基于BIM的设计施工

信息化浪潮正在让整个工程勘察设计行业发生革命性的变化，从数字建模到建筑全生命周期的应用，BIM技术正在走向成熟。BIM的源头是设计，设计与施工集成的前置条件也是设计。作为建筑产业链的龙头，设计企业担负着BIM技术实施的领头羊作用。随着整个社会对节能环保、可持续发展投入了更多的关注，建筑设计企业应该顶住压力，拓展视野，积极使用BIM、云等信息化技术，在提高建筑品质，建筑工业化、绿色建筑、全过程服务上寻求突破口。

　　1. BIM简介

　　1.1 BIM概念和意义

　　建筑信息模型（Building Information Modeling之译文，下文简称BIM）已成为全球范围内建筑与工程建设行业内最为热门的名词之一。通过google等搜索引擎在网上搜索“BIM”或者 “建筑信息模型”，返回结果可达数百万条之多，涉及政府机构、建筑行业、科研机构等等，社会对其关注度可见一斑。BIM一词，最早是由某国际领先的计算机软件技术供应商提出的商业用语。其实，事实意义上的建筑信息模型技术理论在BIM出现之前，在欧美已发展超过30年以上。制造业巨头丰田汽车公司和波音公司便是通过信息模型设计技术提高生产高效率，为商业上的成功奠定了扎实基础，创造了企业神话。早期的建筑信息模型的技术应用主要集中在制造业和航空航天工业领域，诸如工业设计、汽车设计、飞机和航天器设计等，但受当时环境限制没能普及。近年来，随着3D工程辅助绘图软件突破性的进步，再配合BIM术语适时地出现，唤起了业界进行产业改革的希望。

　　关于BIM的定义，很多组织都对BIM的概念进行过诠释，其中不乏软件公司、建筑企业、行业协会以及权威百科等。美国建筑科学研究院联合设施信息委员牵头编制的NBIMS（国家建筑信息模型标准）中对BIM进行了如下定义：建筑信息模型是对设施的物理特征和功能特性的数字化表示，它可以作为信息的共享源从项目的初期阶段为项目提供全寿命周期的信息服务，这种信息的共享可以为项目决策提供可靠的保证。

　　BIM的出现意义在于完善了整个建筑行业从上游到下游的各个管理系统和工作流程间的纵、横沟通和多维性的协同和交流，实现了项目全生命周期的信息化管理，它打通了设计与施工的界限。BIM作为新型技术工具，其强大的信息共享能力、协同工作能力、专业任务能力的作用正在日益显现。与传统CAD设计方式相比，BIM技术具有以下几点优势：

　　一是设计的协调性，可有效地处理各个专业设计师之间的碰撞问题，在建造前期对各专业的碰撞问题进行协调，实现可视化协同设计变更；

　　二是施工流程的模拟性，可将原本需要在真实场景中实现的建造过程，在虚拟世界中模拟实现，从而确定合理的施工方案来指导施工；

　　三是建筑性能的优化性，除了可进行节能模拟、日照模拟、紧急疏散模拟进行设计优化外，还可进行4D、5D模拟实现成本控制，通过项目优化将设计方案和投资回报分析结合起来，计算出设计变更对投资的实时影响，从而最大限度地减少高成本的风险。

　　2. BIM行业概况

　　2.1 国外概况

　　澳洲、日本、美国、韩国、挪威、香港、新加坡、英国、芬兰各国陆续发布了本国的国家、行业和企业级标准。
美国联邦事务管理局（GSA）规定，自2007年起在联邦政府大型工程中必须应用BIM技术，并编制了一系列指南，有力地推动了BIM技术的普及应用；美国建筑科学研究院牵头开展了国家BIM标准的编制工作，目前，标准已经更新至第二版。

　　英国政府组织了200多名相关专家，分专题进行研究，编制了BIM技术应用框架，并规定自2016年起，所有的政府工程都必须按照上述框架应用BIM技术。此框架包含：（1）BIM协议，用于规定应建立的模型以及各参与方对模型的义务、责任和限制；（2）雇主信息需求，即业主对BIM信息管理的需求，包括软件、硬件、数据标准、安全标准等；（3）信息管理服务范围，相当于BIM合同标准文本；（4）责任保险指南，用于明确界定BIM技术应用涉及的责任；（5）基于BIM技术的建设项目交付阶段信息管理规范，提出了各阶段的数据交付标准等。

