BIM融合信息技术在智慧工地中的应用研究*

吕 庆，崔维久，于德湖，盖彤彤

(青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033)

0 引言

近年来，基于BIM技术的优化设计、节能设计、场地规划、施工模拟、运维管理在工程建设全生命周期中得到广泛应用，显著降低了建筑成本与能耗，提高了施工效率与质量。同时，BIM技术承载大量工程信息数据的优势，也为土木行业的智慧化发展奠定了坚实的数据基础，但仅依靠BIM技术无法完全对其承载的工程数据信息进行高效分析与应用。因此，如何充分发挥其承载工程信息数据的优势是发展中面临的重要问题之一。

与此同时，国家出台许多相关政策以支持建筑业转型升级与高质量发展。住建部发布的《绿色建造技术导则(试行)》[1]中指出，结合实际需求，有效采用BIM、物联网、大数据、云计算、移动通信、区块链、人工智能、机器人等相关技术，整体提升建造手段信息化水平。信息技术正向跨学科融合、跨专业融合、跨领域融合方向快速发展，借助大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链等信息技术在信息处理方面的优势，通过科学运用数据传输、数据存储、高效计算、数据挖掘、深度学习等方法可弥补BIM技术无法充分分析与应用工程项目数据的不足，有效实现工程数据信息的价值，避免“数据孤岛”，促进智慧工地体系的构建。

随着信息技术的蓬勃发展，建筑业与信息技术业的交叉融合应用成为建筑业发展的新方向。《中国建筑施工行业信息化发展报告(2017)智慧工地应用与发展》[2]主题锁定智慧工地，致力实现数字化、精细化、智慧化工地。BIM融合信息技术更是为施工过程中的质量、进度、安全等指标进行了优化与升级，为智慧工地的构建提供了多种科学有效路径。赵静等[3]设计出BIM+RFID的工地人员管理系统，实现了人员身份自动感知、数据分类存储与人员安全预警等功能；张多[4]基于BIM+GIS技术，集成智能传感技术及车载诊断技术，搭建了工程机械管理平台；万玲等[5]利用BIM与物联网技术，构建了设计、采购、生产、追踪一体的物资采购管理平台；徐赞等[6]将UAV倾斜摄影技术与BIM技术的融合，实现错综复杂山区施工便道的精细设计。现代信息技术种类多样，BIM融合不同信息技术可应用于不同场景中，但其实现的功能及应用场景并没有体系化、指标化，因此，BIM融合信息技术在智慧工地中的应用研究仍需系统性的总结，以便更好地实现工地数字化管控。

因此，本文在总结BIM技术在施工中的应用情况及存在问题的基础上，探讨BIM融合信息技术在智慧工地应用环节中的实践情况及有待研究的问题，最后梳理BIM融合不同信息技术可实现的功能，论述BIM融合信息技术的普适性与存在问题并给出建议，以期为未来智慧工地中的研究提供参考。

1 BIM技术在建筑工地中的应用研究

1.1 工程质量方面

BIM技术的三维设计、碰撞检测、施工模拟对传统施工工法的革新起到了重要作用，在深基坑、钢筋、模板、幕墙、装配式等[7]工程施工中有广泛应用，为施工质量提供了可靠保证。钟金玲[8]研究了实际案例中BIM技术在深基坑建模、碰撞检测、图纸会审与技术交底、施工场地动态布置、4D施工模拟与施工重难点技术交底等方面的应用情况。杨继波[9]研究了基于BIM技术的岩体基坑施工模拟技术，将岩体基坑模型与施工进度计划相结合，从而确定工程总体施工顺序，并对施工重难点进行剖析。胡泰龙[10]为密集节点处钢筋的设计施工积累经验，保证了密集节点处钢筋工程的质量。李阳[11]在分析散拼模板设计与施工问题的基础上，利用Navisworks进行模板模型与钢骨钢筋模型的施工模拟，保证了施工中模板工程的安全与质量。王成才[12]利用BIM技术改进幕墙施工工法，并进行施工模拟及分析。BIM技术为工程实际施工阶段中的重难点提供了解决方法，为传统工地的转型升级与智慧化奠定了坚实基础。

