浅析BIM和物联网技术在建筑工程项目材料管理中的应用价值

尚世宇 张焕芳

摘 要：文章通过分析现有建筑工程项目材料管理过程所面临的管理效率低下，材料质量难以控制等问题，利用建筑信息模型和物联网技术构建项目材料管理系统，结合材料管理的主要环节阐释了两项关键技术在建筑工程项目材料管理中应用的核心价值是实现信息采集和利用的自动化、准确化和可视化。

关键词：建筑信息模型（BIM）；物联网；工程项目；材料管理；物料管理

中图分类号：TP391.44；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0043-03

建筑工程施工成本构成中，建筑材料成本所占比重最大，占工程总成本的60%以上。建筑施工项目材料管理的成效和效率在施工项目资源管理中占有重要的地位，是降低工程造价，减少工程浪费，节能减排的重要途径。工程项目管理的关键是信息，信息的获取，加工，分析，整合，充分利用与透明沟通贯穿工程项目管理全过程，充分利用先进的信息化管理手段是提升工程项目材料管理效率，降低材料管理成本的重要途径。

1 建筑工程项目材料管理中的问题

1.1 建筑工程项目材料管理的内涵和目标

建筑工程项目材料管理是以施工进度为依据，管控与追踪材料的设计、采购与收发、使用等的数量与时间，使材料的供应能够达到实时且供需平衡，以确保工程依项目计划顺畅进行。其主要内容包括材料的计划管理、材料的进场验收、材料的储存与保管、材料的领用与发放、材料使用的监督、材料的回收及周转材料的现场管理。

建筑工程项目材料管理的目标是将合同范围内所有质量合格的材料适时、适量、适质、适地的提供给材料的使用者，并降低项目总成本，使正确的材料，在正确的时间，用在正确的位置上。其最终的目的节约材料费用，降低工程成本。

1.2 工程项目材料管理困难

若工程项目部要达到以上材料管理的目标，从材料的采购到材料的回收及统计核算，工程项目部的材料管理人员需要进行大量管理工作，并和项目部其他工作多有交叉配合，比如预算员的成本核算和计划员的资源计划，在工作的交接界面上也容易造成诸多诸如工作量分配、工作进度配合等问题，这项工作在人力资源成本不断上升的情况下，会显著的提高人力成本，或者降低材料管理的目标。这一过程可从项目现场材料管理的流程进行分析。

1.2.1 材料计划管理

准确的材料的使用计划是材料管理的基础。开工前的一次性计划可以以投标时施工图预算中汇总的材料用量为基础向企业的材料采购部门提出，作为备料的依据。但是在施工中，需要根据施工的进度，提出供料的月度计划，这个计划需要配合施工进度计划的编制统计每个月的资源需求，还要结合工程变更调整，在实际施工过程中还会发生一些不确定的情况，传统的手算方法很难跟上工程进度的调整，最终导致工地现场的库存很难控制，进而导致材料供应计划名存实亡，被搁置不用。

发生这样问题的核心在于使用传统手算根据实时进度计算和调整材料供应的工作量较大，传统预算的编制方法是为了得到整个工程项目的总费用和整体的材料的用量，在进行施工时，材料用量按照进度和施工局部进行归集时会遇到困难，工作量大。

1.2.2 材料进场验收

材料进场时必须根据进料计划、送料凭证、质量保证书或产品合格证，对材料的数量和质量进行验收，但是在当前的市场环境下，项目人员往往缺乏可靠的工具检验材料是否存在假冒伪劣，一般的证件防伪手段都比较容易被仿冒。

所以现在除了验收品种、规格、型号、数量、证件外，主要的材料还需要见证取样，但是为了防止中途化验样品更换，检验过程一般应由项目管理人员全程跟踪。过程比较繁琐，需要等待检验合格报告后才可以进场，而如果项目施工人员在拿到正式的材料检验报告前施工，一旦材料检验报告不合格，施工单位则需要承担责任。

1.2.3 材料的储存与保管

工地现场需要按材料的规格、类型、性能分类储存仓库或者特定的储存场所。仓库需要安全、干燥，满足材料的储存条件。但是如果材料丢失或者被盗，则很难发现，因为材料员整理清点材料很难做到每天清点，而发现材料不够时可能已经错过查找的时机。在现在施工用地越来越紧张的情况下，工地上很难有集中的场地用作仓库，需要有更加可靠的措施保障材料的安全。

1.2.4 材料领发与回收

限额领料是控制材料超额领用的好方法，但前提是准确的预估领料的数量，根据定额领料固然是好的，但是在企业没有自己的企业定额的情况下，参照国家定额与实际施工是有误差可能误差较大。

