数据显示,近年来我国社会总能耗中,建筑能耗约占比40%,大于工业能耗和交通能耗排在首位,因此践行节能减排、落实各项环保举措,建筑工程领域尤为迫切,大力推广被动式建筑势在必行。所谓被动式建筑,特指不依赖于自身耗能转而通过空间形式、维护结构、建筑材料与构造的设计,以及高效新风热回收等技术来实现节能减排的一类建筑。相对使用电、煤、气等主动式采暖制冷技术的建筑,被动式建筑反其道而行之采用被动保温来维持室内适宜温度,以其健康宜居、节能环保和绿色可持续等特性,得到了欧美国家的广泛认可和应用。引入国内十余年来,已在多个省市试点推广,成为各级政府大力推广、积极探索的绿色低碳建筑营建模式。但被动式建筑的规划、设计、建造施工和后续运维是一个庞大复杂的系统工程,需要全程动态精细化管理方能保证各环节质量控制落到实处,而采用基于智慧建设的集成管理不失为现阶段被动式建筑一体化管理的最佳选择。

智慧建设特指适应建筑工程领域信息化发展形势和任务的需求,集成应用建筑信息模型(BIM)、大数据、云计算、物联网、区块链和普适算法等多种前沿尖端信息技术,以建设工程全周期全过程实时动态管理和所有参与方统筹协同为目标,营造构建能够同时满足各参与方不同需求的智能化管理运作环境,从而达致建设工程项目全程有效管理、总体智慧管控的一种建设管理理念。

智慧建设源自十年前IBM公司首提的“智慧城市”理念中对城市智慧的理解。“智慧城市”是指组建能够集成化、大批量处理信息数据的基础设施,提供智能化、信息化现代城市建设模式。“智慧城市”是智慧建设的理念来源,而智慧建设则更为关注建设项目个案助力整个城市实现“智慧城市”目标的具体路径。可以讲,智慧建设为“智慧城市”提供了单个项目智慧解决方案和具体实施方法。其支撑体系如图1所示:

智慧建设升级于传统建筑管理理论,是对过往围绕人财物实施孤立、静止管控的各类管理方法的整合集成,将项目建设原本松散孤立的各个阶段有机串连成一个整体,在兼顾流程细节的同时转而更为关注聚焦全程整体的信息传输、组织架构、技术交底衔接和质量控制的优化,注重从横向的项目各参与方和纵向的项目各进展阶段进行集成协同,从而确保了整个项目建设各环节衔接的连贯性和效益产生的持续性,故而智慧建设的整合集成性、全程动态性、宏观精益性和连贯永续性特征十分明显。

整合集成性是指在建设工程项目复杂的过程中,众多参建主体在很长一段时间内都将围绕同一目标共同努力,集成管理就是通过对管理元素实现一体化的整合,从而使整体功能大于要素功能的简单叠加,也即实现整体功能的倍增性效果;全程动态性则是智慧建设强调工程项目整个过程各阶段信息采集、处理、交互和共享的实时动态;宏观精益性是指在对各参建方和建设全过程进行有效整合的前提下优化生产流程和效益,智慧建设的整体性精益管理更为强调信息技术的集成和致力于解决各参建方之间信息传递、组织结构、工作流程的优化问题;连贯永续性是指通过对横向各参建方和纵向建设各阶段的整合协同,实现建设活动的连贯性和效益的可持续性。

被动式建筑集成管理特指通过对被动式建筑设计、施工和后续运维中各生产要素的整合协调,使之紧紧围绕系统的整体目标高效有序运行,从而实现1+1>2的提质增效的过程功用。针对被动式建筑项目复杂程度和不确定性高的客观实际,应从时间、目标、功能和主体等维度出发,构建建设项目集成管理的多信息技术集成、组织集成,实现被动式建筑全生命周期的生产流程优化和效益持续提升。

一方面,要构建可行且有用的信息技术实现方式。确保可行,就要在构建智慧建设信息技术集成体系时选择成熟稳定且接口比较丰富的技术类型。确保有用,就要针对被动式建筑质量要求更高的特点,构建智慧建设理念下BIM技术、物联网技术和普适计算技术三种信息技术的集成模式,通过多信息技术整合集成,实现优势互补和整体效用倍增;另一方面,要构建高效且有序的组织实现方式。传统建设管理理念下,各参建方的组织架构自称系统、非此即彼,缺少一个基于信息技术平台的组织来实现有效协同,组织整体的集成优势难以发挥。此外,由于各参建方工作流程的交叉重叠,往往造成整个组织工作的杂乱无章。因此,智慧建设管理理念下,通过组织架构的重构和组织流程的优化再造,提升组织运作效率和秩序将成为集成管理的重点之一。

