基于大数据架构的全过程工程咨询项目管理平台

潘多忠1 程 嘉2 余 渊

(1.深圳首嘉工程顾问有限公司，深圳 518054； 2.上海笛佼信息科技有限公司，上海 200433; 3.深圳市南山区政府投资项目前期工作管理中心，深圳 518054)

引言

全过程工程咨询是指承接建设方的项目整体委托，对项目从可研、规划设计、采购、施工到最终交付的各个阶段进行把关，确保项目的进度、质量和成本得到有效管理，实现项目投资回报的最大化的模式。相比传统的建设模式，全过程工程咨询具有专业性强、责任明确、项目跟踪有效控制、协调方便等优点，已经在越来越多的大型项目上广泛采用，也是现阶段国家力推的工程项目建设模式之一[1]。

作为全过程咨询单位，不仅需要跟踪施工进度并对工程的各类问题进行处理，同时其服务还包括了可行性研究阶段，在设计施工阶段进行整体协调，并一直支持项目交付甚至运维。全过程咨询单位与施工单位如总包的工作差异，还体现在管理的信息类型不同和管理方式不同。相比总包和其它施工单位，全过程咨询单位更多的是需要对工程进度、费用等主要节点进行把控，并组织协调多方合作解决问题，收集包括监理工程文档、各类资料以确保项目整体有序高效开展。

近年来，随着施工技术的发展，施工管理信息化系统已经逐步得到了应用[2-5]。特别是一些管理单位在信息化系统中融入BIM技术，实现了可视化和现场协调能力的提升。另一方面，市场上的产品对于BIM技术的应用局限在土建算量，进度跟踪等几个方面。由于系统框架的限制，当前信息化系统没有从整体上去进行全过程工程项目的数据采集和管理，这导致了信息和数据的分散和隔离，也限制了管理的深度和灵活性。对于全过程咨询单位，相比工程人员、物料库存等，更重要的是提升对工程项目的把控能力，实现如进度实时调整，基于BIM模型的统计和分析，提高效率等，这些均需要对信息化系统进行有针对的架构重建和开发。

本文提出新一代的全过程工程咨询平台，以数据信息采集为手段，利用最新的信息化技术，将BIM模型、GIS、电子文档、图纸、现场数据进行融合，实现以上管理目标。平台利用数据仓库技术和分布式存储的大数据技术，将多个项目的BIM模型整合在一个统一平台上，形成一个图纸和模型的整体系统，并结合3D GIS技术形成大规模多项目展示能力。通过组织过的BIM数据库索引，去连接现场图片、三维扫描数据、文档信息等，实现综合管理和自动化分析的功能。针对国家标准和国际工业基础类数据标准，对BIM模型进行数据提取，实现了数据的深入利用，为工程项目实时的调优和问题解决提供依据，以支持工程建设项目管理向智能化转型。

本文第二部分说明了全过程工程咨询平台的主要模块和其功能； 第三部分说明了核心的图纸和BIM模型管理协同功能模块； 第四部分说明了平台对多种来源数据的集成，以及基于云管理框架下，实现关键的项目进度、质量、安全、费用等的管理； 第五部分对平台在实际工程项目中的应用进行了说明，并通过评测证明了平台的数据管理能力优势； 第六部分对全文进行了总结。

1 全过程工程咨询平台的架构

全过程工程咨询平台的功能模块主要包括微服务基础架构、BIM+GIS大数据仓库、一体化项目管理、内容管理等。以下分别说明其内容，重点与现有的施工管理系统进行比较，突出其技术方案特点和主要优势。

1.1 微服务基础架构

图2 基于BIM数据管理的应用

全过程工程咨询的工作覆盖了从可研、设计、施工、竣工交付的各个阶段。传统的方法是采用一台或几台服务器，运行相应的软件。对于大量项目涉及到的多家参与单位，数据量不断增加，给服务器管理和资源管理带来了不便。基于目前的云计算模式，我们实现了可承载海量数据的软件平台，结合底层的数据库管理技术，可以灵活、有效地配置不同阶段的工具和系统服务。如图1所示，整个系统功能被分解为BIM+GIS数据平台、项目管理、内容服务三大模块，其中每一模块内部又由多个功能子模块组成。通过微服务标准化端口访问将这些功能连接在一起，不同项目、不同阶段的用户可以灵活采用。相比一般的云计算虚拟机，以微服务模式启动的功能以秒级计算，同时为高可用、可扩展性提供了良好的支持[6-7]。

