中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
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摘 要 在借鑒美國bSa（building SMART alliance）對美國建筑工程行業(yè)BIM應用分類(lèi)的基礎上，整理和歸納了目前中國建筑工程行業(yè)BIM在建筑全生命周期中的20種典型應用。
關(guān)鍵詞 BIM 建筑全生命周期 典型應用
0 引言
在過(guò)去的20多年中，CAD技術(shù)的普及和推廣使建筑師、工程師們甩掉圖板，從傳統的手工繪圖、設計和計算中解放出來(lái)，可以說(shuō)是工程設計領(lǐng)域的第一次數字革命。而現在，建筑信息模型（BIM）的出現將引發(fā)整個(gè)工程建設領(lǐng)域的第二次數字革命。BIM不僅帶來(lái)現有技術(shù)的進(jìn)步和更新?lián)Q代，它也間接影響了生產(chǎn)組織模式和管理方式，并將更長(cháng)遠地影響人們思維模式的轉變。
BIM技術(shù)的核心是通過(guò)在計算機中建立虛擬的建筑工程三維模型，同時(shí)利用數字化技術(shù)為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構件的幾何信息、專(zhuān)業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構件對象（例如空間、運動(dòng)行為）的信息。借助這個(gè)富含建筑工程信息的三維模型，建筑工程的信息集成化程度大大提高，從而為建筑工程項目的相關(guān)利益方提供了一個(gè)工程信息交換和共享的平臺。結合更多的相關(guān)數字化技術(shù)，BIM模型中包含的工程信息還可以被用于模擬建筑物在真實(shí)世界中的狀態(tài)和變化，使得建筑物在建成之前，相關(guān)利益方就能對整個(gè)工程項目的成敗做出完整的分析和評估。
隨著(zhù)B IM在國內逐漸被認可與應用，特別是近年來(lái)在國內工程建造行業(yè)高速發(fā)展的背景下，BIM已經(jīng)在國內一些大型工程項目中得到積極應用，涌現出很多成功案例。美國b S a（building SMART alliance）曾經(jīng)對目前美國工程建設行業(yè)領(lǐng)域的BIM應用情況做過(guò)詳細調查，并總結出目前美國市場(chǎng)上BIM的25種不同應用并加以分析研究，用于指導工程項目在不同階段選擇合適的BIM應用。國內目前還缺少在這一領(lǐng)域的深入研究，不過(guò)我們依然可以借鑒美國bSa對BIM應用的分類(lèi)框架，結合目前國內BIM技術(shù)的發(fā)展現狀、市場(chǎng)對BIM應用的接受程度以及國內工程建設行業(yè)的特點(diǎn)，對中國建筑市場(chǎng)BIM的典型應用進(jìn)行歸納和分類(lèi)（圖1）。
由于中美建筑市場(chǎng)的差異以及本土主流BIM軟件的欠缺，國內BIM應用在行業(yè)跨度和深度上都和美國有一定距離，不過(guò)大的應用方向是一致的。以下為筆者整理出來(lái)的目前國內建筑市場(chǎng)典型的BIM應用，一共有20個(gè)，希望和大家進(jìn)行交流探討。
1 BIM的20種典型應用
1.1 BIM模型維護
根據項目建設進(jìn)度建立和維護BIM模型，實(shí)質(zhì)是使用BIM平臺匯總各項目團隊所有的建筑工程信息，消除項目中的信息孤島，并且將得到的信息結合三維模型進(jìn)行整理和儲存，以備項目全過(guò)程中項目各相關(guān)利益方隨時(shí)共享。
