基于BIM的装配式建筑集成建造系统

于龙飞，张家春

(上海交通大学a.土木工程系；b.BIM研究中心，上海 200240）

基于BIM的装配式建筑集成建造系统

于龙飞，张家春

(上海交通大学a.土木工程系；b.BIM研究中心，上海 200240）

我国正大力推广装配式建筑，装配式建筑具有生产效率高、环境污染小、质量有保证等突出优势，代表了我国建筑行业未来发展的必然趋势。然而，我国装配式建筑的发展仍处于初级阶段，装配式建筑的推广与应用中缺乏科学的管理系统及管理理念。本文在对BIM及计算机集成制造系统研究应用现状归纳的基础上，分析了装配式建筑建造与制造业集成制造的共性，提出了基于BIM的装配式建筑集成建造系统的概念，分析了该系统的实施目标、理论基础及关键技术，并阐述了该系统的总体框架，详细分析了该系统的分系统及支撑体系设计。最后，对基于BIM的装配式建筑集成建造系统的优势进行分析，对该系统在建筑业的发展应用进行了展望。

装配式建筑；计算机集成制造；建筑信息模型

长久以来，我国建筑行业一直采用传统的设计和施工方法。随着工业4.0时代的到来、我国人口红利的消失、建筑行业各环节利润率剧降，建造技术革命势在必行，装配式建筑正是在这一趋势下逐渐得到了业界的认同及重视。装配式建筑是由预制构件在现场装配而成的新型建筑。与现场施工建成的传统建筑相比，由于构件在预制工厂采用工业化的方式生产，可在现场拼装并行实施，能大大提高生产效率，节约人力资源，缩短生产周期，因此，装配式建筑代表了我国建筑工业化发展的方向。

现阶段，政府正积极推广装配式建筑，建筑企业也大力投入装配式建筑的研究与应用，在这一过程中，也暴露出了我国建筑行业当前面临的一系列困难和亟待解决的问题。

(1)建筑企业综合管理体制落后、经济效益低下，缺乏综合竞争力；

(2)大型项目越来越多，结构形式越来越复杂，投资规模也越来越大，项目涉及较多单位，建造过程中有很强的变动性，对各单位间的协同工作提出了更高要求；

(3)建筑项目愈发强调全生命周期控制，建筑的投资决策、研究开发、勘察设计、施工建设、运营维护都必须基于建筑信息，建筑行业信息化程度亟需提高。

装配式建筑的发展亟需建造技术的转变，建造技术的转变必将引起建造流程的转变与革新，建设项目全生命周期的线性过程将逐渐被非线性和并行过程所取代。在这一转变中，学习制造业的思想理论、生产方式及组织结构成为建筑业的最佳选择。

计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS)，是集成了信息技术和系统技术的现代化制造技术。CIMS自提出以来，在制造行业得到了广泛应用，积累了相当丰富的经验，是工业4.0的基础。

目前，CIMS在建筑业仍未得到广泛应用，这与我国建筑业长期采用现场施工的传统建造方式有关。随着装配式建筑的推广和BIM(Building Information Modeling)技术的应用，建筑业将进一步走向工业化、信息化、标准化。工业化建筑的生产与制造业极具比拟性，因此，装配式建筑的建造亟需借鉴CIMS在制造业的成功经验。

1 BIM及CIMS在建筑业的研究应用

目前，将CIMS概念引入工程建设，仍处于构想阶段。清华大学的秦佑国等提出了计算机集成建筑系统(CIBS)的构想，针对传统建筑与现代制造的矛盾以及建筑运营维护阶段的管理问题，提出了相应的原则性和建设性构想［1］。张弘等在分析建筑行业信息化现状的基础上，论述了实现CIBS构想的社会政策基础、行业改革方向及技术保障措施［2］。哈尔滨工业大学的吴国芳从计算机技术的角度，提出了适合建筑业的计算机集成建造系统(CICS)的概念及相关方法、理论［3］，但没有考虑建筑产业化的新形势，缺乏与工程实践的结合。王要武、吴宇迪等提出了智慧建设理论(Smart Construction Theory，SCT)［4，5］，构建了基于BIM技术的智慧施工理论体系，并提出了智慧施工系统的开发思路［6］。