图1 全过程工程咨询功能模块

1.2 BIM+3D GIS模型数据仓库

BIM模型在工程项目管理中起到关键的作用，是工程数据的核心。传统的BIM模型应用主要土建算量、可视化、质量安全定位等，数据层面的管理能力较弱。全过程工程咨询平台采用国家BIM标准、参考国际上通行的IFC标准实现对构件数据的解析[8]，从而将工程BIM构件的各类信息，尺寸、材料、性能、安装位置等信息进行关联和整合，实现模型的查询、抽取、分析和利用。由于BIM模型信息已经作为数据存储，平台更可以针对多个模型，以及多个项目中的大量模型进行统计，形成真正的工程项目综合管理能力。

当前，对于大型工程项目，BIM建模是一项复杂的过程。如何实现从图纸到BIM模型的管理是一大难点，为了对项目全过程的建模进行协同管理，平台对模型采取了分专业和索引化的办法，确保图纸和复杂的BIM模型的提交、审核、交付。

传统的BIM施工管理平台往往基于单个项目，主要是关联该项目中使用的模型。不同项目中的BIM模型往往分开存储。全过程咨询平台通过元数据管理，形成了整合大量模型的数据库。同时，平台结合了虚拟地球3D GIS技术，可以实现大规模实景预览，空间分析、日照分析以支持项目设计修改和提升。此外，依赖GIS模型的定位功能，可以对现场施工设备、人员的管理提供支持。

1.3 工程项目管理

如前所述，施工项目管理主要关注的是现场质量安全，人员管理，采购库存管理等。对于全过程工程咨询项目，除了以上这些问题的跟踪解决，同时还需要进行组织会议、协调进度、费用调整、文档汇总等工作。

表1 传统平台和全过程工程咨询平台的主要差异

传统平台全过程工程咨询平台工作内容施工中的人员管理,费用管理,进度管理,安全质量管理等除去监督施工管理单位完成相关工作外,需代表业主进行总体协调,费用控制,整体交付和其它服务数据库技术关系型数据库关系型数据库+非关系型数据库数据容量每个项目分别管理,单个项目TB级别大量项目同时管理,PB级别展示能力单个项目的BIM展示多个项目结合3D GIS文档管理施工阶段的各类文档资料各类设计文档,施工文档,监理文档,报审报批资料,其它相关信息等BIM模型一致性比较差,管理不便 兼容多种BIM工具,并按目录管理分析应用主要是针对施工质量、进度、采购收集各类信息,对施工管理提供支撑。分析能力较弱全过程工程咨询也涉及施工单位的数据分析,但更多从管理层面分析,挖掘所需要的信息。提供基于大数据的分析能力

基于前述BIM模型的组织，平台将相应的工程信息与之关联，费用与模型挂接。在进度管理中，通过和BIM模型结合，实现细化的进度控制，并结合费用信息，为全过程咨询的进度费用给出预测。在费用管理中，通过导入预算清单，并且进行签证审批，这样在系统上形成明确清晰的费用更新列表。除此之外，系统可进行各种申请的提交和记录，如会议资料、质量安全等信息进行流程化管理，并集成手机端，提供关键的数据积累和利用。

工程项目管理模块与BIM模型采用标准化接口的办法传递数据，确保两者之间高效的数据交换，这样做的好处是，在更新工程项目管理功能时候，BIM模块部分可以继续工作，确保了平台的整体稳定性。

1.4 内容管理服务

内容管理大致可以分为两部分，首先是文档管理。传统系统中通行的办法是通过文件夹的模式管理，这一方法有几个弊端。首先是文件相互之间缺乏关联，即无法很快地根据专业、文件版本、日期、所属项目类型进行检索； 其次，系统不保留文件分发历史记录，无法留痕也就不能追踪； 最后，文件夹系统的命名比较随意，最后很难从中提取一套完整的项目手册进行交付。