由于BIM的用途決定了BIM模型細節的精度，同時(shí)僅靠一個(gè)BIM工具并不能完成所有的工作，所以目前業(yè)內主要采用“分布式”BIM模型的方法，建立符合工程項目現有條件和使用用途的BIM模型。這些模型根據需要可能包括：設計模型、施工模型、進(jìn)度模型、成本模型、制造模型、操作模型等。BIM“分布式”模型還體現在BIM模型往往由相關(guān)的設計單位、施工單位或者運營(yíng)單位根據各自工作范圍單獨建立，最后通過(guò)統一的標準合成。這將增加對BIM建模標準、版本管理、數據安全的管理難度，所以有時(shí)候業(yè)主也會(huì )委托獨立的BIM服務(wù)商統一規劃、維護和管理整個(gè)工程項目的BIM應用，以確保BIM模型信息的準確、時(shí)效和安全。
1.2 場(chǎng)地分析
場(chǎng)地分析是研究影響建筑物定位的主要因素，是確定建筑物的空間方位和外觀(guān)、建立建筑物與周?chē)坝^(guān)的聯(lián)系的過(guò)程。在規劃階段，場(chǎng)地的地貌、植被、氣候條件都是影響設計決策的重要因素，往往需要通過(guò)場(chǎng)地分析來(lái)對景觀(guān)規劃、環(huán)境現狀、施工配套及建成后交通流量等各種影響因素進(jìn)行評價(jià)及分析。傳統的場(chǎng)地分析存在諸如定量分析不足、主觀(guān)因素過(guò)重、無(wú)法處理大量數據信息等弊端，通過(guò)BIM結合地理信息系統（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱(chēng)GIS），對場(chǎng)地及擬建的建筑物空間數據進(jìn)行建模，通過(guò)BIM及GIS軟件的強大功能，迅速得出令人信服的分析結果，幫助項目在規劃階段評估場(chǎng)地的使用條件和特點(diǎn)，從而做出新建項目最理想的場(chǎng)地規劃、交通流線(xiàn)組織關(guān)系、建筑布局等關(guān)鍵決策。
1.3 建筑策劃
建筑策劃是在總體規劃目標確定后，根據定量分析得出設計依據的過(guò)程。相對于根據經(jīng)驗確定設計內容及依據（設計任務(wù)書(shū)）的傳統方法，建筑策劃利用對建設目標所處社會(huì )環(huán)境
及相關(guān)因素的邏輯數理分析，研究項目任務(wù)書(shū)對設計的合理導向，制定和論證建筑設計依據，科學(xué)地確定設計的內容，并尋找達到這一目標的科學(xué)方法。在這一過(guò)程中，除了需要運用建筑學(xué)的原理，借鑒過(guò)去的經(jīng)驗和遵守規范，更重要的是要以實(shí)態(tài)調查為基礎，用計算機等現代化手段對目標進(jìn)行研究。
BIM能夠幫助項目團隊在建筑規劃階段，通過(guò)對空間進(jìn)行分析來(lái)理解復雜空間的標準和法規，從而節省時(shí)間，提供對團隊更多增值活動(dòng)的可能。特別是在客戶(hù)討論需求、選擇以及分析最佳方案時(shí)，能借助BIM及相關(guān)分析數據，做出關(guān)鍵性的決定。BIM在建筑策劃階段的應用成果還會(huì )幫助建筑師在建筑設計階段隨時(shí)查看初步設計是否符合業(yè)主的要求，是否滿(mǎn)足建筑策劃階段得到的設計依據，通過(guò)BIM連貫的信息傳遞或追溯，大大減少以后詳圖設計階段發(fā)現不合格需要修改設計的巨大浪費（圖2）。
1.7 性能化分析
利用計算機進(jìn)行建筑物理性能化分析始于20世紀60年代甚至更早，早已形成成熟的理論支持，開(kāi)發(fā)出豐富的工具軟件。但是在CAD時(shí)代，無(wú)論什么樣的分析軟件都必須通過(guò)手工的方式輸入相關(guān)數據才能開(kāi)展分析計算，而操作和使用這些軟件不僅需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)培訓才能完成，同時(shí)由于設計方案的調整，造成原本就耗時(shí)耗力的數據錄入工作需要經(jīng)常性的重復錄入或者校核，導致包括建筑能量分析在內的建筑物理性能化分析通常被安排在設計的最終階段，成為一種象征性的工作，使建筑設計與性能化分析計算之間嚴重脫節。
