BIM技术在智能建造中的应用探索*

陈 翀，李 星，姚 伟，祝 贺

(1.清华大学建筑学院，北京 100084； 2.华南理工大学工商管理学院，广东 广州 510640；3.广东博智林机器人有限公司，广东 佛山 528312； 4.中山大学地球科学与工程学院，广东 珠海 519082； 5.北京建筑大学建筑与城市规划学院，北京 100044)

0 引言

建筑业在国民经济中仍占较大比重，并直接关系到大量劳动力就业和上下游产业链发展。智能化和信息化是建筑业实现高质量发展的必然要求[1]。智能建造是面向工程产品全生命周期，实现泛在感知条件下建造生产水平提升和现场作业赋能的高级阶段，是实现人工智能与建造要求深度融合的一种建造方式[2]。智能建造将现代信息技术与土木工程相结合，成为土木工程行业实现高质量发展的重要途径[3]。

BIM(building information modeling)技术被认为是继CAD之后建筑行业第二次科技革命[4]，提供了贯穿工程建设规划、设计、施工及运维等全生命周期的数据信息[5]，所有参建方均可随时利用、更新和完善BIM模型信息[6]。建设项目全生命周期管理引入BIM技术，创建和使用互相协调且内部一致的集成化工程信息模型，建立基于统一的信息化模型的不同应用，是当前建筑行业信息化的重要内容及手段，也是整个行业信息技术水平提升的重要基础[7]。伴随着信息化、科技化的兴起和快速发展，物联网、大数据、云计算、人工智能等新兴技术广泛应用于建筑行业，以BIM技术为核心的智能建造体系成为建筑行业快速发展的核心驱动力，使传统建筑行业逐步向信息化、智能化、智慧化转变[8]。

1 BIM技术发展现状

1.1 BIM技术行业发展现状

BIM技术面向建筑全生命周期及不同参与方有不同应用。文献[9]从基本应用和间接应用层面详细指导了BIM技术在规划、设计、施工、运营等阶段的应用。如图1所示，包括①策划阶段 立项、场地分析等；②设计阶段 设计创作、能耗分析、结构分析、光照分析、机电分析、绿色评价、设计检查等；③施工阶段 场地利用规划、施工体系策划、数字建造、3D控制与策划、3D协同等；④运营阶段 维保计划、建筑系统分析、资产管理、空间管理、防灾规划、记录模型等。分期计划、成本测算、实时建模等应用贯穿于主要甚至全部阶段。关于BIM技术的上述应用已有大量研究探索，在此不再赘述。除此之外，BIM技术还广泛应用于工地管理、装配式建筑、建筑机器人等领域。

图1 BIM技术在建筑全生命周期管理中的应用

1)工地管理领域 利用BIM技术可视化和高度模拟实际施工现场特点，可给予项目团队和施工人员更直观和全面的技术和安全交底，预先发现施工过程中存在的问题并予以改善和解决[10]。BIM数据库技术可帮助施工现场管理人员对海量数据进行信息化动态管理[11]，有效提高了建造阶段管理效率和质量。对于高处坠物、机械碰撞等施工现场高风险区域和场景，可通过VP(virtual prototyping)、传感器等技术进行实时监控和识别[12]，同时结合BIM模型和RFID标签对工人进行动态定位[13]，实现对人机料等相关数据的采集和处理，建立全方位的安全预警平台[14]，降低施工现场事故率。此外，利用BIM的安全分析软件可提前做好必要的安全培训、技术指导及相关的安全应急预案。BIM技术包含了建筑项目中所有数据信息，可使工人在动态模式下发现大部分安全隐患，如塔式起重机在某个位置时容易与其他机械和建筑实体发生碰撞，可制定相对应的安全措施从而杜绝危险的发生[15]。同时也可在模拟中进行施工交通、安全防护设施搭建、安全救助等可视化呈现，为项目施工管理带来精细化的提升[16]。

