一种基于CPP结构数据模型的质量取证系统

王红喜， 丁 肖， 魏林春， 董莎莎

(1. 武汉地铁集团有限公司 质量安全部， 湖北 武汉 430070; 2. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；3. 上海隧道工程有限公司， 上海 200032)

在建设工程的质量管理中，有研究学者提出基于BP(Back Propagation)神经网络的建筑施工质量评价方法[1]，也有学者提出创建基于激光扫描数据的建筑工程质量评估模型[2]，提高建筑工程质量评价的精确度。但是，在建设工程的质量管理过程中，工程质量检验占有重要地位，并且建筑工程质量管理应该注重全过程的质量控制[3]。在实际工程施工过程中，室外完成的工作与室内完成的工作分别被称为外业和内业，而内业资料却比较容易被忽视[4]。实际工程中，内业资料往往以文字、图像、影像等手段记录工程中的文件[5]。理论上内业资料可以依据施工质量记录来反映施工过程的各种状态和责任，并且从中发现施工过程中的质量问题[6]。内业资料无疑是施工质量水平的主要证明文件。

施工质量的检验资料是内业资料中的重要部分，但是在目前施工质量的检验资料中还存在许多问题：(1)施工质量检验缺乏系统化的管理[7,8]；(2)施工质量检验信息化水平差，共享度低[9,10]，信息传递不及时[11]；(3)人工跟踪和记录质量检查结果，耗时耗材费力；(4)质量检查结果填写主观性强[12]，施工人员的质量管理意识不够[13]。

工序质量控制是一个工程领域中的信息反馈系统，该系统存在两类复杂性问题，“细节性复杂”和“动态性复杂”。在实际施工过程中存在许多影响质量的因素，本文运用系统动力学分析了产生质量问题的原因。首先，建立工序质量控制的结构流图，先建立一个施工工序的主干流图，再加入施工质量的影响因素作为分支流图。主干流量图中涉及到的主要变量有每道工序的施工效率和施工工作量，本模型把质量控制过程有关的影响因素量化为28个变量。包括返工率、错误率、计划完成量、合格的钢筋隐蔽工程、不合格的钢筋隐蔽工程等。以此模型进行仿真分析，从理想状态与自然状态下各变量仿真走势图中得到，与此变化相关的直接变量有疲劳系数、质监纰漏(未发现的错误)和施工水平。

从管理学上来讲，施工水平不达标是人员管理不到位导致的，质监纰漏是质量控制过程中监督力度不足导致的，施工疲劳则是进度目标侵蚀质量目标的结果。为改变这一现状，本文充分分析目前工序质量控制和验收中的不足，提出一种能强化人员管理、加强过程监督和协调进度关系的CPP(Component-Process-Participant)结构数据模型。并运用计算机技术、BIM技术和图像采集技术搭建一个基于CPP模型的质量取证信息系统——E旁站。通过案例验证了“E旁站”的实用性。

1 CPP结构数据模型

为了弥补传统施工质量取证方法的不足，克服其验收流程冗长、可视化程度低和质量数据关联度差的问题，本文提出了一个CPP结构数据模型，如图1所示。

图1 CPP结构数据模型

CPP结构数据模型表达的是施工构件、施工人员和工序质量三个要素之间的关系。

首先，每个建筑工程都可以通过WBS (Work Breakdown Structure)分解为单项工程，单项工程又可以细分为某一具体的构件。并且，工程实体质量取决于每道工序的完成情况。反映到CPP结构模型图中就是从下到上依次递增的三个圆：检验批的客观施工质量(主要取决于施工人员)、检验批的检测质量(主要由质量检测人员得来)和检验批的评估质量(主要由质量评估人员得来)。图1中三个大圆表示检验批总体的质量，小圆表示抽样样本的质量。