全过程工程咨询平台针对以上问题，采用版本控制技术，并对工作文件进行文件名规范。系统并基于标签、文件日期、专业、负责人等维护一个文件索引，对整个文档的提交和审核进行有效管理和控制，帮助全过程咨询方查询历史文件，进行高效的交付。

内容管理的另一部分是实时数据管理。系统需要实现异构工程数据集成功能：通过大数据技术，将多种工程数据，如3D激光扫描数据，现场照片，文档信息，图纸等的进行整合。内容管理服务导入这些数据，平台能够利用这些信息和数据进行查询和分析，为工程项目的实施起到支撑和优化作用。典型的应用如：通过现场设备自动获取施工设备使用时长和状况，预测工程进度； 通过施工现场的三维扫描成型和BIM模型比对，评估施工质量等。

总之，全过程咨询平台基于云架构和微服务，为用户提供灵活的、功能强大的项目管理手段。表1是传统平台和全过程工程咨询平台的主要差异点，后续将对其中的关键问题加以说明。

2 BIM模型协同服务

BIM技术目前在工程项目中的应用已经较为普遍，目前，在国内智慧工地项目中，一般信息化系统包括一个或一组施工BIM模型，通过该BIM模型，施工单位可以开展如碰撞检查、土建算量、质量安全问题定位、进度展示等工作。这是传统的BIM应用领域，以三维可视化定位和简单空间数据应用为基础。

我们认为，在新一代全过程咨询平台中，BIM是工程信息的最重要部分。对于全过程咨询工作，需要从数据的视角去对BIM模型进行组织和应用，这方面的关键是数据的可交换性，即能够将BIM模型提供到分空间、时间、类型等的信息，并对构件级信息进行综合查询和提取。为了实现这一目标，平台采用了兼容国际标准，工业基础类(Industrial Foundation Class)，将BIM模型转换成IFC并形成可管理的数据库[9]。通过IFC格式，BIM信息可以进一步应用于更为复杂的场景，因为此时的BIM数据可以转换为其它形式的信息，不再局限于Revit等建模工具内的有限的应用。

图3列出了BIM技术在全过程项目管理中的拓展应用。

图3 基于BIM模型的项目管理拓展应用

在平台的流程中，总体的BIM模型由各子模型组成，该模型集群由项目专门人员维护和更新，确保数据的有效性和一致性。随着工程进度的不断推进，模型的精细度也逐步提高，并形成可支持具体施工应用的中间格式，最后通过数据提取，获得可以交付的竣工模型。平台从最初的设计图纸开始，到BIM粗模的建立，再到各专业的BIM精细化模型，并逐步合并成为整个的项目模型。在这一过程中，用户可以自定义BIM专业、文件夹以区分不同区域如楼层的模型，平台可以实现模型的合并，某专业的某一区域的模型变更可以自动反映到平台上，供其它相关人员使用和检查。

平台上的模型按照用户的需求进行组织，如图4是一个预先设定的模型分解的例子。相应的图纸设计、建模、审批人员可以按专业进行协同。针对单个模型文件，平台提供了三维模型校审的功能，模型审核人员无需使用Revit而直接在线浏览对应模型，并添加批注意见。对于复杂的合规性计算，可以进一步将模型导入到专用的模型审核工具如Solibri Model Checker中进行分析[10]。另一方面，如果需要用户也可以直接使用Revit进行模型检查。所有模型按照其关键字形成索引关系，便于管理和版本控制。

图4 BIM模型的分解示例

通过BIM数据库，可以实现一系列查询、统计、合并等典型的数据库操作。有一些功能通过Revit的参数化插件如Dynamo也能完成，但是一个经过封装的数据库，可以实现标准化接口、并行处理等信息化功能，显著提高了易用性和数据管理能力。例如，通过IFC模型的交换能力，实现进行广泛的设计和施工应用，如算量估计，结构计算，漫游展示等。

