北京住总集团有限责任公司工程总承包二部
摘要：我国的建筑行业不断向前进步发展着，同时也取得了举世瞩目的成就，同时建筑业的质量管理也随着建筑业的发展在不断进步，可是近年来出现的建筑质量安全问题，显示出了我国建筑工程质量控制和质量管理中存在的不足。现在建筑行业中更多的建筑向着高层、超高层、异型建筑发展，传统的质量控制和质量管理手段已经不能满足这些建筑的质量管理的需求。
BIM（Building Information Modeling）技术的出现可以说是建筑领域向前迈进的一个里程碑，它不仅仅可以实现建筑中传统的二维抽象图纸向三维空间立体的过渡，同时因为BIM技术在虚拟建造中的应用和BIM模型中信息的集成化管理和共享，也为建筑工程的质量、成本、进度管理提供新的思路和方法。三维激光扫描是测绘领域的新手段，近年来它也在建筑物的质量监控方向有所应用，将三维激光扫描和BIM技术相结合，利用两者在可视化方面的优势，可以很好的解决高层、超高层、异型建筑在质量控制和质量管理方面的不足。本文主要在建筑工程的施工和运营两个阶段，通过BIM和三维激光扫描两种技术的结合进行建筑工程外部质量可视化监控的应用研究。
关键词：BIM平台；建筑工程；外部质量；可视化系统
1 建筑工程质量控制的分析和BIM技术的介绍
1.1 建筑工程质量
建筑工程作为一种产品，就具有产品共有的质量特性，如性能（能否满足业主的使用要求）；耐久性（建筑工程的使用寿命）；可靠性（结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的能力）、安全性（建筑工程在使用过程中，能保证结构安全，保证人身和环境免受危害的程度）、经济性（建筑工程全过程的总投资和工程使用阶段的能耗、维护、保养乃至更新改建的费用总和达到预期的目标）等。同时建筑工程是不可逆的、一次性的“特殊”的产品，其质量特性还具有建筑产品固有的特性及施工流动性等特定的内涵。
1.2 建筑工程质量控制
根据国家标准《质量管理体系基础和术语》（GB/T19000-2008/IS0 9000：2005）的定义，质量控制是质量管理的一部分，是致力于满足质量要求的一系列相关活动。也可以理解为工程质量控制是质量管理的一部分，是在明确的质量目标条件下通过行动方案和资源配置的计划、实施、检查和监督来实现预期目标的过程。
1.3 BIM技术的介绍
BIM的英文全称是Building Information Modeling，即建筑信息模型。BIM的概念最早由美国乔治亚技术学院（Georgia Tech College）建筑与计算机专业的查克.伊斯曼博士在30年前提出：建筑信息模型集成了所有的几何模型信息、功能要求及构件性能，利用一个单独的建筑模型涵盖建筑项目全寿命周期内的所有信息，包括过程信息，如施工进度、建造过程、维护管理过程等。国际标准组织设施信息委员会对BIM的定义是：“建筑信息模型，是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息的可计算或运算的形式表现，与建筑信息模型相关的所有信息组织在一个连续的应用程序中，并允许进行获取、修改等操作。”
2基于BIM建筑外部质量变形可视化控制系统
2.1 BIM可视化介绍
BIM的可视化应用就是建筑施工领域4D模型技术的应用，是指以建筑物的BIM模型与施工进度计划相链接，将工程的建造过程和工程进度通过动画的形式表现出来。4D技术不仅可以在建筑施工进度控制中应用，还可以用于施工现场施工机械的模拟施工的动作和规划设计。将BIM技术应用到施工现场可视化中，就是通过数码相机或者摄影机在现场的拍摄，将拍摄的视频通过无线网络传送到现场办公室中，在办公室中运用视频编码器等工具将拍到的现场视频信息数字化，然后将数字化的信息传送到监管中心，在监管中心的视频管理器系统中对建筑的各项信息进行集中化的管理。
2.2 基于BIM建筑外部质量变形可视化模拟
将BIM的可视化技术应用于建筑物变形监控过程，并对内力分析进行仿真计算，结合两种技术的作用于建筑物的监控变形和变形预测的全过程就是基于BIM建筑外部质量控制可视化模拟。本质上来说就是现实中的建筑物变形过程在计算机虚拟世界的高仿真再现。要实现这个高仿真的虚拟现实需要利用计算机强大的记忆存储功能，同时需要对建筑物的外部荷载的干扰，内部荷载的变化，地基的沉降等等多方面的信息参数进行综合的分析整理，将这些信息转化为能被计算机使用的参数化数据，将这些参数化数据以三维或者动画视频的形式进行展示，使项目管理者能够直观的感受建筑物未来变形的过程。这个虚拟变形可视化的最终目的是为了减少建筑物因为内部或者外部荷载影响带来的建筑物变形的安全问题，在保证建筑物可以安全使用的前提下及时发现建筑物变形带来的质量问题，为建筑物有效的使用提供数据的支持，加强了质量和安全管理者对建筑物整体的监控和管理。