其次，工程实体质量是客观存在的，它可以被测量和估计。施工人员完成施工工序后，检验批质量基本达标，质量检测人员通过抽样检测或全数检测可以得到一个工程的实体质量观测值，质量评估人员通过质量检测人员得到的检验批样本质量估计总体质量。总体质量是否接近真实的实体质量取决于工程质量检验批的划分和抽样方案是否科学、检验人员的检验水平是否合格和评估人员是否客观。确定抽样方案、检验取证、质量评估等环节环环相关，每一个环节出错都会导致质量结果反馈有误，使质量失控。

因此，需要恰当处理好构件、工序和人员这三者的关系，使施工评估质量更接近客观的工程实体质量。

CPP结构数据模型形象地表达了施工构件、施工人员和工序质量三个要素对工程质量的影响。需要将这三要素集成起来，以实现工程质量目标。

2 E旁站框架设计

施工阶段的质量取证过程中，检验批验收质量的取证是施工质量取证的关键。本文前面部分运用系统动力学的方法对质量取证过程中的影响因素进行了分析，提出了CPP结构数据模型。基于上述部分，本文提出了一种基于CPP结构数据模型的质量取证系统——“E旁站”系统。

2.1 系统体系架构

本文“E旁站”系统开发的指导思想是：基于我国工程项目管理系统的发展现状，运用相关计算机网络技术，针对项目参与方的建筑工程施工质量管理信息系统，实现项目质量管理工作的规范化、程序化、标准化与系统化。

由于建筑工程工序在实际工作过程中地理位置较为离散，工序质量检验的参与主体多，所以必须使用网络把他们组成一个整体，以便共享数据、交互信息。另一方面，建筑工程质量数据量十分庞大，质量评价需要参考的信息复杂，要求服务器有足够的运算能力和存储能力。B/S(Browser/Server)结构即浏览器/服务器结构是对C/S(Client/Server)结构的一种变化或者改进的结构。采用B/S结构大大简化了计算机荷载，降低了使用成本。

因此，施工质量管理信息系统体系结构采用B/S结构。

CPP结构数据模型高度概括了做好工序质量检验所需要的信息分类。其中包括构件管理、工序管理和人员管理。构件管理主要包括构件的设计信息、施工信息的集成以及在检验批质量验收过程中检验部位(样本个体)的标定。传统验收部位的定位采用文字描述，再对应到图纸和现场的方法，需要空间想象能力，很容易出错。BIM(Building Information Modeling)技术具有可视化的特点，可以根据构件ID自动定位，是一种快捷、错误率低的方法。工序管理则是完成工序质量检验过程中“测”和“评”的两个任务。其中，“测”是做出正确质量评价的基础性工作，需要遵循实事求是的原则。这项工作要根据进度随时进行，有时间上的随机性和空间上的分散性，所以最方便的数据采集终端就是PDA(Personal Digital Assistant)。其中图像采集技术可以将质量验收的取证过程用图像资料记录下来，提高了质量检验的监督力度和结果的信服度。

图2是BIM技术、移动计算机技术和图像采集技术在“E旁站”系统架构中的应用图。通过验收标准中验收项目的拆解和对验收符合项规定的函数设定，形成检验批模版。检验批模板存储在后台数据库中，随时准备被调用。随着BIM进度模型的更新，后台数据库中已完成工序随之更新。PDA则负责将工序质量的检查结果上传回数据库。质量验收结果则集中展现在“E旁站”质量数据可视化平台中，便于迅速查看和决策。

图2 关键技术应用

(1)检验批模板

“E旁站”检验批模板的设计依据是我国住建部和国家质检总局联合发布的GB 50300-2013《建筑工程质量验收统一标准》，其设计内容包括两部分：一是检验项目的分类，二是检验结果的验证函数。按照对工序质量的影响程度，可以分为主控项目和一般项目。按照质量结果填写的数据类型，可以分为数值型数据和描述型数据。按照工序质量的评价参照系不同，可以分为直接对比评价，参照设计要求评价和参照规范规定评价。直接对比评价指的是评价标准比较简短，或独立性的数值。参照设计要求进行评价主要是指某些质量标准需要与构件的设计信息一致。参照规范规定进行评价是指某些评价标准比较复杂，需要图示说明或需要满足的项目比较多，因此以链接的形式概括为规范的某条标准。

