A digital construction framework integrating building information modeling and reverse engineering technologies for renovation projects إطار عمل بناء رقمي يدمج نمذجة معلومات البناء وتقنيات الهندسة العكسية لمشاريع التجديد
Zhikun Ding ^(a){ }^{\mathrm{a}}, Shan Liu ^(a){ }^{\mathrm{a}}, Longhui Liao ^(a,**){ }^{\mathrm{a}, *}, Liang Zhang ^(b){ }^{\mathrm{b}} Zhikun Ding ^(a){ }^{\mathrm{a}} ، Shan Liu ^(a){ }^{\mathrm{a}} ، Longhui Liao ^(a,**){ }^{\mathrm{a}, *} ، Liang Zhang ^(b){ }^{\mathrm{b}}^("a "){ }^{\text {a }} College of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China ^("a "){ }^{\text {a }} كلية الهندسة المدنية، جامعة شنتشن، شنتشن، قوانغدونغ 518060، الصين^(b){ }^{\mathrm{b}} Lucky Cloud Corporation Ltd., Shenzhen, Guangdong 518040, China ^(b){ }^{\mathrm{b}} شركة لاكي كلاود المحدودة، شنتشن، قوانغدونغ 518040، الصين
A R T I C L E I N F O معلومات المقال
Keywords: الكلمات المفتاحية:
Building information modeling (BIM) نمذجة معلومات البناء (BIM)
Reverse engineering (RE) الهندسة العكسية (RE)
Digital construction البناء الرقمي
Work breakdown structure (WBS) هيكل تقسيم العمل (WBS)
Renovation تجديد
Virtual reality (VR) الواقع الافتراضي (VR)
Laser scan مسح ضوئي بالليزر
Manufacturing تصنيع
Rework إعادة العمل
Abstract خلاصة
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%15 \%, eliminated design changes by 30%30 \% and reworks by 25%25 \%, and finally saved two months and 7.41%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. تقترح هذه الدراسة إطار عمل رقميًا للإنشاءات يدمج نمذجة معلومات البناء (BIM) والهندسة العكسية (RE) لتحسين استخدام المعلومات في مراحل مختلفة، وبالتالي تقليل الأخطاء وإعادة العمل في مشاريع التجديد خلال فترة التجديد الحضري. يُستخدم المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد (3D) لتمكين عملية الهندسة العكسية. كما يتضمن هذا الإطار تقنيات داعمة (الواقع الافتراضي، والطباعة ثلاثية الأبعاد، والتصنيع المسبق) لفهم أفضل للتصميم والبناء، بالإضافة إلى أدوات (هيكل تقسيم العمل وهيكل تقسيم النموذج) لتحسين جودة التنظيم والإدارة. أدى تطبيق هذا الإطار المقترح في مركز تسوق مُجدد في هاينان، الصين، إلى تحسين كفاءة عملية التجديد بنسبة 15%15 \% ، والتخلص من تغييرات التصميم بنسبة 30%30 \% وإعادة العمل بنسبة 25%25 \% ، وتوفير شهرين و 7.41%7.41 \% من تكلفة غطاء الهيكل الفولاذي. وبالتالي، يمكن لهذا الإطار أن يقلل بشكل استباقي من حدوث الأخطاء وإعادة العمل أثناء عملية التجديد، مما يُحسّن بشكل كبير من فعالية التجديد الحضري.
1. Introduction 1. المقدمة
In the fast ongoing urbanization process, the contradiction between a large population and limited land space is dramatically increasing [1]. To solve this dilemma, urban renewal has become a mainstream activity of urban development. The renewal process adjusts urban functions, reuses urban space based on actual conditions, and finally achieves transformation motivated by multiple factors (such as economy, society, and environment). Nonetheless, urban renewal mostly follows the traditional labor-intensive industry practices and tends to be slow in renovation projects [2]. Among the factors seriously affecting construction productivity in the traditional delivery, reworks are considered as non-value adding activities which consume plenty of unnecessary time, costs, manpower, and materials for correcting errors, impairing defects, implementing changes, and so on [3-6]. في عملية التحضر السريعة الجارية، يتزايد التناقض بين عدد السكان الكبير ومساحات الأراضي المحدودة بشكل كبير [1]. ولحل هذه المعضلة، أصبح التجديد الحضري نشاطًا رئيسيًا للتنمية الحضرية. تعدل عملية التجديد الوظائف الحضرية، وتعيد استخدام المساحة الحضرية بناءً على الظروف الفعلية، وتحقق في النهاية تحولًا مدفوعًا بعوامل متعددة (مثل الاقتصاد والمجتمع والبيئة). ومع ذلك، يتبع التجديد الحضري في الغالب ممارسات الصناعة التقليدية كثيفة العمالة ويميل إلى أن يكون بطيئًا في مشاريع التجديد [2]. من بين العوامل التي تؤثر بشكل خطير على إنتاجية البناء في التسليم التقليدي، تعتبر إعادة العمل أنشطة غير مضافة للقيمة تستهلك الكثير من الوقت والتكاليف والقوى العاملة والمواد غير الضرورية لتصحيح الأخطاء وإضعاف العيوب وتنفيذ التغييرات وما إلى ذلك [3-6].
