一种基于物联网和BIM的工程全过程管理系统架构

周子航

(上海市存志学校，上海 200092)

0 引言

工程建设项目涉及多要素、多主体和多流程，管理水平的高低直接影响到项目进度、质量和投资成本。BIM、大数据、人工智能等新一代信息技术的发展，为工程项目全过程管理带来了新的手段。

国内外学者对工程建设项目管理系统架构进行了诸多研究，BIM 虚拟化技术应用到工程全过程管理系统。麦强等研究了重大工程项目决策复杂度和降解方法[1]，GUO 等建立一种基于BIM 的工程全过程管理系统[2]，薛梅等通过客户端实现三维GIS 场景中CAD、BIM 要素服务的访问集成，构建了工程全生命周期管理系统[3]，程雨婷等将BIM 应用到市政工程项目[4]，于景飞等将BIM 应用于工程成本控制[5]，包胜等构建了基于城市信息模型的智慧城市管理平台[6]，张毅等、任万鹏等分别将BIM 模型应用到铁路和公路工程建设项目管理[7,8]，刘欣悦构建了基于BIM 的工程管理系统[9]。

传统基于BIM 的工程管理系统架构中，BIM 模型需要Revit 等专业工具建模和加载，比较复杂，加载效率低；系统数据以人工维护为主，现场数据采集滞后准确性差。为此，本文提出了一种基于物联网和BIM 的工程全过程管理系统框架，通过物联网自动采集工程现场数据，通过数据接口整合和处理本地和异地数据，将BIM 模型轻量化实现快速建模和主流浏览器加载，实现工程建设项目全过程管控。

1 系统整体架构

1.1 系统架构

系统总体架构包括网络层、数据层、业务层、展示层和用户层五层，如图1所示。

图1 系统整体架构图

网络层：系统通过专线传输视频数据，通过专线实现不同办公区域访问，通过物联网采集工程现场数据，通过3G/4G/5G移动网络加密传输至系统。

数据层：系统通过数据总线采集和管理多源数据，接入外部数据，对接自建业务系统数据，接口调用外部系统数据，实现数据汇集和处理。

业务层：包括工程项目计划、立项、合同、付款、投资、审价、供应商等功能模块，全程应用BIM模型。

展示层：系统可通过监管大屏、电脑端和移动端访问。

用户层：系统主要用户包括工程项目投资单位、承建单位、监理单位、政府和行业监管部门等。

1.2 网络拓扑

系统网络拓扑图如图2 所示，系统需具备一定的网络防攻击能力[10]，防火墙是系统内外部数据交互通道，工程建设项目现场数据通过由物联网设备采集，由本地网关接收后通过4G/5G 加密传输至网络防火墙。系统与第三方系统通过https 协议进行加密数据传输。局域网外电脑、移动设备、APP 等通过SSL VPN 经防火墙认证后访问系统。防火墙内部为核心交换机，核心交换机内部分为服务器区交换机和办公区域交换机，服务器区交换机分为已有系统服务器群组和本系统服务器群组（数据交换在交换机内部实现），办公区域交换机接监管大屏、电脑、移动设备等，通过核心交换机访问系统。

图2 系统网络拓扑图

1.3 功能设计

系统以需求为导向，以管控为目标，加强项目立项、合同管理、工程付款、审价管理、供应商等工程管理，重点关注工程管理涉及关键要素中的薄弱环节，如进度管理、投资控制、签证变更管理、审价管理等，实现工程项目全过程闭环管理。系统包括计划管控、项目立项、合同管理、付款管理、投资控制、审价管理、供应商管理、统计分析、BIM 全程应用、系统管理等功能模块，详见图3。

图3 系统功能模块图

1.4 数据总线

系统通过数据总线实现多源数据采集和管理，为业务层提供数据支撑。

⑴多源数据采集：系统接口采集BIM、GIS、CAD图档、工程现场等数据，由系统对接采集审批系统、财务系统、资金系统等业务系统数据，由系统接口访问承建单位系统、政府报建系统、公开招投标等外部系统。

