由于钢结构建筑具有节能、环保、结构性能优越、便于工厂预制和装配化施工等优点, 使得钢结构建筑在超高层以及超大跨建筑中取得突飞猛进的发展, 如上海浦东的上海中心、金茂大厦等超高层建筑, 北京的鸟巢、水立方等超大跨建筑。这些钢结构工程都属于大型、复杂结构, 对钢结构施工过程中施工资料的管理及施工信息传递等提出更高要求。钢结构建造全过程中, 原材料的采购、下料、构件发货运输、安装、验收均会产生大量信息, 信息传递仍以纸介质为主, 信息协同性差、内容不明确、利用价值低^[1]。由于钢结构、构件繁多、设计复杂, 在施工中仅依靠传统的钢结构管理模式很难提前检测到存在的冲突问题, 影响施工进度、成本以及施工安全。与此同时, 工程上存在的施工问题也要耗费更多人员, 管理费用也会大幅增加。因此, 提高钢结构施工效率, 将“BIM+互联网”引入到钢结构工程中十分必要。

《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》指出:施工类企业为推进企业管理信息系统建设, 需完善并集成项目管理、人力资源管理、财务资金管理、劳务管理、物资材料管理等信息系统, 实现企业管理与主营业务的信息化^[2]。近几年, 虽然一些研发单位以及咨询单位在“BIM+互联网”领域取得了成果, 但都是基于软件形成的产品, 往往产品体积过大, 再加上网络传输条件限制, 致使无法实现信息的及时传递, 并且相对缺乏施工信息化管理领域的理论研究、工程应用以及对施工资料的管理。为了全面解决施工中遇到的问题以及提高施工效率, 实现多专业人员共同管理施工资料, 以BIM三维模型为基础搭建BIM协同应用平台, 该平台对后台和前台能够分批设置管理权限, 实现专业资料与专业人员一对一管理, 将施工信息及时发送给现场施工人员, 从而大幅提高施工管理水平。

钢结构建筑的施工往往伴随大量预制构件的安装与连接, 以所要研究的关汉卿大剧院钢结构工程为例, 其钢结构屋盖杆件类型繁多, 截面尺寸和杆件长度不尽相同, 在施工过程中存在的错装、漏装、碰损等不可预见施工情况, 都会增加现场操作人员的工作量, 是一项极其复杂的建设工程。

关汉卿大剧院钢屋盖节点复杂、杆件交汇多, 并且为空间曲线, 在节点深化设计中要充分考虑制作、运输及安装方便可行。并且桁架杆件在现场拼装过程中如何满足设计及规范要求是本工程的一大重点。在借助施工经验及二维图进行传统钢结构安装时, 往往会由于杆件截面尺寸和长度不相同, 再加上节点空间结构形式复杂, 会在施工完成后出现错装、漏装情况, 从而造成返工、工期延迟, 以致增加成本。

由于钢结构构件比较繁杂, 每个大型钢结构工程的建造都会伴随大量的预制构件。而这些构件均是由三维模型出图, 在工厂进行零件的切割、拼装, 或者在现场拼装切割好之后根据构件所在图纸中的位置进行安装。对如何安装构件的预制信息、尺寸信息、安装信息提出更严格的要求, 否则信息的不对称容易引发施工问题, 导致需要修改图纸, 不断地变更, 延长工期, 甚至停滞施工, 大大增加建造成本。

由于预制构件均为钢结构, 密度、体积和质量均较大, 实际工程中因存在大量节点, 所以数量也较多, 而且构件在生产、运输、吊装过程中也存在潜在问题: (1) 如何获取构件的生产、制作、运输、安装信息, 设备构件进场时间、进场顺序以及路线都要由现场管理人员反复确认, 以此达到施工现场管理的最优化; (2) 大型构件能否在预留的空间中及时完成安装, 将直接影响到施工进度及工程质量; (3) 施工现场会使用施工机械进行安装, 如吊装工序中的塔式起重机、履带式起重机等, 为满足施工强度要求, 需要施工机械的数量和种类, 以及吊装质量是否合理等, 都需要进行计算及验证。然而, 构件生产、运输以及施工规划等在传统经验的基础上所产生的问题无法有效预测和提前解决, 只能等待问题的出现。