In urban areas most old buildings may either have lost their original design drawings or have no longer been consistent with the original drawings due to poor construction quality, construction deviation, or uninformed changes [7]. Consequently, it would take much time and money to renew projects if no original drawings are available. Even worse, if the renewal projects are guided by the inconsistent and inaccurate original design drawings, plenty of reworks may be caused. في المناطق الحضرية، قد تكون معظم المباني القديمة إما فقدت رسوماتها التصميمية الأصلية أو لم تعد متوافقة معها بسبب سوء جودة البناء، أو انحرافه عن المسار الصحيح، أو تغييرات غير مدروسة [7]. وبالتالي، سيستغرق تجديد المشاريع وقتًا وجهدًا كبيرين في حال عدم توفر رسومات أصلية. والأسوأ من ذلك، أنه إذا استُرشدت مشاريع التجديد برسومات تصميمية أصلية غير متسقة وغير دقيقة، فقد يُؤدي ذلك إلى إعادة تصميمات كثيرة.
Digital construction has emerged as one of the most useful tools to reduce reworks [8]. The current state-of-the-art approach of digital برز البناء الرقمي كواحد من أكثر الأدوات فائدة لتقليل إعادة العمل [8]. النهج المتطور الحالي للبناء الرقمي
construction is to use building information modeling (BIM) and prefabricated construction (PC). According to the National Institute of Building Sciences [9], a building information model is defined as “a shared knowledge resource for information about a facility forming a reliable basis for decisions during its life-cycle; defined as existing from earliest conception to demolition”. Thus, a project’s information is integrated in a controlled virtual environment, achieving “what you see is what you get” to reduce changes and reworks. To date, BIM greatly enhances collaboration and real-time information exchange among primary project participants [10] and thus has the potential to contribute to urban renewal practices. Compared with the traditional drafting approach, BIM has many advantages, such as visualization, coordination, simulation, and optimization [11,12]. Urban renewal transforms and reconstructs old urban districts, which needs accurate information of existing buildings as a guide. Therefore, BIM implementation may contribute to enhanced quality of the entire process in renovation projects. البناء هو استخدام نمذجة معلومات البناء (BIM) والبناء الجاهز (PC). وفقًا للمعهد الوطني لعلوم البناء [9]، يُعرَّف نموذج معلومات البناء بأنه "مورد معرفي مشترك للمعلومات حول منشأة تشكل أساسًا موثوقًا به للقرارات خلال دورة حياتها؛ ويُعرَّف بأنه موجود من التصور الأول إلى الهدم". وبالتالي، يتم دمج معلومات المشروع في بيئة افتراضية خاضعة للرقابة، مما يحقق "ما تراه هو ما تحصل عليه" لتقليل التغييرات وإعادة العمل. حتى الآن، يعزز BIM بشكل كبير التعاون وتبادل المعلومات في الوقت الفعلي بين المشاركين الأساسيين في المشروع [10] وبالتالي لديه القدرة على المساهمة في ممارسات التجديد الحضري. وبالمقارنة مع نهج الرسم التقليدي، يتمتع BIM بالعديد من المزايا، مثل التصور والتنسيق والمحاكاة والتحسين [11،12]. يحول التجديد الحضري ويعيد بناء المناطق الحضرية القديمة، الأمر الذي يحتاج إلى معلومات دقيقة عن المباني القائمة كدليل. لذلك، قد يساهم تنفيذ BIM في تحسين جودة العملية بأكملها في مشاريع التجديد.
Previous studies have attempted to explore BIM implementation frameworks. In particular, Jung and Joo [13] proposed a comprehensive BIM framework which consisted of three dimensions (BIM technology, BIM perspective, and construction business function) and six categories to address variables for theory and implementation, but it tended to be theoretical. Singh et al. [14] developed a theoretical framework of using BIM-server as a multi-disciplinary collaboration حاولت دراسات سابقة استكشاف أطر تطبيق نمذجة معلومات البناء (BIM). وعلى وجه الخصوص، اقترح جونغ وجو [13] إطار عمل شامل لنمذجة معلومات البناء (BIM) يتألف من ثلاثة أبعاد (تكنولوجيا نمذجة معلومات البناء، ومنظور نمذجة معلومات البناء، ووظيفة أعمال البناء) وست فئات لمعالجة متغيرات النظرية والتطبيق، إلا أنه كان يميل إلى الجانب النظري. طوّر سينغ وآخرون [14] إطارًا نظريًا لاستخدام خادم نمذجة معلومات البناء (BIM-server) كتعاون متعدد التخصصات.
platform, but mainly focused on technical requirements. Porwal and Hewage [15] proposed a BIM partnering framework which emphasized the power of engaging contractors upfront for reaping best values of BIM implementation, but focused on publicly-funded projects. However, little is known about how to implement BIM and apply these BIMbased frameworks to re-engineer the workflow and enhance the performance in renewal projects. In addition, the combination of BIM and PC needs much research in practice. It was suggested that the construction industry should learn from the manufacturing industry to drive digital planning, design, production, assembly, and management [16] to enhance information exchange and productivity of the renovation process. منصة، ولكنها ركزت بشكل أساسي على المتطلبات الفنية. اقترح بوروال وهيواج [15] إطار عمل لشراكة BIM يؤكد على قوة إشراك المقاولين مقدمًا لجني أفضل قيم من تطبيق BIM، ولكنه ركز على المشاريع الممولة من القطاع العام. ومع ذلك، لا يُعرف الكثير عن كيفية تنفيذ BIM وتطبيق هذه الأطر القائمة على BIM لإعادة هندسة سير العمل وتحسين الأداء في مشاريع التجديد. بالإضافة إلى ذلك، فإن الجمع بين BIM والكمبيوتر الشخصي يحتاج إلى الكثير من البحث في الممارسة العملية. واقترح أن يتعلم قطاع البناء من قطاع التصنيع لدفع التخطيط والتصميم والإنتاج والتجميع والإدارة الرقمية [16] لتعزيز تبادل المعلومات وإنتاجية عملية التجديد.
