中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要 在借鑒美國bSa（building SMART alliance）對美國建筑工程行業(yè)BIM應(yīng)用分類的基礎(chǔ)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(yīng)用。
關(guān)鍵詞 BIM 建筑全生命周期 典型應(yīng)用
0 引言
在過去的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(tǒng)的手工繪圖、設(shè)計(jì)和計(jì)算中解放出來，可以說是工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的第一次數(shù)字革命。而現(xiàn)在，建筑信息模型（BIM）的出現(xiàn)將引發(fā)整個(gè)工程建設(shè)領(lǐng)域的第二次數(shù)字革命。BIM不僅帶來現(xiàn)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，并將更長遠(yuǎn)地影響人們思維模式的轉(zhuǎn)變。
BIM技術(shù)的核心是通過在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的建筑工程三維模型，同時(shí)利用數(shù)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(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對象（例如空間、運(yùn)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(xiàng)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(jié)合更多的相關(guān)數(shù)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(xiàng)目的成敗做出完整的分析和評估。
隨著B IM在國內(nèi)逐漸被認(rèn)可與應(yīng)用，特別是近年來在國內(nèi)工程建造行業(yè)高速發(fā)展的背景下，BIM已經(jīng)在國內(nèi)一些大型工程項(xiàng)目中得到積極應(yīng)用，涌現(xiàn)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(shè)行業(yè)領(lǐng)域的BIM應(yīng)用情況做過詳細(xì)調(diào)查，并總結(jié)出目前美國市場上BIM的25種不同應(yīng)用并加以分析研究，用于指導(dǎo)工程項(xiàng)目在不同階段選擇合適的BIM應(yīng)用。國內(nèi)目前還缺少在這一領(lǐng)域的深入研究，不過我們依然可以借鑒美國bSa對BIM應(yīng)用的分類框架，結(jié)合目前國內(nèi)BIM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、市場對BIM應(yīng)用的接受程度以及國內(nèi)工程建設(shè)行業(yè)的特點(diǎn)，對中國建筑市場BIM的典型應(yīng)用進(jìn)行歸納和分類（圖1）。
由于中美建筑市場的差異以及本土主流BIM軟件的欠缺，國內(nèi)BIM應(yīng)用在行業(yè)跨度和深度上都和美國有一定距離，不過大的應(yīng)用方向是一致的。以下為筆者整理出來的目前國內(nèi)建筑市場典型的BIM應(yīng)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(yīng)用
1.1 BIM模型維護(hù)
根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度建立和維護(hù)BIM模型，實(shí)質(zhì)是使用BIM平臺匯總各項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所有的建筑工程信息，消除項(xiàng)目中的信息孤島，并且將得到的信息結(jié)合三維模型進(jìn)行整理和儲存，以備項(xiàng)目全過程中項(xiàng)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(xì)節(jié)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(nèi)主要采用“分布式”BIM模型的方法，建立符合工程項(xiàng)目現(xiàn)有條件和使用用途的BIM模型。這些模型根據(jù)需要可能包括：設(shè)計(jì)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(xiàn)在BIM模型往往由相關(guān)的設(shè)計(jì)單位、施工單位或者運(yùn)營單位根據(jù)各自工作范圍單獨(dú)建立，最后通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)合成。這將增加對BIM建模標(biāo)準(zhǔn)、版本管理、數(shù)據(jù)安全的管理難度，所以有時(shí)候業(yè)主也會委托獨(dú)立的BIM服務(wù)商統(tǒng)一規(guī)劃、維護(hù)和管理整個(gè)工程項(xiàng)目的BIM應(yīng)用，以確保BIM模型信息的準(zhǔn)確、時(shí)效和安全。
1.2 場地分析
場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、建立建筑物與周圍景觀的聯(lián)系的過程。在規(guī)劃階段，場地的地貌、植被、氣候條件都是影響設(shè)計(jì)決策的重要因素，往往需要通過場地分析來對景觀規(guī)劃、環(huán)境現(xiàn)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(tǒng)的場地分析存在諸如定量分析不足、主觀因素過重、無法處理大量數(shù)據(jù)信息等弊端，通過BIM結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS），對場地及擬建的建筑物空間數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通過BIM及GIS軟件的強(qiáng)大功能，迅速得出令人信服的分析結(jié)果，幫助項(xiàng)目在規(guī)劃階段評估場地的使用條件和特點(diǎn)，從而做出新建項(xiàng)目最理想的場地規(guī)劃、交通流線組織關(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(guī)劃目標(biāo)確定后，根據(jù)定量分析得出設(shè)計(jì)依據(jù)的過程。相對于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)內(nèi)容及依據(jù)（設(shè)計(jì)任務(wù)書）的傳統(tǒng)方法，建筑策劃利用對建設(shè)目標(biāo)所處社會環(huán)境
