張建平：面向建筑全生命周期的BIM應用和研究

BIM的持續(xù)火熱使BIM的定義變得多種多樣，美國國家標準技術研究院對BIM的定義頗為準確，即BIM是以三維數(shù)字為基礎，集成了建筑工程項目的各種相關信息的一個工程數(shù)據(jù)模型，BIM也是對工程項目、社區(qū)實體和功能特性完整的數(shù)字化表達。

對于BIM的定義可以說明幾個問題，第一，BIM絕不等于三維模型，三維模型是BIM的定義，但是它無法直接集成工程項目的各種工程數(shù)據(jù)，只能對社區(qū)實體的幾何特性進行描述，而無法描述它的功能特性。第二，三維模型加一些數(shù)字或者屬性并不等于BIM，因為BIM要對項目生命周期包括規(guī)劃、設計、施工到運維的整個過程，以及過程中所需要的資源進行描述。它包含著嚴謹?shù)年P聯(lián)關系，這個關聯(lián)關系反映了項目全生命周期的工程邏輯關系。第三，當前由于各種條件所限，BIM還是基于文件的信息交換，而文件的信息交換和基于BIM的信息共享有著本質(zhì)的區(qū)別，文件管理是固有的缺陷，使BIM模型在全生命周期很難達到一致性和全局共享。

BIM面臨的難題

在短短的十年時間里，BIM已經(jīng)成為國內(nèi)外建筑業(yè)信息技術研究的熱點，但在BIM實際應用過程中，也出現(xiàn)了一系列難題。一是BIM的建模難。BIM本身由于建筑產(chǎn)品的特殊性，它的建模、存儲和傳遞本身很復雜，再加上現(xiàn)在的設計軟件不配套，所以目前的設計軟件只能作為BIM的建模之用。對此，清華大學教授張建平表示：“這樣一來就產(chǎn)生一個尷尬的局面，就是設計仍然是基于二維設計，設計過程當中無法直接產(chǎn)生BIM模型，所以模型是需要根據(jù)二維的施工圖運行來建模，這就帶來了建模需要額外增加的成本?！?/p>

二是施工管理的BIM應用難。BIM設計模型本身所涵蓋的設計信息非常有限，有的甚至就是幾何模型，到了施工階段，缺乏合適的工具和平臺把施工的信息集成進去，因此現(xiàn)在的技術和工具難以形成施工管理的信息模型。

三是集成難。目前，無論是設計階段還是施工階段的BIM運用，都是單項的運用，比如說通道檢測、深化設計等，但是集成運用，尤其是集成管理的運用比較困難，因此很難體現(xiàn)BIM在建筑全生命周期的應用價值。

針對以上這些難點，清華大學的BIM團隊近十多年潛心研究，對于BIM的基本技術、標準以及運用展開了持續(xù)的研究，也獲得了相應的一些成果，這些成果包括平臺、應用系統(tǒng)等，它們都得到了業(yè)內(nèi)專家的肯定和較高的評價，一些系統(tǒng)應用也獲得了獎項認可。

面向項目全生命周期的BIM應用架構(gòu)

清華大學BIM團隊首先建立了一個面向全生命周期的BIM以及應用架構(gòu)，這個架構(gòu)是通過對BIM標準的研究建立的體系支撐，通過對建模技術的研究，建立了它的技術支撐。清華大學BIM團隊創(chuàng)建了BIM數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了架構(gòu)的數(shù)據(jù)支撐，同時，開發(fā)了BIM的數(shù)據(jù)集成平臺，實現(xiàn)了管理支撐。在這樣一個架構(gòu)下，建模的基本思路是從不同的階段針對不同的運用，能夠生成子信息模型，而且這個子信息模型通過自動的演化，通過BIM信息的提取、擴展和集成，最終能夠生成完整的信息模型，解決了分階段、多層次的BIM建模技術。