在BIM信息管理模式中, 传统的信息管理模式无法从统一标准的角度优化信息, 造成信息滞后。为实现信息能在全生命期、全方位无缝连接, 需要将“BIM+互联网”的信息系统化, 整合离散信息, 避免在设计、施工、运维阶段导致信息歧义和不一致, 从而将信息管理模式统一标准化。

通过某些技术, 建立一定的共享范围圈, 范围圈内的信息均在各阶段、各组织、各专业之间共享, 实现一种网式信息化管理模式。主要表现为电子交互的一对一模式、有限群体之间的数据交换模式和高水平集成协同作业的多对多模式, 以此保持信息的及时性和交互性。

根据企业及项目本身, 执行者应基于后台与前台构建各自的信息流网络, 将BIM信息集成化并与互联网结合, 进行应用创新。在加强企业后台信息系统化建设的同时, 也要将工作流程中所产生的信息标准化。为实现对企业和项目形成强大的支撑和监控体系, 需要最优化构建出子流程, 以及集成化内部和外部流程, 以此实现基于BIM技术的集成信息化管理。

针对不同信息格式及信息权限, 需要明确好定义, 来确保信息的开放性、及时性、可靠性及共享性。与此同时, 信息的安全问题也是重要问题, 如相关建筑企业商业秘密或者由于管理需求需要部分受控的信息。基于BIM技术的工程项目信息集成模型中, BIM中央数据库信息定义分为专有信息和共享信息^[3]。明确共享空间的使用群体、信息合理区间、访问权限, 规范好不同信息模块所对应的项目组织机构, 赋予相应权限, 使得整个项目团队在施工时能够有效、精准地访问共享信息库, 以此保证项目信息的安全访问。

任何一个项目都会产生海量的信息数据库, 将这些零散的数据集成在一起, 进行细分、强化和扩充, 形成专业化系统, 并且在面向市场化的同时, 应指向不同领域、不同专业、不同类型BIM人员在同一个BIM平台上使用, 分工不同而又协同工作, 以此满足不同部门及单位对信息不同层次的需求。

基于“BIM+互联网”技术的工程项目信息系统化管理模式, 搭建BIM协同应用平台网站, 该平台极大地提高了施工资料的有效管理及查询。

BIM协同应用平台 (www.stdubim.com) 是为实现对工程资料的跨部门、跨企业、跨地域的协同管理, 也为在施工过程中能快速搜索和整理施工相应资料, 有效解决竣工验收时资料缺失和不齐的问题所搭建的协同管控业务处理平台, 以达到信息资源共享。

1) 后台用户权限设置根据该网站后台管理系统的权限管理功能需要, 实现了1个基于角色和权限集的权限管理子系统, 使用了文本文件保存后台用户和权限设置数据^[4]。模块的操作级别由不同的权限进行控制, 按照具体的功能进行不同模块划分。将权限划分为4种级别:后台管理员权限、模块管理员权限、经理管理员权限以及普通用户权限。

2) 模块化管理为了便于平台专业化管理, 将平台划分为9大模块:前期管理模块、招投标管理模块、合同管理模块、项目策划管理模块、变更管理模块、进度管理模块、投资控制管理模块、质量管理模块、物资设备管理模块。各模块都有1名专业管理人员进行管理, 主要针对相关模块普通人员根据实际所上传资料的审核工作。只有确保上传的工程资料无误, 一般用户才可以通过登录账号查阅资料。只有管理人员登录后, 才可以修改或删除过时或无用信息。项目模块应用流程如图1所示。

关汉卿大剧院位于河北省保定市七一东路东湖畔, 总建筑面积约66 745m², 其中大剧院面积41 621m², 另有18 637m²的保定博物馆, 建筑高度为59.6m。项目上部钢结构屋盖为空间结构体系, 钢梁构件跨度最大为37.7m。建筑效果如图2所示。

项目上部屋盖均为钢结构, 面积高达18 000 m², 结构形式为圆形穹顶, 半径最大为131m, 由于空间结构较复杂, 杆件交汇多, 连接节点比较复杂, 且整体为空间曲线结构, 施工工人在高空安装时, 都需要根据具体构件截面形式和就位需求进行标识和测量。为此, 将BIM与二维码技术结合应用到钢屋盖安装过程中, 发挥了重要作用, 并提出该项技术的具体实施方法、建立实施标准, 推进该项技术在实际工程中的应用, 促进施工单位施工的高效化。