2)装配式建筑领域 利用BIM技术可针对装配式建筑设计专业集成度要求高的特点，通过构建BIM设计平台实现不同专业间的高效协同，此外还可通过BIM技术的云端服务器、标准化族库[17]及模块化设计理念和方法[18]，在实现装配式预制构件标准化的基础上，通过多样化的组合丰富住宅户型种类，优化建筑方案，更好地满足居住者个性化需求。同时，还可结合装配式建筑生产阶段特点，利用BIM技术进行计划、调度、库存等生产相关管理，构件质量信息集成和快速查询[19]及构件物流跟踪电子标签信息化管理，提升项目生产和管理效率及构件生产品质。通过BIM技术与RFID技术结合，快速读取构件相关信息，追踪构件实时状态，提升构件进场和吊装的管理效率[20]。

3)建筑机器人领域 可通过在BIM模型中提取建筑物相关几何信息建立适合于建筑机器人的导航地图，结合相关算法工具实现自主路径规划[21]。对于一些装饰施工天花吊杆、曲面户型飘板等复杂放样工作，基于BIM技术的放样机器人同样可结合数字化模型并通过激光快速精确放样定位[22-23]。

1.2 BIM技术在我国的发展

BIM技术虽然在我国引入时间较晚，但建筑行业和各界对BIM技术的应用和支持，使BIM技术在我国飞速发展[24-27]。据统计，目前我国各大中型国有企业基本拥有BIM团队，大型民营企业也有BIM顾问，建筑企业中只有21%未计划使用BIM技术，37%处于计划使用BIM技术，建筑企业整体应用BIM技术的占比已达42%[28]。国家在2003年、2011年、2016年陆续发布了3个《建筑业信息化发展纲要》，要求建筑业需与BIM、物联网、人工智能等新一代信息技术相结合，完善信息化标准体系，实现工程项目全方位、全过程的智能化技术集成应用[29]。国家有关部委为推动建筑行业信息化及BIM技术的普及，近年出台了多项政策指引，部分统计如表1所示。

表1 部分BIM相关政策

2 BIM技术功能特点及其与新兴技术的结合使用

2.1 BIM技术功能特点

经总结归纳前人研究[7,24,30-31]，BIM技术具有以下功能特点。

1)参数化建模 参数信息包括图元信息和非图元信息。输入图元构件信息，BIM即可直接进行建筑、结构、机电、暖通、装饰装修等设计，自动创建三维动态模型。模型还可包含建筑构件、设备、参与方、任务等功能性和说明性信息，如构件数量、材料性能、材料价格、参与方信息、任务资料、管理过程等。所有信息、模型共同构成一个动态的项目BIM数据库。

2)仿真化模拟 与CAD二维图纸呈现、人脑叠加各专业图纸不同，BIM可将建立的模型三维可视化呈现，并将不同专业图纸叠加后呈现，不受个人专业水平、空间想象能力及理解差异影响，减少出错概率和沟通成本。数据库可以增加、修改信息，模型可实时自动更新、动态调整，高度仿真模拟建筑物理实体及项目管理实际情况，成为其“数字孪生体”。BIM中数据可计算和运算，通过二次开发或兼容其他分析软件可实现工程信息统计分析、比对分析、碰撞检查、参数验算、指标测算及分析决策等功能。

3)多元化输出 BIM数据库中存储的信息、模型及运算分析结果均可根据需要输出，包括平面图、立面图、剖面图和三维效果图等图形数据及文本、表格等非图形数据。尤其各类运算分析结果可用于后续计算机处理或人工分析，如辅助设计、成本算量、协同采购、计划排程及工地管理等。

4)关联性更新 基于参数化建模和统一的BIM数据库，数据与模型具有良好的信息一致性和继承性，任何信息的修改或增减均能自动同步更新至所有相关的图元及各专业图纸，无需逐个手工修改图元、图层，该特性可减少人工修改的时间和错误，保证信息准确性。这些更新能关联到后续运算分析结果，实现输出结果的实时更新。