在传统的模型管理中，模型按照文件夹进行组织，BIM相关的进度、安全、质量等信息一般和构件编号发生关联。大型项目可能拥有数十万个构件，通过构件编号的方式不利于BIM构件的管理，也不便于修改构件与其它信息的关联关系。全过程咨询平台通过数据库索引的方式对BIM模型进行优化管理。所谓索引是对数据库表中一列或多列的值进行排序的一种结构，使用索引可快速访问数据库表中的特定信息。这一点是和传统的依赖于Revit模型进行应用的重要区别。例如，利用数据库索引，可以在几秒内提取出项目符合某一条件(构件名称、空间位置、特点属性如镀锌管)的所有构件。这些构件可随即被导出成单独的IFC模型或数据表，并应用于其它场景。这就大大拓展了BIM模型的应用范围，为全过程应用提供了准确的数据资源。

图5 模型管理流程示例

由于IFC的数据要求，也为了对信息进行有效管理，在建模前即需要设立建模规范，如明确建模原点，设立Revit-IFC类别映射，统一构件/空间命名等，通过这些手段，确保BIM模型信息得到完整处理。另一方面，由于目前Revit模型中，一些属性信息不能很好地被转换到IFC中，例如涉及到算量抵扣的部分，这部分可以通过Revit插件，提取成为可用的数据信息，为后续的深入应用建立基础。

图6 项目模型和其分楼层查询结果

最后，在BIM模型展示方面，平台使用自行开发的动态加载技术，实现了单项目模型总量>10GB，多项目>200GB的快速浏览器展示，为终端用户提供了优秀的体验。根据以上说明，我们将BIM数据库管理的优势总结如表2。

表2 全过程工程咨询项目管理平台的BIM应用

传统解决方案全过程工程咨询平台BIM模型格式以RVT为主开放BIM格式,国际标准IFC对系统要求对系统终端要求高,大模型不流畅轻量化技术,对系统配置要求较低客户端安装使用专用客户端或插件浏览器无需插件应用范围Revit为主,受建模软件限制较多受建模软件限制少,支持市政、公路、桥梁等数据管理能力只能管理当前项目的BIM模型基于云架构实现多个项目的BIM模型的大数据管理

3 基于智能管理平台的数据集成

全过程工程咨询平台的核心是数据管理，除了BIM数据外，系统还将集成其它关键数据信息。总体而言，平台上集成的数据包括以下三大类：

3.1 3D GIS数据

平台支持虚拟地球的3D GIS数据集成。采用独特的3D GIS与BIM模型平台化管理，可形成智慧城市级的BIM+3D GIS能力。通过集成3D GIS信息，打破了传统的施工BIM只能够针对单一项目的BIM模型进行处理的限制，可以实现真实定位，日照、通风等分析，全景展示的功能，是对于传统BIM模型管理的一次重要拓展。不仅如此，平台的底层提供了跨项目的多个BIM数据综合管理，这就使得真正的多项目的工程事务分析成为可能。3D GIS的管理基于开源的Cesium虚拟地球开发，兼容国际上主流的空间数据格式3D Tile，具有强大的功能和数据承载能力[11]。

3.2 现场数据

平台提供的数据接口，使得现场的关键数据可以实时地进入平台，确保快速的响应和高效的管理。这些数据可以是质量安全检查人员现场拍摄的照片信息，也可以是现场摄像头自动采集的照片/视频。随着智慧工地技术的推行，施工企业采集的车辆进出信息、工地运行状况等均可通过平台展示。从全过程咨询单位方面，可能针对现场某一方面的数据进行专项采集，例如，通过现场摄像头获取某施工设备如塔吊工作的总时间。并利用该数据进行工作效率分析。再比如，通过对某施工斜面的平整度扫描，导入系统后与模型叠加分析比对，得到精确的施工质量评估结果。这些对于全过程咨询单位提供工程项目的细化管理能力具有重要意义。

