建筑技术丨建设工程数字化管理的建筑信息模型构件编码标准及应用

1 研究背景

建筑工程的规模庞大、实施周期长、分工与参与者众多，基于现场的复杂性、项目的一次性、临时性、渐进明晰等特点，造成建筑行业长期处于半手工的状态，远没有达到科学化管理、精益化生产的水平，生产效率低下，甚至被认为是所有行业中生产效率唯一不上升的行业。如果说建筑工程从手工化升级到工业化的核心是标准化、产业化，那么建筑工程从工业化升级到智能化的核心就是标准化、数字化，因为只有实现了标准化的分类和编码等行业语言，才能保证建筑工程信息在全过程、全参与方、多元异构的格式之间的全专业、全要素信息的生产、采集、传递、储存、分析和挖掘。BIM是建筑项目的物理和功能特性的数字表达，也是一个在建筑全生命期和全参与方之间共享的知识资源。因此，可以说建筑信息模型（BIM）实际是一种将各个阶段的材料产品、工作成果、服务功能等信息（Information）集成在一个三维虚拟模型（Model）中的成果，是一个建筑材料产品、性能、服务等信息的空间检索平台，是类似于地图的基于空间位置信息服务（Location Based Services，LBS），基于位置服务的打车、购物、快递等行业信息化、智能化的成果，是建筑行业的前景。

2 建筑信息模型（BIM）数据分类体系

为了保证使用计算机工具进行数据交换时的及时、准确、充分，也为了克服了人类自然语言交流的歧义、失真、低效和机器学习人类语言的障碍，需要采用数字或字符编码、通过信息条目表（类似于自然语言的字典）、采用“编码–元数据–数据”的数据组织模式，保证计算机通过这种人工语言，通过编码方便检索到元数据，进而获取数据内容，理解对象的内容或特性。元数据（Metadata，又称中介数据、描述数据的数据），主要是描述数据属性（property）的信息，对数据的内容或特性进行分类，以支持信息记录等功能。而编码体系就是这套元数据的检索目录编号，以便于提升检索和传递信息的效率。

目前，BIM中采用的OmniClass信息分类和编码系统就是一个由检索编码和信息分类元数据组成的框架体系，它按照IFC和ISO的相关原则，将建筑业多年积累的建材产品的分类、工种和采购的分类（MasterFormat）、构造和空间的分类（Uniformat）等聚合而成，采用面分法的15个表格从资源、过程和成果的多个维度、在每个表格中通过线分法多级展开，用一个树状结构分类建筑工程涉及的所有信息，以便信息的检索、应用。GB/T 51269—2017《建筑信息模型分类和编码标准》也是采用类似的策略对建筑工程信息进行了分类和编码。值得注意的是，信息分类方式是这类标准的核心，也是采用人类自然语言的元数据，供人们使用和检索，体现了信息分类的严密性和层次性（大、中、小、细类等4个层级），而其枯燥、冗长的编码则是根据信息分类原则被分层赋予的，仅供计算机识别。

3 常用建筑构件信息分类与编码

建筑信息模型通过BIM软平台和信息编码标准，从实用技术和理论逻辑上解决了信息传递的障碍，但15个表单、每个表单4级以上、合计数千条分类，且所有编码只是一个线分法表格中表达层次关系的数字串和表头编号的组合，对标准应用实操性造成了巨大障碍。

笔者曾尝试为建筑师的知识管理进行设计成果图片加入信息分类和标签内容，以便于检索，结果发现即使在方案设计阶段、建筑专业中实现参考优秀案例或参考图片的检索，最大限度地简化也有数百条信息需要填写，很难操作。由此可见，若要采用BIM软件建立建筑模型，并在竣工时填入模型对应的信息，以便于形成未来运维的数字资产底座，依靠设计方、施工方或BIM顾问等任何单个参与方都是不可能实现的。目前BIM应用中重模型轻信息、重展示轻应用的问题，可以看成是这个原因带来的衍生问题。

这涉及BIM信息的基本原则，信息生产和使用必须是多参与方、全过程的逐步累积的过程，必须在数字化管理平台中保证工作流、信息流的合一，在相同的分类标准下才能起到资源共享的作用。也就是建筑工程中的信息分类和编码标准在已有的全面性、精准性的基础上，如何方便地得以使用？如何有效促进建筑工程全生命期中各参与方的各类信息的读取、添加和共享？建筑工程全生命周期主要分为立项、设计、招采、施工、运维等几个阶段，在实际进入建设阶段主要是设计、招采、施工3个阶段，建设方（项目管理或招标代理方）、设计方（包括勘察、设计、咨询、监理等）和施工总包方不断完善补充建筑工程的虚拟定义信息、材料设备信息、施工安装信息，最后形成与实体竣工对应的数字资产。

