基于BIM的建设工程多维集成管理的实现基础

发布时间:2010-12-31 01:41:56 来源:科技进步与对策
摘要:

摘要:对工程多维管理的研究现状和发展动态进行了分析,指出了基于BIM的多维集成管理实现的基础性关键技术主要有基于BIM模型的工程组件属性数据的数据结构与赋值机理:基于BIM模型和工程计量标准的工程量生成

摘 要:对工程多维管理的研究现状和发展动态进行 了分析, 指 出了基于B I M的多维集成 管理 实现 的基础性关键技术主要有基于B I M模型的工程组件属性数据的数据结构与赋值机理:基于B I M模型和工程计量标准的工程量生成机理 ;以及关联3 D工程组件与工程量的关系系统模型等。对这些基础性问题进行了初步探讨。提出了进行深入研究的思路。

关键词:建设工程;多维集成管理;BIM模型

0   引言

工程建设 的成功实施很大程度上取决于参与各方之间信息交流的效率和有效性。] _ 程建设领域的许多问题,如成本的增加、工期的延误等都与工程组织中的信息交流问题有关。为此,工程项目生命周期管理的重点就是改变工程项 目生命周期内信息的创建、 管理和共享的过程。改
变建设工程信息的创建过程,由传统的 2 D( 二维图形 ) 到3 D( 三维信息模型) , 即由图形化( d r a w i n g ) 到建筑信息模 型 化 ( b u i l d i n g   i n f o r a a a a t i o n   mo d e l i n g, B I M) 的本 质变换,再进一步实现多专业和多阶段已创建数据的共享 , 即从 3 D到n D ( n   D i me n s i o n s , 多维 ) 的集成管理。在这一理论下,基于B I M的工程组件属性数据结构 、 工程量生成机理以及关联3 D组件与工程量的数据库结构等的理论研究 ,就成为工程 n D集成管理实现机理研究与模型构建的关键问题。 

1 研究现状与发展动态分析

n D的含义是指建设工程随生命周期而表现出的多个方面,包括空间三维、时间或进度维、费用维 、质量维、安全维、能维、光维、热维等:nD集成管理可解释为通过运用工程管理理论与信息技术等手段,把工程的多维( n D) 集成在一起管理 , 而不是按传统的方式实施管理。
 
目前 n D集成管理的研究主要是辅助工程管理的4D理论和技术 , 主要集中在 3个方向: 产品建模和可视化、过程建模和分析 、 协作和交流。
 
以往大部分的4D/nD研究,基本理论是以 C A D技术为基础 ,通过建立共享的数据库把设计信息与进度/成本等信息链接,其核心是数据信息的共享与交互。 实现方法的方向是通过制定兼容协议 ( 如 国际协同工作联盟 I A I ( I n t e r n a t i o n a l   A l l i a n c e   f o r   I n t e r o p e r a b i l i t y ) 制定 的 I F C s ( I n —d u s t r y   F o u n d ~i o n   C l a s s e s ) 标准来开发相应的软件产品, 逐步实现与进度 、成本等管理软件的合成 ,最终建立从 3 D到 n D的理论模 型.实现建设工程 的可视化 和集成化管理。
 
这样的实现方法有其 自然合理性 .主要有两个原因。一是计算机技术方面的限制 , 3 D建模和进度/ 成本编排是两种完全独立的应用体系, 由于缺乏统一的数据结构定义以及商业模式之间的竞争, 二者难 以实现底层数据上的直接交互 。二是工程建设中设计与建造的传统分离, 导致设计阶段进行 2 D或 3 D设计的时候并没有施工生产者的参与, 而施工生产者却要负责进度/ 成本编排。 

鉴于上述原因, 现今的多数研究都假定存在完整的工程进度计划和一定细节程度的3D模型,通过手动或半自动化方法将进度表 的任务与 3 D模型的对象进行连接,并详细定义可视化的方法。这一 4 D技术的优点显而易见,但时至今 日仍然没有突破实验阶段,主要原因就是存在以下不足 : 3 D— CAD数 据 和进 度, 成本数据需做大量调整之后才能导入4 D模拟软件中;手动或半 手 动 连接 进度/成本活动与 3 D对象,非常繁琐且耗时:不能灵活实现多种等级层次的 4 D模拟 ;3 D— C A D数据或进度,成本计划的修改 , 导致大量的重复工作 ; 缺乏互操作性 , 4 D模拟软件无法完成对 3 D模型和进度/ 成本数据的修改,等等。因此,这种4 D技术方法,对计算机模型固有的巨大潜力未能充分地加以利用 ,仅在一定程度上满足工程管理的需要.


