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)計和計算中解放出來，可以說是工程設(shè)計領(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)的核心是通過在計算機(jī)中建立虛擬的建筑工程三維模型，同時利用數(shù)字化技術(shù)為這個模型提供完整的、與實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、運動行為）的信息。借助這個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)利益方就能對整個工程項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，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，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)項目建設(shè)進(jìn)度建立和維護(hù)BIM模型，實質(zhì)是使用BIM平臺匯總各項目團(tuán)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(jié)合三維模型進(jìn)行整理和儲存，以備項目全過程中項目各相關(guān)利益方隨時共享。
由于BIM的用途決定了BIM模型細(xì)節(jié)的精度，同時僅靠一個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)計單位、施工單位或者運營單位根據(jù)各自工作范圍單獨建立，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，所以有時候業(yè)主也會委托獨立的BIM服務(wù)商統(tǒng)一規(guī)劃、維護(hù)和管理整個工程項目的BIM應(yīng)用，以確保BIM模型信息的準(zhǔn)確、時效和安全。
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，幫助項目在規(guī)劃階段評估場地的使用條件和特點，從而做出新建項目最理想的場地規(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)計依據(jù)的過程。相對于根據(jù)經(jīng)驗確定設(shè)計內(nèi)容及依據(jù)（設(shè)計任務(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，研究項目任務(wù)書對設(shè)計的合理導(dǎo)向，制定和論證建筑設(shè)計依據(jù)，科學(xué)地確定設(shè)計的內(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，除了需要運用建筑學(xué)的原理，借鑒過去的經(jīng)驗和遵守規(guī)范，更重要的是要以實態(tài)調(diào)查為基礎(chǔ)，用計算機(jī)等現(xiàn)代化手段對目標(biāo)進(jìn)行研究。
BIM能夠幫助項目團(tuán)隊在建筑規(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)省時間，提供對團(tuán)隊更多增值活動的可能。特別是在客戶討論需求、選擇以及分析最佳方案時，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)計階段隨時查看初步設(shè)計是否符合業(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)計階段發(fā)現(xiàn)不合格需要修改設(shè)計的巨大浪費（圖2）。
1.7 性能化分析
利用計算機(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，同時由于設(shè)計方案的調(diào)整，造成原本就耗時耗力的數(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)計的最終階段，成為一種象征性的工作，使建筑設(shè)計與性能化分析計算之間嚴(yán)重脫節(jié)。
利用BIM技術(shù)，建筑師在設(shè)計過程中創(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)人士花費大量時間輸入大量專業(yè)數(shù)據(jù)的過程，如今可以自動完成，這大大降低了性能化分析的周期，提高了設(shè)計質(zhì)量，同時也使設(shè)計公司能夠為業(yè)主提供更專業(yè)的技能和服務(wù)。
1.8 工程量統(tǒng)計
在CAD時代，由于CAD無法存儲可以讓計算機(jī)自動計算工程項目構(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，或者使用專門的造價計算軟件根據(jù)圖紙或者CAD文件重新進(jìn)行建模后由計算機(jī)自動進(jìn)行統(tǒng)計。前者不僅需要消耗大量的人工，而且比較容易出現(xiàn)手工計算帶來的差錯，而后者同樣需要不斷地根據(jù)調(diào)整后的設(shè)計方案及時更新模型，如果滯后，得到的工程量統(tǒng)計數(shù)據(jù)也往往失效了。
而BIM是一個富含工程信息的數(shù)據(jù)庫，可以真實地提供造價管理需要的工程量信息，借助這些信息，計算機(jī)可以快速對各種構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計分析，大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯誤，非常容易實現(xiàn)工程量信息與設(shè)計方案的完全一致。通過BIM獲得的準(zhǔn)確的工程量統(tǒng)計可以用于前期設(shè)計過程中的成本估算、在業(yè)主預(yù)算范圍內(nèi)不同設(shè)計方案的探索或者不同設(shè)計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時代，設(shè)計企業(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)計師能夠在虛擬的三維環(huán)境下方便地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的碰撞沖突，從而大大提高了管線綜合的設(shè)計能力和工作效率（圖9）。這不僅能及時排除項目施工環(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
建筑施工是一個高度動態(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，使得施工項目管理變得極為復(fù)雜。當(dāng)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)工程施工的動態(tài)變化過程。
通過將BIM與施工進(jìn)度計劃相鏈接，將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D（3D+Time）模型中，可以直觀、精確地反映整個建筑的施工過程（圖10）。4D施工模擬技術(shù)可以在項目建造過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)行場地布置，對整個工程的施工進(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(biāo)單位的施工經(jīng)驗和實力作出有效評估。
1.11 施工組織模擬
施工組織是對施工活動實行科學(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、各項資源之間的相互關(guān)系。施工組織設(shè)計是用來指導(dǎo)施工項目全過程各項活動的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和組織的綜合性解決方案，是施工技術(shù)與施工項目管理有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。
通過BIM可以對項目的重點或難點部分進(jìn)行可建性模擬，按月、日、時進(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，以提高計劃的可行性；也可以利用BIM技術(shù)結(jié)合施工組織計劃進(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，項目管理方能夠非常直觀地了解整個施工安裝環(huán)節(jié)的時間節(jié)點和安裝工序，并清晰把握在安裝過程中的難點和要點，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)模型實現(xiàn)了制造方法的自動化。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現(xiàn)建筑施工流程的自動化。建筑中的許多構(gòu)件可以異地加工，然后運到建筑施工現(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)計人員之間形成一種自然的反饋循環(huán)，即在建筑設(shè)計流程中提前考慮盡可能多地實現(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)計要求的構(gòu)件用量編制更為統(tǒng)一的投標(biāo)文件。同時標(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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