文/馬智亮   蔡詩瑤  

1、引言

近二十年來，信息技術具有極強的滲透力，它在建筑行業(yè)中的應用發(fā)展迅速。BIM技術是信息技術在建筑行業(yè)中的應用技術，已應用于大量的建筑工程。目前，行業(yè)專家正在形成這樣的共識：信息技術在建筑行業(yè)中的應用已經歷了信息化階段，正在經歷數字化階段，最終將進入智能化階段。但是，三個階段存在一定的搭接，目前雖然建筑行業(yè)仍在經歷數字化階段，但智能化應用已經開始。建筑施工將建筑設計藍圖變成現實的建筑，是建筑工程的重要階段，在其中，項目管理人員需要運用人、機、料、法、環(huán)等要素，兼顧進度、成本、質量、安全等要素，達成多目標的優(yōu)化實現。

建筑行業(yè)的信息化階段的特征是，信息技術開始廣泛地應用于行業(yè)，先后出現了多種信息系統，用于輔助行業(yè)技術、管理及操作人員的工作。具體到建筑施工階段，其主要特征是，以功能為核心，通過應用相應的信息系統，輔助施工管理及作業(yè)人員提高工作效率。例如，管理人員使用概預算軟件進行項目概預算工作，使用進度計劃軟件制定施工進度計劃，使用施工項目管理系統進行項目的綜合管理。又如，使用專用的控制系統，確保在爬模系統中全部模板的同步提升。但這種應用往往是局部化的，容易形成信息孤島。

建筑行業(yè)的數字化階段的特征是，行業(yè)普遍地應用信息系統，能夠集成不同應用軟件開發(fā)商開發(fā)的系統，并開始應用功能更加全面、更加強大的集成化系統。具體到建筑施工階段，其特征是，系統的集成度更高、功能更強，系統之間的數據傳遞不再依賴人的介入，而是依據數據模型和數據標準自動進行。例如，從設計系統得到的設計模型可以直接導入到成本預算系統進行成本預算，其結果再導入到施工項目綜合管理系統進行項目管理。為此，施工管理人員和作業(yè)人員的工作效率可以得到進一步提高，信息孤島基本消除。在該階段，BIM技術發(fā)揮重大作用。例如，基于BIM的系統可以直接利用設計BIM模型，其提供的碰撞檢查功能可用于提前發(fā)現各專業(yè)構件和管線之間的碰撞，使施工過程免于返工；而機電管線綜合功能則可用于虛擬布置管線，從而實現管線的合理布置及優(yōu)化。

建筑行業(yè)的智能化階段最大的特征將是人工智能技術在行業(yè)中的廣泛應用。人工智能技術將帶來工作少人化甚至無人化、決策最優(yōu)化等優(yōu)點。其中，BIM技術可以發(fā)揮重要作用。對行業(yè)智能化現狀的了解有助于把握其發(fā)展方向，加快其在行業(yè)中的進一步研究和開發(fā)。

本文綜述基于BIM的建筑施工智能化的研究和開發(fā)現狀及發(fā)展趨勢。首先，對智能化和BIM技術的核心內容進行闡述，為后續(xù)闡述奠定基礎。然后，通過總結應用情形，分析基于BIM的建筑施工智能化的現狀。最后，基于上述分析和作者的認識，闡述基于BIM的建筑施工智能化發(fā)展趨勢。

2、智能化與BIM技術

同其他行業(yè)一樣，建筑行業(yè)利用信息系統進行信息收集、傳遞、統計、分析、計算、加工處理等，以滿足具體的業(yè)務、管理及決策需求。從管理的角度看，信息系統主要起工具的作用，可以幫助人們提高工作效率。智能化的目的是，使這些工具具有知識和智力，從而部分甚至完全取代人。因此，建筑施工智能化意味著使建筑施工階段應用的信息系統具有知識和智力。其意義在于，一方面可以通過減少對人的需求，使人得到幫助，獲得解放；另一方面，對于需要高層次人才的工作，智能化可以解決高層次人才供不應求的問題。智能化技術基礎是人工智能技術，其相關技術包括云計算、大數據、物聯網、移動物聯網等。智能化技術使信息系統能夠感知、認知、學習、推理，甚至進行專家水平的決策。

BIM的本質是，不僅使建筑數字化，而且使建筑過程數字化，并對相關數據進行結構化管理，便于利用信息系統進行處理。其核心特征是，以三維幾何模型為基礎形成BIM模型；除三維幾何信息外，BIM模型中還包含相關的屬性信息，例如構件材料、加工要求等，以及管理信息，例如成本、進度、質量、安全等信息；同時，BIM模型中還應包含這些信息之間的關聯信息，例如，對于一個窗口，不僅它的尺寸大小及位置，連它開在哪個墻上這樣的信息在BIM模型中也是具備的，從而可以支持自動化處理。從信息維度上看，BIM模型不僅包含空間信息，而且可以包含進度信息（4D），甚至再附加上成本信息（5D）、質量信息（6D）、安全信息（7D）等管理信息。