　　2.2 国内概况

　　BIM技术最早从2002年引入工程建设行业，进入国内可以追溯到2004年。当时，国内关于BIM技术的丛书才初露头角。之后，随着我国“十五”科技攻现关计划及“十一五”科技支撑计划的开展， BIM技术开始应用于部分示范工程。自2006年奥运场馆项目尝试使用BIM开始，BIM开始引起国内设计行业的重视。特别是2009年以来，BIM在设计企业中的应用得到快速发展。十二五开局之年，住房城乡建设部发布了《2011 ~2015年建筑业信息化发展纲要》，将“加快建筑信息模型（BIM）、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用”列入总体目标，确立了大力发展BIM技术的基调。

　　2.3 国内BIM行业现状

　　虽然BIM技术在国内出现了遍地开花的繁荣表象。其实，国内设计、施工行业BIM技术应用的高水平项目数量、应用深度、广度、水平依然有限。一项新技术在其发展与普及过程中往往会遇到种种阻碍，需要各方放缓脚步，冷静反思与积极应对，BIM技术也不例外。总体而言，国内BIM技术现状有如下特点：

　　（1）大型企业已接触或应用BIM，但各企业中的人员普及率仍然较低；

　　（2） BIM推广具有很大的地域性，发达城市推普及度较高，二、三线城市则很少受到关注；

　　（3） BIM理念理解上仍有偏差；

　　（4）政府项目和大型项目业主开始关注BIM，开始尝试要求在设计和施工中使用BIM；

　　（5）在设计和施工方面，已经有不少项目对BIM技术开展了实质性的应用。

　　3. 基于BIM技术的设计与施工
设计与施工阶段存在不同的工作侧重点、工作内容也大相径庭，设计阶段的BIM关注的是方案比选、方案调整、性能分析、可视化表达。施工阶段的BIM则关注BIM模型在施工、运营阶段的深入应用，基本上不涉及图面表达。同时，施工阶段是设计图纸转向实物的重要阶段，同时也是业主投入最大的一块。两者在使用目的、深度要求、软件工具等方面均有不同，导致设计方的BIM模型并不总是可以直接流转到施工阶段，两个阶段的模型衔接是值得探讨的课题。想要让设计和施工无缝衔接，首先得明晰责任、权利，然后是提高两者之间的信息传递与处理能力，这样才能及时和有效解决问题。BIM在设计和施工领域主要的传统应用主要有：方案论证、可视化设计、性能化分析、协同设计、管线综合、施工现场配合、工程量统计、施工进度模拟、施工组织模拟、物料跟踪、预制件加工和竣工模型交付等。

　　近年，随着BIM技术的不断发展，国内一些项目不仅在设计阶段有所建树，更是延展到施工阶段，甚至管理中。例如，外滩SOHO项目实践了4D、5D、云技术；宁波城市展览馆项目实践了三维协同设计和出图；上海玉佛禅寺修缮改建项项目中应用了点云、安装模拟等施工技术；申都大厦项目借助BIM技术实现绿色三星和FM；证大喜马拉雅中心，实现了基于BIM的高性能集成分析和模型自动出图；上海第一食品商店通过BIM和点云实施保护修缮；曹妃甸国际生态城水上会馆项目中BIM视线了协助工程管理；崇明商业综合体项目中，通过BIM进行幕墙设计，打通钢结构分析和设计隔阂，突破幕墙结构悬挑极限等。下面，就近年在BIM技术的设计与施工中涌现的一些新的技术做简单介绍：

　　（1） 4D 施工进度控制

　　4D，即在施工阶段，通过BIM直观的掌控项目施工进度，基于BIM模型以及工程量清单完成工程进度计划的编制，对工程进度实际值和计划值进行比较，早期预警工程误期，动态控制整个项目的风险。实现了不同施工方案的灵活比较，发现了影响工期的潜在风险。当设计变更时，BIM亦能迅速更新工程工期。

