《BIM技术原理及应用》解析建设工程生命周期管理背景

(1)PLM(Product Life Management)

在全球,建筑业对经济发展做出了巨大贡献。然而,和其他行业相比,建筑业生产效率却极低。在过去近50年间,其他行业的生产效率大幅度提高的同时,建筑业的生产效率反而下降了,实践证明,这种低效率带来了大量的浪费。造成建筑业低效率的原因很多,包括割裂的行业结构、参与方之间的对立关系和信息管理水平差等。在其他行业,信息技术已经推动了生产效率的改进,而在建筑业,信息技术的使用尚处在初级阶段,而且大部分仅限于实现手工过程自动化这方面。虽然信息技术已经用于改进单项任务的生产效率,尤其是在所建造环境的设计方面,但是它几乎还没有用于解决贯穿于整个过程的集成与沟通这个更为基本的问题。

基本建设领域中的低效率和浪费现象迫使人们去思考如何对建设工程的生产方式和组织方式进行变革。Egan(1998)在《建筑再思考》中指出:“我们看到,建筑业是个非常特殊的行业,无法吸收并利用其他行业的先进经验。建筑业面临两个选择,或者是顽固坚持,或者是积极寻求改进方法并对建筑业进行重组,尽可能地学习其他各种先进技术和经验。”其中,向制造业学习是建筑业提高生产效率的关键途径之一。

制造业生产效率的提高得益于很多创新理念和创新技术的应用,例如TQC(全面质量控制,Total Quality Control)、MRP(材料资源规划,Material Resource Planning)、JIT(即时管理,Just in Time)、FMS(柔性制造系统,Flexible Manufacturing Systems)和CIM(计算机集成制造,Computer Integrated Manufacturing)等。在这些理念和技术的应用中,信息技术发挥了关键作用。据统计,尽管制造业和建筑业的总产值基本相同,但其信息技术的投入却是建筑业的7倍。高度信息化使制造业实现了产品的生命周期信息管理(PLM,Product Lifestyle Management),即通过产品定义和相关信息的集成,实现了覆盖整个产品生命周期信息的创建、管理、分发、共享和使用,从而减少了变更、降低了工程成本、缩短了研发和上市时间、提高了客户满意度,带来了极大的经济和社会效益。

从总体上看,PLM的演变大致经历了三个阶段,这三个阶段也可称为PDM(Product Data Management,产品数据管理)、CPC(Collaborative Product Commerce,产品协同商务)和PLM(Product Lifecycle Management,产品生命周期管理),其中PDM是核心和基础,CPC强调商务上的协同,PLM则更多地强调产品本身,产品创新是其驱动力。

①CAD数据管理:20世纪80年代初,结合CAD软件的PDM产品主要目标是解决大量电子数据的存储和管理问题。这也是目前建筑业设计信息管理的主要方式。

②产品数据管理:随着企业经营的日益全球化,人们越来越关注协同问题,产生了集成协同商务的CPC和cPDM(Collaborative Product Definition Management),协同产品定义管理。类似于目前基于BIM的设计方法和设计施工信息集成策略。

③产品生命周期管理:进入21世纪,企业之间竞争更加激烈,将产品整个生命周期的所有数据收集并有效组织起来,通过提供一个统一的入口让产品开发工程师随时能够共享、访问并重复利用这些企业财富,在短时间进行产品创新成为众多企业追求的目标。在这种需求推动下,cPDM进一步演化成了。这也是BLM的发展方向。

PLM并没有统一的定义,一般可以将PLM内涵概括为一种战略性的业务方法,它应用一组一致的业务解决方案,支持协作性地建立、管理和使用产品定义信息,它支持扩展企业客户、设计和供应伙伴等及跨越产品从概念到报废的整个生命周期,它将人员、流程、业务系统和信息集成在一起。PLM具有以下几个核心基础理念:

①通用的、安全的、受控的获取和利用产品定义信息;

②覆盖整个生命周期的产品定义和相关信息的集成;

③管理和维护业务过程以有效地产生、管理、分发、共享和使用信息。

(2)建筑业所面临的问题

众多研究和实践认为,目前基本建设领域中存在很多问题,包括低效率和浪费现象、建筑业信息化水平较低、建设工程项目生命周期不同阶段信息丢失严重以及建筑业所面临的新的挑战等。这些问题迫使人们去思考建筑业的变革方向。