智慧建设理念是对传统建设理念的继承、发扬和升华,主要通过对信息技术的集成利用和对传统组织结构的改良重构,从而大大提升管理效率。要实现智慧建设理念在被动式建筑中的充分应用,首先要确保在信息技术和组织上都是可行性。从信息技术方面来看,智慧建设主要涉及BIM技术、物联网技术和普适计算技术,它们均已历经二十余年的探索发展,都比较成熟且有现成软件支持,智慧建设理念下的被动式建筑集成管理只需打破这三种信息技术之间的壁垒使之有效集成,更好地服务于项目运作全过程,并无需再作技术研发与突破;从组织架构方面来看,智慧建设致力于打破传统管理模式下的组织壁垒,将参与智慧建设的人员组织架构进行改造重构,以全新的智慧建设管理中心组织形式改变传统松散无序的组织结构,使之更为精简、高效、有序。同时,信息技术的集成应用和新参建方的加入,彻底改变了原有组织间信息传递的流程模式,使得智慧建设更能满足包括被动式建筑在内的复杂建筑类型的建设需求。综上,智慧建设是对现有已成熟信息技术和组织结构的有效改良集成,无新技术研发压力,组织结构也更为简明清晰,完全具备实践应用的可行性。

有别于普通建筑,被动式建筑能够最大限度地透过自身空间形式、围护结构、部品构件、建筑材料和构造的设计施工应用,竣工交付后最大程度地减少使用过程中的能源消耗。要实现既定节能减排目标,被动式建筑的全流程工序环节要明显多于普通建筑,比如决策阶段要明确被动式建筑采用标准,设计阶段要进行更多的管线排布优化和PHPP计算,施工阶段对工人技术水平和建筑气密性要求更高,在运营阶段更依赖信息化智慧管理。如此一来,被动式建筑建设各阶段对全方位精细化集成管理的要求自然更高,建设单位应着力实现被动式建筑项目多信息技术集成和各参建方组织集成,为智慧建设下被动式建筑项目集成管理奠定坚实基础。

一是BIM技术的应用。与传统建筑相比,被动式建筑为实现生态宜居和节能环保的最终目标,在设计数据方面的要求明显高于普通建筑,比如不同气候区的累计供热、供冷量上限,单位建筑面积供热、空调和照明总计一次能源消耗不能大于45kW·h/年,气密性需满足N50不得大于0.6(即室内外压差50Pa的条件下换气次数不得超过每小时0.6次)等,同时在环境参数上也比一般建筑更为苛刻。设计数据的诸多特殊要求,必然导致被动式建筑项目在各个阶段的管理活动更为复杂,比如架空楼板上岩棉板的添加,外围护结构上岩棉带、置换式通风与热回收以及可再生能源优化利用技术的应用等。在这些较之普通建筑项目额外增加的工序流程中,如果沿用传统的管理理念和手段加以控制,难免滋生施工图纸问题以及工程结构、被动式建筑专有节能设施和众多管线之间的图元冲突。作为集成建筑各专业参数进行综合建模的工具,BIM技术是被动式建筑智慧建设优化的重要实现手段,依托BIM技术对被动式建筑各类信息进行采集、集成和展示,在此基础上进行人机交互,从而实现对传统信息处理方式的变革。具体应用中,由于BIM技术的嵌入应用,使得被动式建筑建设全过程的可视化程度更高,并在传统3D模型的基础上添加时间维度,使得被动式建筑模型的优化过程更有迹可循,项目全过程管理得以真正实现。