及相關(guān)因素的邏輯數(shù)理分析，研究項(xiàng)目任務(wù)書對設(shè)計(jì)的合理導(dǎo)向，制定和論證建筑設(shè)計(jì)依據(jù)，科學(xué)地確定設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并尋找達(dá)到這一目標(biāo)的科學(xué)方法。在這一過程中，除了需要運(yùn)用建筑學(xué)的原理，借鑒過去的經(jīng)驗(yàn)和遵守規(guī)范，更重要的是要以實(shí)態(tài)調(diào)查為基礎(chǔ)，用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化手段對目標(biāo)進(jìn)行研究。
BIM能夠幫助項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在建筑規(guī)劃階段，通過對空間進(jìn)行分析來理解復(fù)雜空間的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，從而節(jié)省時(shí)間，提供對團(tuán)隊(duì)更多增值活動(dòng)的可能。特別是在客戶討論需求、選擇以及分析最佳方案時(shí)，能借助BIM及相關(guān)分析數(shù)據(jù)，做出關(guān)鍵性的決定。BIM在建筑策劃階段的應(yīng)用成果還會幫助建筑師在建筑設(shè)計(jì)階段隨時(shí)查看初步設(shè)計(jì)是否符合業(yè)主的要求，是否滿足建筑策劃階段得到的設(shè)計(jì)依據(jù)，通過BIM連貫的信息傳遞或追溯，大大減少以后詳圖設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)不合格需要修改設(shè)計(jì)的巨大浪費(fèi)（圖2）。
1.7 性能化分析
利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行建筑物理性能化分析始于20世紀(jì)60年代甚至更早，早已形成成熟的理論支持，開發(fā)出豐富的工具軟件。但是在CAD時(shí)代，無論什么樣的分析軟件都必須通過手工的方式輸入相關(guān)數(shù)據(jù)才能開展分析計(jì)算，而操作和使用這些軟件不僅需要專業(yè)技術(shù)人員經(jīng)過培訓(xùn)才能完成，同時(shí)由于設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，造成原本就耗時(shí)耗力的數(shù)據(jù)錄入工作需要經(jīng)常性的重復(fù)錄入或者校核，導(dǎo)致包括建筑能量分析在內(nèi)的建筑物理性能化分析通常被安排在設(shè)計(jì)的最終階段，成為一種象征性的工作，使建筑設(shè)計(jì)與性能化分析計(jì)算之間嚴(yán)重脫節(jié)。
利用BIM技術(shù)，建筑師在設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)建的虛擬建筑模型已經(jīng)包含了大量的設(shè)計(jì)信息（幾何信息、材料性能、構(gòu)件屬性等），只要將模型導(dǎo)入相關(guān)的性能化分析軟件，就可以得到相應(yīng)的分析結(jié)果（圖6），原本需要專業(yè)人士花費(fèi)大量時(shí)間輸入大量專業(yè)數(shù)據(jù)的過程，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(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)也使設(shè)計(jì)公司能夠?yàn)闃I(yè)主提供更專業(yè)的技能和服務(wù)。
1.8 工程量統(tǒng)計(jì)
在CAD時(shí)代，由于CAD無法存儲可以讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算工程項(xiàng)目構(gòu)件的必要信息，所以需要依靠人工根據(jù)圖紙或者CAD文件進(jìn)行測量和統(tǒng)計(jì)，或者使用專門的造價(jià)計(jì)算軟件根據(jù)圖紙或者CAD文件重新進(jìn)行建模后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。前者不僅需要消耗大量的人工，而且比較容易出現(xiàn)手工計(jì)算帶來的差錯(cuò)，而后者同樣需要不斷地根據(jù)調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案及時(shí)更新模型，如果滯后，得到的工程量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也往往失效了。
而BIM是一個(gè)富含工程信息的數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)可以快速對各種構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯(cuò)誤，非常容易實(shí)現(xiàn)工程量信息與設(shè)計(jì)方案的完全一致。通過BIM獲得的準(zhǔn)確的工程量統(tǒng)計(jì)可以用于前期設(shè)計(jì)過程中的成本估算、在業(yè)主預(yù)算范圍內(nèi)不同設(shè)計(jì)方案的探索或者不同設(shè)計(jì)方案建造成本的比較，以及施工開始前的工程量預(yù)算和施工完成后的工程量決算（圖7，8）。
1.9 管線綜合
