原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926580518313384

引用：Ding, Z., Liu, S., Liao, L., & Zhang, L. (2019). A digital construction framework integrating building information modeling and reverse engineering technologies for renovation projects. Automation in Construction, 102, 45-58.

 

文章导读

在快速的城市化进程中，人口众多和土地有限之间的矛盾愈演愈烈。为解决这一难题，城市更新已成为城市发展的主流活动。城市更新过程调整城市功能，根据实际情况对城市空间进行再利用，最终实现由多种因素（例如经济，社会，和环境）推动的转型。然而，城市更新大多遵循传统的劳动密集型行业惯例，进展较缓慢。在严重影响传统工程项目交付生产率的因素中，返工是典型的非增值活动，会消耗大量时间、成本、人力和材料等。在城市地区，由于施工质量差、施工偏差或不知情的变更，大多数旧建筑可能已丢失原始设计图或已与原始图不一致，在更新时需要付出更多的时间和金钱。更糟的是，倘若在这种情况下使用原始图纸指导项目更新，可能导致大量的返工。

 

基于此，数字建造成为减少返工的最有用工具之一。当前，最先进的数字建造方法是使用建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）和预制施工（Prefabricated Construction，简称PC）。旧城区更新改造需以现有建筑物的准确信息为指导，BIM应用有助于提高更新项目全过程的质量。先前研究试图探索BIM实施框架，比如包含三个维度（BIM技术，BIM视角，和建筑业务功能）的综合BIM框架，以BIM服务器作为多学科协作平台的理论框架，使承包商提前参与以获取BIM实施最佳价值的BIM合作框架。然而，人们对于如何运用这些基于BIM的框架重新设计城市更新项目的工作流程和提高项目绩效知之甚少。此外，BIM与PC的结合在实践中需要进行大量研究。学者们也建议建筑业应学习制造业的先进经验，推动数字化规划、设计、生产、组装和管理，加强项目更新过程中的信息交换、并提高生产率。

 

本研究整合BIM和逆向工程（Reverse Engineering，简称RE）技术，建立了一个用于城市更新项目管理的数字建造框架。该框架包含三个解决方案：（1）将BIM与RE相结合，提高项目各阶段主要利益相关方之间的信息利用与交流效率；（2）将BIM与虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）相结合，帮助利益相关者更好地理解设计和施工；（3）利用工作分解结构（Work Breakdown Structure，简称WBS）和模型分解结构（Model Breakdown Structure，简称MBS）确保良好的项目组织和管理质量。学习制造业相关做法，在WBS的指导下将BIM与RE结合起来，在规划设计阶段得到3D激光扫描和MBS的支持，在施工阶段采用VR可视化、3D打印和场外预制的方法。

 

以我国海南省海口市海免观澜湖国际购物中心的更新工程为例，验证了上述数字建造框架的适用性和有效性。具体地，根据3D激光扫描收集的3D坐标数据，在虚拟环境中重建了该购物中心的原有建筑结构，并在此基础上进行二次设计，增建了大型钢结构天幕；根据二次设计模型信息，结合BIM和VR可视化模拟，帮助现场工人更好地理解设计意图（尤其是复杂的拼接工程）和施工方法，并利用3D打印技术检验预制部品的正确性。该研究提出的数字建造框架有效压缩了整体设计周期、降低了总体成本、减少了设计变更和返工，实现了预制部件的批量化成品定制及与施工现场的无缝对接，促进了BIM、RE及其辅助技术在城市更新项目中的有效应用。

 

文章摘要

中文摘要：本研究提出了一种将建筑信息模型（BIM）和逆向工程（RE）相结合的数字建造框架来提高项目不同阶段的信息利用率，以此减少城市更新过程中翻新项目的错误和返工。三维（3D）激光扫描的应用促进RE实施过程。该框架结合辅助技术（虚拟现实，3D打印，和预制施工）以更好地理解设计意图和建造方法，并在工作分解结构和模型分解结构的支持下提高项目组织和管理的质量。在中国海南省某购物中心的更新项目中实施上述数字建造框架，使该项目的更新效率优化了15%，消除了30%的设计变更和25%的返工，并最终为钢结构天幕工程节省了两个月的工期和7.41%的成本。因此，该框架的应用可以在项目更新过程中减少错误和返工的出现，大大提高了城市更新的有效性。

 

Abstract: This study proposes a digital construction framework that integrates building information modeling (BIM) and reverse engineering (RE) to improve information utilization in different phases and thus reduce mistakes and reworks in renovation projects during urban renewal. Three-dimensional (3D) laser scanning is used to enable the RE process. This framework also incorporates supporting technologies (virtual reality, 3D printing, and prefabrication) for a better understanding of design and construction as well as tools (work breakdown structure and model breakdown structure) for enhanced organization and management quality. Implementing this proposed framework in a renovated shopping center in Hainan, China optimized efficiency of the renovation process by 15%, eliminated design changes by 30% and reworks by 25%, and finally saved two months and 7.41% of cost regarding the steel structure canopy. Thus, this framework can proactively reduce occurrences of mistakes and reworks during the renovation process, greatly improving the effectiveness of urban renewal.

 

主要图表

 

图1：逆向工程的应用过程

 

 

图2：在更新项目中实施数字建造的建议框架

 

 

图3：海南海免观澜湖国际购物中心

 

 

图4：室外钢结构天幕工程的工作分解结构

 

 

图5：海南海免观澜湖国际购物中心室外参数化钢结构天幕工程的模型分解结构

 

    

图6：点云数据模型

 

 

图7：现场数据采集的三维彩色图像实例

 

 

图8：天幕钢结构柱与原建筑结构柱对齐

（注：红色柱子是支撑天幕的新钢结构柱，白色柱子代表原建筑中使用的结构柱）

 

 

图9：结构分析结果

 

 

图10：钢结构样品模型及其材料清单

 

 

图11：利用3D打印的室外天幕钢结构全真模型

 

 

图12：天幕结构施工模拟

 

    

图13：利用虚拟现实模拟天幕安装

 

原文信息

 

 

期刊简介

《Automation in Construction》是结构与建筑工程技术领域的权威国际期刊，主要发表在设计、施工和已建设施的维护和管理中使用信息技术的最新研究成果。TOP期刊，期刊最新影响因子5.669，五年影响因子6.121。

 

作者简介

丁志坤：博士毕业于香港大学。深圳大学土木与交通工程学院副教授、博导，现任深圳大学土木与交通工程学院建设管理与房地产系主任、深圳大学中澳BIM与智慧建造联合研究中心副主任，管理科学与工程（工学）一级学科硕士点负责人，兼任中华建设管理研究会常务理事、副秘书长、广东省BIM产业技术创新联盟副理事长等职务。主要研究方向包括智能建造、可持续建设管理等，发表学术论文80余篇，主持完成国家自然科学基金、省部级、市级等各类项目10余项。

 

廖龙辉：本文通讯作者。博士毕业于新加坡国立大学，现为深圳大学土木与交通工程学院建设管理与房地产系、深圳大学中澳BIM与智慧建造联合研究中心助理教授，硕士研究生导师。主要研究方向为智能建造中的技术（如BIM、物联网、逆向工程等）开发应用与管理、智能建造过程中的人因工程、智慧运营管理、低碳经济等。中国建筑学会会员，中国城市科学研究会建设互联网与BIM专业委员会会员。目前发表学术论文16篇，主持科研项目4项。