近20年来, 信息技术具有极强的渗透力, 其在建筑行业中的应用发展迅速。BIM技术是信息技术在建筑行业中的应用技术, 已应用于大量的建筑工程。目前, 行业专家正在形成这样的共识:信息技术在建筑行业中的应用已经历了信息化阶段, 正在经历数字化阶段, 最终将进入智能化阶段。但是, 3个阶段存在一定的搭接, 目前虽然建筑行业仍在经历数字化阶段, 但智能化应用已经开始。建筑施工将建筑设计蓝图变成现实的建筑, 是建筑工程的重要阶段, 在其中, 项目管理人员需要运用人、机、料、法、环等要素, 兼顾进度、成本、质量、安全等要素, 达成多目标的优化实现。

建筑行业的信息化阶段特征是, 信息技术开始广泛地应用于行业, 先后出现了多种信息系统, 用于辅助行业技术、管理及操作人员的工作。具体到建筑施工阶段, 其主要特征是, 以功能为核心, 通过应用相应的信息系统, 辅助施工管理及作业人员提高工作效率。例如, 管理人员使用概预算软件进行项目概预算工作, 使用进度计划软件制定施工进度计划, 使用施工项目管理系统进行项目的综合管理。又如, 使用专用的控制系统, 确保在爬模系统中全部模板的同步提升。但这种应用往往是局部化的, 容易形成信息孤岛。

建筑行业的数字化阶段特征是, 行业普遍应用信息系统, 能够集成不同应用软件开发商开发的系统, 并开始应用功能更加全面、更加强大的集成化系统。具体到建筑施工阶段, 其特征是, 系统的集成度更高、功能更强, 系统之间的数据传递不再依赖人的介入, 而是依据数据模型和数据标准自动进行。例如, 从设计系统得到的设计模型可以直接导入到成本预算系统进行成本预算, 其结果再导入到施工项目综合管理系统进行项目管理。为此, 施工管理人员和作业人员的工作效率可以得到进一步提高, 信息孤岛基本消除。在该阶段, BIM技术发挥重大作用。例如, 基于BIM的系统可以直接利用设计BIM模型, 其提供的碰撞检查功能可用于提前发现各专业构件和管线之间的碰撞, 使施工过程免于返工;而机电管线综合功能则可用于虚拟布置管线, 从而实现管线的合理布置及优化。

建筑行业的智能化阶段最大的特征将是人工智能技术在行业中的广泛应用。人工智能技术将带来工作少人化甚至无人化、决策最优化等优点。其中, BIM技术可以发挥重要作用。对行业智能化现状的了解有助于把握其发展方向, 加快其在行业中的进一步研究和开发。

本文综述基于BIM的建筑施工智能化的研究和开发现状及发展趋势。首先, 对智能化和BIM技术的核心内容进行阐述, 为后续阐述奠定基础。然后, 通过总结应用情形, 分析基于BIM的建筑施工智能化的现状。最后, 基于上述分析和作者的认识, 阐述基于BIM的建筑施工智能化发展趋势。

同其他行业一样, 建筑行业利用信息系统进行信息收集、传递、统计、分析、计算、加工处理等, 以满足具体的业务、管理及决策需求。从管理的角度看, 信息系统主要起工具的作用, 可以帮助人们提高工作效率。智能化的目的是, 使这些工具具有知识和智力, 从而部分甚至完全取代人。因此, 建筑施工智能化意味着使建筑施工阶段应用的信息系统具有知识和智力。其意义在于, 一方面可以通过减少对人的需求, 使人得到帮助, 获得解放;另一方面, 对于需要高层次人才的工作, 智能化可以解决高层次人才供不应求的问题。智能化技术基础是人工智能技术, 其相关技术包括云计算、大数据、物联网、移动物联网等。智能化技术使信息系统能够感知、认知、学习、推理, 甚至进行专家水平的决策。