容易理解，BIM技術在建筑施工智能化發(fā)揮的最重要作用主要將體現為，為智能化應用系統提供基礎數據。因為建筑施工需要統籌人、機、料、法、環(huán)等人、物理對象或過程的特性，它的智能化既離不開空間信息，也離不開進度信息、成本信息等管理信息。如果沒有BIM技術，這些信息需要專門輸入，其數據量之大，數據關系之復雜，必然阻礙智能化技術的應用。因此，集成應用BIM技術是必然趨勢。從智能化的本質看，BIM技術雖然不是人工智能技術，它同樣為信息系統增加了信息感知和認知的知識和智力。

3、基于BIM的建筑施工智能化現狀

基于BIM的建筑施工智能化可以分為兩個方面，即，智慧工地和智慧施工。前者面向施工環(huán)境和條件，聚焦于施工要素（包括：人、機、料、法、環(huán)）的管理和一般過程管理（包括進度、質量、安全以及成本方面的管理），適用于各種建筑類型；后者面向特定施工過程，聚焦于施工技術運用和特定過程管理，一般因不同建筑類型（例如超高層建筑或大型公共建筑，鋼結構建筑或混凝土結構建筑）而異。

在智慧工地方面，目前已發(fā)表的、以BIM應用為基礎的智能化應用技術可歸納如下：

（1）基于BIM的作業(yè)人員智能化管理系統[1]。讓工人佩戴內嵌智能芯片的安全帽，將BIM模型導入系統。系統具有門禁功能，不僅可以自動進行人員的出勤統計，而且可以記錄人員在項目場地中軌跡和分布，并可以對在場人員進行實時語音提示。

（2）基于BIM的物料智能化管理系統[1]。導入BIM設計模型，集成施工進度計劃、流水段、清單項目、分包隊伍等信息。在系統中選擇單體、樓層、構件，均可提取相應的材料用量，輔助制定材料采購計劃及進行限額領料管理；支持材料的模型量和實際量間的對比，方便物料控制。

（3）基于BIM的混凝土建筑鋼筋智能化加工系統[1]。以建筑結構專業(yè)的BIM模型為輸入，實現鋼筋的自動翻樣，并通過與數控加工設備配合，實現鋼筋的半自動或全自動加工。

（4）基于BIM的智能化質量管理系統[2]。以施工BIM模型為輸入，按照相關標準，自動生成質量驗收計劃；支持在施工現場利用移動終端，通過定位功能動態(tài)識別現場的構件和模型中的構件的對應關系，通過點擊模型中顯示出的計劃驗收構件，顯示數據輸入表，支持在其中錄入驗收數據后自動上載到系統的服務器，便于各參與方共享數據和協同工作。

（5）基于BIM的智能化安全管理系統[1]。通過讓作業(yè)人員在現場佩戴智能安全帽，以施工BIM模型為輸入，在系統內生成虛擬施工現場場景，通過定位技術實時采集作業(yè)人員位置信息和不安全環(huán)境信息，系統可實時對作業(yè)人員進行安全監(jiān)測和預警。

（6）基于BIM的智能化成本管理系統[1]。通過輸入施工BIM模型，并建立構件與預算文件、分包合同、施工圖紙、進度計劃的關聯，支持實時按專業(yè)、樓層、進度、流水段等多維度計算統計工程量、分包量，通過輸入實際成本，實現基于“三算對比”的成本控制。

（7）基于BIM的智能化施工綜合管理系統[3, 4, 5]。以BIM模型為輸入，將三維模型與施工進度計劃相關聯，對施工過程進行可視化模擬。同時，實時采集并更新當前的進度、資源、成本費用等信息，自動進行資源與工程進度統計、成本實時監(jiān)控等，并可進行沖突分析，輔助調整計劃。

在智慧施工方面，目前已發(fā)表的、以BIM應用為基礎的智能化應用技術可歸納如下：

（1）基于BIM的智能化機電安裝管理系統[6, 7]。在基于BIM的智能化施工綜合管理系統的基礎上，建立機電設備的4D模型，實現機電安裝施工動態(tài)管理及可視化模擬。同時，可結合激光掃描、GPS、移動通訊等技術，對施工現場的機電設備進行跟蹤，方便對安裝進度進行管理和檢查。

（2）基于BIM的智能化施工過程監(jiān)測系統[8, 9]。輸入施工BIM模型，并利用每日施工照片，生成已建成部分的點云模型，采用支持向量機等機器學習的方法，將點云模型與施工BIM模型進行比較，自動識別進度偏差。