美国斯坦福大学的Center for Integrated Facility Engineering(CIFE)一直致力于集成建造系统方面的研究，在VDC虚拟设计与施工及BIM等方面有较新的成果，但在工程项目的集成建造系统方面，目前仍然没有完整的实现路径以及信息系统支撑［7，8］。2012年以来，为提高有利用价值的工程数据的有效性及连续性，美国土地、基础设施及交通管理部(MLIT)在土木工程领域引入了工程信息模型(CIM)，Suzuki等对CIM在工程领域的实施开展了两项调查，对项目管理要素的关系进行了评估［9］。Tatum等对工程项目中的结构与施工集成进行了分析，根据工程实例的经验，对如何提高项目集成管理提出了建议［10］。施工的传统模式存在明显的缺点，在系统管理者、标准制定者及设计师之间缺乏有效的沟通，针对这一不足，Kurdziel等提出了智能建筑系统(Intelligent Construction System，ICS)的构想，在对建筑流程进行重组的基础上，该系统充分利用电子通信、计算机、检测设备等技术及设备，以实现建筑工程全方位集成［11］。针对当前建筑/施工/设计行业的一体化趋势，Halfawy等提出了基于组件的多层框架，旨在项目全生命周期中促进多专业流程分布式系统的集成及模块化的实现，并论证了该系统的可行性，探讨了软件原型系统的实现可能［12］。

总之，将BIM及CIMS同时应用在建筑产业化的研究及工程实现，目前尚未见报道。

2 基于BIM装配式建筑集成建造系统的概念

2.1 CIMS与装配式建筑的适用性分析

我国制造业CIMS应用时间长，应用范围广，已经积累了丰富的成功案例，有许多宝贵的经验值得我国在推广装配式建筑中借鉴。

装配式建筑建造与制造业集成制造的共性是装配式建筑与CIMS融合的基础，根据对二者生产方式和经营管理过程分析，装配式建筑建造与制造业集成制造的共性如下：

(1)离散型建造作业

制造业利用机器(机床)对工件进行加工，再将不同工件组装成具有某种功能的产品。由于机器和工件分离，故称为离散型生产方式。装配式建筑预制构件的生产、运输、安装等过程仍然遵循流程化生产的基本规律，是典型的离散型建造作业。和制造业相比，装配式建筑预制构件的生产过程中，人和设备的移动代替了制造业中产品的流动，同时，建筑构件生产的一次性，造成生产组织的临时化、生产系统的离散化，增加了生产管理的随机性及复杂性。

(2)系统工程思想指导下的密集型产业

制造业及建筑行业均为复杂的系统工程，涉及多行业、多学科，大量采用新科技、新材料、新工艺；均为密集型产业，是资本密集型产业、知识密集型产业及劳动力密集型产业的集合。

(3)现代产业链过程的同一性

制造业集成制造与装配式建筑集成建造均强调供应链的管理。制造业的发展趋势是专业化分工及资源外包，零配件在各地进行生产，最终运输到总装工厂完成装配工作，整个供应链由设计、材料供应、零配件生产、总体装配、仓储、销售、维修等环节构成。装配式建筑的建造过程与制造业类似，也是由设计、生产、物流、仓储、装配、维修等环节构成

综上所述，装配式建筑建造与制造业集成制造存在较多的共性，CIMS与装配式建筑的建造存在较强的适用性。

2.2 基于BIM的装配式建筑集成建造系统概念

装配式建筑的建造过程中，关键技术是构件的工业化生产。应用CIMS于装配式建筑的建造，目的即在装配式建筑的建造过程中提高构件生产的工业化程度和信息化水平。与制造业CIMS相对应，在建筑行业中有必要形成适用于装配式建筑建造过程的计算机集成建造系统(Computer Integrated Construction System，简称CICS)。

本文在借鉴CIMS在制造业的成功经验的基础上，针对装配式建筑的特点，应用最新计算机技术BIM，提出基于BIM的装配式建筑集成建造系统(BIM－CICS)概念：

BIM－CICS是建筑工业化的生产模式，该模式以CIM为指导思想，以BIM等信息技术为实现基础，在装配式建筑的全生命周期中进行信息集成、生产技术集成、流程集成、企业集成，对企业的管理理念、管理方式进行全面的革新，从而推动建筑企业资源整合优化，提高建筑质量，提高企业的整体效益及综合竞争力，促进整个行业的发展。

BIM－CICS的实施目标是：

(1)建立适用于装配式建筑的管理模式

在装配式建筑建造过程中，通过实施BIMCICS，引进先进的管理思想和技术手段，根据装配式建筑生产流程及特点，结合现代企业先进管理制度，对生产系统进行重新设计，建立新的管理模式，以提升企业的整体竞争力，适应装配式建筑业的飞速发展。