另外，材料管理员如果对每天的工程进度和实时的施工情况不了解，则无法判断领料人员是否超额领料，只能进行事后的总量控制，而不是在领料时进行预控。限额领料单的填制与记录也耗时耗力，由此建立的领发料台账记录，很难进行多角度的核算和分析，从而确定领发状况、节超状况和使用效率。特别是异形建筑，预估材料的使用就更加困难，而对于超高层建筑，因为害怕少领材料会多次使用电梯，浪费时间，多余的材料通过施工电梯或者起重机再运送下来也较困难。

1.2.5 材料使用监督

现场材料管理人员应对现场材料的使用进行分工监督，检查是监督的手段，检查要做到情况有记录、原因有分析、责任有明确、处理有结果。但是若各个局部同时施工，监督需要大量的人力资源，监督管理成本会上升。

2 材料管理中BIM和物联网技术的应用价值

2.1 BIM与物联网技术的概念

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），是当前建筑企业信息化的核心技术，它将一个建筑项目整个生命周期，从规划、设计、施工到运营维护内的各种信息和建筑的空间三维信息相联系，形成一个多维数据库。这个数据库通常是在建筑项目整个生命周期内，通过项目各方结合自己工作，提取建筑的三维信息，并将产生的新信息与之相关联而逐步完善的，比如添加建筑材料相关材质、价格、供应商等各种信息，形成建筑工程项目材料信息库。BIM为建筑工程项目提供了良好的信息利用的平台。

物联网技术是通过射频识别（Radio Frequency Identificati

on，RFID）、GPS全球定位系统、传感器、激光扫描等设备，将现实世界中的物体以网络的形式连接起来，实现物体与网络间的信息交互，最终达到对物体的识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的技术。在物联网技术提供的无线传感、物品标识等技术支持下，工程项目各阶段的信息可以实现互联、传递、分析、处理和反应等过程，为项目决策者提供辅助决策的信息支持。

2.2 BIM与物联网技术在项目材料管理中应用

2.2.1 物联网技术的应用

物联网技术正广泛的运用在物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、道路自动收费等领域。物联网技术的快速普及在于物联网的RFID技术能够快速、实时、准确采集与处理信息，从而节省劳动力成本。通过采用RFID，美国沃尔玛每年可以节省约80亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。

RFID有助于解决零售业商品断货和因盗窃和供应链被搅乱而损失的产品损耗的难题，据研究机构估计，RFID技术能够帮助把沃尔玛失窃和存货水平降低25%。

对于建筑工程项目，对重要的材料在厂商生产的时候就植入RFID芯片或贴上电子标签，对施工过程中的材料运输、进场、出入库、盘点、领料等都可以采用RFID电子标签的阅读器进行信息的快速读取，通过物联网进行跟踪和监控，方便物流、仓库管理。

在实际应用中，可进一步通过应用软件集成Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。

2.2.2 利用BIM技术和物联网技术的结合

BIM技术的出现不仅可整合建筑工程的图形化及非图形化资料，提供虚拟建筑实境模型，并纳入流程的观念，降低规划、设计、施工、运维各阶段转移工程资料的信息遗漏问题。BIM5D是在三维建筑信息模型基础上，融入“工程进度信息”与“成本造价信息”，形成由3D模型+ 1D进度+ 1D造价的五维建筑信息模型。BIM 5D集成了工程量（包括材料）信息、工程进度信息、工程造价信息，不仅能统计工程量，还能将建筑构件的3D模型与各种工作的施工进度相链接，动态地模拟施工变化过程，实施进度控制和成本造价的实时监控。

①材料使用计划编制。

材料的用量可以利用工程量计算模型在BIM 5D中根据匹配的定额库直接计算得出。这个用量主要是按照构件实体的材料统计的，所以可以随意切割BIM模型，BIM软件即可统计出切割下局部的工程材料用量。并且根据BIM5D关系数据库的特点，若发生工程变更，在修改工程3D模型的同时，工程量会随之发生改变，材料数据库会始终保持在最新的状态。在和工作分解结构（Work Breakdown Structure ，WBS）以及工程进度结合后，可以方便的按照时间进度统计材料用量并编制月度材料计划。如果每天将工程进度录入系统，还可预估出第二天的材料用量。

②材料进场验收。

利用对RFID标签的认证和加密，保证材料来源的唯一性，并在电子标签中添加材料的各种生产信息，比如生产时间、重量、成分组成信息、使用注意事项、甚至生产环节的重要加工信息，这种电子认证可以伴随质量保证书一起提供，从而保证产品的来源，中途不会被更换，从而杜绝假冒伪劣产品。在见证取样过程中，同样因为RFID标签的唯一性，有效防止中途化验样品更换，检验过程不再项目管理人员全程跟踪，节省劳动力成本。检测人员可将信息写入检测报告的电子标签，并将加密的信息传回项目部，项目部即可使用材料。