1.2 工程进度方面

施工时，常发生施工进度停滞、拖延的情况，传统管控方法无法实现实时有效的进度控制。而BIM强调建筑全生命周期信息共享与精细化管理理念，集成软件编制的施工进度计划可弥补横道图、网络图进度管理不全面的不足。BIM技术在进度控制方面的优越性体现在可直观观察三维模型施工过程，关联材料、设备、人员及时间信息编制进度计划，采集现场施工信息与原进度计划对比偏差等方面，构建进度编制、优化、监控、纠偏体系。匡静等[13]以某大型地下车库进度管理为例，应用Navisworks导入3D模型与项目进度计划，可直观了解各时间下施工情况，同时，通过现场实时监控构建一体化平台体系，从而实现施工进度的调整。刘德富等[14]以重庆仙桃数据谷三期项目应用BIM5D进行项目管理为例，应用导入施工段及进度计划的BIM5D平台，模拟每天施工情况，管理者通过平台可清楚了解到设定周期内的施工进度与原进度对比情况，进行优化调整。

1.3 工程安全方面

传统工地安全管理易受人为、环境及管理方法等因素的影响，造成施工人员伤亡、施工器械损伤等情况。在减少施工安全隐患方面，BIM技术的施工仿真模拟、碰撞检测、场地规划等功能得到一定的应用，BIM技术的合理运用可达到事前预防、事中控制、事后检查的显著效果。胡溶川[15]分析了高支模现场安全施工及管理方面的问题，运用BIM技术进行受力计算，保证施工规范安全并进行碰撞检测与安全检查，对隐患部位参数化建模并与实际工程相结合，从而排除安全隐患，确保高支模施工安全。谭标[16]在分析了高层建筑安全隐患的基础上，通过运用BIM施工模拟开展危险源识别、安全培训、安全检查、场地布置等工作，以此规避易发生的危险。BIM技术在安全方面的应用已对传统工地产生了影响，深入研究BIM技术与信息技术的交叉融合可为施工安全管理创造更大价值。

1.4 研究与应用现状分析

BIM技术目前主要在保证施工质量、进度及安全指标方面有较多应用。但在涉及材料全周期管理、动态数据采集的施工监测、复杂场地模型建立、工程质量竣工验收、机械人员安全预警、智能辅助决策、各业务方信息共享、数据安全保护等工作上，仅依靠BIM技术无法满足企业目前的需求。在BIM承载数据优势的基础上融合物联网、大数据、人工智能等技术，可更有效地完善质量、进度、安全、物资、商务等管理内容，为智慧工地的实现提供更多科学有效的构建思路。

2 BIM融合信息技术在智慧工地中的应用现状

对近年BIM融合信息技术在智慧工地融合应用的研究文献情况进行统计分析，以“BIM+信息技术(RFID，GIS，IOT等)”“BIM and Information technology(RFID，GIS，IOT等)”“智慧工地”“Smart construction site”等关键词统计分析国内外文献。由分析可知，在工程现场运用BIM融合信息技术的研究数量总体呈上升态势，且国外研究应用较国内相对成熟，说明BIM融合信息技术在国内外智慧工地的应用逐渐增多，打造智慧工地正逐渐引起国内外企业与研究者的重视。

2.1 BIM融合信息技术在智慧工地中的应用

2.1.1在智慧工地各模块中的应用

1)质量管理方面

BIM融合空间信息技术、大数据、云技术、人工智能技术等在施工方案制订、工程测量、施工质量检测[17]等方面各有应用。空间信息技术主要包括卫星导航定位技术、卫星遥感技术、地理信息系统技术等[18]，与BIM技术融合应用可使施工质量得到保证。如利用BIM融合移动定位技术，按质量验收内容及各方验收需求，开发依据BIM生成验收任务的算法集成室内移动定位技术的施工质量管理平台[19]；依据BIM采集与分析工程项目施工关联数据，集成GIS建立BIM建筑施工评价模型并确定具体检测内容，可降低传统施工质量监测误差[20]。在数据应用方面，BIM技术融合徕卡测量技术[21]、无人机技术等有效实现了设计阶段与施工现场的数据交互，BIM融合大数据则可通过对收集的数据进行分析与挖掘，进而对工程建设周期中各指标进行管理。如Arif等[22]研究出一个低成本的可在中小建筑施工公司应用的集成BIM与云技术的实时生产力跟踪框架，可有效控制项目实时生产率；Wu[23]分析了BIM融合大数据在工程项目建设全周期中的应用。此外，BIM融合3D打印[24]、3D激光扫描技术[25]、VR技术[26]可更好地解决施工技术、检测、监测等问题。如将BIM模型转换成对应有限元软件格式后进行受力分析及优化设计，进而拆分BIM模型、分块打印、制作混凝土构件，有效解决了异形构件施工重难点[27]。随着不同施工问题的出现及对“BIM+”技术认识的提高，BIM融合不同信息技术在施工放样、施工工法、竣工验收、全周期管理[28]等方面的应用会越来越广泛，进一步确保施工质量。

