摘 要: 针对我国建筑工程项目 “信息传递效率低、信息协同和共享性差、信息利用价值低”的现状，基于 BIM 技术，结合工程项目的过程管理、多要素管理、参与方管理以及知识管理，构建在分布式网络环境下以数据层、信息模型层和功能应用层为核心的信息集成管理的概念模型，并依据平台管理和信息集成管理两大模块，进行 BIM 信息集成管理系统平台的功能设计。新型的信息集成管理系统充分挖掘了建设各个阶段的信息，实现了建筑项目信息的高效传递、交换和共享，为信息管理系统的后续开发提供参考借鉴，促进建筑业信息化的发展。
关键词: BIM; 信息集成管理; 知识集成
建筑业作为我国国民经济中一大支柱产业，在国民经济总产值中占有很大的比重，其低效的生产效率造成了资源的巨大浪费和环境的日益恶化[1]。究其原因，主要是由于建设项目生产过程过于分散，建设管理模式集成化程度不高，建筑信息之间的传递不畅而造成信息缺失。目前，我国建筑业信息化 率 仅 约 0. 027% ，与国际建筑业信息化率 0. 3% 的平均水平相比，差距高达 11 倍，低效的信息化率成为生产效率严重滞后的症结之一[2]。
随着对环境的日益关注及绿色建筑的大力推广，人们对于建筑性能的关注除了常规的功能使用、布局美观、经济性能外，更加关注建筑本体的环境性能项目。项目实施阶段，对传统的质量、成本、进度的管理更侧重于多目标多方案的总体集成优化[3]。对建筑项目的评价总体上是基于全寿命周期理论，将项目的建设、运营、拆除等各阶段综合集成考虑，因而附加在项目主体上的信息量越来越大。针对我国建筑工程项目 “信息传递效率低，信息协同和共享性差，信息利用价值低”的现状，如何充分挖掘建设各个阶段的信息，实现信息的高效传递和科学运用，是促进建筑业技术升级的关键手段之一。在信息化技术成为 21 世纪重要经济增长点的大背景下，BIM 技术和计算机模拟辅助设计 应运而生[4]，使建筑信息化集成管理成为可能。本文即是依托于 BIM 技术，以建筑项目管理理论为基础，建立了建筑数据采集、信息传递、信息应用的概念模型，以期为后续信息管理系统的开发提供借鉴。
1 BIM 技术与信息集成管理
BIM( Building Information Modeling) 从内涵上来说，是建设项目物理和功能特性的数字表达，是一个共享知识资源、分享建设项目信息的载体，能够为项目全生命周期中的决策提供可靠依据的过程。在项目的不同阶段，项目各参与方可在 BIM 中插入、提取、更新和修改信息，完成项目各阶段、各参与方及各专业软件间的信息交流和共享[5]。
Chuck Eastman 博士首次提出了建筑信息模型的构想，他认为此模型不仅应该包括几何、功能、构件性能等信息，还应包括建造过程、施工进度、维护管理等过程信息，建筑全生命周期内的信息都应该整合到建筑模型中[6]。目前要真正运用 BIM 技术来提高建筑业信息化水平，需要解决信息高效传递、数据存储和信息共享等问题。
国外对 BIM 信息集成管理的研究较早，Kevin Y 等( 2005) 通过扩展 IFC( Industry Foundation Classes) 标 准，构建了运营阶段中物业管理信息模型[7]。Tauscher E，Mikulakova E 等( 2009) 利用基于 IFC 标准的建筑信息模型施工进度计划生成方法，实现了施工阶段的 4D 模拟[8]。Mahmoud M.R. 等( 2007) 基于 BIM 技术对建筑信息集成平台也进行了一定研发，但该平台只具备一些简单功能，数据的存储和信息共享性低[9]。
国内方面，张建平等( 2008) 针对设计和施工阶段中数据的集成共享和转换，研究开发了基于 IFC 的 BIM 数据集成管理平台[10]。张洋( 2009) 基于 BIM 体系结构，解决了 BIM 模型的信息提取、 BIM 数据存储与访问等问题[11]。李犁，邓 雪 原 ( 2012) 基于 BIM 技术的建筑信息平台，建立了简易的以数据层、图形编辑层和专业层为核心的三层协同信息平台[12]。局限于当时的计算机技术，上述研究多数是针对工程项目某个特定阶段，随着信息技术发展的日新月异，基于 BIM 技术及全寿命周期理论的信息集成管理从技术上已成为可能，新的信息集成管理系统应满足数据存储方便、信息传递效率高、系统功能结构完善、信息协同和共享性好的要求。
2 基于 BIM 的信息集成管理系统概念模型
虽然工程建设参与方已经普遍使用了互联网技术，但很多管理软件仍然是基于 C / S 架构，B / S 架构、云技术仍然在发展阶段。且由于建设不同参与方对信息的需求不同，以及信息处理权限、信息保密等仍然未达成统一协议，导致信息共享程度不够，形成 “信息孤岛”现象。针对现实中存在的问题，由数据层、信息模型层和功能应用层所组成的系统概念模型应该具有结构稳定、联系紧密、协同交互性好并可扩展的特性。