This study aims to develop a conceptual framework integrating BIM and reverse engineering (RE) technologies for renovation projects. This framework involves three solutions, including: (1) combining BIM and RE to improve information utilization and exchange among major stakeholders in different phases. The emergence of RE has been well recognized during the last decade because it can facilitate secondary design in the process of renovating old buildings; (2) combining BIM and virtual reality (VR) to help the stakeholders better understand design and construction; and (3) using work breakdown structure (WBS) and model breakdown structure (MBS) to assure good organization and management quality. This study may inspire further developments to this framework and provide valuable information for both academics and practitioners in renovation projects in urban areas. The subsequent sections review BIM, RE, and supporting approaches, describe the framework’s architecture, and report how this framework was applied in a renewal project in Hainan, China. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير إطار عمل مفاهيمي يدمج تقنيات BIM والهندسة العكسية (RE) لمشاريع التجديد. يتضمن هذا الإطار ثلاثة حلول، بما في ذلك: (1) الجمع بين BIM وRE لتحسين استخدام المعلومات وتبادلها بين أصحاب المصلحة الرئيسيين في مراحل مختلفة. وقد تم الاعتراف جيدًا بظهور RE خلال العقد الماضي لأنه يمكن أن يسهل التصميم الثانوي في عملية تجديد المباني القديمة؛ (2) الجمع بين BIM والواقع الافتراضي (VR) لمساعدة أصحاب المصلحة على فهم التصميم والبناء بشكل أفضل؛ و(3) استخدام هيكل تقسيم العمل (WBS) وهيكل تقسيم النموذج (MBS) لضمان جودة التنظيم والإدارة الجيدة. قد تلهم هذه الدراسة المزيد من التطورات في هذا الإطار وتوفر معلومات قيّمة لكل من الأكاديميين والممارسين في مشاريع التجديد في المناطق الحضرية. تستعرض الأقسام التالية BIM وRE والنهج الداعمة، وتصف بنية الإطار، وتفيد بكيفية تطبيقه في مشروع تجديد في هاينان، الصين.
2. Issues and needs of digital construction framework in the construction industry 2. قضايا واحتياجات إطار البناء الرقمي في صناعة البناء
2.1. Reworks in renovation projects 2.1. إعادة العمل في مشاريع التجديد
If information is not properly exchanged and managed in procedures such as processing, transmission, acceptance, and understanding, reworks will occur. Love and Li [17] stated that reworks are unneeded efforts of redoing activities or operations that are enforced in a wrong way from the beginning. Simpeh et al. [18] found that reworks are mainly derived from uncertainties which are generated by missing, unreliable, inaccurate, or conflicting information. Thus, reworks are non-value adding and costly and often cause delays, seriously affecting the productivity and performance of construction projects. For example, Barber et al. [19] reported that reworks contributed to cost overrun (approximately 23%23 \% ) of the contract value in multi-million pound major road schemes. إذا لم يتم تبادل المعلومات وإدارتها بشكل صحيح في إجراءات مثل المعالجة والنقل والقبول والفهم، فستحدث إعادة العمل. ذكر لوف ولي [17] أن إعادة العمل هي جهود غير ضرورية لإعادة الأنشطة أو العمليات التي يتم فرضها بطريقة خاطئة منذ البداية. وجد سيمبيه وآخرون [18] أن إعادة العمل مستمدة بشكل أساسي من عدم اليقين الناتج عن المعلومات المفقودة أو غير الموثوقة أو غير الدقيقة أو المتضاربة. وبالتالي، فإن إعادة العمل لا تضيف قيمة ومكلفة وغالبًا ما تسبب تأخيرات، مما يؤثر بشكل خطير على إنتاجية وأداء مشاريع البناء. على سبيل المثال، أفاد باربر وآخرون [19] أن إعادة العمل ساهمت في تجاوز التكلفة (حوالي 23%23 \% ) لقيمة العقد في مخططات الطرق الرئيسية بملايين الجنيهات.
In short, while reworks may result in inefficient processes in renovation projects, urban diseases become worse and urban renewal and urbanization would have to slow down. As mentioned earlier, the lack of original design drawings or the inaccuracy of original building information may be prone to large numbers of design errors, resulting in reworks. Fig. 1 presents the process of applying RE in renovation projects. The rationale is that RE can collect three-dimensional (3D) coordinates of existing buildings needing renovation through advanced scanning technology and accurately restore their original building information into 3D models. Based on the rebuilt digital models, further design analysis can be carried out. BIM data provided by the secondary design model would be used for information management in the subsequent construction and operations and maintenance processes. باختصار، في حين أن إعادة العمل قد تؤدي إلى عمليات غير فعّالة في مشاريع التجديد، فإن الأمراض الحضرية تتفاقم، وسيتباطأ التجديد الحضري والتوسع العمراني. وكما ذُكر سابقًا، فإن نقص رسومات التصميم الأصلية أو عدم دقة معلومات البناء الأصلية قد يكونان عرضة لأخطاء تصميمية كثيرة، مما يؤدي إلى إعادة العمل. يوضح الشكل 1 عملية تطبيق RE في مشاريع التجديد. والسبب هو أن RE يمكنها جمع إحداثيات ثلاثية الأبعاد للمباني القائمة التي تحتاج إلى تجديد من خلال تقنية مسح ضوئي متقدمة، واستعادة معلومات البناء الأصلية بدقة إلى نماذج ثلاثية الأبعاد. وبناءً على النماذج الرقمية المُعاد بناؤها، يمكن إجراء المزيد من تحليلات التصميم. وستُستخدم بيانات BIM التي يوفرها نموذج التصميم الثانوي لإدارة المعلومات في عمليات البناء والتشغيل والصيانة اللاحقة.