4、基于BIM的建筑施工智能化發(fā)展趨勢

隨著建筑施工數字化技術、人工智能技術以及相關技術的發(fā)展，基于BIM的建筑施工智能化技術必將向前發(fā)展。根據上述分析和作者的認識，歸納以下4點主要發(fā)展趨勢：

（1）基于BIM的智能化系統的“可插拔”式集成應用

目前，上述的智能化技術之間彼此獨立存在。作為建筑施工數字化的重要組成部分，現在的BIM標準，內容還不夠全面，并未覆蓋建筑施工的全部環(huán)節(jié)，例如，目前的主流BIM標準IFC標準并不能很好地既覆蓋人員管理也覆蓋質量管理，所以基于BIM的建筑施工質量管理系統與基于BIM的作業(yè)人員管理系統之間的集成就比較困難。因此，即便有集成，被集成的系統往往很難替換。而隨著信息模型標準的發(fā)展，如果實現了基于信息模型標準的集成，就可以實現“可插拔”替換方式，即，在集成化系統中，很容易把其中的一個系統替換為另外一個同類系統。

（2）基于BIM的大數據分析功能的建立及應用

建筑施工過程中需要進行大量的決策，例如，選擇施工方法，選擇承包方，選擇施工材料等。這些決策往往需要參考以往的經驗，而通過應用BIM技術積累下來的建筑工程數據及其管理數據，因為具有全面性、相互關聯性等特點，將是最好的承載經驗的數據源。隨著這類數據的積累，將可提供更高的價值。將它們用于進行大數據分析，其結果比較對建筑施工過程中的科學決策至關重要。

（3）BIM技術與自動化及機器人技術的集成應用

隨著老齡化社會的到來以及新生代對建筑工程的興趣低下，建筑施工項目作業(yè)人員的保證將變得越來越困難。如果說自動化技術可以實現機器代替人去做簡單充分工作，機器人的使用則使機器可以像人一樣做較為復雜的工作，甚至可以利用機器人和自動化設備完成整個施工過程。但是，將機器人在建筑施工過程中替代人的角色，需要用到精確的時空信息，為此，BIM技術與自動化和機器人的集成應用將成為必需。

（4）BIM技術與語義網技術的集成應用

語義網技術適合于表達規(guī)范知識。與建筑施工相關，有不少的標準和規(guī)程，例如，施工質量驗收規(guī)范。而且，標準和規(guī)程要求往往都與時間和空間有關。例如，設備和建筑物之間應該留出多大空間，以便方便設備的維修。通過集成應用BIM技術和語義網技術，將可以按規(guī)范要求對BIM模型構件的尺寸及位置等進行自動檢查，從而減輕有關人員在建筑施工過程中的對標工作量。

5、結語

實現建筑施工智能化任重而道遠，目前實現的建筑施工智能化還僅僅處在初級階段。今后，建筑行業(yè)需要一邊推進建筑施工數字化，一邊推進建筑施工智能化，并使兩者互相促進，相得益彰，在這個過程中，BIM技術將繼續(xù)得到發(fā)展和應用，并發(fā)揮關鍵作用。

參考文獻：

1. 本書編委會（主編：趙昕，副主編：馬智亮等）. 中國建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報告（2017）——智慧工地應用與發(fā)展[M]. 中國建材工業(yè)出版社，2017.

2. 馬智亮、蔡詩瑤、楊啟亮、毛娜. 基于BIM和移動定位的施工質量管理系統. 土木建筑工程信息技術 [J]，2017，05(9):29-33.

3. 張建平. 基于IFC的建筑工程4D施工管理系統的研究和應用 [J]. 中國建設信息，2010(04):52-57.

4. 張建平、李丁、林佳瑞、顏鋼文. BIM在工程施工中的應用 [J]. 施工技術，2012，41(16):10-17.

5. 張建平、胡振中、王勇. 基于4D信息模型的施工沖突分析與管理 [J]. 施工技術，2009，38(08):115-119.

6. 李久林、王勇. 大型施工總承包工程的BIM應用探索 [J]. 土木建筑工程信息技術，2014，6(05):61-65.

7. 吳勇. 機電安裝施工管理中BIM的應用分析 [J]. 建筑知識，2016，36(13):67-68.

8. 左自波、龔劍、吳小建、黃玉林、王建華. 地下工程施工和運營期監(jiān)測的研究與應用進展[J]. 地下空間與工程學報，2017，13(S1):294-305.

9. Mani Golparvar-Fard, Feniosky Pe?a-Mora, Silvio Savarese. Automated progress monitoring using unordered daily construction photographs and IFC-based building information models [J]. Journal of Computing in Civil Engineering, ASCE, 2012, 29(1):04014025:1-19.