　　上海现代建筑设计集团数字化技术研究咨询部与SOHO中国合作，在外滩SOHO项目上成果实施了跨平台的项目进度BIM。下图4D模型中反映了SOHO项目施工的进度的情况，左边是工程量清单，右边地下工程模型，两者实现了实时的关联。不同的色彩反映了工程进度的情况，比如：提前、进行中和滞后。

　　（2） 5D 施工进度和成本联动

　　5D 技术实现了施工进度和成本联动，可以动态的控制工程成本。5D模拟为项目部提供更精确灵活的施工方案分析以及优化，BIM可以实现精确管理，监控控制项目设计和施工进度；实现实际进度与计划进度对比，进度款支付控制，成本与付款分析等应用。集团数字化技术研究咨询部与SOHO中国合作，在外滩SOHO项目上成果实施了跨平台的预算BIM。

　　（3） GIS+BIM超大规模协同及分析

　　该技术是针对百万平方米以上超大型的园区和城镇设计使用的大规模三维协同技术，包括了市政、道路等公共设施。集团在后世博央企总部项目中正在研究和尝试使用该技术。计划在数字化园区里利用三维模型开展一系列性能化分析（日照、抗震、抗风、交通、疏散、火灾、防汛、节能、环境影响分析等）的集成应用技术。并通过超大项目群性能模拟仿真分析，在各单个项目施工开始之前就将其最优的规划设计方案遴选出来，使得项目建成后既对其周围环境产生的不利影响最小，又能实现单体建筑的使用功能最优。
（4）三维协同设计及出图

　　基于三维构建的多专业协同设计，设计的成果是多专业的三维设计模型，可从中生成项目图纸。该技术在宁波城市展览馆等项目中已经得到实践。

　　（5）绿色FM

　　绿色建筑运维优化，通过ＢＩＭ与ＦＭ对接优化楼宇自控系统功能，实现各子系统均能实现自动检测与控制，并采用智能化手段进行系统运行状况的数据计量。

　　（6）集成性能分析

　　集成性能化分析依托于高性能计算机平台，通过模型综合考量太阳辐射分析，采光分析、遮阳及遮挡优化设计、风环境模拟分析、热环境分析、高性能结构分析结果，进行归纳和折中，为设计提供优化依据，提升项目的品质。

　　（7）三维点云

　　该技术是三维激光扫描与BIM 相结合的产物，能将建筑的现状数据完整的采集和归档，为设计、施工提供真实的基础数据，为项目各方提供交流展示与管理的平台。可以广泛的应用于各类建筑施工和建筑修缮项目中。

　　（8）云技术

　　云技术是分布式计算技术的一种，其最基本的概念，是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。BIM与云技术结合意义深远，但是就目前而言，主要有两点作用：其一，减少硬件设备的投入，节约成本。具体实施上，通过使用云计算服务提高约数倍的可视化渲染速度，相当于1台计算机完成了3~４台计算机的渲染任务。云渲染适合对效果要求不太高、数量多、周期短、迅速反馈的场合。其二，云存储增强了异地跨平台协作的可实施性。通过将图纸、BIM模型、照片、文本等工程资料上传到云空间后，可以通过联网的计算机、手机、平板电脑终端进行快速查阅和批注。无论是设计师、现场施工监理人员还是身在异地的业主都可以实时地查阅分级的工程文件。

　　4.基于BIM技术的设计与施工应用对策

　　4.1 政府的角色

　　在政府层面，我认为政府机构应该在BIM技术在设计与施工推广中应该做好三件事情：（1）在工程项目监管、审核流程、设计审查等多方面予以配合和支持，创造BIM应用的可持续发展模式。（2）国家法律对于工程设计与施工招标管理、工程管理模式等方面法律法规需要调整，以适应新的生产与管理模式的发展。（3）政府在BIM的发展过程中进行引导和投入，推进BIM的渐进式可持续发展。开展示范工程，打造成功应用模式。
近年我们欣喜地发现各级政府机构在BIM推动中已经有一定实质性进展。例如：