Fig. 1. Process of applying reverse engineering. الشكل 1. عملية تطبيق الهندسة العكسية.
2.2. Importance of combining BIM and RE 2.2. أهمية دمج BIM وRE
Measures to reduce reworks should be targeted on enhanced information utilization, which points to BIM implementation. Eastman et al. [20] used BIM to achieve integrated information management in construction projects and made only 0.2%0.2 \% reworks and realized zero conflict between various professional systems. BIM creates comprehensive, reliable, easy-to-access, and easy-to-replace building information for anyone in the entire lifecycle of a building. Grilo and JardimGoncalves [21] reported that BIM implementation completely changes project information management mode and can let team members know who is responsible and what obligations need to be fulfilled [22]. Therefore, BIM can maintain information and improve information flow throughout the life cycle of the construction project, which is applied to various fields [23]. Project participants have better access to information and improve the understanding of and control for the project. In addition, the as-built model serves as a knowledge base to record the evolving facility information and allow the facility manager to analyze information about the entire system during the operations and maintenance stage [24]. يجب أن تستهدف التدابير الرامية إلى تقليل إعادة العمل تحسين استخدام المعلومات، مما يشير إلى تطبيق BIM. استخدم Eastman وآخرون [20] BIM لتحقيق إدارة معلومات متكاملة في مشاريع البناء وقاموا بإعادة العمل 0.2%0.2 \% فقط وحققوا عدم وجود أي تعارض بين مختلف الأنظمة المهنية. ينشئ BIM معلومات بناء شاملة وموثوقة وسهلة الوصول وسهلة الاستبدال لأي شخص في دورة حياة المبنى بأكملها. أفاد Grilo و JardimGoncalves [21] أن تطبيق BIM يغير وضع إدارة معلومات المشروع تمامًا ويمكنه إخبار أعضاء الفريق من المسؤول وما هي الالتزامات التي يجب الوفاء بها [22]. لذلك، يمكن لـ BIM الحفاظ على المعلومات وتحسين تدفقها طوال دورة حياة مشروع البناء، والذي يتم تطبيقه على مجالات مختلفة [23]. يتمتع المشاركون في المشروع بإمكانية وصول أفضل إلى المعلومات وتحسين فهم المشروع والتحكم فيه. بالإضافة إلى ذلك، يعمل نموذج البناء كما هو مبني كقاعدة معرفية لتسجيل معلومات المنشأة المتطورة والسماح لمدير المنشأة بتحليل المعلومات حول النظام بأكمله أثناء مرحلة التشغيل والصيانة [24].
Nevertheless, an established building information model achieves value only if the data sources are accurate [25]. Regarding renovation projects, the inability to quickly obtain building information or the inconsistency between the original design drawings and the actual buildings will affect the accuracy of the digital model. ومع ذلك، لا يحقق نموذج معلومات البناء الراسخ أي قيمة إلا إذا كانت مصادر البيانات دقيقة [25]. وفيما يتعلق بمشاريع التجديد، فإن عدم القدرة على الحصول بسرعة على معلومات البناء أو عدم الاتساق بين الرسومات التصميمية الأصلية والمباني الفعلية سيؤثر على دقة النموذج الرقمي.
This creates the need of using RE to quickly collect a building’s geometric information. With help from supporting tools, 3D data of various large, complex, irregular, standard or non-standard entities, and real scenes can be directly generated, thereby facilitating rapid reconstruction of a 3D design model. The collected information can also be used for follow-up processes, such as analysis, guidelines, simulation, display, monitoring, virtual reality, and so on. For instance, ElHakim et al. [26] constructed a data acquisition system which used a 3D laser scanner and a charge-coupled device (CCD) camera to realize 3D simulation of indoor scenes. Rottensteiner and Briese [27] built a digital surface model using aeronautical laser scanning data and then created a digital terrain model to get building profile by setting height limits. Similarly, Lee and Choi [28] integrated ground-based laser scanning with a digital imaging framework for studying 3D reconstruction of buildings. Stamos et al. [29] created a point cloud data acquisition system that restored a photorealistic 3D model of an ancient building after using the CCD camera to obtain the building objects’ color image. Kadobayashi et al. [30] combined terrestrial laser scanning with close-range photogrammetry for the conservation and reconstruction of heritage sites. هذا يخلق الحاجة إلى استخدام RE لجمع المعلومات الهندسية للمبنى بسرعة. بمساعدة الأدوات الداعمة، يمكن إنشاء بيانات ثلاثية الأبعاد للعديد من الكيانات الكبيرة والمعقدة وغير المنتظمة والقياسية أو غير القياسية والمشاهد الحقيقية مباشرة، مما يسهل إعادة بناء نموذج تصميم ثلاثي الأبعاد بسرعة. يمكن أيضًا استخدام المعلومات التي تم جمعها لعمليات المتابعة، مثل التحليل والمبادئ التوجيهية والمحاكاة والعرض والمراقبة والواقع الافتراضي وما إلى ذلك. على سبيل المثال، قام ElHakim et al. [26] ببناء نظام اكتساب بيانات يستخدم ماسح ضوئي ليزر ثلاثي الأبعاد وكاميرا جهاز اقتران الشحنة (CCD) لتحقيق محاكاة ثلاثية الأبعاد للمشاهد الداخلية. قام Rottensteiner و Briese [27] ببناء نموذج سطح رقمي باستخدام بيانات المسح الضوئي بالليزر الجوي ثم أنشأوا نموذجًا رقميًا للتضاريس للحصول على ملف تعريف المبنى من خلال تحديد حدود الارتفاع. وبالمثل، قام Lee و Choi [28] بدمج المسح الضوئي بالليزر الأرضي مع إطار عمل التصوير الرقمي لدراسة إعادة بناء المباني ثلاثية الأبعاد. Stamos et al. [29] أنشأ نظامًا لجمع بيانات سحابة النقاط استعاد نموذجًا ثلاثي الأبعاد واقعيًا لمبنى قديم بعد استخدام كاميرا CCD للحصول على صورة ملونة لأجسام المبنى. قام كادوباياشي وآخرون [30] بدمج المسح الضوئي بالليزر الأرضي مع التصوير الفوتوغرامتري عن قرب للحفاظ على المواقع التراثية وإعادة بنائها.