BIM的本质是, 不仅使建筑数字化, 而且使建筑过程数字化, 并对相关数据进行结构化管理, 便于利用信息系统进行处理。其核心特征是, 以三维几何模型为基础形成BIM模型;除三维几何信息外, BIM模型中还包含相关的属性信息, 例如构件材料、加工要求等, 以及管理信息, 例如成本、进度、质量、安全等信息;同时, BIM模型中还应包含这些信息之间的关联信息, 例如, 对于一个窗口, 不仅它的尺寸大小及位置, 连它开在哪个墙上这样的信息在BIM模型中也是具备的, 从而可以支持自动化处理。从信息维度上看, BIM模型不仅包含空间信息, 而且可以包含进度信息 (4D) , 甚至再附加上成本信息 (5D) 、质量信息 (6D) 、安全信息 (7D) 等管理信息。

容易理解, BIM技术在建筑施工智能化发挥的最重要作用主要将体现为, 为智能化应用系统提供基础数据。因为建筑施工需要统筹人、机、料、法、环等人、物理对象或过程的特性, 其智能化既离不开空间信息, 也离不开进度信息、成本信息等管理信息。如果没有BIM技术, 这些信息需要专门输入, 其数据量之大, 数据关系之复杂, 必然阻碍智能化技术的应用。因此, 集成应用BIM技术是必然趋势。从智能化的本质看, BIM技术虽然不是人工智能技术, 同样为信息系统增加了信息感知和认知的知识和智力。

基于BIM的建筑施工智能化可以分为2个方面, 即智慧工地和智慧施工。前者面向施工环境和条件, 聚焦于施工要素 (包括人、机、料、法、环) 的管理和一般过程管理 (包括进度、质量、安全以及成本方面的管理) , 适用于各种建筑类型;后者面向特定施工过程, 聚焦于施工技术运用和特定过程管理, 一般因不同建筑类型 (如超高层建筑或大型公共建筑, 钢结构建筑或混凝土结构建筑) 而异。

在智慧工地方面, 目前已发表的、以BIM应用为基础的智能化应用技术可归纳如下。

1) 基于BIM的作业人员智能化管理系统^[1]

让工人佩戴内嵌智能芯片的安全帽, 将BIM模型导入系统。系统具有门禁功能, 不仅可以自动进行人员的出勤统计, 而且可以记录人员在项目场地中的轨迹和分布, 并可以对在场人员进行实时语音提示。

2) 基于BIM的物料智能化管理系统^[1]导入BIM设计模型, 集成施工进度计划、流水段、清单项目、分包队伍等信息。在系统中选择单体、楼层、构件, 均可提取相应的材料用量, 辅助制定材料采购计划及进行限额领料管理;支持材料的模型量和实际量间的对比, 方便物料控制。

3) 基于BIM的混凝土建筑钢筋智能化加工系统^[1]以建筑结构专业的BIM模型为输入, 实现钢筋的自动翻样, 并通过与数控加工设备配合, 实现钢筋的半自动或全自动加工。

4) 基于BIM的智能化质量管理系统^[2]以施工BIM模型为输入, 按照相关标准, 自动生成质量验收计划;支持在施工现场利用移动终端, 通过定位功能动态识别现场的构件和模型中的构件的对应关系, 通过点击模型中显示出的计划验收构件, 显示数据输入表, 支持在其中录入验收数据后自动上载到系统的服务器, 便于各参与方共享数据和协同工作。

5) 基于BIM的智能化安全管理系统^[1]通过让作业人员在现场佩戴智能安全帽, 以施工BIM模型为输入, 在系统内生成虚拟施工现场场景, 通过定位技术实时采集作业人员位置信息和不安全环境信息, 系统可实时对作业人员进行安全监测和预警。

6) 基于BIM的智能化成本管理系统^[1]通过输入施工BIM模型, 并建立构件与预算文件、分包合同、施工图纸、进度计划的关联, 支持实时按专业、楼层、进度、流水段等多维度计算统计工程量、分包量, 通过输入实际成本, 实现基于“三算对比”的成本控制。