图7 多种现场数据与平台整合

3.3 项目管理数据

项目数据是指包括项目进度、工程量、预算、会议资料以及各类工程文档、表单在内的信息。传统上，工程项目管理的各类文件的签署、流转、收集是通过纸质手段由人工处理完成。一些重要信息如项目进度采用的是电子表格或单一软件格式MPP文件。工程算量和预算较多采用的是广联达工具导出Excel。对于全过程咨询单位，这些信息最终散落在各个电子或纸质文件中，无法做到快速签署和更新，也不易追溯。全过程工程咨询平台通过各种数据导入模板和在线表单，将关键信息进行数据化，并通过在线审批和签字进行快速流转，提高整个项目管理效率。同时，对于会议纪要，工程文档进行标签化处理，便于后续的收集、查询和竣工交付工作。

全过程工程咨询平台使用大数据的基础架构对以上信息进行管理。我们认为，对于全过程咨询，数据的整合极为重要。所谓大数据，不是指单纯地堆砌项目数据，将不同版本的文件、质量安全表单、模型进行存储，这不能称为大数据(Big Data)。计算机领域所说的大数据，是通过分布式存储和元数据等技术手段，形成多源异构数据的高效组织、查询、分析利用能力，这才是大数据技术的实际意义所在。

所谓元数据是指从信息资源中提出特征后的结构化数据，即用来组织、描述、管理信息和知识的数据。通过元数据等技术，可以对大量不同来源的数据进行整理，形成一个整体的数据资源库。对于实时数据，平台提供了流数据处理能力，以及时进行数据ETL，确保将重要监测情况及时推送给用户和做出响应。图8是全过程工程咨询平台的数据处理框架示意图。

基于大数据基础架构和实时数据，全过程工程咨询平台可以开展大规模综合分析，以绕开复杂的人员、设备、采购等细节信息，对项目的总体形成把控。同时，根据历史的其它项目数据进行统计和比对，根据预设的指标去计算评估工程项目运行的实际状况，为优化管理，节约成本提供支撑。表3比较了传统管理模式和全过程咨询平台的数据管理分析能力。

4 平台工程项目应用

本平台已经进入初步实用阶段，目前在深圳市南山医院改扩建项目二期开展前期评估，将第一版BIM模型和相应的3D GIS数据形成了整合，并根据全过程咨询方要求形成了设计图纸和BIM模型的综合管理如版本控制功能。项目设计方根据要求上传图纸，建模团队根据专业图纸进行线上讨论并进行模型的更新和修改。平台并实现了构件的模型抽取和查询的功能。由于医院项目建设的特殊性，施工现场作业面窄，工期紧张，工序及工艺复杂，需集成众多传感设备，对项目现场影响安全的因素的进行自动数据采集、智能处理，及时预警，防患于未然，确保项目施工过程顺利。具体的监测内容包括深基坑监测、塔机、吊钩、升降机、临边防护监测、道闸监控等。部分数据通过施工总包单位采集，通过导入平台进行跟踪管理。

图8 全过程咨询平台的数据处理架构

表3 全过程工程咨询平台的项目数据管理分析能力

传统解决方案全过程工程咨询平台算量和造价主要是土建,也有少量其他专业采用专业软件进行算量,管理导出量/价的数据现场实测数据一般不包括实测实量数据可与系统模型叠加进行施工质量评估预制构件生产进度规划人工或半自动的规划专业的建模和规划工具确保进度可以在系统上显示仿真数据集成仿真数据整合困难多种仿真软件的结果可以在BIM+3DGIS上显示模型抽取效率不高且结果与实际存在差异从建模标准开始规范模型信息,以数据库手段进行处理,确保高效和准确数据挖掘分析缺乏可靠的数据分析能力高效的数据抽取,合并,挖掘分析能力

图9 南山医院模型初步导入模型

平台预计在南山医院项目的应用包括如下内容：

1)统一的项目数据云平台：新一代的项目管理平台基于云化基础架构，实现大量数据下的可扩展性，支持多种工程信息和百TB级别和更大规模数据的综合高效管理。通过强大的计算和数据管理能力实现对项目各参与方的多样化云服务。