2)进度管理方面

通过BIM集成数据库、遗传算法、模拟退火算法、图像识别[29]等技术，施工进度编制、管理、资源分配、进度优化等方面取得众多研究成果。如李雁忠等在分析基于BIM技术的WBS工作分解结构的基础上，优化施工部署与进度影响因素，通过平台对现场采集数据进行分析，管理者能实时对施工状态进行掌控；Chen等[30]结合数据库理论对BIM4D技术进行创新，用于实现施工进度优化及虚拟构建，实际进度获取及异常问题的记录，以提高项目管理水平；刘克亮[31]应用无人机采集控制点及高程信息，匹配BIM三维模型进行相似度分析，实现自动化航摄、建模、三维模型相似度匹配功能，为施工进度提供了全面的可视化数据表达方式；胡海波[32]研究了基于BIM 技术的协同进度优化模型，基于BIM的设计平台进行施工计划、资金、物料的方案协同，为后续施工进度协同框架的搭建提供了参考。另外，人工智能算法在研究施工进度、资源优化方面已有较多应用。王永泉等[33]利用遗传算法结合BIM技术，优化了网架工程的进度与费用问题，解决了工程量与资源安排问题；黄良辉等[34]在IFC标准约束规则的基础上，引入改进差分进化算法，生成优于遗传算法的施工进度方案。BIM集成不断迭代的信息技术在施工进度管理方面的研究会不断突破，基于 “BIM+”的进度管理平台可以实现更精细、智慧化的管理，为智慧工地的进度管控提供更多发展空间。

3)安全管理方面

为保证施工进度与质量，采用科学有效的信息化监控方法确保施工安全十分必要，与传统工地相比，智慧工地弥补了传统工地无法实时对信息进行处理并反馈结果的缺点。物联网通过信息传感设备，将物品与互联网按约定协议连接起来，可完成人与物、物与物之间的通信及信息交换，BIM融合物联网技术可实现施工智能跟踪定位、应力监测、安全预警等功能[35]。如利用BIM技术与UWB定位技术构建人员安全预警、营救、考勤系统，实现了人员的信息化管理[36]；利用BIM技术与RFID构建塔式起重机的安全预警、教育培训、数据查询系统，减少塔式起重机事故的发生[37]；利用RFID技术、ZigBee技术、传感器等，采集人员、机械及施工关键部位信息，结合BIM模型进行安全数据比对，实现定位、协同、预警、更新等功能，提高了施工整体安全管理水平[38]。人工智能包括神经网络、遗传算法、知识图谱等技术，融合BIM技术可搭建由感知层、传输层、数据层、算法层、功能应用层组成的智能安全管理平台，实现一套全面有效的识别、预警、决策管理机制，为智慧工地安全管理体系提供新参考[39]。BIM融合物联网、人工智能、大数据等技术可以延伸和扩展出新的安全管理应用模式与价值。

4)物资管理方面

工程成本与企业利益密切相关，材料的采购、运输、存储、使用各环节能否有序按时准确抵达工地现场对降低工程成本有着至关重要的作用，BIM融合人工智能、物联网技术可监控物资全生命周期，降低工程成本。BIM融合专家知识库、神经网络、推理技术及多种算法等人工智能技术可实现能耗管理、成本预测等多种功能[40]，有效为传统工地转型为智慧工地助力。如利用模糊判决方法，确定施工方案各影响指标权重值，制定最优管线施工方案，节约施工成本[41]。BIM融合物联网技术及空间信息技术可准确实现批量采购、实时监测构件的生产及运输过程、实现按进度计划精确发料及下料等功能，有效解决了施工现场因材料问题造成的成本增加问题。如利用BIM5D技术及时更新工程量与数据库，借助物联网技术实时追踪材料运输，采用BIM技术与RFID技术对材料是否超额领料进行监控，提高管理水平[42]；将BIM构件信息与二维码相关联，借助门户网站建立构件追踪管理平台，对构件全寿命周期进行实时信息共享与管理[43]。另外，利用“BIM+”技术也解决了装配式建筑构件生产与装配问题[44]。如在生成构件装车方案时采用BIM轻量化技术融合VR技术，然后利用二维码标牌与RFID技术对构件生产追踪，利用GPS与北斗系统提高定位精度，实时把控构件施工过程[45]；将BIM技术与RFID技术相结合，建立构件生产装配一体化的跟踪机制与预制构件向BIM模型映射的方法，并基于B/S结构建立跟踪管理子系统，实现装配式建筑的精益化建造[46]。BIM融合信息技术在材料、构件的全寿命周期中正逐渐得到广泛应用。