　　住房城乡建设部在《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》中明确提到推动和开展BIM，部分省市行政部门也出台政策推动BIM的使用。为规范BIM应用、构建国家标准体系， BIM国家标准编制工作于2012年启动，其中句括《建筑工程信息模型应用统一标准》、《建筑工程信息模型存储标准》、《建筑工程设计信息模型交付标准》、《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》等。该批标准出台后将为建筑工程全生命期的信息存储、传递和应用，模型数据的存储、交付、分类和编码提供统一规范。但应该看到的是，国家BIM标准体系的建立是一项长期、持续进行的系统工程：国内对BIM技术的应用与研究时间尚短，相关经验、技术理论积累较薄弱。在此情况下， BIM国家标准的制定必然会存在一定的局限性，需要不断深化与完善。

　　香港房屋委员会出台规范、手册和指导文件；招标文件明确要求提供BIM文档；BIM技术的应用，使其新建项目总造价降低两成。

　　香港房屋委员会计划在2014年至2015年，将BIM应用作为所有房屋项目的设计标准。为了成功地推行BIM，自行订立BIM标准、用户指南、组建资料库等等设计指引和参考。这些资料有效地为模型建立、管理档案，以及用户之间的沟通创造良好的环境。

　　台北市建筑工程管理处要求在建房时交模型，通过BIM技术提高政府审批效率，完善规划。通过BIM等技术构建虚拟城市、提高建筑审批效率，进一步提高台北的核心竞争力。台北市政府建筑管理工程处在学习新加坡模式的基础上，结合台湾较发达的GIS技术，大力推进BIM的建筑管理无纸化审查、建筑管理行政程序的全电子化。

　　上海市规划和国土资源管理局积极推动三维审理，目前已经就三维审理内容、层次、模型要求、建模依据和数据内容做了规范性要求。上海市希望通过三维模型技术的应用提高政府行政效率，依靠新技术提高城市综合竞争力。

　　深圳市上建筑工务署通过BIM试点项目积累经验，制定标准。工务署推动BIM的推广研究，积极关注目前建筑信息模型标准的制定，寻求工务署参与BIM标准制定工作的合作模式，进一步研究在目前现状条件下建立工务署标准。已经确定的BIM试点项目包括：大学城国际会议中心、档案中心、宝荷医院及人才园项目等。

　　4.2 行业协会的角色

　　在行业协会层面应该起到促进和服务作用：（1）组织各方力量编制行业信息化标准，规范信息资源，促进信息共享与集成。（2）组织行业信息化经验和技术交流，开展企业信息化水平评价活动，促进企业信息化建设。（3.）开展行业信息化培训，推动BIM技术的普及应用。

　　中勘协从2010年开始举办了四届创新杯BIM设计大赛，参赛作品超过400项，参与的设计单位也超过150家，对BIM的推广起到很好的宣传作用。2013年9月，中国建筑业协会工程建设质量管理分会组织了专门针对施工行业的首届全国工程建设BIM大赛。参赛申请达570份，最终约有30个项目获奖。2013年，国际BIM组织buddingSMART中国分部在中国建筑标准设计研究院成立，该计划早在5年前就已尝试启动却遭搁浅，这说明了国内推广BIM技术的大环境变好了。

　　在整个信息化的应用过程中，制定标准是最为关键的步骤。随着BIM技术的兴起，多数国家或地区都把BIM标准的制定作为首要工作，很多国际化组织也纷纷出台关于BIM的各项规定。中国的BIM国家标准于2012年立项，包括4项关于大量性民用建筑和一般工业位建筑的BIM标准，分别是《建筑工程信息模型应用统一标准》、《建筑工程信息模型存储标准》、《建筑工程设计信息模型交付标准》、《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》。其中，《建筑工程设计信息模型交付标准》、《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》由中国建筑标准设计研究院负责主编，上海现代建筑设计集团及来自国内BIM领域将近50家单位参与编制。编制单位既包含了顶尖的大学等科研机构，也广泛涵盖与工程建设相关的具有代表性的企业，行业协会在里面起到了很好地凝聚和推动作用。