(2)建立基于BIM－CICS的信息技术应用平台

以BIM技术为基础，CICS为系统思想，形成装配式建筑的信息技术应用平台。该平台对装配式建筑的全生命周期信息进行整合、优化、存储，具有开放性、全面性、动态化、标准化等特征，并将随着技术的进步不断发展完善，成为工程项目各参与方沟通的桥梁。

2.3 理论基础及关键技术

BIM－CICS是为适应装配式建筑的发展而提出的新型管理理论，具有自身的特征和优势。BIM－CICS的建立和发展必须充分吸收其他现代管理理论的优势，结合先进技术和管理方法，是先进理论与先进技术的集成。

(1)CIM及CIMS

装配式建筑集成建造系统由计算机集成制造系统(CIMS)发展而来，两者均为基于CIM(Computer Integrated Manufacturing)哲理而形成的系统，是CIM哲理的物理表现形式。CIM最早于1974年由美国学者Joseph Harrington［13］博士提出，其核心思想包括两点：一是制造业各个环节是密切联系的整体，必须系统管理；二是生产过程是信息的采集、传递、加工的过程，产品是信息的物理表现形式。

结合我国国情，在多年实践的基础上，我国863/CIMS计划将CIMS定义为：“CIMS是通过计算机硬软件，并综合运用现代化管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息流与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。”［14］

(2)BIM

装配式建筑的集成建造系统融合了制造业集成制造系统的思想和方法。CIMS实现的基础是计算机及信息技术。得益于建筑行业的快速发展，建筑行业信息化程度得到不断提高，BIM的重要性正日益显现。BIM是对建筑工程设计、施工、运营维护各阶段的相关信息的集成与应用［15］。BIM模型的核心不是模型本身，而是集成信息与工作协同。基于BIM的工程数据模型，是对建设项目功能特性和设施实体的数字化呈现，也是信息集成与协同的平台。以BIM总揽建造过程，以数据驱动BIM－CICS，建立基于BIM技术的装配式建筑集成建造系统。证据显示，将BIM应用于施工，将极大提高项目的潜在收益［16］。

3 BIM－CICS总体设计研究

BIM－CICS必须与建筑企业的管理体系保持一致，并与装配式建筑的生产流程充分结合，同时，还必须考虑信息技术本身的特点。根据装配式建筑的生产流程，可将建筑企业功能根据构件设计、构件生产、构件运输存储、现场装配四阶段进行划分。建筑产品的质量控制决定企业的竞争力，因此，质量管理也是建筑企业的重要功能。为实现上述功能的集成，必须具备基于系统技术的支撑环境，如网络系统和数据库系统的支撑。

从系统功能角度，基于BIM的装配式建筑集成建造系统由分系统及支撑系统组成。分系统为建筑设计系统，预制生产系统，质量控制系统，物流保障系统；支撑系统为工程数据管理系统及计算机网络系统。这6个部分有机地集成起来，构成了BIM－CICS的体系框架(图1)。

图1 BIM－CICS体系框架

在BIM－CICS体系框架下，对装配式建筑的建造流程实施革新再造，形成基于BIM－CICS的装配式建筑建造流程(图2)。

图2 基于BIM－CICS的装配式建筑建造流程

4 分系统及支撑系统设计研究

4.1 分系统

4.1.1 建筑设计系统

建筑设计系统应用于设计阶段，以BIM技术为基础。建筑信息模型由梁、柱、板、门窗等构件组成，充分适用于装配式建筑。BIM基于IFC标准进行数据交换。IFC标准是目前对建筑物信息描述最全面、最详细的规范，包括建筑全生命周期各方面的信息，支持用于建筑的设计、施工和运维等各种特定软件的协同工作。在计算机网络支持下，以BIM软件为平台，可进行多专业协同设计、并行设计、异地设计(如图3)，设计时考虑建筑全生命周期中的所有因素，如设计、受力分析、可制造性、可装配性，减少反复、缩短设计时间，形成高效、优质的一体化设计系统。

图3 基于BIM的协同设计

建筑设计系统形成的建筑信息模型涵盖了装配式建筑预制构件的全部信息。建筑设计系统对构件进行分类、编码，输入及定义构件信息。构件编码与构件存在映射关系，一个编码对应一个构件，一个构件包含的构件信息是贯穿建筑全生命周期的关键信息。构件信息包含构件名称、构件种类、构件几何信息、构件非几何信息、构件坐标系、构件工艺、构件材料、构件批次、构件装配计划等。