完成了工序的检验项目和检验函数的设计，这一工序的模版设计也基本完成。检验部位则需要与BIM模型构件建立双向关联，完成检验结果与构件的对接。人员管理和审核管理与此类似。

(2)构件信息交互

任何一道工序的检验都要经历构件的定位和检验项目的检查和评定。

工业基础分类(Industry Foundation Classes, IFC)标准是由国际协作联盟提出的、最受建筑行业认可的公开的数据表达和存储方法。目前，各大建筑软件商纷纷开放了旗下产品对IFC格式文件的支持。“E旁站”借助BIM技术，生成构件的唯一标识符。通过ID识别码建立关系模型，并存储在数据库中，以便在模型中实现构件的查询和定位。

当BIM工程师按照单位工程的划分原则，完成项目信息模型的建模任务后，就可以导入Unity 3D系统平台，进行调试，质量数据更新及展示。通过这个平台的建立，项目经理和现场工程师可以轻松、直观地了解质量检验的成果。

(3)手持端设计

在施工现场的工序质量检查过程中，最常用的检验方法有目测法、量测法以及试验法。通过总结，不难发现，质量检验是一个复杂多样，重视细节的过程。但是在目测法的“看、摸、敲、照、靠、吊、量、套”和试验过程中，由于纸质档案的完善需要时间，其质量资料并没有随测随存。按照质量验收规定，其质量检测资料应当作为工序质量验收的附件，缺少质量控制资料，工序不能验收。所以后期的资料准备工作往往让质量工程师感到繁琐。而“E旁站”手持端的设计就是为了解决这个问题。工程师可以在“看、摸、敲、照、靠、吊、量、套”和试验过程中把质量检验的图像资料随测随存，与质量检验结果一起，通过互联网存储到后台数据库中，可极大减轻工作量。

2.2 系统功能设计

如图3所示，“E旁站”系统分成了6个子模块，即用户管理子模块、项目管理子模块、标准规范管理子模块、检验批划分子模块、验收管理子模块和数据分析子模块。6个子模块的有机组合，实现了人员管理、工序质量检验留证、质量分析与反馈的功能。

图3 “E旁站”系统功能模块

当某一建设项目成立后，施工单位的项目经理就可以在“E旁站”系统中新建项目、添加参建单位和参建单位的相关人员。这个建设项目相关信息的输入可以在项目管理子模块中完成。项目经理需要输入项目的基本信息，包括项目人员管理、标段管理、单位工程管理。人员管理涉及到具体人员的姓名、性别、角色、联系方式、工种、工作资历、施工水平打分/管理能力打分等。标段管理和单位工程管理是根据招投标合同的结果，将具体工程与各参建单位相关联的子模块。

工程项目管理有严格的职能划分，职位不同，权力不同。用户管理就是帮助项目经理进行人员权力分配的模块，它保证了用户数据的安全，给系统提供一个相对稳定安全的环境。项目经理在创建项目时，就可以为每个人员定义角色，完成权责分配。“E旁站”的用户管理权限是按照参建方的角色和岗位区分的，有利于加强数据间的共享性和数据链间的独立性。

在完成建设项目基本信息输入后，项目经理可以将BIM工程师的建模成果导入到“E旁站”的后台数据库。这个建模成果主要有两个作用：一是增强可视化，方便数据集成和客户端的查看展示；二是将检验批编码信息导入到后台数据库，成为工序质量检验结果可依附的载体。检验批划分子模块主要包括构件信息管理和检验批划分。构件信息就是单位工程的构件树，此单位工程构件树是项目构件树中的一部分。检验批划分就是指专业技术负责人根据施工、质量控制和专业验收的需要，按照同样的施工条件，比如按照楼层、施工段、变形缝等划分的等待抽样检测或者全数检验的样本总体。