4.3 企业发展基于BIM技术的设计与施工应用的难点和建议

　　4.3.1 企业发展基于BIM技术的设计与施工应用的难点

　　在企业层面，一方面需要清楚自身实力与战略定位，以确定尝试导入BIM应用的时间表与战略图。特别是对中小企业而言，要冷静考量BIM技术应用潜在的高投入与其所带来回报间的得失。另一方面，要推行BIM应用，要进行多方面的投入，包括：（1）加强对相关人员的专业技术培训；（2）与研究单位、软件企业联合，开展技术创新；（3）合理制定企业内部BIM标准，规范BIM应用。虽然BIM技术可以提高设计与施工质量，但在推动的过程中也会遇到一些不可忽略的阻力。企业内部的技术变革主要从设计质量、生产效率和成本角度考虑，这些方面还存在诸多不利于BIM发展的因素。大致可以分为以下几种：

　　（1）企业内部技术变革的成本和风险

　　BIM设计成果与当前的成果提交要求并不一致，若业主单位不采用新的付费模式，则设计企业难以可持续发展BIM技术。当前各单位设计任务多，项目工期短，业主采用“边设计、边施工、边修改”的方式进行管理，造成设计人员工作压力大；要求施工人员进行BIM技术的学习有难度。此外，企业若想大范围进行技术革新，普遍开展BIM技术应用，则需要非常巨大的软件投入、硬件投入和员工培训投入，无法在短时间内快速实现。

　　（2）软件技术尚未完善

　　当前BIM软件技术普遍存在本地化技术不足，本地化构件资源较少，本地化的项目模板、本地化的BIM建模标准和工作流程不配套，电气专业参照标准本地化不良，软件与本地化的各种规范、标准和计算的结合欠缺的问题；模型生成的平面、剖面图不能全部达到施工图设计深度；异形建筑成型技术和性能分析技术对模型和软件操作有较高的要求，需要投入时间实施培训和练习；此外，BIM软件对计算机硬件要求较高，超大型项目效率不高。

　　（3） BIM技术的认识偏差

　　因为BIM技术和概念涉及面很广，企业的相关人员难以准确把握，再加上一些言过其实的宣传误导，很多企业对BIM技术的认识还不够正确。有的企业认为，只要建立了三维模型就是应用了BIM技术；还有的企业认为，只要应用了某个主流BIM应用软件就是应用了BIM技术。

　　（4）上游设计模型缺失

　　部分项目从施工阶段才开始应用BIM技术或者由于一些知识产权问题无法得到设计模型。往往需要首先按照施工设计图纸建立模型，然后才能开展应用，如果没有BIM设计模型，施工阶段BIM需要投入资源做大量重复性工作。

4.3.2 企业发展基于BIM技术的设计与施工应用的建议

　　BIM是一种集成化、高度协同的设计方法，BIM设计技术必须依托设计的全流程，不断发展深入应用。BIM在建筑设计中的应用推广必须是渐进式的，只有与正在发展的协同设计技术相结合，才能在设计企业内部具有生命力和发展动力。下文是上海现代建筑设计集团在近年BIM技术在设计与施工应用过程中的一些建议。

　　（1）逐步推进协同设计

　　BIM在设计企业的推广要注重循序渐进，不要奢望一步到位。推广BIM也要尊重传统的设计模式，BIM不是要完全废除CAD生产模式，而是根据项目需求在不同阶段嵌入BIM工作流程。

　　（2）工作模式定制

　　根据项目的类型、周期、复杂程度和功能需求采用定制的工作模式，比如：异形建筑从最初介入，普通住宅和厂房类建筑则可从扩初阶段介入。

　　（3）性能化设计

　　随着我国城市化进程的发展和国家建设生态文明的需要，建筑行业的节能减排和可持续发展必定是政府关注的重点领域。通过BIM分析工具做出最佳的决策，可以提高建筑的品质。

　　（4）积极推动技术交流

　　定期举办行业交流会和技术沙龙，邀请业内专家授课。适当参加国内外BIM行业竞赛，促进互相学习。

　　（5）多层级团队建设

　　组建多层级团队，项目核心团队由BIM项目经理和建筑、结构、设备设计师组成，BIM项目经理负责人员分工与权限分配、数据存档管理、项目协调、质量控制，BIM专业设计师负责建模、分析与优化。项目辅助团队由BIM助理工程师组成，负责BIM模型的可视化渲染、碰撞检测报告、绘制施工图等。BIM技术服务团队由企业BIM技术中心承担，负责BIM知识管理、标准与模板、构件库的开发与维护、技术支持、技术开发等。