二是物联网技术的应用。要实现被动式建筑智慧建设中对项目信息的有效集成利用,就必须要有对信息进行实时采集抓取、集成处理和动态反馈的技术支撑,而物联网技术刚好具备捕捉环境信息并进行交互式智能识别与管理的功用,借助物联网技术能够实现被动式建筑智慧建设过程中对建筑环境的实时感知以及对各参与主体和建设进程的动态控制。物联网技术大致由感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层构成。感知识别层通过传感器和射频识别器(RFID)等技术手段,实时捕捉被动式建筑相关信息并转换成计算器能够识别传输的数据流;网络构建层的功能在于通过互联网、内部区域网等对信息进行上传下达,实现各元件以及各终端之间的数据传输;管理服务层的功能是对捕捉到的散乱信息进行存储、分析、处理和整合,提高信息价值,实现数据库和数据挖掘功能;综合应用层的功能是通过智能终端和管理软件,实现信息展示和人机交互,使用户得以实时掌控和处理信息。物联网技术的应用,让被动式建筑的项目管理者对建设期的施工状况得以充分掌握,施工质量、进度和安全等各项管理措施更有针对性,同时对被动式建筑施工质量要求较高的外围护结构、热回收新风系统和地源热泵系统等关键部位实施重点跟踪监控。在竣工交付后的运营期,物联网技术则能够大幅提升被动式建筑使用者的用户体验,用户能够对室内空气温湿度、二氧化碳等建筑整体能耗状况进行实时掌握和控制,利用手机APP等终端设备便可以调控房间亮度、室内家电设备等。

三是普适计算技术的应用。在被动式建筑建设过程中,各终端初始捕捉采集到的信息在未经处理之前往往杂乱无序,这些碎片化信息仅能反映被动式建筑项目的局部特征,利用价值有限且占用资源和空间较多。因此,为提高信息有效性,需要对采集到的杂乱信息进行甄别分类和挖掘处理。普适计算技术具备信息数据深度处理能力,在被动式建筑智慧建设过程中发挥着信息有效处理的核心作用。普适计算技术不仅仅局限于依赖专业计算机设备,是凭借包括手机在内的智能设备便可以进行计算的重要工具,依托普适计算技术和智能终端设备构建起来的强大计算体系,让移动互联时代随时随地的信息处理得以成为现实。普适计算技术在被动式建筑建设全过程的有效应用,让所有采集到的项目信息随时得以有效识别和处理,最大程度地提高相关信息的精准度和传输速率。普适计算还打破了以往只能通过特定计算机或工作站进行信息处理的局限。

目前来看,要发挥多信息技术的有效综合应用和深度协同基础,围绕被动式建筑项目信息引进嵌入建筑信息模型(BIM)、物联网和普适计算技术,并将三者深度融合、协同集成不失为智慧建设下多信息技术集成的最佳思路和可行路径,具体如图2所示:

BIM技术以其所见即所得的可视化、统筹各方的协调性、虚拟前瞻的模拟性和追求卓越的优化性等优势,可以为智慧建设提供模型平台支持,其灵活多样的UBS接口也为物联网和普适计算终端与软硬件串联互动的实现创造了条件;物联网技术发挥其信息感知、识别和采集能力,主要充当智慧建设的信息采集手段和传输渠道;普适计算技术则发挥其强大数据分析处理功能,成为智慧建设处理信息数据和识别解决问题的平台,能够大大提高信息交互的速率和功效。

根据前述多种信息技术的集成思路,为实现智慧建设下被动式建筑项目信息的畅通无碍,可构建包含基础层、核心层和交互层的协同集成总体框架,具体如图3所示:

基础层的功用主要是对项目信息进行采集、分类和存储,主要依托杂糅物联网技术和BIM技术得以实现;核心层的功用主要是对基础层上传导入的信息数据进行处理和整合,主要依托杂糅普适计算、大数据和物联网技术得以实现;交互层的功用在于信息直观展示和人机交互平台搭建,主要依托杂糅BIM和区块链技术得以实现。

基于智慧建设的被动式建筑集成管理在搭建信息平台以确保项目全生命周期过程集成,融合运用BIM技术、物联网技术和普适计算技术实现多信息技术集成后,还需着力完成各参建方的组织集成。智慧建设管理理念下需要依托信息集成管理平台和多信息技术,打破各参建方之间的组织壁垒,使之成为一个有机整体来共同服务于被动式建筑的智慧建设。

智慧建设下的被动式建筑项目参与主体众多且任务面广量大,必须强化组织保障、形成与之配套的组织集成,才有可能圆满完成各项任务、实现整个项目的预期目标。智慧建设组织集成实现路径应秉持组织扁平化、机构精简化、运作柔性化和边界模糊化的总体原则,着力构建层级简单、人员精干、响应快速、高效协同的智慧建设组织管理团队。