In practice, as renovation and modification usually take place after a project’s handover and operations and maintenance, changes may not be fully documented. This phenomenon raises difficulties of design and construction in renovation projects as well as increases time and costs. Recently-introduced 3D laser scanners make possible rapid and accurate capturing of a huge number of point cloud data, which produces very dense and elaborate coordinate data points for the surfaces of a physical object [31-33]. Integrating laser scanning with BIM can yield significant advantages over the traditional approaches, specifically by facilitating fast and accurate data acquisition for existing conditions [25,34-37]. With laser scanning, as-built conditions and changes in the operations stage can be documented to ensure the accuracy of information processed in BIM [38]. عمليًا، نظرًا لأن التجديد والتعديل عادةً ما يتمان بعد تسليم المشروع وتشغيله وصيانته، فقد لا تُوثَّق التغييرات بشكل كامل. تُثير هذه الظاهرة صعوبات في التصميم والبناء في مشاريع التجديد، كما تزيد من الوقت والتكاليف. تُتيح الماسحات الضوئية الليزرية ثلاثية الأبعاد المُستخدَمة حديثًا التقاطًا سريعًا ودقيقًا لعدد هائل من بيانات السحابة النقطية، مما يُنتج نقاط بيانات إحداثيات كثيفة ومُعقَّدة لأسطح الأجسام المادية [31-33]. يُمكن أن يُحقِّق دمج المسح الضوئي بالليزر مع نمذجة معلومات البناء (BIM) مزايا كبيرة مقارنةً بالطرق التقليدية، وتحديدًا من خلال تسهيل الحصول السريع والدقيق على البيانات للظروف الحالية [25،34-37]. باستخدام المسح الضوئي بالليزر، يُمكن توثيق ظروف البناء والتغييرات في مرحلة التشغيل لضمان دقة المعلومات المُعالَجة في نمذجة معلومات البناء [38].
The combination of BIM and RE in the architecture, engineering, and construction (AEC) industry was also explored in previous studies. By combining BIM, 3D laser scanning, and radio-frequency identification technology, Hajian and Astani [39] studied real-time information management of construction projects. Huber et al. [40] automatically generated an as-built model based on laser scanning data. Giel and Issa [38] studied how scanned data could be used for analyzing an existing building information model to assist quality control. Wang et al. [25] كما تم استكشاف دمج نمذجة معلومات البناء (BIM) والهندسة المعمارية والبناء (RE) في قطاع الهندسة المعمارية والهندسة والبناء (AEC) في دراسات سابقة. من خلال الجمع بين نمذجة معلومات البناء (BIM) والمسح الضوئي ثلاثي الأبعاد بالليزر وتقنية تحديد الترددات الراديوية، درس هاجيان وأستاني [39] إدارة المعلومات الآنية لمشاريع البناء. أنشأ هوبر وآخرون [40] نموذجًا مبنيًا تلقائيًا بناءً على بيانات المسح الضوئي بالليزر. درس جيل وعيسى [38] كيفية استخدام البيانات الممسوحة ضوئيًا لتحليل نموذج معلومات بناء قائم للمساعدة في مراقبة الجودة. وانغ وآخرون [25]
achieved automated quality assessment of precast concrete elements with geometry irregularities using terrestrial laser scanning and BIM. Based on the above analysis, this study would combine BIM and RE in the proposed framework for renovation projects in urban renewal. تم إنجاز تقييم جودة آلي لعناصر الخرسانة الجاهزة ذات التفاوتات الهندسية باستخدام المسح الضوئي الأرضي بالليزر ونمذجة معلومات البناء (BIM). بناءً على التحليل السابق، ستدمج هذه الدراسة نمذجة معلومات البناء (BIM) ونمذجة الطاقة المتجددة (RE) في الإطار المقترح لمشاريع التجديد في مجال التجديد الحضري.