2   工程多维管理实现的基础性关键技术

由于基于CAD的工程4D理论存在固有的缺陷以及随着建筑信息模型( B I M) 的提出和发展 , 基于 B I M 的工程n D集成管理研究成为理论研究 的方向。B I M技术从根本上改变了建筑信息的创建行为和创建过程 ,以 B I M为基础的工程 n D集成管理方法可以解决传统 n D集成方法面临的诸多 由技术路线带来的问题。
 
德国包豪斯大学( B a u h a u s   U n i v e r s i t y ) 的 J a n   T u l k e与J o c h e n  Ha n f f 深入分析了工程进度/成本管理的内在要求和数据关系 , 以项 目总控理论 为指导 , 通过构建基于 B I M 的 面 向对象的 3 D模 型 .运用 属 性 化 方法 ( P r o p r i e t a r y 
Me t h o d ) 研究工程实体数量数据与3 D  CAD对象数据的内在关系.提出采用标准数据查询理论进一步研究进度/ 成本活动数据集、所需的各类工程资源数据集与 3D模型相关对象数据集合之间的关联原理,以解决基于 B I M的 n D 理论的技术实现基础.实现“ 3 D+ 进度+ 造价” 的集成并据此提出了相应的概念模型( 图 1 ) 。

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因此,对于工程多维集成管理而言,研究核心是揭示基于 B I M的工程 n D集成管理的实现机理与模型构建 .需要突破的关键问题是 n D的信息模型结构.包括基于工程建设特征和 B I M 的工程组件属性数据结构 、工程量生成机理以及关联 3 D组件与工程量的关系系统模型等。
 
由于 B I M仅提供工程几何参数作为模型基础,因此,要实现基于 B I M 的 n D集成管理,首先需要按照工程特征、工程建设规律、工程管理理论解决如何对3D的工程组件赋予属性的问题,其中的关键问题是工程组件属性的数据结构。工程实体数量是工程管理各维度工作的基础和依据,实现 n D的集成需要根据工程计量理论揭示从已赋属性的 B I M模型中生成工程量的机理以及两者间数据结构关系;在此基础上,需要进一步构建关联 3D组件与工程实体量的关系系统模型,从而解决 3 D + 进度+ 费用+ 其它维等实现的技术基础 。因此, n D的基础性关键技术为:
 
( 1 ) 基于BIM模型的工程组件属性数据的赋值机理与数据结构研究,包括建设工程及其产品组件 固有特征的分析、面向组件 的工程 3 D模 型分析、组件属性数据结构及其成分分析、相关数据处理分析、组件属性赋值机理研究等;
 
( 2 ) 基于工程计量理论与具有属性的BIM模型的工程量生成机理研究 ,包括工程特征属性及其数据结构分析、基于工程计量理论的组件属性数据赋值与抽取的机理及其模型分析等;
 
( 3 ) 关联3D工程组件与工程数量的项目关系系统模型研究 ,包括3D工程组件与工程实体量间的数据结构分析、相应的项目关系数据库结构及其范式分析、原型系统及其构建分析等。
 
( 4 ) 结合我国工程建设的实际情况,研究与工程 nD集成管理相对应的工程管理过程、 工程管理方法及其商业模式, 包括改进工程管理控制力和提高工程管理效率的理论
与方法。



 
3 工程多维集成管理基础性技术实现的探讨

工程多维集成管理研究,重点研究基于 BIM的工程多维集成管理的基础性核心问题,即信息模 型结构问题,主要包括具有内在逻辑关系的工程组件属性赋值的数据结构、工程量生成以及关联3D组件与工程量的关系系统模型等.以此来揭示基于 B I M 的工程多维集成管理的理论机理 . 构建相应模型。 

3.1  基于B蹦模型的工程组件属性数据的赋值与数据结构

相对于非面向组件的 3D模型, 基于BIM 的面向组件3 D模型拥有的灵活动态属性值为工程量清单 、 进度计划、工程造价等的生成,以及时间、空间、光照、能源分析等提供了更好 的数据基础。因此,组件属性类别、赋值范围、实现方法成为了评价此类模型好坏的重要指标。
 
属性通常被分为图形类属性和非图形类属性。图形类涉及长 、 宽 、 高 、 直径、 弧度 、 颜色 、 光泽 、 位置坐标等 ; 非图形类则包括如材料构成 、 密度、 重量、 产品型号、 生产商 、 安装工艺、 安装时长、 市场单价 、 安装费等信息 。组件属性的设计可依据需要灵活配置。为支持可视化,组件属性应包括 全 部 图形属 性 , 以及 组件 安装 工艺 、 组件 间关系等属性为支持半 自动生成工程量清单,组件属性应包括几何 、密度 、 材料种类 、 型号等 。为 自动生成工程造价,组件属性除 包括 自动生成进度计划所需的属性信息之外 . 还应包括人工 、 材料、 机械、 管理费等的市场价格。
 