2)BIM+3D GIS在医院项目中的应用：与当前多数工程项目管理平台不同，本项目平台采用了领先的BIM+3D GIS技术，结合动态加载技术，实现了城市级的项目空间展示。平台不仅可以对全量模型(全专业所有信息)实现浏览器端无插件的加载，同时通过结合3D GIS信息实现空间的精确定位，从而为施工车辆路线、人员GPS定位提供基础服务平台。

3)医院智慧建造管理：项目依托大数据管理平台，实现对施工过程安全、进度、质量、成本以及模型数据的整合，结合国家对工程质量、安全管理的要求与建设单位、代建单位项目管理的程序与经验，实现对医院项目的数字化、高效化、可视化管理。业主、代建、监理、咨询、总包、分包等单位可以统一在平台上完成信息交换和管理活动。

4)医院建设的智慧工地：项目采用物联网、移动互联、边缘计算、云计算技术，建成适合医院工地现场的智慧工地云平台，为医院建设顺利进行保驾护航。智慧工地运用一整套IOT硬件设备、软件应用结合的云平台系统，通过硬件设备现场监控及数据采集，提供预测方案，实现工地的可视化、远程智能化管理。

5)医院项目文档和交付：本平台以文件索引管理为基础，实现工程文档的有效管理。针对医院项目交付的复杂要求，对文档进行分类和自动化归集。解决目前多数平台按照文件夹模式管理，利用不便的问题。按照预定的模板，平台在项目完成后可自动导出文档和模型信息交付。这一方案将有效节约相应的人力和时间成本，方便医院方接收和未来的运维管理。

本平台同时在深圳大学艺术楼综合楼项目中进行落地。目前处在项目施工前期，主要推广电子签章，自定义流程，以及导入算量清单，并根据施工过程形成明确的更改签证记录。在此过程中将进度与BIM模型结合，随着工程进展对费用给出预估。平台集成了会议管理功能，以确保从项目前期开始的进展和相关会议问题能够得到及时处理和跟踪。用户将从进度、费用、模型图纸、文档等方面获取全面的数据信息，并根据需要对工程项目进行实时统计，提供决策依据。

新一代全过程工程咨询平台实施的预期效果包括：对项目的全过程而不仅仅是施工阶段的信息进行采集； 结合3D GIS功能形成定位和空间分析能力优化设计； 形成进度和费用的精确控制和预估能力； 提高工程事务的实时响应能力； 基于数据管理提高模型和文档的管理和交付能力； 实现基于多个项目的数据分析能力以实现项目的全过程服务。平台提高了整体管理的协作和透明度，利用数字化技术提高工程项目的整体质量。

图10 深圳大学艺术楼综合楼图纸审批和项目事务清单

5 结论

全过程咨询是为业主提供工程项目管理服务，覆盖从前期规划到设计、施工和交付的全过程。作为全过程咨询方，对于项目具有总体把控和专业化服务的优势。基于这一特点，新一代全过程工程咨询项目管理平台采取了云架构，研究了基于数据库管理的平台应用。推动从数据角度去管理，将BIM与进度、费用等工程信息连接起来，并持续跟踪和优化项目的推进。

全过程工程咨询项目平台通过将BIM数据索引化，并结合3D GIS虚拟地球技术，实现了大量工程项目的综合管理能力。通过大数据的分布式存储，形成了BIM模型的管理和工程数据的有效集成，支持全过程咨询单位形成深化管理的能力。当前平台已落地深圳市两个大型工程项目，并正处于继续完善中。目前的功能如全量模型在线浏览和审批、多方协同、会议和电子会签、模型流转和分析应用等，确保了工程项目数据及时得到收集和响应，提高了全过程咨询方控制、协调的能力，在项目运行上起到了重要作用。

项目管理平台开发团队未来将继续开拓基于BIM信息交换的大数据分析，继续推广BIM模型的深入应用。结合现场采集的信息，进行智能化的分析和反馈，推进实现项目的全生命周期管理，并基于信息化向更广泛的领域如数字孪生和智慧城市方向发展和提升。