4.1.2 预制生产系统

预制生产系统面向预制构件生产商。预制构件是装配式建筑的基本实体，预制生产系统对构件的生产进行管理。预制生产系统承接建筑设计系统，提取构件属性信息，如构件种类、数量、工艺要求等，并根据构件生产中对原材料的需求及零部件的配套情况，制定相应的材料采购计划及生产计划。

预制生产系统提供包括构件建造数据分析、生产计划管理、生产调度管理、库存管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为预制构件生产商打造一个扎实、可靠、全面、可行的生产管理平台。

4.1.3 质量控制系统

工厂预制构件的质量管理通过质量控制系统实现。该系统与预制生产系统协同工作，并与建筑设计系统及物流保障系统连接，最终目的是保证构件预制的质量。该系统通过对构件生产的过程控制实现质量控制。

质量控制系统基于全集成自动化思想，集成了质量规划、质量信息采集、质量分析及交付等功能。在构件的生产过程中，首先对质量要求及质量评定指标进行定义，提出量化标准，在生产过程中，对与质量有关的大量数据进行采集、存储，根据质量标准，针对质量信息进行统计分析与及时反馈，实现对构件质量的控制，保证构件产品符合交付标准。质量控制系统满足建筑产品对质量信息的快速查询的要求，实现质量控制以及建筑交付的质量信息集成。

4.1.4 物流保障系统

物流保障系统对构件进行跟踪管理。物流保障系统连接工程数据管理系统，读取构件信息编码，在构件中植入射频识别电子标签对构件进行标记，该标签集成了构件的信息编码，编码映射的属性信息已在设计阶段由建筑设计系统定义。标签通过射频扫描仪器识别，可根据运输、存储及装配要求进行信息筛选，提取相关信息，如构件型号、尺寸、批次、生产厂家、运输目的地、存储要求、装配批次、装配要求等。

物流保障系统对构件的运输及存储进行监控，保证物流信息的快速查询，对构件的存储进行分类登记并录入系统，实现构件运输及存储的信息化，保证施工现场根据构件保障情况合理制定装配施工计划，提高施工效率。

4.2 支撑系统

4.2.1 工程数据管理系统

工程数据管理系统具有数据存储、管理和控制功能。工程数据管理系统支持BIM－CICS各分系统，各分系统的信息数据均在工程数据管理系统进行存储和调用，以满足各分系统信息的交换和共享。同时，工程数据管理系统也是实现BIM－CICS与企业进行数据共享和信息集成的接口。为保证数据的安全性、一致性、易维护性，数据库子系统应根据如下原则设计：

(1)标准化

BIM核心功能是协同，而协同的前提是数据信息的标准化。因此，数据信息必须基于BIM技术标准。根据BIM标准对信息进行标准化管理和分类编码，使信息唯一化、标准化、规范化，降低信息共享中的沟通成本。

(2)本地化

尽量提高数据分布的本地性，即使应用端与调用的数据尽量靠近。这既减少了工程数据管理系统对网络及云端存储的依赖，提高了系统工作的安全性和可靠性，也减少了数据传输时间，缩短工作流程，提高系统工作效率。

(3)安全性

该工程数据管理系统集成各项目参与方网络接口，必须具备安全管理功能，应设立数据管理员，管理相关人员权限，保证信息的安全性、隐私性。

4.2.2 计算机网络系统

计算机网络系统是支持BIM－CICS系统的网络通讯系统，基本功能是突破地理的限制，实现对信息资源的共享。计算机网络系统应满足如下要求：

(1)BIM－CICS连接了设计、施工、材料供应商、设备供应商、预制构件工厂等多家单位，因此该计算机网络系统必须基于开放的网络通信环境，采用国际标准和工业标准规定的网络协议，使该系统具备交互性、连通性、集成性、兼容性。

(2)BIM－CICS计算机网络系统自身必须集成一个能覆盖所有项目参与方的网络管理系统，以对该网络系统的运行、维护实施有效管理。

(3)该系统应提供满足丰富的网络服务，支持云端数据服务、资源共享、协同工作系统、应用程序接口、分成递阶和实时控制等，以满足工程项目全生命周期中各项目参与方的需求。

5 BIM－CICS优势分析

5.1 推动建筑行业发展

装配式建筑代表着建筑业由传统的生产方式向信息化、工业化转变的方向，BIM－CICS的提出为装配式建筑的工业化生产提供了理论基础和系统支持，从而将有效推动建筑行业由传统的粗放型生产模式向工业化转变。