按照前述组织架构构建原则,针对智慧建设下被动式建筑工程项目的实际,可组建依托4G或5G通讯技术、参与者地位平行的虚拟化组织管理团队。实际操作中撷取业主方、设计方、施工方、分包方、监理方、供应方和运维方七个最为典型的项目参与方,把虚拟化的智慧建设组织管理团队嵌入其中,纵向与横向职能组织纵横交集形成控制、管理与协调有机融合的虚拟化、信息化全新组织管理模式,彻底打破传统组织职能的边界限定窠臼,更加适应高度集成、快速反应和开放共享的新环境和新任务的要求。

虚拟化的智慧建设组织管理团队的主要任务包括:该组织管理团队项目经理负责各参与方的综合协调;质量、进度、成本、安全以及合同管理部门的人员要密切配合管理团队,共同做好智慧建设信息集成平台的搭建运行工作,及时更新完善本专业信息并向集成平台做好上传导入,并及时向各参与方下达指令,动态识别、确认和解决相关问题;软硬件工程师负责智慧建设平台软硬件的安装调试和运行维护;组织协调部门负责牵头理顺整个信息集成平台的运作逻辑顺序及相互关系。

智慧建设下的信息传递流程方面,一改信息传递点对点的传统模式,转而采用一个平台对多点的信息传递模式,剔除避免了重复和无效信息传递,极大地提高了信息多向传输和交互共享的效率以及公开透明程度;除信息传递流程外,智慧建设对于项目各参与主体的工作流程的影响主要体现在,极大地理顺优化了其工作流程的逻辑顺序、简化了流程环节和程序。

“首堂·创业家”项目是由京冀协同发展示范区建设的国内最大被动式超低能耗绿色建筑与智能家居项目。该项目一期总占地面积约265亩,建筑面积28.63万平方米,全部采用绿色环保建筑材料,被国家住建部认定为2017年被动式建筑示范区科技示范工程项目。特别值得一提的是,该项目全程引进应用了智慧建设下的信息技术和组织集成管理模式,一期竣工后经专家组质询讨论,符合国家发改委和住建部被动式建筑项目要求,顺利通过验收,成为智慧建设下被动式建筑集成管理的成功典范。

一是构建了智慧建设理念统领下的信息集成平台。“首堂·创业家”项目在规划设计之初,就着力构建了以BIM技术为基础、糅合物联网、区块链和普适计算技术的多种信息技术协同并用的信息集成管理平台,设计阶段采用Revit软件构建建筑、结构、安装等专业的BIM模型,涵盖尺寸、管径、体积等几何信息和强度、纹理、颜色、耐火性等非几何信息,并注重BIM建模全程维持最新版本状态;施工阶段在依托BIM技术抓好场地布置、可视化技术交底、信息导入、任务派发、问题标签标识和工期数据还原存储的同时,依托物联网和区块链技术做好供应链上各参与主体相关信息的采集导入,并运用普适计算技术做好信息数据的处理以及相关风险问题的识别管控;后期运维阶段杂糅利用BIM、物联网和普适计算技术做好营销推广辅助和被动式建筑能耗研判及异常预警,确保工程项目达到实现最佳营收预期和质量管理水平。

二是实现了多种信息技术的协同集成。基于“首堂·创业家”智慧建设多信息技术集成平台,BIM、物联网、区块链、大数据和普适计算等多种信息技术得以优势互补、融合并用,在工程进展的不同阶段和不同专业领域内,既凸显了各自的平台支持、数据处理和信息支撑等独特作用,又形成了1+1>2的集成功效,以智慧建设凝聚合力确保被动式建筑项目实现未来经济收益最大化。

三是创新完成了虚拟化组织架构的组建。成立智慧建设领导小组和专业组织管理团队,以更为扁平化和柔性化的组织运作模式打破以往组织及专业边界限制,使整个项目运作流程的逻辑顺序更为顺畅合理。借助智慧建设集成管理平台督促倒逼各部门工作任务落实,并引入PDCA质控闭环规范引导各部门、各专业和各参与主体高标准、高质量、高效率完成工作流程、发挥职能效用。

通过阐释智慧建设与被动式建筑集成管理内涵,探讨被动式建筑项目多信息技术与组织集成实现方式,并以河北曹妃甸“首堂·创业家”被动式建筑项目为例进行实例分析后我们发现,现阶段智慧建设下的被动式建筑多信息技术集成的主要思路为BIM、物联网和普适计算技术的融合运用,总体框架可分为基础、核心和交互三个层面;而强化组织领导实现组织集成也至为关键,组建虚拟化智慧建设组织管理团队,优化工作流程和理顺逻辑顺序双管齐下,确保大型被动式建筑工程项目取得应有的经济和社会效益。