2.3. Importance of combining BIM and VR ٢.٣. أهمية دمج BIM والواقع الافتراضي
VR is a computer technology that gives users an illusion of being immersed in a virtual environment. Fundamentally, VR enables a computer simulation of real situation where human subject may interact with the virtual environment [41]. This technology generates visualizations of spatial data that can be interactively controlled by the users and displayed on a screen [42]. It has many applications within the AEC industries [43-45]. الواقع الافتراضي (VR) هو تقنية حاسوبية تمنح المستخدمين وهم الانغماس في بيئة افتراضية. يُمكّن الواقع الافتراضي، في جوهره، من محاكاة حاسوبية لمواقف حقيقية، حيث يتفاعل الشخص مع البيئة الافتراضية [41]. تُولّد هذه التقنية تصورات للبيانات المكانية، والتي يمكن للمستخدمين التحكم فيها تفاعليًا وعرضها على الشاشة [42]. لها تطبيقات عديدة في صناعات الهندسة المعمارية والإنشاءات والهندسة (AEC) [43-45].
Hall and Tewdwr-Jones [46] highlighted communication difficulties among different stakeholders, which were mainly resulted from insufficient collaboration and information sharing in the project life cycle. Nevertheless, with VR, a new solution has emerged. Bouchlaghem et al. [43] reported that VR offers an efficient communication and construction platform which can freely navigate through 3D scenes from a first-person perspective, facilitating a better understanding among all involved parties, despite their professional expertise or backgrounds. While the use of VR itself has not been widespread due to the lack of required 3D data in renovation projects, the combination of BIM and VR has created new possibilities. Specifically, 3D data can be extracted from the virtual design environment, instead of being created from scratch using two-dimensional (2D) plans, elevations, and sketches as references. In the past, field workers and engineers often needed to supervise or perform construction activities by reading annotated design drawings, manuals or photographs, which consumed a considerable amount of time and efforts. As a comparison, the combination of BIM and VR ensures the field staff in a renovation project, especially those with limited experience of using traditional design documents, to better understand what the designers mean, efficiently expedite construction activities, and thus avoid reworks. This enables the field personnel to visualize design models with detailed objects and properties, especially those complicated ones, directly on-site right before construction. Furthermore, the design database will automatically update any changes and generate all representations and visualization for these site staff, avoiding any misunderstandings and allowing for a thorough understanding of the changes’ construction impacts [11,47]. سلط هول وتيودور-جونز [46] الضوء على صعوبات التواصل بين مختلف أصحاب المصلحة، والتي نتجت بشكل رئيسي عن عدم كفاية التعاون وتبادل المعلومات في دورة حياة المشروع. ومع ذلك، فقد ظهر حل جديد مع الواقع الافتراضي. أفاد بوشلاغيم وآخرون [43] أن الواقع الافتراضي يوفر منصة فعالة للاتصال والبناء يمكنها التنقل بحرية عبر المشاهد ثلاثية الأبعاد من منظور الشخص الأول، مما يسهل فهمًا أفضل بين جميع الأطراف المعنية، على الرغم من خبرتهم المهنية أو خلفياتهم. في حين أن استخدام الواقع الافتراضي نفسه لم يكن واسع الانتشار بسبب نقص البيانات ثلاثية الأبعاد المطلوبة في مشاريع التجديد، إلا أن الجمع بين نمذجة معلومات البناء والواقع الافتراضي قد خلق إمكانيات جديدة. على وجه التحديد، يمكن استخراج البيانات ثلاثية الأبعاد من بيئة التصميم الافتراضية، بدلاً من إنشائها من الصفر باستخدام مخططات ثنائية الأبعاد (2D) والارتفاعات والرسومات كمراجع. في الماضي، غالبًا ما كان العمال الميدانيون والمهندسون بحاجة إلى الإشراف على أنشطة البناء أو تنفيذها من خلال قراءة رسومات التصميم الموضحة أو الأدلة أو الصور الفوتوغرافية، والتي كانت تستهلك قدرًا كبيرًا من الوقت والجهد. على سبيل المقارنة، يضمن الجمع بين نمذجة معلومات البناء (BIM) والواقع الافتراضي (VR) لموظفي الموقع في مشاريع التجديد، وخاصةً ذوي الخبرة المحدودة في استخدام وثائق التصميم التقليدية، فهمًا أفضل لأهداف المصممين، وتسريع أعمال البناء بكفاءة، وبالتالي تجنب إعادة العمل. هذا يُمكّن موظفي الموقع من تصوّر نماذج التصميم بتفاصيل الأشياء والخصائص، وخاصةً المعقدة منها، مباشرةً في الموقع قبل بدء البناء. علاوة على ذلك، ستقوم قاعدة بيانات التصميم بتحديث أي تغييرات تلقائيًا وإنشاء جميع التمثيلات والتصورات لموظفي الموقع، وتجنب أي سوء فهم والسماح بفهم شامل لتأثيرات التغييرات على البناء [11،47].