1) BIM信息化三维模型建立根据LOD300的精度要求, 需要项目BIM小组在预施工阶段完成钢结构部分的信息化模型, 并随着施工阶段的进行不断更新模型, 该模型在三维基础上具有高度集中化的数据信息, 现场施工人员可以查阅任意杆件的相关信息。关汉卿大剧院钢结构模型如图3所示。

关汉卿大剧院项目施工过程中, 为改变传统的工作思路及工作方式, 尝试将BIM协同应用平台结合BIM技术融入管理工作中, 把传统工作中的一些施工重点及难点转换为更容易掌握的常规性内容。

2) 辅助项目前期管理在项目前期管理过程中, 将档案划分为3大块, 即中央档案、日常管理档案和专题档案^[5], 对每个板块进行管理员设置, 分别存档, 这样可方便查找文件。为使业主能够及时了解工程进展情况, 并对工程项目提出建议, 需要将下月的工作计划以月报的形式上传至后台服务器, 以便下一步开展工作。

3) 辅助合同管理在合同管理方面, 每项合同都需要进行交底, 项目管理部门需要分类整理并上传到后台服务器, 通过网页浏览模式使全体成员能够及时了解合同的全部内容。合同管理人员应当具备相关法律知识, 按照有关法律法规提前做好合同文本, 根据所签合同选择不同的文本形式, 然后根据需要加入技术限制。由于合同内容比较完善, 确保了合同的顺利签订, 同时也缩短了时间, 为业主节约了一定的投资, 加快了工程进度^[6]。

4) 辅助钢结构施工进度管理采用BIM技术和模拟技术, 将钢结构建筑三维模型和进度计划集成起来, 实现基于时间维度的施工进度模拟^[7], 并导出相应工程施工进度的Excel表格, 上传至平台。

按照天、周、月等时间单位对项目的重点以及难点进行细致的可视化施工模拟, 得到最优的施工方案。为达到资源优化配置的目的, 得到有效的施工进度安排, 需要不断重复模拟与改进施工进度, 所以要实时更新平台内的进度表格, 将优化后的施工进度信息及时发送给现场施工人员, 以便施工组织人员对整体施工进度进行有效把控。

5) 辅助投资控制管理在项目施工阶段, 为保证各参与方能够及时捕捉该阶段的施工信息, 并且能够顺畅传递, 需要通过BIM协同应用平台实时上传项目信息。各管理职能部门通过调用项目信息实现跨部门、跨企业、跨地域的协同管理, 达到信息资源共享。相关管理人员跟踪检查项目实施情况, 并完善收集的项目信息资料。根据控制内容和控制项目的需要, 项目各有关控制部门及控制人员应使用一定方法追踪项目, 将追踪的结果以文件形式上传到管理平台, 保证其他工程人员查阅。

6) 辅助变更管理变更对于任何一个建设项目而言不可避免, 通过各专业之间的协同将相应的三维信息化BIM模型整合在一起, 进行碰撞检查, 各专业人员针对碰撞结果进行交流与理解。参与方分别输入各自的信息参数, 并上传提交至该管理平台, 其他后续参与方可以根据需求使用这些信息, 保证信息入口的一致性。这样既避免发生错误, 又节约重新输入的成本^[8]。并通过BIM协同应用平台, 结合快速原型法和配置管理法, 实现承包方、业主方、建设方资源的共享, 以此加强对工程变更的管理。

7) 辅助物资设备管理物资设备管理人员通过平台创建物资、设备台账, 并编辑相关信息、验收进场后的物资设备。经个人用户上传合格的信息生成二维码, 再经过个人用户上传所在的管理模块, 通过平台的联系邀请监理人员进行验收, 并注明验收人姓名、日期等信息, 并且由该监理人员 (模块管理员) 上传至该模块后台, 以便各方人员后期查找、追溯。

BIM协同应用平台集物联网技术与办公系统于一体, 充分应用在关汉卿大剧院钢结构施工中, 在保证施工质量的同时, 也加快了施工进度。同时, 其管理的精细程度和准确性得到有效提高, 在整个钢结构施工过程中其作用覆盖了各环节, 充分将施工和管理结合, 形成一个统一的管理体系。