采用面向对象软件开发方法 ,结合关系数据库系统,是构建面向组件的 3 D模型的最佳技术平台之一。在完成组件属性分类之后 , 通过对建筑组件 、 临时设施等需要考虑进入系统的组件进行“ 类” 定义。每一个“ 类”都拥有自己的名称 、 属性和方法 。 方法又称函数 , 被组件对象调用以实现具 体 的操作 , 如修 改组 件对 象 的颜 色属性 。在对 某一个“ 类 ” 进行实例化之后 , 就可以得到具体 的组件对象.来形成建筑模型。 实例化的过程就是一个具体组件对象的生成过程。属性参数赋值可以在组件实例化过程中进行,也可以通过调用 已生成的组件对象的方法来进行赋值或调整属性值。组件对象的属性值还可以通过系统 的公共方法( 函数 ) 进行批 量赋 值或修改 。
 
这些组件“ 类” 定义以“ 表” 的形式存于关系数据库中,每一个具体的组件对象则 以“ 记录” 的形式存在于表内,通过结构化查询语言 S Q L ( S t r u c t u r e d   Q u e r y ,L a n g u a g e ) 从表中读取组件数据 .最后通过图形转换形成可视化的建筑模型。这样 , 一个具备合理组件属性的 3 D模型得以建立并能支持灵活的多维集成任务, 见图 2 。 

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3.2 基于BIM模型和工程计量理论的工程量生成机理

如图 2中所示,基于BIM的建筑模型的组件数据全都存储在关系数据库表中, 通过选取恰当的组件属性值作为关键字,使用 S Q L对数据库中对应的建筑组件表中的记录进行查询统计 . 并采用符合我国建设工程工程量清单计价规范( G B   5 0 5 0 0 — 2 0 0 3 ) 的计算方法进行计算。通过读取数据库内的所有组件对象记录数据,可生成初步的工程量表 。
 
但对于几乎所有的工程项目,这个工程量表都可能是不完整的。施工之前的设计阶段 以及施工过程需要的准备工作 、辅助设施 、临时设施 ,由于建模不经济、较难建模,其工程量没有体现在自动生成的工程量表中。 这些项多数可以归到建设工程工程量清单计价规范( G B   5 0 5 0 0 — 2 0 0 3 ) 内列出的措施项目清单 、其它项目清单 、零星丁作项目表等范围内。还有一种情况是工程主体本身的某些组件,如复杂形态的建筑外立面 , 由于手T确认工程量效率更高而未
进行建模。在这些情况下 , 需要手动添加未通过组件属性获取的工程量消耗项 .以形成最终的工程量清单。工程量清单中手工添加的项需要关联一个或多个真实或虚拟的建筑组件 .以便充分地支持“ 3 D+ 进度 ” 乃至多维模拟 ,见图 3。
 
3.3 关联3D工程组件与工程量的关系系统模型

基于 B I M与关系数据库技术,可以建立一个灵活的工程项目关系系统模型 ,支持工程多维集成管理。这个工程项目关系系统模型的核心是工程组件、工程量清单项、工程进度计划这 3者之间的关联模型 ,其基础则是工程组件与工程量清单项这 2者间的关联模型。
 
图3描述了工程量表生成过程,工程量表内的每一个工程项都是通过提取组件属性获取的, 所以, 每一次抽取工程组件数据 ,都有一个 S Q L查询命令 ,这个查询命令涉及到的特定工程组件, 同时对应着工程量清单中特定的一个或多个项。 通过将特定工程组件和特定的清单项之间的关系与查询同步存人数据库中的关联关系表中, 来建立这个项 目关系系统模型的基础。 最终 ,查询完毕,工程量清单项目全部生成之后 ,工程组件与工程量清单项之间的关联也同步完成。 

有了这个关联关系模型为基础,可以进一步进行管理集成 . 形成“ 3 D + 进度+ 费用” 等的多维系统。 

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4 结束语

本文对工程多维管理 的研究现状和发展动态进行了分析,指出了: ( 1 ) n D集成管理实现的基础性关键技术主要为基于 B I M模型的_ T程组件属性数据的赋值机理与数据结构 ;( 2 ) 基于 B I M模型和工程计量理论的工程量生成机理 ; ( 3 ) 关联 3 D工程组件与工程量的关系系统模型等。文章对这些基础性问题进行了初步探讨,提出了进行深入研究的思路 。