⑵多源数据处理：数据总线的数据处理模块对采集到的多源数据进行清洗、加工和处理。本系统构建了工程项目主数据，并对主数据进行标签化，提高系统加载速度。以供应商为例，如图4所示，定义供应商主数据，将供应商等级、类型等作为标签数据，并增加供应商属性数据，提高数据检索和加载速度。

图4 主数据定义（供应商）

1.5 流程设计

工程建设项目全过程管理设计进度、过程、质量、风险、安全管理等多方面以及多个业务流程。以工程质量巡检为例，流程如下：根据工程项目质量巡检计划，发起工程质量巡检（可通过远程或现场方式巡检），每次检查均填写工程质量巡检报告，若巡检发现问题，可开具工程质量整改单，由责任单位整改，检查人员对整改结果进行验证，若验收没有通过则继续开具工程质量整改单，若验证通过则补充工程质量巡检报告，流程结束，如图5所示。

图5 工程建设项目质量巡检流程

2 BIM全程应用

本文通过轻量化引擎和BIM 建模工具，实现模型快速搭建，可通过主流浏览器加载和访问，BIM 全程应用于工程项目进度管理、投资计划、安全监测、工程质量等全过程管控。

2.1 BIM建模和轻量化

传统BIM 模型建模和加载通常需要Revit 等专业软件，服务器资源占用大，加载速度慢，为提高加载和响应速度，本文引入BIM 轻量化引擎，通过模型信息提取、模型轻量化、模型文件转化[11]，实现快速建模，所建立的BIM 模型资源需要较少，可通过Chrome 等主流浏览器加载和访问。

系统构建了快速建模、修改和检查工具，建模工具包括CAD建模（快速创建柱、梁、桩、承台、喷淋等模型构件）、支架放置（可手动或自动放置）、墙板开洞、保温层管理、数据管理等快速建模工具，修改工具包括分段、对齐、连接等快速修改工具，通过干涉检查实现模型快速检查，详见表1。

表1 BIM快速建模工具

2.2 BIM模型应用

所构建系统通过物联网采集工程项目现场数据，与BIM 模型数据进行比对，对工程项目进行管控，如图6所示。

图6 BIM模型应用

BIM 模型对工程项目进度、投资、安全、风险、质量等全过程管控，详见表2。

表2 BIM全程应用

3 系统功能实现

系统采用B/S架构，通过浏览器访问。系统界面上部为功能栏选项，下半部分分左右两侧，左侧为功能列表，右侧为筛选条件、数据列表或详情，如图7所示。

图7 系统功能界面

工程全过程管理系统各功能模块可以按需选配，支持模块化搭建，功能详见表3。

表3 系统功能模块

系统部分功能模块如图8～图12所示。

图8 系统功能模块

图9 项目进度管控

图11 工程合同列表

图12 工程付款

4 总结与展望

本文构建了基于物联网和BIM 的工程项目全过程管理系统架构，实现工程建设项目计划、立项、合同、付款、投资、审价、供应商等全方位管控。通过物联网设备采集工程项目信息实现实时信息传输，由数据总线接入多源外部数据、集成现有业务系统、对接外部系统，实现信息汇集和管理，为业务层提供数据支持，通过轻量化引擎和建模工具实现BIM 快速建模，可以在主流浏览器中快速加载和访问。BIM 全程应用于工程项目进度、投资、安全、风险、质量等全过程，实现高效管控。系统支持模块化搭建，按需配置计划管控、项目立项、合同管理、付款管理、投资控制、审价管理、供应商管理、统计分析、BIM应用等模块。

后续可以从深度、广度上继续深化系统功能。①整合更多业务系统，将更多的业务数据加载到轻量化BIM 模型中，实现更完整的业务管控。②在业务管理基础上，通过预警预测和统计分析为经营决策提供支持。③在物联网实现工程现场数据采集的基础上，增加安全识别等智能化手段，提高工程项目全过程管理的自动化和智能化水平。