设计咨询阶段，主要从功能、性能、空间角度，通过建筑、结构、机电等多专业协同的方式，用二维图或三维模型虚拟表达空间定位、文字表格方式表达材料设备的性能参数，是用图档表达未来计划实施和成果的过程，也就是工程定义的过程。这里的信息分类方式，除了建筑结构等专业、幕墙绿建等专项设计咨询的划分外，作为主导专业的建筑专业内部，最终的图纸文件（施工图文件）一般是通过轴线定位系统、总图系统、平面系统、立面系统、剖面系统、详图系统、指标及说明系统等，以三维投影图绘图表达逻辑描述建筑材料和设备产品在空间的位置以及相互组合的关系（节点、施工），从而构成一个完整的建筑工程。

在我国，建筑设计并没有面向实体对象进行分解表达的分类方法，为了应对BIM模型中的构件命名需求，各类BIM导则和BIM顾问提出了各种基于空间位置、构件类型、尺寸的表达方式，显然缺乏统一的标准和信息分类习惯。北美地区则形成了以Uniformat为基础的一套建设方、设计方主导的功能、空间主导的分类体系，并与施工界的Masterfomat实现了互通，非常方便信息传递与交互，并且在此基础上形成了OmniClass分类体系。我国GB/T 51269—2017《建筑信息模型分类和编码标准》对建筑物的成果命名给出了6个表单，从建筑物、建筑空间、工作成果、元素（构造构件）4个方面进行描述。对建筑物的构件和BIM模型的构件而言，依据元素（构造构件）应当是最好体现设计逻辑、功能逻辑的方式。但我国建筑设计界目前尚无基于构造逻辑的统一的BIM构件命名规则，将极大地影响未来信息的分类和使用。

在招标采购、施工安装阶段，我国在大量工程实践，尤其是质量控制过程中，逐步形成了按照分部分项工程分类的方式，借鉴欧美等发达国家和地区有广泛影响力的是MasterFormat体系，以建筑物施工专业工种和部位的角度，依据GB 50300—2013《建筑工程施工质量验收统一标准》从工程操作和质量验收的角度进行了从单位工程、分部（子分部）工程、分项工程、检验批、工序的顺序进行了系统性的信息分类。后又通过GB 50500—2013《建设工程工程量清单计价规范》强化了上述分类，并确立了12位的统一编码系统，对建筑物从整体到构件、从实体到措施等均进行了信息分类和编码，极大地促进了我国建筑业的信息分类方法，为工业化、智能化打下了坚实的基础。在此标准应用之前，曾经有过对于工料机的分类标准、验收文件的分类标准等体系，但由于验收和算量这套分类方法的完备和统一，事实上已经是我国建筑工程领域唯一的通行数字化标准，值得在未来BIM的信息分类中利用和借鉴。但是在我国GB/T 51269—2017《建筑信息模型分类和编码标准》中，虽在工作成果、产品等表中有部分体现，但是没有完整使用，这无疑不利于BIM标准的实施和信息互通互联。

4 建筑构件信息分类与编码规则建议

在基于对象的建筑信息模型（BIM）中，建筑物通过系统、类型、族、构件等方式不断细分每个构件作为建筑工程的最小单元，其中包含的几何信息和非几何信息（属性），通过空间定位系统组合成建筑工程的整体，因此每个构件单元既是空间定位的检索点，也是相关信息的入口点。只要将相同施工条件下的同一批构件单元（工序单元或检验批）上，链接并存储好相关的资源、过程、成果信息，即业内常说的人（人工）、机（机具设备）、料（材料产品）、法（技术方法）、环（环境）、时（时间进度）、空（空间定位）、质（质量）、安（安全）、费（成本）等信息，就可以同步在现实世界和虚拟世界的建筑物实体和数字孪生，形成全过程、全要素、全参与方的数字化管理。

编码就是给建筑物的构件单元命名和赋码的“身份证号”，通过一组定长或不定长的字符串（数字）给构件命名（名字是字符串），以表示计算机系统对构件的唯一识别代码，多个分段的字符串将多个面分法中需要交互的关键信息分段表达，以便于各个参与方或软件操作进行符合其工作习惯的高效赋值、检索和使用。