BIM－CICS将BIM技术全面应用于装配式建筑的建造中，将大大提高行业的信息化程度，使设计乃至整个工程的质量和效率显著提高。

同时，BIM－CICS为建筑业的可持续发展提供了一种实现方式。BIM支持建筑全生命周期中的数据共享与转换，在横向上支持各系统、各参与单位进行数据交换与共享，在纵向上能对建筑全生命周期中的数据进行有效管理。

5.2 提高建筑企业竞争力

BIM－CICS吸收了CIMS的先进管理思想和信息技术成果，提出了建筑企业管理新模式，有利于企业及时更新经营管理理念，提高建筑企业在激烈市场竞争中的快速反应能力。

BIM－CICS根据装配式建筑的特征及建筑企业的实际情况进行了一系列流程优化与组织管理调整，使BIM的应用具备可行性及可操作性。企业内部以BIM平台为核心，信息的传递、获取更及时，将推动企业管理向扁平化转化；通过信息集成，可进行进度优化、成本优化、质量优化等，有助于提升企业的生产效率、经济效益和市场竞争力。在企业之间，围绕BIM这一信息化平台，将增加企业间的技术交流和协同工作，减少上下游企业的沟通成本，实现行业资源、技术及利益的共享。

5.3 提升项目工作效率

BIM的核心是协同，基于BIM进行协同将大大提升项目工作效率。设计阶段各专业可从BIM模型中获取所需的设计参数和相关信息，当某个专业设计的对象被修改，其他专业设计中的该对象会随之更新。在BIM模型可以实现虚拟施工的基础上，将模型与施工进度以及施工现场资源、场地布置等信息集成为一体，实现动态、可视化的4D/5D施工管理，施工单位从而可以更好地进行施工计划，更准确地进行工程造价的计算。材料供应商，尤其是预制构件的生产商，能够更好地利用数控设备进行生产和虚拟安装，提高构件的生产和安装水平。政府审批部门可以更好、更快地理解设计意图，提高设计审批效率。设施管理部门在工程竣工后得到比传统竣工图更详尽的建筑工程信息，实施现代化、可视化的设施管理。

6 结论与展望

BIM及装配式建筑是当前我国建筑业研究的重点。我国装配式建筑的建造过程中信息化水平低，管理系统落后，生产效率低下，亟需引进先进的技术和管理理念。本文正是以计算机集成制造、BIM与装配式建筑三者相结合为研究主线，提出了基于BIM的装配式建筑集成建造系统(BIM－CICS)。本文研究的主要工作与取得的创新性成果如下：

(1)在对制造业和装配式建筑对比归纳的基础上，提出了基于BIM的装配式建筑集成建造系统的概念，研究提出了BIM－CICS的总体框架结构。

(2)提出了BIM－CICS的分系统及支撑系统组成。对分系统及支撑系统的设计思想、结构框架、设计原则进行了详细阐述。

基于BIM的装配式建筑集成建造系统提供了在先进的BIM技术平台下，运用CIMS先进思想管理装配式建筑建造过程的方案，对推动我国装配式建筑的发展有重要意义。同时必须指出，基于BIM的装配式建筑集成建造系统仍处于理论研究阶段，由于该系统在建筑企业的应用是一项复杂的系统工程，其实际应用研究应引起业界足够的重视。

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Computer Integrated Construction System Based on BIM

YU Long-fei，ZHANG Jia-chun
(a.Departmentof Civil Engineering；b.BIM Research Center，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

Prefabricated construction is widely promoted in China.Prefabricated construction has outstanding advantages such as high efficiency，environmental protection，reliable quality and so on.It has become an inevitable trend for the future development of construction industry in China.However，the development of prefabricated construction in China is still at the initial stage，the scientific management system and its concept is lack.This paper analyzed and concluded the research status of Building Information Modeling and Computer Integrated Manufacturing System，also analyzed the prefabricated construction and integrated manufacturing in common，then presented an application model in prefabricated construction industry entitled“Computer Integrated Construction System based on BIM”.This paper analyzed its target，theoretical basis，key technology and the subsystem and the support system design in detail，and gives the overall framework of the system.Finally，this paper analyzed the advantages of this system and the prospects of its development in construction industry.

prefabricated construction；CIM；BIM

TU17

A

2095-0985(2015)04-0073-06

2015-05-30

2015-07-11

于龙飞(1988-)，男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向为BIM与装配式建筑(Email：sjtuyulongfei@163.com)