　　（6）积极开展试点项目

　　通常不建议整个设计院一开始就全面实施BIM.而是从试点项目、小型团队开始，积累经验，逐步推广。

　　（7） BIM二次开发

　　BIM技术工具多来自国外，本地化不充分，有些还存在不少缺陷。可以通过企业内部资源与软件开发商、科研机构或其他外部资源联合实施二次开发。

（8）新应用研发

　　鼓励使用新技术，促进新技术与BIM相结合，研发BIM在设计与施工中的新的应用点。例如：云技术、激光扫描点云技术、GIS技术等。

　　5. 总结与展望

　　BIM技术2002年引入工程建设行业以来，仅仅走过了10年时间，尚处于初级阶段，国内的相关应用与研究起步更晚。BIM技术虽然源于欧美等国，但我国建筑业发展快，潜力大，迎头赶上并非难事。纵观全球，目前我国在BIM应用普及程度属于中等略偏下水平，制约国内BIM快速发展的主要问题有：（1）企业外部技术变革的动力与压力不够，内部技术变革的成本和风险难以掌控（2）BIM软件技术还有很多不完善之处，规则本土化工作尚未完善（3）现有二维设计的不足已被当前产业和市场容忍（4）BIM理念的接受程度参差不齐，尚需更多统一思想工作（5）国内项目进度要求高（6）BIM实施触动参与方利益。

　　国内工程勘察设计行业对BIM技术的认识，已经由“BIM究竟是什么”、“为什么我们要使用BIM”的阶段，跨入“如何应用，如何实施BIM”的新阶段。在这股BIM浪潮中，有实力的企业纷纷大胆尝试运用BIM技术，涌现出了一批BIM应用的优秀案例，如后世博项目、上海中心大厦项目、北京CBD Z15中国尊项目、长春市规划展览馆及博物馆项目、外滩SOHO项目等。但伴随着BIM技术应用的高热发展，多方面的问题也逐渐显露出来：相关投入不足、缺乏统一标准、软硬件支持不匹配、项目各阶段间数据信息共享困难、对BIM理念及应用价值的行业教育不到位等问题。

　　就政府和行业而言，应有效地开展指导和协调工作，颁布指导意见、应用指南、报告等，帮助企业端正对BIM技术的认识；通过加快相应法律、规章、标准、规程和指导手册的编写，降低BIM技术应用的成本，提高BIM技术应用水平；在政府工程中率先推动BIM技术的应用，一马当先加快技术进步。

　　对企业而言，面对热潮应该冷静思考，如何才能在BIM热潮中快速适应市场变革、及时调整业务发展、积极储备先进的生产力。企业在实施BIM技术时，必须从我国的实际情况出发，从企业的现状出发，注重BIM的本土化、实际需求与可操作性，切莫一味强调技术先进与高效，或只是遵循以往的传统设计模式，都是不可取的。面对BIM发展，孰利孰弊，何去何从，还须且行且思。

　　无论是政府、行业还是企业都要清醒地看到， BIM技术带来的不仅仅是好处，更多的是挑战。为了卓有成效地推进BIM技术的应用，有关各方包括政府、协会、研究机构、业主单位、应用单位、软件开发单位等都需要加大投入的力度。在经济全球化、市场多元化、竞争差异化的大趋势下，企业之间的项目竞争已经逐步转变为全产业链的竞争，我国工程勘察设计行业，乃至建筑业要实现快速发展，就一定要利用信息技术整合产业链资源，实现全产业链的协同作业，构建基于行业特征的信息模型，实现全产业链的信息集成、共享和协作，而BIM作为新一代信息技术所特有的作用和价值，打通设计、施工的隔阂，正好符合了这方面的需求。