2. 1 数据层
数据层是一个中央数据库，包含了建设项目全生命周期内所有的信息，包含结构化数据和非结构化数据两类。信息随着工程项目的发展，不断进行更新。通过该中央数据库，可实现信息在不同阶段、不同参与方之间的传递和共享。数据层的主要工作是进行信息的采集、编码、归类和存储，具体如图 1 所示。
2. 1. 1 信息采集
信息采集主要采用纸质记录、电子文件记录以及多媒体记录等方式。传统的纸质记录信息的方式费时费力，文件传递过程中容易造成信息的延误、缺损和丢失。电子文件记录方式通过基于网络的云盘平台，项目各参与方可以将项目各阶段的信息 ( 如几何信息、材料信息、类型信息、质量信息、进度信息、报表信息、成本信息、其他有形信息以及无形信息等) 上传到该平台，由信息管理员对采集的信息进行前期的集中管理。
2. 1. 2 信息编码、归类
由信息管理人员对云盘上收集来的各种信息逐层进行工程项目结构分解( WBS) ，直至将整个项目分解成可控制的活动，以满足项目管理过程的顺利实施[13]。在完成 WBS 工作后，综合使用项目编码四种基本形式( 顺序码、分类码、结构码和组合码) 进行项目信息编码，以保证信息可以被计算机识别和操作[14]。
对编码后的信息中包含的各种离散杂乱的数据，按照文件格式和数据标准划分成非结构化数据与结构化数据。将诸如工程文档、报表、图像类多媒体信息、无形信息这类既没有预定义的数据模型，也不能用二维表结构来逻辑表达的数据，归类为非结构化数据。基于 IFC( Industry Foundation Classes) 标准所描述的，并可以通过交换或解析存储到数据库中的结构化文档和模型，归类为结构化数据。
2. 1. 3 信息存储
BIM 数据库是一个信息存储平台，能保证不同阶段不同参与方需要的任何信息都可以随时从此数据库中提取，同时各个参与方也可以根据建设项目管理的实际需要，扩展和输入相应的信息，不断完善数据库信息。此外，存储在 BIM 数据库中的信息只需要在某一阶段由某个参与方输入一次即可，其他后续参与方只需要根据自己的使用需求提取这些信息，提高了信息使用效率。
具体来说，BIM 数据库要满足结构化数据和非结构化数据的存储要求。IFC 关系数据库用于存储结构化文档数据和模型数据。数据仓库用于存储非结构化数据，其中文件数据库用于组织和管理各种类型的非结构化文档。采用 XML( Extensible Markup Language) 技术对结构化文档信息进行存储，用户自定义不同的需交换的数据结构，这些结构的集合体组成一个 XML 的 schema。不同的 XML schema 实现不同软件之间对存储于相应的关系数据库中定义了实体属性和关系属性的数据交换。
对结构化模型数据先通过 IFC 模型解析器处理成 IFC 对象的模型数据。由于 IFC 的信息描述是基于对象模型的，而关系型数据库则建立在关系模型之上，用二维表的数据结构记录和存储数据。因此就要建立 IFC 对象数据模型与关系型数据模式的映射关系，实现从对象模型到关系型数据模型之间的转换，并最终存储于关系数据库中。对于非结构化数据可建立统一的数据仓库以及专门的非结构化数据库，进行非结构化数据的集中存储和数据管理。如文件元数据库专门用于存储非结构化文档的元数据。它根据文件的不同类型建立不同的数据表来记录文件的元数据，并通过 IFC 关系实体与 IFC 数据库建立关联，从而形成完整的 BIM 数据存储。
2. 2 信息模型层
信息模型层是建筑信息管理系统中的核心部分，连接着数据层和功能应用层，主要是利用从 BIM 数据库中提取的数据，进行建筑信息模型的创建，并利用扩展的数据进行信息模型的更新完善，为工程项目各参与方提供各自需要的模型信息。如图2 所示。
相关期刊推荐：《森林工程》Forest Engineering(双月刊)曾用刊名：森林采运科学，1985年创刊，是森林资源建设与保护、开发与利用中的非生物工程，是熔学术、技术、知识、信息于一炉，主一反映森林资源建设与保护、森工产品加工与利用、森工企业管理、森工技术、森林工程机械设备、森工土木建筑等方面的科技成果、科技动态、林业建设方针政策、生产管理与技术经验、学术研究、技术革新与技术引进等内容。
模型图元定义了所有构配件对象及其属性和操作，因此创建 BIM 建筑信息模型，首先要从 BIM 数据库中进行模型图元数据的提取。其中，提取的模型图元基本数据( 如几何数据、物理数据、功能数据等) 是描述模型构件的自身特征和属性，用于创建 BIM 几何模型。其扩展数据是项目管理过程中所产生的与模型图元关联的信息或资料，如成本数据、技术数据、进度数据等。通过将大量的、非直接的与模型元素相关联的各种扩展数据不断整合到信息模型中，逐步完善建筑信息模型[15]。针对建筑工程全生命周期不同阶段，还可生成相应的建筑信息各阶段的子模型，各阶段子模型又可生成面向应用主体的子模型，如项目设计子阶段又可生成建筑设计子模型、结构设计子模型以及 MEP 设计子模型等。