隨著建筑物規(guī)模和使用功能復(fù)雜程度的增加，無論設(shè)計(jì)企業(yè)還是施工企業(yè)甚至是業(yè)主對機(jī)電管線綜合的要求愈加強(qiáng)烈。在CAD時(shí)代，設(shè)計(jì)企業(yè)主要由建筑或者機(jī)電專業(yè)牽頭，將所
有圖紙打印成硫酸圖，然后各專業(yè)將圖紙疊在一起進(jìn)行管線綜合，由于二維圖紙的信息缺失以及缺失直觀的交流平臺，導(dǎo)致管線綜合成為建筑施工前讓業(yè)主最不放心的技術(shù)環(huán)節(jié)。利用BIM技術(shù)，通過搭建各專業(yè)的BIM模型，設(shè)計(jì)師能夠在虛擬的三維環(huán)境下方便地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的碰撞沖突，從而大大提高了管線綜合的設(shè)計(jì)能力和工作效率（圖9）。這不僅能及時(shí)排除項(xiàng)目施工環(huán)節(jié)中可以遇到的碰撞沖突，顯著減少由此產(chǎn)生的變更申請單，更大大提高了施工現(xiàn)場的生產(chǎn)效率，降低了由于施工協(xié)調(diào)造成的成本增長和工期延誤。
1.10 施工進(jìn)度模擬
建筑施工是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過程，隨著建筑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，復(fù)雜程度不斷提高，使得施工項(xiàng)目管理變得極為復(fù)雜。當(dāng)前建筑工程項(xiàng)目管理中經(jīng)常用于表示進(jìn)度計(jì)劃的甘特圖，由于專業(yè)性強(qiáng)，可視化程度低，無法清晰描述施工進(jìn)度以及各種復(fù)雜關(guān)系，難以準(zhǔn)確表達(dá)工程施工的動(dòng)態(tài)變化過程。
通過將BIM與施工進(jìn)度計(jì)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、精確地反映整個(gè)建筑的施工過程（圖10）。4D施工模擬技術(shù)可以在項(xiàng)目建造過程中合理制定施工計(jì)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(tǒng)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(xiàng)目投標(biāo)中將獲得競標(biāo)優(yōu)勢，BIM可以協(xié)助評標(biāo)專家從4D模型中很快了解投標(biāo)單位對投標(biāo)項(xiàng)目主要施工的控制方法、施工安排是否均衡、總體計(jì)劃是否基本合理等，從而對投標(biāo)單位的施工經(jīng)驗(yàn)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(zhǔn)備工作內(nèi)容，協(xié)調(diào)了施工過程中各施工單位、各施工工種、各項(xiàng)資源之間的相互關(guān)系。施工組織設(shè)計(jì)是用來指導(dǎo)施工項(xiàng)目全過程各項(xiàng)活動(dòng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和組織的綜合性解決方案，是施工技術(shù)與施工項(xiàng)目管理有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。
通過BIM可以對項(xiàng)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(jié)或采用新施工工藝的關(guān)鍵部位、施工現(xiàn)場平面布置等施工指導(dǎo)措施進(jìn)行模擬和分析，以提高計(jì)劃的可行性；也可以利用BIM技術(shù)結(jié)合施工組織計(jì)劃進(jìn)行預(yù)演以提高復(fù)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(xiàng)目管理方能夠非常直觀地了解整個(gè)施工安裝環(huán)節(jié)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和安裝工序，并清晰把握在安裝過程中的難點(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(shù)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(shù)字化數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)了制造方法的自動(dòng)化。同樣，BIM結(jié)合數(shù)字化制造也能夠提高建筑行業(yè)的生產(chǎn)效率。通過BIM模型與數(shù)字化建造系統(tǒng)的結(jié)合，建筑行業(yè)也可以采用類似的方法來實(shí)現(xiàn)建筑施工流程的自動(dòng)化。建筑中的許多構(gòu)件可以異地加工，然后運(yùn)到建筑施工現(xiàn)場，裝配到建筑中（例如門窗、預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等構(gòu)件）。通過數(shù)字化建造，可以自動(dòng)完成建筑物構(gòu)件的預(yù)制，這些通過工廠精密機(jī)械技術(shù)制造出來的構(gòu)件不僅降低了建造誤差，并且大幅度提高構(gòu)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(jié)還可以在制造商與設(shè)計(jì)人員之間形成一種自然的反饋循環(huán)，即在建筑設(shè)計(jì)流程中提前考慮盡可能多地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建造。同樣與參與競標(biāo)的制造商共享構(gòu)件模型也有助于縮短招標(biāo)周期，便于制造商根據(jù)設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件用量編制更為統(tǒng)一的投標(biāo)文件。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)也有助于減少現(xiàn)場發(fā)生的問題，降低不斷上升的建造、安裝成本。
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