2.4. Importance of incorporating advanced supporting tools derived from the manufacturing industry 2.4. أهمية دمج أدوات الدعم المتقدمة المستمدة من صناعة التصنيع
In addition to the aforementioned concepts and technologies, this study also described some supporting tools that would be used in the construction industry, including WBS, PC, and 3D printing. Andresen et al. [48] advocated that the most important idea of Britain “Construction IT, 2000” research program was to learn from the manufacturing industry. In 1962, the United State Navy first proposed WBS in project management of modern ship [49]. The Project Management Institute (PMI) defined WBS as “a deliverable-oriented grouping of project elements, which organizes and defines the structure of the entire project, with each descending level representing an increasingly detailed definition of the project work” [50,51]. WBS defines a project’s scope and forms the foundation for planning, responsibility assignment, budgeting, and information management. García-Fornieles et al. [52] noted that WBS was probably the most valuable and indispensable tool for project management. By partitioning a project into stages, deliverables, and work packages, a systematic WBS can search pivotal work and reduce unwanted possibilities while providing effective project management in the planning process. Thus, the correct use of WBS paves the way for effective planning, estimating, monitoring, and scheduling of activities [53,54]. In construction projects, the difficulties of delivering on time, within budget, and to required quality standard بالإضافة إلى المفاهيم والتقنيات المذكورة أعلاه، وصفت هذه الدراسة أيضًا بعض الأدوات الداعمة التي يمكن استخدامها في صناعة البناء، بما في ذلك هيكل تقسيم العمل والكمبيوتر والطباعة ثلاثية الأبعاد. دعا أندرسن وآخرون [48] إلى أن أهم فكرة لبرنامج البحث البريطاني "تكنولوجيا المعلومات في مجال البناء، 2000" هي التعلم من صناعة التصنيع. في عام 1962، اقترحت البحرية الأمريكية لأول مرة هيكل تقسيم العمل في إدارة مشاريع السفن الحديثة [49]. عرّف معهد إدارة المشاريع (PMI) هيكل تقسيم العمل بأنه "مجموعة من عناصر المشروع موجهة نحو التسليم، والتي تنظم وتحدد هيكل المشروع بأكمله، حيث يمثل كل مستوى تنازلي تعريفًا تفصيليًا متزايدًا لعمل المشروع" [50،51]. يحدد هيكل تقسيم العمل نطاق المشروع ويشكل الأساس للتخطيط وتعيين المسؤوليات والميزانية وإدارة المعلومات. لاحظ جارسيا فورنيليس وآخرون [52] أن هيكل تقسيم العمل كان على الأرجح الأداة الأكثر قيمة والتي لا غنى عنها لإدارة المشاريع. من خلال تقسيم المشروع إلى مراحل، ومخرجات، وحزم عمل، يُمكن لهيكل تقسيم العمل المنهجي البحث عن العمل المحوري وتقليل الاحتمالات غير المرغوبة، مع توفير إدارة فعّالة للمشروع في عملية التخطيط. وبالتالي، يُمهّد الاستخدام الصحيح لهيكل تقسيم العمل الطريق لتخطيط وتقدير ومراقبة وجدولة الأنشطة بفعالية [53،54]. في مشاريع البناء، تُعدّ صعوبات التسليم في الوقت المحدد، وفي حدود الميزانية، ووفقًا لمعايير الجودة المطلوبة
face every project manager. WBS is one of the tools available to aiding project planning and management. In particular, project engineering is systematically decomposed into smaller and manageable units to effectively control the construction phase and reduce reworks. يواجه كل مدير مشروع هيكل تقسيم العمل (WBS). يُعد هيكل تقسيم العمل (WBS) أحد الأدوات المتاحة للمساعدة في تخطيط وإدارة المشاريع. وبشكل خاص، يتم تقسيم هندسة المشروع بشكل منهجي إلى وحدات أصغر وأكثر قابلية للإدارة للتحكم الفعال في مرحلة البناء وتقليل الحاجة إلى إعادة العمل.
Moreover, in the traditional project delivery, the design and construction phases are fragmented, resulting in a less coordinated workflow. In a construction project, very often the design was not completed until the construction phase where construction and installation activities already commenced, so design errors were not found until then. Consequently, unnecessary changes and reworks occurred, consuming time and resources. The idea of PC originates from the manufacturing industry, with buildings expected to be built in the same way as a car or a piece of flat-packed furniture is assembled [55]. In a project using PC, the entire industrial value chain is integrated with standardized design, component parts, and mechanized construction. This saves labor, speeds up the progress of the project, and reduces wastes [16]. علاوة على ذلك، في تسليم المشاريع التقليدية، تكون مرحلتا التصميم والبناء مجزأتين، مما يؤدي إلى سير عمل أقل تنسيقًا. في مشروع البناء، غالبًا ما لا يكتمل التصميم إلا في مرحلة البناء حيث تبدأ أنشطة البناء والتركيب بالفعل، لذلك لا يتم اكتشاف أخطاء التصميم إلا في ذلك الوقت. ونتيجة لذلك، تحدث تغييرات وإعادة عمل غير ضرورية، مما يستهلك الوقت والموارد. نشأت فكرة الكمبيوتر الشخصي من صناعة التصنيع، حيث يُتوقع بناء المباني بنفس طريقة تجميع السيارة أو قطعة أثاث مسطحة [55]. في المشروع الذي يستخدم الكمبيوتر الشخصي، يتم دمج سلسلة القيمة الصناعية بأكملها مع التصميم الموحد وأجزاء المكونات والبناء الآلي. وهذا يوفر العمالة، ويسرع تقدم المشروع، ويقلل من النفايات [16].