利用BIM技術(shù)，建筑師在設計過(guò)程中創(chuàng )建的虛擬建筑模型已經(jīng)包含了大量的設計信息（幾何信息、材料性能、構件屬性等），只要將模型導入相關(guān)的性能化分析軟件，就可以得到相應的分析結果（圖6），原本需要專(zhuān)業(yè)人士花費大量時(shí)間輸入大量專(zhuān)業(yè)數據的過(guò)程，如今可以自動(dòng)完成，這大大降低了性能化分析的周期，提高了設計質(zhì)量，同時(shí)也使設計公司能夠為業(yè)主提供更專(zhuān)業(yè)的技能和服務(wù)。
1.8 工程量統計
在CAD時(shí)代，由于CAD無(wú)法存儲可以讓計算機自動(dòng)計算工程項目構件的必要信息，所以需要依靠人工根據圖紙或者CAD文件進(jìn)行測量和統計，或者使用專(zhuān)門(mén)的造價(jià)計算軟件根據圖紙或者CAD文件重新進(jìn)行建模后由計算機自動(dòng)進(jìn)行統計。前者不僅需要消耗大量的人工，而且比較容易出現手工計算帶來(lái)的差錯，而后者同樣需要不斷地根據調整后的設計方案及時(shí)更新模型，如果滯后，得到的工程量統計數據也往往失效了。
而B(niǎo)IM是一個(gè)富含工程信息的數據庫，可以真實(shí)地提供造價(jià)管理需要的工程量信息，借助這些信息，計算機可以快速對各種構件進(jìn)行統計分析，大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯誤，非常容易實(shí)現工程量信息與設計方案的完全一致。通過(guò)BIM獲得的準確的工程量統計可以用于前期設計過(guò)程中的成本估算、在業(yè)主預算范圍內不同設計方案的探索或者不同設計方案建造成本的比較，以及施工開(kāi)始前的工程量預算和施工完成后的工程量決算（圖7，8）。
1.9 管線(xiàn)綜合
隨著(zhù)建筑物規模和使用功能復雜程度的增加，無(wú)論設計企業(yè)還是施工企業(yè)甚至是業(yè)主對機電管線(xiàn)綜合的要求愈加強烈。在CAD時(shí)代，設計企業(yè)主要由建筑或者機電專(zhuān)業(yè)牽頭，將所
有圖紙打印成硫酸圖，然后各專(zhuān)業(yè)將圖紙疊在一起進(jìn)行管線(xiàn)綜合，由于二維圖紙的信息缺失以及缺失直觀(guān)的交流平臺，導致管線(xiàn)綜合成為建筑施工前讓業(yè)主最不放心的技術(shù)環(huán)節。利用BIM技術(shù)，通過(guò)搭建各專(zhuān)業(yè)的BIM模型，設計師能夠在虛擬的三維環(huán)境下方便地發(fā)現設計中的碰撞沖突，從而大大提高了管線(xiàn)綜合的設計能力和工作效率（圖9）。這不僅能及時(shí)排除項目施工環(huán)節中可以遇到的碰撞沖突，顯著(zhù)減少由此產(chǎn)生的變更申請單，更大大提高了施工現場(chǎng)的生產(chǎn)效率，降低了由于施工協(xié)調造成的成本增長(cháng)和工期延誤。
1.10 施工進(jìn)度模擬
建筑施工是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，隨著(zhù)建筑工程規模不斷擴大，復雜程度不斷提高，使得施工項目管理變得極為復雜。當前建筑工程項目管理中經(jīng)常用于表示進(jìn)度計劃的甘特圖，由于專(zhuān)業(yè)性強，可視化程度低，無(wú)法清晰描述施工進(jìn)度以及各種復雜關(guān)系，難以準確表達工程施工的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。