2. 3 功能应用层
功能应用层主要由工程项目各参与方对信息模型层获取的各类共享模型信息( 如设计信息、成本信息、进度信息等) ，运用相应 BIM 软件进行分析应用，并将各自应用分析得到的信息进行相互交流和共享。例如，在设计阶段，将 Revit Architecture 建立的 3D 建筑信息模型导入到 Navisworks 中进行建筑信息模型的碰撞检查; 3D 建筑信息模型导入到 Ecotect Analysis 中进行光照、热能等建筑综合性能分析; 在施工阶段，3D 建筑信息模型结合 Project 创建的施工进度信息进行项目 4D 进度管理等。但由于目前各软件公司开发的数据存储格式标准不同，出现了各专业软件之间信息无法共享的问题。 IFC 作为一个公开的数据表达和存储标准，使得工程类软件能够以其作为数据交换的中转站，完成数据的无缝链接，实现建筑项目各专业之间高效的信息交换。利用网络协作平台创建的虚拟网络环境，来实现工程项目各参与方各专业之间远程的信息交流和协同工作，完成全生命周期内模型信息的传递 和共享。PIP( Project Information Portal 项目信息门户) 技术作为网络协作平台的核心技术，通过为建设项目各参与方提供一个基于网络的信息获取的单一入口，个性化的用户权限和用户界面设置，创造了项目各参与方各专业间安全、高效地信息交流和共享环境。
2. 4 BIM 信息集成管理系统概念模型
全面的建筑工程项目 BIM 信息集成管理是运用 BIM 技术，进行项目全过程、多要素以及各参与方的综合集成管理。其中，BIM 技术提供集成管理的技术支撑; 过程集成管理将项目的全寿命周期，通过虚拟化组织模式和集成化的项目管理系统串联成一个整体; 多要素集成管理将成本、质量、工期、安全、风险等多要素进行综合性管理; 参与方集成管理通过信息集成管理系统加强了各参与方之间 的 信 息 共 享、交 流 和 协 同 工 作[16]。此 外， BIM 信息集成的过程还应是一个知识集成的过程，通过知识的获取、积累、传递、运用、交流和共享实现知识的循环。
因此，基于已构建的数据层、信息模型层和功能应用层三大模块，结合工程项目的过程管理、多要素管理、参与方管理以及知识管理，搭建了分布式网络环境下基于 BIM 技术的信息集成管理系统概念模型，如图 3 所示。
2. 5 BIM 信息集成管理系统平台功能设计
BIM 信息集成管理系统平台由平台管理和信息集成管理两大模块组成。其中，平台管理模块主要是针对于系统平台的管理人员，它们主要对平台的用户进行管理以及系统的更新维护。信息集成管理模块主要针对项目各参与方的用户，用户进行注册登录后，可以通过数据存储与访问、BIM 模型应用等功能模块对工程项目信息实施管理与应用。该模块是信息集成管理系统平台的核心。BIM 信息集成管理系统平台的功能模块如图 4 所示。
其中数据存储与访问功能在设计时，宜选用 Oracle 和 SQL Server 等大型关系型数据库，满足多项目多专业对海量数据的存储与使用需求，支持多用户的并 行 数 据 访 问。采用基于角色的访问控制[17]，根据人员的不同角色设置相应的权限，如结构专业人员一般情况下只能对本专业有读写权限，而对其他专业数据没有读写的权限，来对数据的读、写、修改、删除或提取进行控制，保证数据访问与使用的安全性。
软件开发功能设计时通过提供统一的 API( Application Programming Interface，应 用 程 序 编 程 接口) ，使用户能直接对 IFC 数据进行编程扩展，免于处理 IFC 标准复杂的实体之间的关系，而根据专业应用需求进行程序开发[18]。
BIM 模型应用功能提供的模型视图展示以及 BIM 软件应用功能，使得用户可以直接对信息模型进行浏览，选择不同的信息模型显示选项，查看组成信息模型的构件并获取构件的相关属性，再通过各专业软件对建筑信息模型进行各种性能模拟分析，完成各专业间数据的交换和共享，实现项目各参与方之间的协同工作。
4 结论与展望
论文基于 BIM 技术和知识集成理论，构建了分布式网络环境下以数据层、信息模型层和功能应用层为核心的信息集成管理的概念模型，并依据平台管理和信息集成管理两大模块，进行了 BIM 信息集成管理系统平台的功能设计。通过知识库和网络协作平台实现了建设项目全寿命期的信息获取、存储、使用、共享、交流与循环，提高了信息的利用效率，促进了项目各参与方各专业之间的协同工作。尽管本文构建的基于 BIM 的建筑信息集成管理系统概念模型在系统功能结构方面已经比较完善，但要更好地实现信息的协同和实时共享传递，后期仍需要进行基于 BIM 的二次开发，这也是今后研究的重点和方向。——论文作者：李明瑞，李希胜* ，沈 琳