虽然BIM软件大多会自动给构件赋予随机码和族库编码（Revit软件的族库是基于OmniClass的编码，其实并不符合我国2017BIM信息标准），这个编码可以作为构件的属性被定义和检索。信息编码可展现项目合同、进度、成本、构造信息，随着项目推进渐进明晰。

笔者认为，可借鉴工业界的供应链管理、企业资源管理等领域的产品数据管理（Product Data Management，PDM）和其延伸发展的产品全生命期管理（Product Lifecycle Management，PLM）。其中的产品的物料编码是以简短的符号或数字代表物料、品名、规格或类别及其他有关事项，并保证编码的唯一性、适用性、扩展性、效率性、通用性，例如商品生产的序列号（SN码）、国际海关的商品分类编码（HS码）等。因此，应用于建筑行业的产品及BIM的编码，应坚持如下原则。

（1）全生命期、多阶段、多参与方的兼容性。按照投资决策、勘察设计、招标采购、施工安装、运营维护的工程项目全生命周期的推进，为各阶段的各个参与方提供方便查询和交互的建筑构件的编码。由于立项、设计和招采、施工阶段等不同阶段的区别，在分类关系、内在逻辑、使用者、适用阶段、内容上可不相同，但是在构件单元上可实现互通，类似北美地区的Uniformat和MasterFormat的区分使用。

在分类上，设计属性以功能、空间、构造为主，工程属性以施工分包、专业工种为主；在逻辑上，设计属性以功能与空间逐步细化的使用和设计逻辑为主，适合建设方和设计方使用；工程属性以施工工序、采购对象、最终建筑物的实体材料和产品的归集统计为主，适合施工总包和分包使用；在内容上，前者强调继承发展成长关系和要素间的功能关系，后者强调最终数量的统计和工艺实现。

（2）基于BIM模型的图数据库。由于BIM软件基于实体空间的特性，在BIM软件为每个构件随机赋予ID号的基础上，通过一组分段、有意义的信息编码字符串作为每个构件的属性值集合，建立每个构件、工序的独立的查询编码，通过每个实体或服务的数据节点，关联与其相关的人机料法环、时空质安费等资源、过程与成果信息。

（3）BIM模型的颗粒度和分级表达。BIM模型中可以用粗略的几何体块或精细的模型对应物料清单，并可通过模型直接关联过程、管理等非实体构件数据。同时对BIM模型从方案设计到施工图深化设计的逐级深化、细分保持继承关系，实现基于空间位置的数据管理，并可在不同项目阶段对应不同的数据统计需求和内部管理设计。

基于此，笔者将建筑工程全生命期中需要交互的关键数据提取并分段汇编到构件单元的编码规则。

（1）项目合同信息，作为建设方立项后产生的项目唯一代码，是整个项目全生命期的身份证号码，非常重要。考虑建设方编号的方式多样，从一般商务逻辑出发，一般以4位数年代和3位顺序号编码共7位数编码，当然也可以根据建设方的规模等调整编码位数。

（2）需要增加项目管理属性明确项目特点，这也是国家统一的分部分项工程中编码缺失的部分，考虑到项目规模、阶段、设计咨询的专业、分包合同等管理要求，设置14~18位编码。

（3）设计管理属性主要是按建筑构造功能逻辑进行分类，体现按照建设方和设计方的功能和位置分类，可参照Uniformat或我国2017BIM标准进行分类。

（4）构件管理属性则是基于BIM模型制作过程中一般的绘图定位要求和流水号进行编码，方便绘图员或BIM专员输入。

（5）工程管理属性则是根据目前我国工程界通行的分部分项工程分类方式进行编码，可直接与施工流水段、检验批、预算等挂钩。

5 结束语

建筑信息模型（BIM）的核心是信息，模型是信息的空间化展示，数模分离、数字化的基础是结构化数据。2017年我国BIM信息标准第一次提出了全面的信息标准，但是距离工程应用还有很大的距离。本研究根据基于建筑构件和BIM工具的信息分类和编码需求，通过调研国内外建筑工程主要信息分类与编码方式，提出了一个可供工程使用的精准性与效率性相平衡的一维字符串编码方式，以便于建筑工程全生命期各个阶段、各个参与方、各种专业维度的信息交互。

建筑业是国民经济的支柱产业，但也是工业化、信息化发展重要时期。每一个建筑项目都会在生产过程和监管过程中产生海量数据，但由于非结构化、多元异构等特点，大量信息无法被统计被分析，也无法实现科学管理，例如施工组织的生产排期，任务分包，库存供需管理，材料、分包的工程信用评价等都无法精准展开。期待早日形成我国BIM设计与施工中的通用语言，实现建筑业的高质量发展。