5)商务管理方面

在施工现场，施工环境复杂，涉及人、机、料、法、环等各个环节，工程项目需确保指标众多，涉及质量、进度、安全、物资、商务等管理指标，牵扯设计方、建设方、劳务、供货商、施工方等多个利益方，存在信息可靠性、信任度、可追溯性、安全性、可快速反应性等问题，而BIM承载信息的特点与区块链可保证信息安全、快速、准确共享的优势相得益彰，BIM融合区块链技术可有效解决施工现场多方、多专业信息共享的难题。如马良[47]分析了BIM融合区块链在工程建设各阶段的应用，BIM融合区块链可实现各方合同备案、发票认证、资金代管等交易场景，也可减少管理层对客观工作的管理内容及降低计划与调度的实际操作难度；赵姗等[48]提出一种将区块链导入BIM系统的协同工作平台，可有效监管项目牵涉的所有成员，由预先设定的程序来控制上下链，保证交易公正公平，此平台保证数据共享的安全性与可追溯性，使各节点完成项目的积极性提高；闫志刚等[49]通过分析各参与方及其信息内容，构建区块链信息处理模型，实现数据快速检索功能，保证信息准确及时效性，与BIM技术相融合，实现数据校核功能，提高了各方协调效率。融合应用区块链与BIM技术使众多参与主体联系在一起，解决了信息监管、信任、安全、共享等难题，为工程商务办公管理体系及工程质量管理体制建立提供了新方案。

2.1.2在智慧工地管理平台方面的应用

BIM集成新一代信息技术可全面广泛地管理建筑工地，有效消除各种安全隐患及不稳定因素。灵活运用“BIM+”技术开发智慧工地系统、智慧工地管理平台更能充分利用工地现场信息，保证各方信息畅通，使工程数据价值得到充分挖掘。同时，打造智慧工地也是为智慧建造、智慧城市的构建奠定基础。运用平台化工具可以采集汇聚各方数据，保证人员活动、机械运作、物资进场、施工方法、施工环境的低碳、精细与智能化，如建立以BIM+GIS+物联网为核心，集成大数据、云计算技术、互联网技术的智慧工地系统，借助物联网将施工相关的地理信息数据及BIM中施工相关的工程数据搭接在一起，实现人员、环境、机械、物料、工程等管理功能[50]。深度融合以BIM技术为核心的建造技术与现代信息技术，建立带有感知网络搭建、大数据分析、辅助管理者决策等功能的智慧建造管理平台，对项目的设计、建造、运营进行一体化项目协同管理，实现建筑产业集成化、工业化、智慧化的工程实践也已经存在。如雄安市民服务中心项目建设过程中，形成以BIM技术为核心的工作链，建立以BIM技术为载体、云技术为支撑、移动端/PC端为应用的智慧建造管理平台，实现对人员、机械、物料、施工、环境的信息集成管理，对采集的数据进行数据分析辅助管理者决策，实现各专业高度协同、各参与方人员互联互通，实现了项目建造过程的智慧化[51-52]；北京城市副中心的建造过程为各建设企业提高信息化管理做出了示范，该项目基于工程重难点建立以智慧建造为核心理念的管理平台，基于建造中遇到的问题改进进度、劳务、数据提取等方面的功能，并开发临建成本、施工日志、进度计划、模型资料关联软件解决技术问题，项目经济效益提升显著[53]。杨震卿等基于该项目对工程行业智慧建造的问题及创新点做出分析，提出一系列BIM+智慧建造技术、管理及工作等智慧建造标准，为后续的工程建设积累了宝贵经验。

2.2 在智慧工地实现功能的对比

依靠BIM融合信息技术以智慧工地理念搭建管理平台可以为施工中的实时管控、数据管理、辅助决策等问题提供科学合理的解决方案，为各方参与者提供决策依据。但具体工程的施工特点各不相同，BIM融合不同信息技术可以实现多种不同功能，解决同一施工问题的效率与效益也存在差异。是否需要依靠“BIM+”技术、需要何种技术实现何种功能来解决工程实际中遇到的问题等是在实际项目建设过程中需要考虑的问题。依据目前存在的研究及工程应用实例，分析目前BIM融合信息技术的研究应用进展，BIM融合不同信息技术实现的功能对比如表1所示。

表1 BIM融合不同信息技术实现的功能对比

3 问题与建议

3.1 存在的问题

建筑业信息化发展已经成为一种新常态，应用信息技术于工程项目中已成为企业提高核心竞争力的必然趋势。BIM融合信息技术为工程项目中人、机、料、法、环等方面的工作提供了有效的技术手段，以智慧工地为理念的管理平台为工程项目的建造及行业的信息化发展提供了新思路。但在文献调研过程中，通过归纳BIM融合信息技术实现的功能，发现目前BIM融合信息技术的发展及应用仍存在许多不同程度的问题，将目前存在的问题总结如下。