7) 基于BIM的智能化施工综合管理系统^[3,4,5]

以BIM模型为输入, 将三维模型与施工进度计划相关联, 对施工过程进行可视化模拟。同时, 实时采集并更新当前的进度、资源、成本费用等信息, 自动进行资源与工程进度统计、成本实时监控等, 并可进行冲突分析, 辅助调整计划。

在智慧施工方面, 目前已发表的、以BIM应用为基础的智能化应用技术可归纳如下。

1) 基于BIM的智能化机电安装管理系统^[6,7]

在基于BIM的智能化施工综合管理系统的基础上, 建立机电设备的4D模型, 实现机电安装施工动态管理及可视化模拟。同时, 可结合激光扫描、GPS、移动通讯等技术, 对施工现场的机电设备进行跟踪, 方便对安装进度进行管理和检查。

2) 基于BIM的智能化施工过程监测系统^[8,9]

输入施工BIM模型, 并利用每日施工照片, 生成已建成部分的点云模型, 采用支持向量机等机器学习的方法, 将点云模型与施工BIM模型进行比较, 自动识别进度偏差。

随着建筑施工数字化技术、人工智能技术以及相关技术的发展, 基于BIM的建筑施工智能化技术必将向前发展。根据上述分析和笔者的认识, 归纳以下4点主要发展趋势。

目前, 上述智能化技术之间彼此独立存在。作为建筑施工数字化的重要组成部分, 现在的BIM标准内容还不够全面, 并未覆盖建筑施工的全部环节。例如, 目前的主流BIM标准IFC标准并不能很好地既覆盖人员管理又覆盖质量管理, 所以基于BIM的建筑施工质量管理系统与基于BIM的作业人员管理系统之间的集成就比较困难。因此, 即便有集成, 被集成的系统往往很难替换。而随着信息模型标准的发展, 如果实现了基于信息模型标准的集成, 就可以实现“可插拔”替换方式, 即在集成化系统中, 很容易把其中的一个系统替换为另外一个同类系统。

建筑施工过程中需要进行大量的决策, 例如, 选择施工方法, 选择承包方, 选择施工材料等。这些决策往往需要参考以往的经验, 而通过应用BIM技术积累下来的建筑工程数据及其管理数据, 因为具有全面性、相互关联性等特点, 将是最好的承载经验的数据源。随着这类数据的积累, 将可提供更高的价值。将它们用于进行大数据分析, 其结果比较对建筑施工过程中的科学决策至关重要。

随着老龄化社会的到来以及新生代对建筑工程的兴趣低下, 建筑施工项目作业人员的吸纳将变得越来越困难。如果说自动化技术可以实现机器代替人去做简单充分工作, 机器人的使用则使机器可以像人一样做较为复杂的工作, 甚至可以利用机器人和自动化设备完成整个施工过程。但是, 将机器人在建筑施工过程中替代人的角色, 需要用到精确的时空信息, 为此, BIM技术与自动化和机器人的集成应用将成为必需。

语义网技术适合于表达规范知识。与建筑施工相关的标准和规程很多, 例如, 施工质量验收规范。而且, 标准和规程要求往往都与时间和空间有关。例如, 设备和建筑物之间应该留出多大空间, 以方便设备的维修。通过集成应用BIM技术和语义网技术, 将可以按规范要求对BIM模型构件的尺寸及位置等进行自动检查, 从而减轻有关人员在建筑施工过程中的对标工作量。

实现建筑施工智能化任重而道远, 目前实现的建筑施工智能化还仅仅处在初级阶段。今后, 建筑行业需要一边推进建筑施工数字化, 一边推进建筑施工智能化, 并使两者互相促进, 相得益彰, 在这个过程中, BIM技术将继续得到发展和应用, 并发挥关键作用。