③材料的储存与保管。

在材料储存的过程中，因为有了电子标签，对材料进行盘点，变得非常容易，只需用阅读器直接阅读电子标签，并可将马上整理出材料的规格、类型、性能分类等列表和领用表进行对比，发现材料数量、规格是否有异常变化，可以做到日清日结，并且监控材料的库存水平，既不会因为材料的短缺造成停工与误工，又不会储存大量材料，增加库存面积和周转资金。若材料被盗，工地周围的自动信息阅读器，一旦检测到电子标签，则会触动报警装置，保障材料安全。

④材料领发与回收。

材料管理员在BIM软件的帮助下，可以判断领料人员是否超额领料。因为每次领料的记录会自动录入到系统，如果领料人员所领取的材料超过了正常使用量与正常损耗之和，系统则会提醒。限额领料单也不需要填写，可以在系统中选取相关材料规格和数量，在由BIM模型所生成的3D建筑界面中直接选取材料相关的位置，系统自动显示相互材料位置，出库阅读器自动阅读电子标签，即可完成材料出库。和视频监控配合，甚至可以做到材料自助出库。由材料的出库记录和与之相连的建筑构件信息，可以领发料台账记录，并进行多角度的核算和分析，从而确定领发状况、节超状况和使用效率，通过计划与实际工程材料的消耗进行对比，分析之间产生差值原因，提高项目材料管理能力，并且，积累的数据为逐步形成或者修正企业自己的材料定额提供充分的依据，提高施工单位整体的材料管理能力。

⑤材料使用监督。

在工地现场，材料管理人员可以使用阅读器对材料的电子标签进行验证，确认材料的使用，在后台的系统中可以看到材料被使用的记录，对于某些特殊的材料，还可以将电子标签嵌入到结构构件之中，后期可以进行读取以监控材料的使用状态。

所以，BIM技术的可视性、可模拟性以及形成多维数据库是物联网在建筑工程中应用的理想平台和基础数据模型。而物联网作为互联网的有效延伸，包含并兼容了互联网所有的应用和资源。工程项目材料管理作为连接建筑项目供应链的纽带，并且具有多目标、多维度管理的特点，是BIM技术和物联网技术应用的良好平台。

3 BIM与物联网技术在建设工程项目材料管理中的 应用案例分析

3.1 2008年北京奥运村内物流管理系统的应用

“奥运村空间规划及物资管理信息系统”即是在物联网和BIM联合应用的雏形。

首次在奥运村信息系统中使用的BIM技术，与传统的物资管理信息系统难以直观、准确、快捷相比，BIM实现了在虚拟的世界中进行现实的奥运村的物流管理，显著提升了庞大物流管理的直观性、降低了操作难度，得以让奥运村物流管理在物资品种多、数量大、空间单元复杂、空间单元及资产归属要求绝对准确、物资进出频繁、作业集中度高的情况下高效、有序和安全地运行。

奥运村房间的格局、所有物资器材信息等都被数字化的导入到奥运村的三维模型中。设计师创建奥运村空间规划及设施的建筑信息模型，在完成奥运村空间规划的同时，自动产生与奥运村三维模型对应的物资、设施数据库，确保了奥运村的资产管理、物流服务可视化和高效性。这可以让非专业人员直观、可视地看到所服务目标的各种变化带来的影响和要求。

3.2 上海中心项目

上海中心项目中，通过以BIM技术，以管道预制化为基础，实现了物资归类统计、分区段配送与错峰运输的垂直运输方案。

首先，利用鲁班BIM软件对各类建筑材料进行按系统、按施工作业区域进行归类统计，并要求材料供应商按统计结果将管道、配件进行分装后运送到材料配送中心。改变了以往供应商按规格配送，施工人员领用后自行运送至作业面的现象，改用以作业面为包装及配送单位的物流办法。

这种办法通过BIM模型对材料进行的精确归类统计，大幅度地减少了材料发放审核的管理工作。

其次，以系统与作业区域相结合的配送方式可以有效控制材料领用的误差，减少了不必要的人员与材料运输成本。并通过夜间运输、错峰运输等手段，可以最大限度地解决施工高峰期垂直运输矛盾。对于市区工程，有助于提升材料的预制加工件现场装配比例，减少现场对加工场地的空间需求、减少噪音污染和能耗、降低生产事故比例。

4 结 语

通过构建并应用基于BIM和物联网技术的建筑工程项目材料管理体系，可以实现大量材料信息的录入，保证材料统计计算的准确和及时，通过材料的全程监控控制材料质量，提高材料管理工作效率，方便施工单位对工程材料和成本进行管理控制。

目前，BIM模型研究还偏重于设计阶段的应用，RFID等物联网技术还只是片段化应用，整个建筑产业链还未实现数字化管理，围绕材料的制造、运输、现场管理、建造的全过程动态可视化管理，还需要进一步研究。

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