质量检查员完成检验批划分后，需要开始工序质量验收，而验收标准的管理通过标准规范管理子模块完成。质量检查员需要根据双方合同中要求的质量标准和国家标准、行业标准和企业标准，经过分解，整理出适合自己企业的质量标准模板。这个模版的最小检查项可以分解到某一部位施工工序的检查项目。

质量检查员在完成施工工序的标准分解后，即可形成检验批验收模板。基于这个模板，便可以完成工序质量检验和验收，具体验收流程的进展可以在验收管理子模块中完成。随着质量数据的输入，数据分析子模块可以开始动态地分析所得到的质量数据，提供决策支持。

2.3 数据库设计

“E旁站”系统采用关系数据库进行设计。图4 UML类图描述了工序质量检验中检验批的创建、检验过程各个实体及实体间的相互关系。

图4 “E旁站”数据库UML类图

施工人员、监理人员和质量检查员都继承了用户的所有特征。一个施工人员可以完成多道工序，每道工序可以由多个施工人员完成；一道工序对应了一个检验批；一个检验批对应了多个BIM构件(建筑构件)；一个BIM构件(建筑构件)的完成需要经历多道工序，对应了多个检验批；检验批字段的填写需要参考质量分解结构QBS(Quality Breakdown Structure)和验收标准。检验批由检验项组成，检验批列表由检验批组成。监理人员、施工人员和质量检查员可以通过访问检验批列表获得检验批的审核状态。当检验项的检验结果不符合验收标准时，就会发布不合格项。

2.4 E旁站数据处理

建筑工程质量管理是一个动态的复杂系统。在质量管理过程中存在多次质量数据的采集、存储、分析和反馈。建筑工程质量数据处理的基本逻辑框架如图5所示。这个逻辑框架总体上可以概括为数据的采集、存储、判断、分析、决策和反馈。最主要的是数据采集和数据分析的过程，即把分散的局部信息集成为全局的决策信息。

图5 “E”旁站信息流程

3 案例分析

3.1 案例简介

该案例为某市某分布式能源站，分布在某酒店地下-9 m，建筑面积约7700 m2。该能源站由某能源管理有限公司投资建设，为某酒店工程服务。服务面积广，总计75 万m2；服务对象类型多，涉及国际会议中心、国际酒店及配套设施、文化中心，包括假日酒店、海洋乐园及大型商业配套设施等。该能源站的质量目标是完全满足酒店工程的空调冷热负荷(不含会议中心)，完全满足生活热水负荷以及游乐设施的热负荷，同时能源站要考虑预留远期两栋超高层的供能需求。该能源站的质量验收范围包括电气、管道和机务三个单位工程。

该能源站体量大，安装设备多、体积大，工程工期长，涉及的参建单位广。在这类工程中，极易出现质量不达标、管理不协调的问题。除此之外，还存在质量数据整理困难的问题。“E旁站”系统具有质量管理的专业性和系统性，具有以下优势：为工程质量留证，减少互相推脱责任的问题；电子化工序验收审核，提高质量审核效率；智能化在线分析工序质量水平，把控质量风险。

3.2 应用场景模拟

“E旁站”管理系统有三大平台界面，分别是手持端、“E旁站”后台管理系统和“E旁站”数据展示平台。

现场质量检查员可以通过手持端登陆App，选择需要检查的项目，完成对某一施工工序的检查。

如图6所示，后台数据库的用户主要涉及建筑工程质量检验的所有人员，包括施工单位的工长、质量检查员、专业负责人、技术负责人和项目负责人，监理单位的监理工程师、总监理工程师和建设单位的项目负责人。图7是“E旁站”的可视化质量展示平台。主要由四大部分组成：第一部分是工程项目的构件树，是需要质量检验的对象；第二部分是模型视图，是工程项目的可视化模型，通过这个窗口，可以实现工程项目检验构件的直接定位；第三部分是视图控制栏，可以通过漫游、放大缩小等小工具实现对模型视图的三维操作；第四部分是与后台数据库的交互，通过数据刷新，可以实现质量数据的自动更新。