通過(guò)將BIM與施工進(jìn)度計劃相鏈接，將空間信息與時(shí)間信息整合在一個(gè)可視的4D（3D+Time）模型中，可以直觀(guān)、精確地反映整個(gè)建筑的施工過(guò)程（圖10）。4D施工模擬技術(shù)可以在項目建造過(guò)程中合理制定施工計劃、精確掌握施工進(jìn)度，優(yōu)化使用施工資源以及科學(xué)地進(jìn)行場(chǎng)地布置，對整個(gè)工程的施工進(jìn)度、資源和質(zhì)量進(jìn)行統一管理和控制，以縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量。此外借助4D模型，施工企業(yè)在工程項目投標中將獲得競標優(yōu)勢，BIM可以協(xié)助評標專(zhuān)家從4D模型中很快了解投標單位對投標項目主要施工的控制方法、施工安排是否均衡、總體計劃是否基本合理等，從而對投標單位的施工經(jīng)驗和實(shí)力作出有效評估。
1.11 施工組織模擬
施工組織是對施工活動(dòng)實(shí)行科學(xué)管理的重要手段，它決定了各階段的施工準備工作內容，協(xié)調了施工過(guò)程中各施工單位、各施工工種、各項資源之間的相互關(guān)系。施工組織設計是用來(lái)指導施工項目全過(guò)程各項活動(dòng)的技術(shù)、經(jīng)濟和組織的綜合性解決方案，是施工技術(shù)與施工項目管理有機結合的產(chǎn)物。
通過(guò)BIM可以對項目的重點(diǎn)或難點(diǎn)部分進(jìn)行可建性模擬，按月、日、時(shí)進(jìn)行施工安裝方案的分析優(yōu)化。對于一些重要的施工環(huán)節或采用新施工工藝的關(guān)鍵部位、施工現場(chǎng)平面布置等施工指導措施進(jìn)行模擬和分析，以提高計劃的可行性；也可以利用BIM技術(shù)結合施工組織計劃進(jìn)行預演以提高復雜建筑體系的可造性（例如：施工模板、玻璃裝配、錨固等）。
借助BIM對施工組織的模擬，項目管理方能夠非常直觀(guān)地了解整個(gè)施工安裝環(huán)節的時(shí)間節點(diǎn)和安裝工序，并清晰把握在安裝過(guò)程中的難點(diǎn)和要點(diǎn)，施工方也可以進(jìn)一步對原有安裝方案進(jìn)行優(yōu)化和改善，以提高施工效率和施工方案的安全性。
1.12 數字化建造
制造行業(yè)目前的生產(chǎn)效率極高，其中部分原因是利用數字化數據模型實(shí)現了制造方法的自動(dòng)化。同樣，BIM結合數字化制造也能夠提高建筑行業(yè)的生產(chǎn)效率。通過(guò)BIM模型與數字化建造系統的結合，建筑行業(yè)也可以采用類(lèi)似的方法來(lái)實(shí)現建筑施工流程的自動(dòng)化。建筑中的許多構件可以異地加工，然后運到建筑施工現場(chǎng)，裝配到建筑中（例如門(mén)窗、預制混凝土結構和鋼結構等構件）。通過(guò)數字化建造，可以自動(dòng)完成建筑物構件的預制，這些通過(guò)工廠(chǎng)精密機械技術(shù)制造出來(lái)的構件不僅降低了建造誤差，并且大幅度提高構件制造的生產(chǎn)率，使得整個(gè)建筑建造的工期縮短并且容易掌控。
BIM模型直接用于制造環(huán)節還可以在制造商與設計人員之間形成一種自然的反饋循環(huán)，即在建筑設計流程中提前考慮盡可能多地實(shí)現數字化建造。同樣與參與競標的制造商共享構件模型也有助于縮短招標周期，便于制造商根據設計要求的構件用量編制更為統一的投標文件。同時(shí)標準化構件之間的協(xié)調也有助于減少現場(chǎng)發(fā)生的問(wèn)題，降低不斷上升的建造、安裝成本。
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