Furthermore, the evolution of 3D printing has changed design, engineering, and manufacturing processes across industries such as aerospace, consumer products, and automobiles [56]. After the design phase, the 3D printing technique can be used to produce a building’s prototype model to assist the project team in the visual management in the construction and operations and maintenance phases. Specifically, the prototype model helps the primary participants to check whether the design meets relevant functional and aesthetic requirements. علاوة على ذلك، غيّر تطور الطباعة ثلاثية الأبعاد عمليات التصميم والهندسة والتصنيع في قطاعات مثل الطيران، والمنتجات الاستهلاكية، والسيارات [56]. بعد مرحلة التصميم، يمكن استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج نموذج أولي للمبنى، لمساعدة فريق المشروع في الإدارة البصرية خلال مراحل البناء والتشغيل والصيانة. وبشكل أكثر تحديدًا، يساعد النموذج الأولي المشاركين الرئيسيين على التحقق من استيفاء التصميم للمتطلبات الوظيفية والجمالية ذات الصلة.
Although the technologies and tools mentioned earlier have drawn great attention from researchers and practitioners in the construction industry, currently they have not been popular enough to maximize their values in renovation projects. The combination of BIM and RE, with support from 3D laser scanning, VR, as well as supporting tools derived from the manufacturing industry may be a valuable way for project management in renovation projects, because this provides a holistic view of using the state-of-the-art innovations in the renovation process. Despite the significance and repercussions of the technical solutions, previous studies tended to only illustrate the advantages of these independent technologies in projects, the integration of BIM, RE, and their supporting tools in the construction industry, especially in renovation projects in urban areas, has not been fully explored. Therefore, the aforementioned digital construction framework needs to be developed to fill this gap. على الرغم من أن التقنيات والأدوات المذكورة سابقًا قد جذبت اهتمامًا كبيرًا من الباحثين والممارسين في صناعة البناء، إلا أنها لم تحظَ بشعبية كافية حاليًا لتعظيم قيمتها في مشاريع التجديد. قد يكون الجمع بين BIM وRE، بدعم من المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد بالليزر والواقع الافتراضي، بالإضافة إلى الأدوات الداعمة المستمدة من صناعة التصنيع، طريقة قيّمة لإدارة المشاريع في مشاريع التجديد، لأنه يوفر رؤية شاملة لاستخدام أحدث الابتكارات في عملية التجديد. على الرغم من أهمية وتداعيات الحلول التقنية، إلا أن الدراسات السابقة تميل إلى توضيح مزايا هذه التقنيات المستقلة في المشاريع فقط، ولم يتم استكشاف تكامل BIM وRE وأدواتهما الداعمة في صناعة البناء، وخاصة في مشاريع التجديد في المناطق الحضرية، بشكل كامل. لذلك، يجب تطوير إطار البناء الرقمي المذكور أعلاه لسد هذه الفجوة.
3. Methodology 3. المنهجية
This paper was divided into three stages. Firstly, a literature search was carried out to establish the need of integrating BIM and RE, incorporating other supporting tools, as well as learning from the manufacturing industry for reworks reduction in renovation projects during urban renewal. Secondly, a digital construction framework was developed to demonstrate how project teams may enhance information and organization management in renovation projects. BIM, RE, and other advanced tools reviewed were used in this framework. Finally, a case study was conducted to validate the proposed framework. For better readability, the methods of data collection and data analysis would be reported in the “Case study” section. قُسِّمت هذه الورقة البحثية إلى ثلاث مراحل. أولًا، أُجري بحثٌ في الأدبيات لتحديد مدى الحاجة إلى دمج نمذجة معلومات البناء (BIM) والطاقة المتجددة (RE)، مع دمج أدوات داعمة أخرى، بالإضافة إلى الاستفادة من تجارب قطاع التصنيع لتقليل تكاليف إعادة العمل في مشاريع التجديد خلال فترة التجديد الحضري. ثانيًا، طُوِّر إطار عمل رقمي للبناء لإظهار كيفية مساهمة فرق المشروع في تحسين إدارة المعلومات والتنظيم في مشاريع التجديد. استُخدمت نمذجة معلومات البناء (BIM) والطاقة المتجددة (RE) وغيرها من الأدوات المتقدمة التي تمت مراجعتها في هذا الإطار. وأخيرًا، أُجريت دراسة حالة للتحقق من صحة الإطار المقترح. ولتسهيل القراءة، سيتم ذكر أساليب جمع البيانات وتحليلها في قسم "دراسة الحالة".
4. Development of a digital construction framework for renovation projects 4. تطوير إطار بناء رقمي لمشاريع التجديد
Under WBS’s guidance, this study proposed a comprehensive framework for effective information and organization management, which integrated BIM, RE, and other supporting techniques such as 3D laser scanning and PC. The framework was described in the life cycle of renovation projects, namely the planning, design, and construction phases, as shown in Fig. 2(a). To keep work manageable in a renovation project, WBS and MBS are applied for the primary participants to control the project. The framework is able to provide information for optimizing the organization, cost, contracting, quality, time, and so on. بتوجيه من هيكل تقسيم العمل (WBS)، اقترحت هذه الدراسة إطارًا شاملاً لإدارة المعلومات والتنظيم بفعالية، يجمع بين نمذجة معلومات البناء (BIM) والهندسة المعمارية (RE) وتقنيات داعمة أخرى مثل المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد والكمبيوتر. وُصف هذا الإطار في دورة حياة مشاريع التجديد، أي مراحل التخطيط والتصميم والبناء، كما هو موضح في الشكل 2(أ). ولضمان إدارة العمل في مشروع التجديد بسلاسة، يُطبق هيكل تقسيم العمل (WBS) وهيكل إدارة المشروع (MBS) على المشاركين الرئيسيين لإدارة المشروع. يوفر هذا الإطار معلومات لتحسين التنظيم والتكلفة والتعاقد والجودة والوقت، وما إلى ذلك.