5)开放性共享 2005年，国际协同工作联盟(IAI，International Alliance for Interoperability)制定了面向三维建筑对象的工业基础类(IFC，industry foundation classes)数据模型标准。该标准在国际建设工程领域得到了广泛认可，大部分基于BIM技术的应用软件均支持IFC标准。只要输入BIM模型数据、二次开发及其他关联分析软件均采用IFC标准，各参与方即可实现数据共享、同步协同及面向特定需求的软件开发。

2.2 BIM技术与新兴技术的结合使用

基于上述功能特点，BIM技术以IFC数据模型标准为基础，以建模软件(如Revit，CATIA等)为核心工具，以分析、检查、管理、可视化等软件(如PKPM，Navisworks、鲁班、3D max等)为应用工具，满足建模、绘图、结构分析、机电分析、可视化模拟、模型检查、设计深化、造价管理、运营管理等生产需求。近年来，物联网、大数据、云计算、人工智能等新兴技术蓬勃发展，并逐步与BIM技术结合，促进智能建造发展。

新兴技术与BIM技术结合使用，从数据流角度包括数据感知采集、传输存储、运算分析、呈现应用等。数据感知采集包括图片及视频拍摄、激光扫描、GPS(全球定位系统)定位、GIS(地理信息系统)采集、声光热烟等传感器感知等。数据通过互联网、IoT(物联网)、5G技术等传输给数据中心，运用大数据、云存储、区块链等技术进行存储管理，再经云计算、边缘计算、AI(人工智能)等技术进行运算分析决策，最后以3D(三维)、4D(三维+)、VR(虚拟现实)、AR(增强现实)等技术将分析决策结果模拟呈现并发送给应用终端进行执行。面向智能建造的BIM技术体系如图2所示。

图2 面向智能建造的BIM技术体系

为实现上述新兴技术与BIM技术的融合，需搭建包括基础资源平台、数据管理平台、分析决策平台等数据服务平台。基础资源平台包括BIM基础资源库和BIM族库，前者包括标准构件库、材质库、构造库、属性库及构件数据匹配、数据校验等工具；后者包括建筑、结构、水暖电、装修、景观等专项族库定制。数据管理平台包括BIM编码体系、BIM空间编码及数据分级模板等管理。分析决策平台主要由数字化中台、算法中台和决策分析中台组成，数字化中台可实现构件智能识别、文件解析、模型解析、图形压缩、图形加密等功能；算法中台具有智能规划算法、智能模审算法、智慧工地算法、BIM运维算法及其他AI算法；分析决策中台包含数据评估、数据可视化、数据指标可视化、业务部门决策支持等模块。

上述数据服务过程需由IoT基础、BIM图形处理、BIM区块链、BIM应用服务等平台提供基础技术支持。IoT基础平台主要解决设备连接管理、产品管理、数据管理和运维管理等问题。BIM图形处理平台主要实现图形引擎、协同引擎、几何算法等功能。BIM区块链平台主要包含数字资产保护应用及BIM信息管理。BIM应用服务平台聚焦于用户管理、数据集成和图谱集成等。

3 BIM技术在智能化管理中的应用

BIM技术在设计管理、成本管理、采购管理和施工管理等环节可实现系统性的智能化管理，如图3所示。

图3 BIM技术在智能化管理中的应用

3.1 BIM技术在设计管理中的应用

3.1.1无人机踏勘与测绘

传统场地踏勘需多方多次前往场地，出差成本高、周期长，易出现关注点不同、踏勘不完整、描述不清晰等问题。传统测绘为人工RTK单点测绘，外业人员工作量大，成果受人员影响因素大；成果较为单一，二维图纸不利于理解现场真实情况；当遇到大场地或山地项目时存在人力消耗大、周期长、差旅成本高、安全风险大等问题。

无人机踏勘与测绘具有高精度、高效率、低成本的优势：全要素采集，厘米级精度，准确反映真实情况；采集速度快，1km2的外业采集与正射建模仅需1人·日；一次采集可输出实景模型、地形图、高程展点图及正射影像等多种成果，可供多个阶段的多个参与方多次使用，大幅降低人工及差旅成本，持续创造价值。