建筑外部质量变形可视化模拟的关键技术的理论基础是结构仿真技术。结构仿真技术在计算机设定的特定的环境特性中，对虚拟的模型建立计算研究系统。结构仿真技术和虚拟现实技术都是现实在计算机环境的再现。但是结构仿真技术是通过指定的命令，对模型进行刺激，构建模型的内部应力仿真，使模型从外部环境得到反馈，由原先在计算机中设定好的算法来实现实验结果的分析。而且，在结构技术仿真模型中，首先是从结构的局部碰撞分析开始，再到模型整体的稳定性来分析的。因此，结构仿真技术与施工的全过程紧密相关。
由于基于BIM的质量可视化模拟是在计算机的虚拟环境中进行的，不需要消耗任何现实中的自然资源就能实现建造和未来建筑物质量问题的模拟，不仅仅能够在现实中实现建筑材料的管理同时也对资源的有效利用起到一定的作用。从这个角度出发，对于施工行业实现向绿色行业迈进有相当大的帮助。
2.3 建筑外部质量变形可视化模拟的实现形式
建筑外部质量变形可视化的实现形式是通过五个步骤实现的，即虚拟现实模型的建立、虚拟现实下的运动定义、基于虚拟现实技术下的质量可视化框架、基于BIM的模拟仿真和力学分析的结合、建筑外部质量变形可视化优化方案。建筑外部质量变形可视化模拟的流程图如下图所示。
（1）虚拟现实模型的建立
虚拟现实模型是在高能计算机的虚拟环境中创建的，因此虚拟现实模型的各种建构建或者建筑整体和各种其他模型，都是通过数据的形式在不同的计算机代码转化中创建的。不同的建模软件和结构分析软件的数据标准和接口并不相同，考虑到上述的情况，在研究中主要用到的建模和分析软件主要是Revit系列和SAP2000、ansys等。
建模技术基本流程：
（1）先建立或选择合适的项目样板文件（*.rte），在样板文件中进行工程项目基础的参数化设置，建立一个专用的工作界面。
（2）建立项目需要的各种模型的族库，对族进行参数化的设置，通过这些参数化族的调用或者组合能够组成复杂的建筑、结构模型。同时还需要建立起各种复杂模型之间的相互链接，形成一个共用的基础坐标。
（3）建模的过程中需要对复杂模型进行参数化的数据驱动，即可根据专业或者功能的需要分别建模，在不同模型组合的过程中对模型进行优化处理。
（4）平台之间信息的交互操作要到达的要求：模型的创建—模型的导入—模型的控制—模型的反馈。
在建模的流程中需要对几个关键步骤进行技术性的定义：
建模技术原理：基本的模型族库—项目建模—构件特征参数（构建、链接）—模型数据化驱动。模型的参数化数据驱动，就是利用模型族库的尺寸化驱动原理，能够使族的尺寸随着构建的模型尺寸的改变而改变，同时不影响已经建立好的其他模型的设置。单个实体参数化的建模要注意：几何参数建立和设置，比如截面尺寸等；模型功能参数的设置，如模型构建的材料属性等；模型与工程对象位置关系的描述等。总之，在建模中要做到，从基本的模型族库中组合形成的模型，不仅仅要具有建筑元素特征，同时具有智能化属性的描述。
结构建模参数化：面向对象的建模系统结构体系可以在对三维对象的视图描述进行参数输入，可以在数据的改变的同时进行模型动态形式的改变，这样使得设计变更易于操作性增强。如何在仿真平台上创建通用的标准结构构件模型库或者典型结构模型库是建立参数化结构模型库系统的核心。
模型参数化建设：在工程上常用的构建模型转化成可以驱动的标准化模型即模型参数化建设。在模型参数化建设过程中，将工程项目中可能出现的结构构件的模型进行参数化描述，并明确结构构件模型的相关影响参数，是将建立全面标准模型的必要条件。但是若想达到这一目的，还需克服一个困难，即探讨遇到大型的复杂的结构模型中出现复杂的组合体时，其模型的建立应该遵行什么样的操作规则。
（2）虚拟现实下的运动定义
3D模型在虚拟环境中需要具备“Movement（动作）”、“Controller（控制）”、“Constraint（限制）”等行为模块的属性，才能使建立的模型能够顺利的运行。其中，“Movement（动作）”是为了能使模型能够运动起来；当模型运动起来，计算机会对它进行设定操作，那么就有了“Controller（控制）”行为的模块；模型开始运行操作，为了达到我们想要的结果，必须对模型做出某些限定，譬如：为了使模型更贴近墙面，而不是和墙面有距离，或是穿进墙面，那么，就对模型进行“Constraint（限制）”行为模块的设定。在3D模型的虚拟环境中很容易能够分辨以上的行为模块，并且，在这些行为模块设定好后，图解区会出现相应的模块方。
（3）基于虚拟现实技术的质量可视化框架
在BIM和虚拟现实以及越来越需要的集成信息化的今天，基于BIM和虚拟现实技术提出用来进行建筑工程优化设计和施工及运营中的建筑模拟分析的基于BIM建筑外部质量变形可视化技术，是建筑信息化与实际应用相结合的典范。