1)BIM融合信息技术融合时数据转换与共享问题 在BIM融合信息技术中涉及多种数据格式及编码方式，直接影响到数据格式的转换、海量数据的稳定接收、不同网络之间的通信等问题，而与信息技术相关的应用软件交互的数据标准及体系仍不完善，进行BIM融合信息技术的应用需要的统一的数据转换标准、编码标准、插件接口及稳定的网络传输等问题有待深入研究。

2)BIM融合信息技术在实践中探索性不足 智慧工地的建立需要新技术的不断应用实践，人工智能包含遗传、粒子群、蚁群、模拟退火等多种算法，算法选择及改进会对应用效果产生较大影响；区块链应用了密码学技术且融合了高度密集的算法，在信息采集存储效率与安全方面仍可提高；自动化及机器人的应用也并不多见于现代施工工地中，对在施工工地中的机器人应用的控制算法、系统研究、平台管理也需要不断实践。

3)BIM融合多项信息技术的应用无指标化 BIM融合信息技术解决同一问题所融合的技术路径及种类有很多种，对各项技术融合后方案的技术及效益评估研究相对较少。在建立以“BIM+”为核心的智慧工地及智慧建造管理平台过程中，BIM融合信息技术并未形成具体的技术体系，开发的管理平台智慧程度各有不同，多项信息技术融合的理论研究还未实践，对智慧工地及智慧建造管理平台的效益评估、技术标准、工作标准、应用等级、系统升级也有待于完善。

3.2 相关建议

针对目前的研究应用情况及总结的问题，提出以下相关建议。

1)统一数据及技术标准，采用稳定高效的网络通信方式 工程数据的采集存储、不同格式数据的转换、技术标准的统一关系到数据挖掘与应用。采用先进传感设备、计算机硬件设备及5G技术可保证数据采集与传输的稳定及精确，同时，智慧工地数据存储容量也可以逐渐采用5G支持的云存储模式扩充容量，以支持后续的数据计算与分析，数据格式的汇入汇出及技术标准的统一可以以IFC标准统一管理，在不断的工程实践中逐步建立相关的数据转换插件与接口，建立BIM融合信息技术交互的数据标准，最大限度地实现数据共享。

2)加强BIM融合信息技术的实践，不断进行探索与创新 大数据对施工生产方式、企业管理方式的转变起着至关重要的作用，施工企业建立大数据体系并不断升级优化，融合人工智能算法及其他信息技术，可实现企业数据的挖掘分析及可视化，为领导者提供决策依据。企业应依据实际情况与研发单位合作，尝试算法改进，解决局部收敛问题，加快收敛速度，实现工程资源的最优调度等实际问题。企业要看清未来发展形势，逐渐应用自动化及机器人技术，解决施工中可替代的劳动力问题，为企业转型做探索。

3)建立智慧工地体系，不断优化建造管理平台 建筑业实现智慧工地及智慧建造应加强多项信息技术的融合应用，明确各技术的优劣势，充分利用信息技术，将理论研究付诸于实践，在技术利用过程中联合研发单位不断优化融合技术，明确各技术的优势，注重分析融合技术的优劣势及效益对比。在形成企业技术体系后，建立以BIM融合信息技术为核心的智慧工地标准，对技术、施工、平台的标准进行制定，为后续项目施工提供参考依据，为行业发展起到示范作用。

4 结语

基于“BIM+”的智慧工地可显著提升企业管理决策水平及综合效益，BIM融合信息技术可以有效解决施工材料、施工测量、竣工验收、工地管理等问题，使人、机、料、法、环等环节的运作更加智慧化。

1)依据BIM技术、BIM+智慧工地相关文献的调研，分析了BIM技术在建筑工地的应用情况及BIM技术在解决施工问题时功能单一的缺陷，综述了BIM融合信息技术在智慧工地中的成功应用及相关研究进展。

2)对BIM融合不同信息技术在智慧工地中发挥的不同功能进行归纳总结，探讨BIM融合信息技术在实际应用中存在的问题，并提出针对性意见，进而展望未来发展方向。

BIM融合信息技术在智慧工地中的应用与研究已经取得了一些成果，但发展总体上仍处于探索阶段，面临着许多问题与挑战。若能解决提出的问题并不断优化，BIM融合信息技术将在建造过程中取得更多成果，极大地推动智慧建造的实现进程。