无人机采集的现场照片经实景建模技术处理，可获得高精度实景模型与数字高程模型。实景模型可提供项目及周边建筑的真实数据，分析场地不利因素；与BIM技术结合可辅助分析日照、通风、可视度等；与方案模型集成可直观反映设计条件，辅助方案论证与决策；与BIM模型集成联用可辅助场地布置分析与决策。数字高程模型可快速生成地形图，准确反映项目状况，用于强排及设计方案提资；也可快速生成高程展点图，用于前期土方量测算。

3.1.2施工图正向设计与集成设计

为实现设计协同过程中各专业的数据联动、不同项目阶段之间信息的有效传递，并为后续项目应用提供高质量数据支持，研发基于BIM技术的施工图正向设计解决方案显得尤为重要。方案主要包括技术标准、基础资源库、族库管理、业务数据集成、智能设计插件等功能。建立统一的技术标准，打造适用于正向设计的标准化组织方式、操作流程和管理模式。建立标准化基础资源库，涵盖标准部品部件库、结构化数据等，支持快速输出图纸和业务清单，并为各业务数据拉通提供基础。族库包含建筑、结构、机电、装饰等全专业构件管理；审查入库功能确保上传构件数据和标准的统一；云端、本地互动，实现批量下载。方案还可提供设计过程工具集，协助完成设计过程的模型建立、快捷标注、图纸生成；提供设计管理工具集，实现样板维护、材质管理、协同交互等功能；提供数据管理工具集，实现参数的批量编辑、编码体系的灵活反写等功能。

正向设计具有多重优势：①输出成果多样 基于BIM模型可输出模型、数据、图纸、图片等多种格式成果，满足不同业务需求；②成果质量更高 基于BIM模型输出的成果一致、信息闭合，节省校审及修改时间；③出图速度更快 定制辅助设计工具，为正向设计赋能，降低设计人员门槛；④成果自动校审 基于BIM平台的自动审查工具可实现模型智能化合规性校审；⑤数据关联打通 实现设计、成本、质量、计划各业务间数据关联，为BIM平台应用提供数据支持。

传统木模消耗大量木材资源、污染环境、危害工人健康、重复利用率低、施工质量受工人个体水平影响大。可避免上述短板的铝模工艺正在替代木模工艺。传统脚手架安全隐患大、占用大量材料、消耗大量人工，爬架可有效解决上述弊端。铝模及爬架施工前需在施工图基础上进行专项深化设计。BIM模型在建筑图、结构图和施工图基础上集成设计铝模、爬架可增强图纸的集成性、整体性和准确性，为相关施工提供准确、安全保障。

3.2 BIM技术在成本采购管理中的应用

3.2.1成本算量

传统工程算量工作需多方成本人员识别图纸建模计算，耗时耗力，易产生理解争议及重算漏算等错误。基于BIM技术的成本算量系统通过分析完整的BIM模型、快速云计算，可提供各阶段工程量清单及材料用量清单。系统内置算法规则库，该库基于企业清单编制，涵盖算量规则，与BIM模型构件元素分类关联，确保各专业构件精准出量。系统还内置了成本清单库，该库含清单分类、清单编码、项目特征、计量单位、计算规则等，并通过配套算法，实现云端快速算量及工程量核对。此外，系统可进行构件多维度快速过滤、属性项精准过滤，支持构件与清单工程量的联动查看；内置的多维度标准报表模板支持用户自定义报表。

BIM成本算量优势：①快速高效 云端算量可提升算量速率90%以上，统一建筑信息来源、建模规范及计算规则，一模多用，减少对量、减少争议；②计算准确 算法库清单库配套，精准计算；③用户友好 WEB端操作，快速生成清单、可视化呈现。

3.2.2采购协同

动态模拟项目施工进度的虚拟建造系统可与BIM模型中的进度计划比对，实时预警各项材料采购节点，预警触发点功能已考虑材料下单、生产、运输等过程所需的时间。结合BIM成本算量系统获得的各阶段材料用量清单及企业与供应商之间前置确定的集采流程与价格，包含建设单位、施工单位和供应商的BIM平台可一键智能下单。下单后进度管理系统可实时监测排产、送货、进场验收、台账登记，提高工作效率、减少人为跟进的错误和延误。基于BIM成本算量系统输出的材料用量清单完整准确，可减少超量采购、早采积压及紧急零采带来的浪费、延误，降本增效，实现项目高质量管控。