图6 E旁站后台数据库

图7 E旁站可视化展示平台

当施工单位的质量检查员收到已完工序中有新的上报提醒后，查看具体内容为锅炉房热水管道完成安装，选择需要检验的构件，提出检验批申请。当监理方审阅合格后，该检验批即进入实际检验环节。在这种模式下，监理工程师不用赶到现场，只需要施工单位提供该检验批的施工质量资料进行检验，检验合格，则可进入下道工序的施工。

“E旁站”的现场取证则是将质量数据实时存储，具有时间点和照片取证功能，约束了质检人员的主观性。

质量检查组通过手持端采集锅炉房热水管道安装的质量数据。按照操作提示，选择锅炉房热水管道架空标高偏差的检验项，按照规范要求，采用水平仪和直尺完成检测，并留下质量检测的照片资料。在完成质量检测后，通过上传质量数据，即可完成架空管道标高偏差的数据采集过程，图8，9是锅炉热水管道安装工序的质量检验结果。所有检验通过的检验批都以绿色对号的方式标注在左侧的构件树上，通过点击构件树的具体构件，模型视图则可以自动定位到该检查对象。再次选择，可以查看与这一构件相关的施工工序质量。实现了构件和质量的可视化管理和构件的自动定位。针对三维空间比较复杂的项目，自动定位功能和可视化管理可解决质量检验样本的定位问题。

图8 与此构件有关的检验批质量表格

锅炉热水管道的质量数据在上传到后台数据库并经过验证函数判定其结果是否合格后，不合格项将以红色边框的形式标出。现场工程师只要登陆“E旁站”可视化展示平台，就可以迅速了解该工程项目的总体质量状况。另外，系统还提供检验批表格打印功能，可实现线下质量资料的整理和归档。

3.3 应用效果分析

与传统的质量验收资料系统相比，“E旁站”质量取证方法保证了质量取证流程的科学性和严谨性。“E旁站”质量取证方法通过运用BIM技术、计算机技术和图像采集技术将构件、工序和人员三个要素集成起来，为质量责任追溯提供了数据基础。施工质量验证函数则实现了施工质量的验评分离，削弱了质量评价的主观性。最后，“E旁站”质量取证方法实现了数据的结构化，即每一个测量数据都实现了可提取、可运算与可统计，为质量风险预测提供了详实的数据。

4 结 论

本文用系统动力学的方法分析了当前施工质量管理中存在的问题，找出了施工质量取证过程的关键要素：质监纰漏、施工水平和施工疲劳。为了减少质监纰漏，满足施工阶段各参建方的合作需要，实现系统化的质量管理，本文提出一种CPP结构数据模型。CPP结构数据模型提高了质量数据的结构化水平和质量数据的利用效率。基于这个数据模型，本文提出一种“E旁站”施工质量取证方法，该取证方法能够帮助施工单位完成施工阶段的质量自检和检验批审核。这种线上创建检验批、现场检验、线上审核的施工质量取证方法提高了信息传递效率，削弱了质量数据传递的滞后性，有利于及早发现和处理质检纰漏。“E旁站”质量取证方法通过运用BIM技术、计算机技术和图像采集技术将构件、工序和人员三个要素集成起来，以施工验收规范作为施工质量的评判依据，实现了质量数据的多向关联，为质量责任追溯提供了数据基础。施工质量验证函数则实现了施工质量的验评分离，削弱了质量评价的主观性。“E旁站”质量取证方法实现了数据的结构化，每一个测量数据都是一个可提取、可运算的数据，而不是检验批表格的结构化。这种结构化的数据对施工质量的定量评价、主要缺陷分析、质量预警和质量检验人员工作水平的评价具有重要意义。