīng)關(guān)系，通過點擊模型中顯示出的計劃驗收構(gòu)件，顯示數(shù)據(jù)輸入表，支持在其中錄入驗收數(shù)據(jù)后自動上載到系統(tǒng)的服務(wù)器，便于各參與方共享數(shù)據(jù)和協(xié)同工作。

（5）基于BIM的智能化安全管理系統(tǒng)[1]。通過讓作業(yè)人員在現(xiàn)場佩戴智能安全帽，以施工BIM模型為輸入，在系統(tǒng)內(nèi)生成虛擬施工現(xiàn)場場景，通過定位技術(shù)實時采集作業(yè)人員位置信息和不安全環(huán)境信息，系統(tǒng)可實時對作業(yè)人員進(jìn)行安全監(jiān)測和預(yù)警。

（6）基于BIM的智能化成本管理系統(tǒng)[1]。通過輸入施工BIM模型，并建立構(gòu)件與預(yù)算文件、分包合同、施工圖紙、進(jìn)度計劃的關(guān)聯(lián)，支持實時按專業(yè)、樓層、進(jìn)度、流水段等多維度計算統(tǒng)計工程量、分包量，通過輸入實際成本，實現(xiàn)基于“三算對比”的成本控制。

（7）基于BIM的智能化施工綜合管理系統(tǒng)[3, 4, 5]。以BIM模型為輸入，將三維模型與施工進(jìn)度計劃相關(guān)聯(lián)，對施工過程進(jìn)行可視化模擬。同時，實時采集并更新當(dāng)前的進(jìn)度、資源、成本費用等信息，自動進(jìn)行資源與工程進(jìn)度統(tǒng)計、成本實時監(jiān)控等，并可進(jìn)行沖突分析，輔助調(diào)整計劃。

在智慧施工方面，目前已發(fā)表的、以BIM應(yīng)用為基礎(chǔ)的智能化應(yīng)用技術(shù)可歸納如下：

（1）基于BIM的智能化機(jī)電安裝管理系統(tǒng)[6, 7]。在基于BIM的智能化施工綜合管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立機(jī)電設(shè)備的4D模型，實現(xiàn)機(jī)電安裝施工動態(tài)管理及可視化模擬。同時，可結(jié)合激光掃描、GPS、移動通訊等技術(shù)，對施工現(xiàn)場的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行跟蹤，方便對安裝進(jìn)度進(jìn)行管理和檢查。

（2）基于BIM的智能化施工過程監(jiān)測系統(tǒng)[8, 9]。輸入施工BIM模型，并利用每日施工照片，生成已建成部分的點云模型，采用支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，將點云模型與施工BIM模型進(jìn)行比較，自動識別進(jìn)度偏差。

4、基于BIM的建筑施工智能化發(fā)展趨勢

隨著建筑施工數(shù)字化技術(shù)、人工智能技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，基于BIM的建筑施工智能化技術(shù)必將向前發(fā)展。根據(jù)上述分析和作者的認(rèn)識，歸納以下4點主要發(fā)展趨勢：

（1）基于BIM的智能化系統(tǒng)的“可插拔”式集成應(yīng)用

目前，上述的智能化技術(shù)之間彼此獨立存在。作為建筑施工數(shù)字化的重要組成部分，現(xiàn)在的BIM標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容還不夠全面，并未覆蓋建筑施工的全部環(huán)節(jié)，例如，目前的主流BIM標(biāo)準(zhǔn)IFC標(biāo)準(zhǔn)并不能很好地既覆蓋人員管理也覆蓋質(zhì)量管理，所以基于BIM的建筑施工質(zhì)量管理系統(tǒng)與基于BIM的作業(yè)人員管理系統(tǒng)之間的集成就比較困難。因此，即便有集成，被集成的系統(tǒng)往往很難替換。而隨著信息模型標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，如果實現(xiàn)了基于信息模型標(biāo)準(zhǔn)的集成，就可以實現(xiàn)“可插拔”替換方式，即，在集成化系統(tǒng)中，很容易把其中的一個系統(tǒng)替換為另外一個同類系統(tǒng)。

（2）基于BIM的大數(shù)據(jù)分析功能的建立及應(yīng)用

建筑施工過程中需要進(jìn)行大量的決策，例如，選擇施工方法，選擇承包方，選擇施工材料等。這些決策往往需要參考以往的經(jīng)驗，而通過應(yīng)用BIM技術(shù)積累下來的建筑工程數(shù)據(jù)及其管理數(shù)據(jù)，因為具有全面性、相互關(guān)聯(lián)性等特點，將是最好的承載經(jīng)驗的數(shù)據(jù)源。隨著這類數(shù)據(jù)的積累，將可提供更高的價值。將它們用于進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，其結(jié)果比較對建筑施工過程中的科學(xué)決策至關(guān)重要。

（3）BIM技術(shù)與自動化及機(jī)器人技術(shù)的集成應(yīng)用

隨著老齡化社會的到來以及新生代對建筑工程的興趣低下，建筑施工項目作業(yè)人員的保證將變得越來越困難。如果說自動化技術(shù)可以實現(xiàn)機(jī)器代替人去做簡單充分工作，機(jī)器人的使用則使機(jī)器可以像人一樣做較為復(fù)雜的工作，甚至可以利用機(jī)器人和自動化設(shè)備完成整個施工過程。但是，將機(jī)器人在建筑施工過程中替代人的角色，需要用到精確的時空信息，為此，BIM技術(shù)與自動化和機(jī)器人的集成應(yīng)用將成為必需。

（4）BIM技術(shù)與語義網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用

語義網(wǎng)技術(shù)適合于表達(dá)規(guī)范知識。與建筑施工相關(guān)，有不少的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，例如，施工質(zhì)量驗收規(guī)范。而且，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求往往都與時間和空間有關(guān)。例如，設(shè)備和建筑物之間應(yīng)該留出多大空間，以便方便設(shè)備的維修。通過集成應(yīng)用BIM技術(shù)和語義網(wǎng)技術(shù)，將可以按規(guī)范要求對BIM模型構(gòu)件的尺寸及位置等進(jìn)行自動檢查，從而減輕有關(guān)人員在建筑施工過程中的對標(biāo)工作量。

5、結(jié)語

實現(xiàn)建筑施工智能化任重而道遠(yuǎn)，目前實現(xiàn)的建筑施工智能化還僅僅處在初級階段。今后，建筑行業(yè)需要一邊推進(jìn)建筑施工數(shù)字化，一邊推進(jìn)建筑施工智能化，并使兩者互相促進(jìn)，相得益彰，在這個過程中，BIM技術(shù)將繼續(xù)得到發(fā)展和應(yīng)用，并發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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