3.3 BIM技术在智慧工地中的应用

构筑一个以BIM模型为核心、集成物联设备、智能设备为基础的智能、高效、精益的智慧工地施工管理一体化平台，有利于管理精细化、效益最大化。人员管理、视频监控、设备监管和自动排程是实现智慧工地进度、质量、安全、环境管理的基础：①身份证自动识别 快速录入工人实名信息，自动采集考勤数据；设置工人或劳务分包队伍黑名单，在项目间共享，可加强控制用工风险。②实时录制、存储监控画面 支持电脑端、手机端查看、抓拍、回放等功能，帮助管理人员随时了解施工现场及场周实际情况。③利用IoT物联网将现场大型设备进行实时监测，配合设备档案，做到“事前监督、事中监测、事后分析”。④根据事先输入的用户计划管理标准及输入的项目信息，BIM模型可自动铺排总进度计划及单项施工计划，输出自动排程结果。

智慧工地系统通过运算决策可实现更多高阶智能化功能：①项目实时进度信息输入BIM动态模型形成“虚拟建造”，由其可提取出进度日报表、周报表、月报表，将其与排程结果进行比对，可有效预警进度超前或滞后、不平衡推进等情况，并及时联动采购协同、质量管理等；虚拟建造中同步记录了施工日志及相册，为管理复盘、事后追责提供依据。②移动端通过输入图片、文字，并启动、跟进和关闭质量管理流程；设置节点提醒、逾期提醒，可实现随时发现、随时处理、节点跟踪、责任到人，有效提高质量整改效率。③安全法规、重点检查项可输入到基于BIM模型的管理系统中，安全检查随时发现问题随时发起整改流程，整改销项、逾期提醒、验收记录全部智能化管理、数字化记录。④通过IoT物联网可对施工用水、用电、粉尘和噪声进行实时监测预警，有助于节约资源、减少环境污染。

3.4 BIM技术在协同平台中的应用

招采、施工、交付甚至后期运维等多阶段多用户会多次浏览或使用BIM模型中的设计成果和招采施工信息，将相关信息集中于BIM协同平台，有助于实现上述需求。该平台主要包括以下功能：①设计文档管理 设计成果文档统一管理，数据源统一，版本管理清晰可追溯，支持PC，PAD及手机端，方便文档管理操作，提高图模查看借阅效率；下发接收精准实时，减少图模不一致导致的工作误差；文档浏览记录清晰，文档安全有保障；②在线轻量化浏览 兼容多种设计软件格式的2D图纸、3D模型在线轻量化、平台化快速解析、渲染、浏览，用户无需安装各类专业软件，实现建筑工程项目快速准确作业；轻量化浏览便于用户在各应用场景中浏览、操作图纸和模型；③多端协同 各阶段各专业多角色跨平台协同，覆盖多业务场景、多端信息协同，保障信息同步不滞后、问题解决形成闭环。

4 BIM技术在建筑机器人施工中的应用

BIM技术应用于建筑机器人的研究逐步出现，如机器人仿真系统、建筑3D打印、组件装配作业、协助焊接作业等[32-35]，但应用于工程施工现场的研究鲜见报道。

4.1 FMS机器人协同管理系统

基于Fleet Management System开发的FMS机器人协同管理系统通过对接项目BIM数据平台、测量数据平台、仿真系统、智能排程系统、物料供给系统、智能升降机系统等，为机器人提供作业任务管理、动态路径规划、多设备协同服务，完成机器人补料、机器人跨楼层作业、机器人清洗及充电等功能。系统构成及功能如图4所示。