①基本建设领域存在低效率和浪费现象。

建筑业一直处于被批评的压力之下。研究指出,在过去的45年当中,美国建筑业生产效率指数下降了20%左右,而其他非农业的生产指数却提高了100%以上,如图1-3所示^[6]。一些政府和协会的研究报告也认为:建筑业“分离”(Fragmented)的特征导致了其效率低下。(www.xing528.com)

现有割裂的生产结构使建筑生产过程存在着巨大的浪费,创造价值活动的比例仅为10%,但非增值活动的比例却高达57%,而制造业中同一活动的比例为62%与12%^[7]。在环境方面上,与其他所有行业相比,建筑业在原材料消耗、二氧化碳排放和消耗能源等方面所占比例分别高出60%、22%和20%^[8]。另一方面,建筑设施的建造成本也日趋增加,运营成本长期被忽略,美国退伍军人管理局(Veteran Administration)采用40年分析周期和5%的折现率进行生命周期成本分析,发现运营及维护费用是建造费用的7.7倍^[9],丁士昭通过研究也认为大部分项目的建设成本都不足全寿命周期成本的20%,而运营成本占到了约80%^[10]。

图1-3　过去45年(1964—2009)美国建筑业和非农业生产效率指数比较

造成建筑业生产效率低下的原因有很多,一些专门研究报告对此也有论述,主要包括割裂的行业结构,信息传递过程中的扭曲、缺损和流失,从业人员的素质缺乏持续提高,注重成本而不是价值对抗的合同关系和对立的项目文化,创新投入的不足,信息技术投入不足,缺乏对客户的关注过程的分离,产品与构件的生产和装配方式落后,缺乏全寿命周期意识,缺乏沟通与协作,缺乏对人的尊重等^[11]。

②建筑业信息化水平较低。

实践证明,制造业生产效率的极大提高得益于先进制造技术的应用以及信息化的投入,这使得制造业对生产过程的控制十分精确,减少了人为错误,从而使人员的工作效率得以提高。相比之下,建筑业虽然和制造业的总产值非常接近,且应用IT技术的时间与制造行业类似,但对于信息技术的投资,却仅有制造业行业平均值的1/7,如图1-4所示^[12]。保守及缺乏改善生产和管理技术的动力,也直接造成了建筑业生产力的落后。

图1-4　制造业和建筑业的投入比较

③建设工程项目生命周期不同阶段信息丢失严重。

建设工程生命周期的信息可分为两类,即工作信息和As-built信息,前者是从策划、设计到施工等各个阶段的所有信息,后者是描述建筑物如何建造的信息,包括现场变更等。目前,各个阶段信息的分离管理以及基于纸介质的信息传递技术造成了信息在不同阶段间的流失。因此,传统的项目信息创建和传递方式带来了低效率和浪费现象,使建设工程生命周期信息在各个环节的传递过程中不断地流失,尽管这些信息在设计阶段就已经以数字化的形式存在,如项目空间信息等,但当信息转变为纸介质形式后,有价值的信息就流失了,从而造成同一个项目需要不断重复地创建信息(图1-5)。因此,信息创建和流失重复的循环变化是建筑业生产效率低下的主要原因。

图1-5　设计到运营的转变过程中,数据丢失状况^[13]

(3)建筑业面临新的挑战

随着全球化的进一步发展,建筑业还面临着新的挑战,如项目向复杂化、智能化和集成化发展,每个项目的一次性设计和建造过程导致低效率、项目完成速度要求越来越快,市场竞争越来越激烈,集成化的服务越来越普及等,具有开放和吸收能力的企业可以在未来获得成功。

要解决自身存在的问题及应对建筑业所面临的挑战,必须对传统建筑业的生产方式和组织方式进行一场深刻变革,通过引入利用新的方法和工具对传统建筑业进行根本性的重构和改造。

随着21世纪知识经济时代的到来和“一带一路”建设的开展,建设工程管理发展呈全球化、多元化、专业化、标准化、信息化和职业化特点。特别是2010年以来,大数据和云计算技术的不断发展,以虚拟现实(Virtual Reality,VR)、增强现实(Augmented Reality,AR)、3D打印、虚拟设计建造(Vitual Design and Construction,VDC)、建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)、人工智能(Artificial Intelligence,AI)等为代表的先进信息和通信技术(Information and Communication Technology,ICT)、区块链(Block Chains,BC)得到了迅速发展和广泛传播,跨组织协同、信息共享、应用标准、全寿命周期、项目交付模式、项目复杂系统、社会网络结构等关键字开始对项目管理的发展赋予了新的内涵和挑战^[14]。