将建筑信息模型、虚拟现实技术、结构仿真技术等手段及其在相关软件中的功能实现、质量管理等多方面进行结合，建立了基于BIM的虚拟施工、模拟框架，为大型复杂建筑运营阶段的建筑变形仿真模拟提供了技术手段和应用依据。
通过建立质量可视化整体框架，可以快速的分析和找到质量问题所在，预防和抵御工程潜在的质量风险。主要表现如下所示：
（1）对在建建筑物进行质量监控的同时，可以提前进行施工模拟过程，为施工方提供一个立体的虚拟施工环境。
（2）在计算机虚拟施工环境中，摆脱现实中很多不利因素的困扰，利用参数化脚本模型生成的3D模型进行虚拟场景的交换，在3D模型特定的数据下，在没有任何经济损失的情况下可以进行大胆的方案尝试，最大程度的进行极限施工操作。
（3）利用结构和力学的方针对建筑物进行切合实际的科学的虚拟仿真计算，在节约实际资源的条件下，对施工方案或者是质量补救方案进行判断。
综上所述，施工规划过程的综合管理、初步研究成果展示、交互式设优化计及虚拟仿真计算等多方面建立起来的应用于建筑虚拟施工整体框架，在一方面克服了传统质量管理在施工和运营中控制方面的局限性性和片面性，在提高了工作效率的同时，尽可能的减少失误决策的出现，做到了质量管理的科学化。质量可视化框架图如下图所示。
3基于BIM平台的建筑工程质量可视化推广中存在的问题
从前面国内的BIM技术应用实例中可以看出，基于BIM的可视化技术给工程建设带来了巨大的效益，但是基于BIM技术的可视化在实际工程中的应用并没有贯穿建筑全寿命周期，而只是局限于某个阶段或者某些方面，基于BIM平台的建筑质量可视化在实际中的应用就更少。下面就阐述下BIM在工程项目应用中的障碍：
（1）缺乏专业的BIM技术人才与专家：2014年度施工企业BIM技术应用现状研究报告显示，施工企业缺乏BIM技术人才的调研问卷中十分缺乏和比较严重缺乏的比例占68%，因此在施工企业BIM应用推广障碍中排名第一。BIM所需要的人才是复合型的，既要懂技术又要懂软件，还需要具备一定的学习能力。但是在建筑业中，具备发展潜力的员工往往把施工企业作为个人职业规划的跳板，流动性比较大，所以施工企业不乐意提供适宜的发展环境或持续的投入来培养专门的BIM人才。
（2）数据标准不统一：在2014年度施工企业BIM技术应用现状研究报告中，调研数据显示，认为数据标准不统一是施工企业BIM应用严重障碍占63%，在推广障碍中仅此于缺乏专业的BIM技术人才与专家。在建筑的全生命周期之中，因为各个阶段对于BIM模型的应用侧重点不同，因此设计BIM与施工的应用对模型的标准不同，故无论是从国家层次，行业层次，制定从设计到施工、运营的统一交付标准至关重要。2012年1月，住建部“关于印发2012年工程建设标准规范制定修订计划的通知”宣告中国BIM标准制定工作的正式启动，不过至今未有突破性的成果出现。
（3）高层领导不够重视：BIM在施工企业中的推广一定是由高层开始的，但是由于BIM应用在前期需要一定的投入，这就需要具有应用的魄力的高层才能推动BIM的应用。BIM在项目中的推广需要配套相关的人才、工作方法和不同于传统的工作流程，同时对于下面工作人员的质疑和反对，领导也需要进行分析判断，因此能不能坚持自己的主见成为BIM成功应用的关键。
（4）投入产出不高：目前国内的BIM产业处于起步阶段，缺少有效的市场规则和主管部门的监督管理，造成BIM软件供应商和服务商的质量水平参差不齐。企业一旦选择错了合作伙伴，不仅仅浪费了投入的直接费用、时间和人力的成本，更对企业对BIM应用的信心和决心造成致命的打击。
（5）BIM与现有流程制度的冲突：在长时间的发展中，建筑业已经形成了一套比较完整的工作方法和管理体系，项目管理者不愿意放弃熟悉的施工质量管理的流程和制度而去尝试一种还处于发展初期阶段的新技术。
4 结语
基于BIM建筑外部质量可视化控制的研究，得到了对建筑外部质量可视化的实现形式，通过BIM可视化技术的理论和方法，从基于BIM技术的外部质量可视化技术架构出发得出基于BIM平台的建筑外部质量可视化的流程框架。实现在运营阶段建筑物外部质量监控的可视化展示，对建筑物的外部质量管理的起到一定的预警作用。
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论文作者:刘冬正
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第25期
论文发表时间:2018/1/24
标签：模型论文; 建筑论文; 质量论文; 技术论文; 建筑物论文; 虚拟现实论文; 参数论文; 《建筑学研究前沿》2017年第25期论文;