图4 FMS机器人协同管理系统

FMS机器人协同管理系统核心业务包括：①场景展示 楼层场景、楼栋场景、项目场景，分层次展示和管理。②地图服务 编辑地图空间信息、动态生成地图和任意高度地图、设置特征点。③路径规划 规划作业路径及行走路径，对走廊通道等狭窄区域进行交通管制，提升机器人作业效率和安全性。④设备管理 机器人注册、资产、状态及计时器管理。⑤任务管理 任务接收、拆分，机器人分配，多机器人及关联智能系统协同作业；打通智能电梯，机器人作业面不再局限于楼层、楼栋，降低整体作业成本。⑥数据管理 自动统计作业量、作业时长、作业功效和故障情况，用于分析改进、迭代升级。

4.2 BIS机器人仿真平台

BIS(building industry simulation)机器人仿真平台通过对建筑机器人仿真建模，并对接BIM模型与FMS机器人协同管理系统，为建筑机器人研发与检测提供工艺、功能、性能测试仿真服务，为FMS机器人协同管理系统提供计划任务仿真验证服务，包括施工周期模拟、施工计划模拟验证、机器人施工仿真及3D场景展示等。该平台可实现多平台兼容，支持跨平台交互运行，测试仿真使用便捷。根据作业数据和机器人数据进行智能评估，生成仿真分析报告，输出仿真结果与优化建议。支持倍速仿真和微观序列仿真多模式，仿真效率高，执行速度快，提升机器人生产效率和需求部门工作效率。模拟突发场景，不受场地控制，安全性高。

4.3 BIM-FMS-BIS集成体系

BIM模型根据计划排程，将BIM模型数据及排程工单发送给FMS，FMS将机器人计划施工作业任务发送给机器人列队，使多款多台机器人按FMS系统规划的路径及设备协同结果实施机器人作业。机器人可将施工现场状态数据实时传回FMS，再由FMS形成改进参考建议并发送给BIM模型。BIM-FMS-BIS联用工作流程如图5所示。

图5 BIM-FMS-BIS联用工作流程

与此同时，FMS将BIM数据和路径验证需求、机器人施工作业算法及仿真任务等发送给BIS机器人仿真平台，BIS机器人仿真平台根据BIM模型输入的施工工序、导航地图、施工物料及质量模型等信息进行路径验证、机器人作业仿真及策略优化，并将仿真及优化结果发送给FMS。BIS机器人仿真平台生成仿真分析报告及3D模拟展示结果供用户查看使用。

4.4 应用实例

以某楼层内施工任务的取料、作业为例，机器人施工管理流程如图6所示。

图6 机器人施工管理流程

BIM模型根据计划排程，下发排程工单给FMS，FMS分析决策形成备料指令并发送给搅拌站，备料完成后反馈给FMS，FMS进行确认前置检查。FMS发送运料指令给物流机器人并调度智能升降机，生成路径、校准地图，由物流机器人将物料经智能升降机送至施工作业位置。FMS连接作业机器人，生成作业路径及运动路径，发送施工指令，作业机器人完成作业。物流机器人、作业机器人将工单进度反馈给FMS，同步形成施工日志、作业报告，并将结果发送给BIM模型，实时更新BIM模型，形成现实世界中建设项目的“数字孪生体”，即虚拟建造。建筑机器人施工现场如图7所示。

图7 建筑机器人施工现场

5 结语

1)智能建造是建筑业高质量发展的重要途径，BIM技术广泛应用于建设项目全生命周期不同阶段，推动智能建造快速发展，具有显著的社会效益及广阔的市场前景。

2)本文梳理了BIM技术发展现状和功能特点，并从数据流、数据服务和技术支持等层面对BIM技术与新兴技术的结合使用进行了探讨。

3)全生命周期智能化管理是BIM技术在建设项目中的重要应用，是智能建造的重要表现形式。本文对BIM技术在设计管理、成本采购管理、智慧工地、协同管理等拓展应用进行了探讨。

4)建筑机器人施工是智能建造的新兴表现形式，本文对FMS机器人协同管理系统、BIS机器人仿真平台及其与BIM模型的联合施工体系进行了开创性探讨。