針對這樣的基礎研究，清華大學BIM團隊開展了全生命周期各個階段點、線、面的BIM研究和應用。張建平介紹到，首先清華大學BIM團隊對于項目策劃階段的BIM應用進行了探索，這個探索主要針對住宅建筑，它的基本思路是基于建立一個標準的戶型單元庫，單元庫里面除了標準戶型的三元模型以外，還附加了各種相關的信息。通過從戶型、標準層、單體建筑到小區(qū)規(guī)劃，能夠快速的生成策劃方案，同時這個方案里面集成了該建筑的品質(zhì)、機制、進度和綠色性能等信息，最后通過對策劃方案進行分析，最終輸出策劃成果。

在快速建立標準層后，所有的數(shù)據(jù)可以進行動態(tài)的修改，假如在某一個區(qū)域擴大它的面積，所有的數(shù)據(jù)將隨之更改。通過基于戶型進行單體建模和小區(qū)規(guī)劃的過程中，不僅從外形上把它的方案、模型建立起來，更重要的是它進行了自動的數(shù)據(jù)融合并形成了單體所有的方案數(shù)據(jù)和小區(qū)規(guī)劃的方案數(shù)據(jù)。在方案分析方面，可以進行日照分析、銷售、預售的分析，而4D耦合模擬是把施工的進度，銷售的情況，經(jīng)費的支出和收入以及現(xiàn)金流的分析統(tǒng)一進行耦合分析、模擬，同時還可以進行多方案的比較，最終選出優(yōu)選方案，從而實現(xiàn)信息、成果的交互，這些成果的交互包括策劃報告、總平面圖以及進度、計劃等。

在設計階段，清華大學BIM團隊針對目前設計階段的特殊急切需求——如何從結(jié)構(gòu)施工圖中生成BIM模型，也就是基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設計做了一些研究。“在基于BIM結(jié)構(gòu)施工圖的設計研究過程中，可以自動的生成施工結(jié)構(gòu)的施工圖，同時產(chǎn)生BIM模型，然后支持施工階段的應用?，F(xiàn)在廣聯(lián)達結(jié)構(gòu)的施工圖軟件已經(jīng)發(fā)布了，這個軟件所有的功能都是基于BIM生成的智能設計、智能修改等應用，基于像廣聯(lián)達這樣成熟的軟件系統(tǒng)，可以使清華大學基于BIM的4D施工管理軟件成功的和廣聯(lián)達的算量軟件相結(jié)合?！睆埥ㄆ綄τ浾哒f。

對于施工階段的BIM應用一直是清華大學BIM團隊的研究重點，也是清華大學BIM團隊研究時間最長、成果最為顯著的一個方面，在這方面的研究主要是立足于施工的項目管理。清華大學BIM團隊提出了工程施工BIM應用的整體實施方案，在這個實施方案中有一個技術架構(gòu)，所有的數(shù)據(jù)是開放的。張建平介紹到，通過清華大學BIM團隊自主研發(fā)的BIM數(shù)據(jù)接口和引擎能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)存在BIM數(shù)據(jù)庫中，清華大學自己開發(fā)的BIM集成系統(tǒng)和4D可視化平臺，能夠支持、生成面向應用的子信息模型，然后支持應用系統(tǒng)運行。在整體方案中它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分成了兩部分，一部分是基于CS架構(gòu)的直接操作BIM模型系統(tǒng)，其中包括4D的動態(tài)管理系統(tǒng)、安全分析系統(tǒng)、模擬和優(yōu)化系統(tǒng)以及碰撞檢測。基于CS架構(gòu)是支持遠程對項目的管理，最大的特點是在因特網(wǎng)上所有輸入的數(shù)據(jù)都可以準確的掛接到它相應的BIM的模型和構(gòu)建上，實現(xiàn)了跨平臺的BIM施工管理。

另外，整體模型中有一個完整的支持施工的BIM模型，這個模型是與4D技術相結(jié)合，以WBS的分解器作為核心，實現(xiàn)了集進度、成本、質(zhì)量、安全和場地等于一體的信息模型。在這個系統(tǒng)中首先能夠?qū)崿F(xiàn)4D的施工進度管理，它可以實現(xiàn)多方案的比選，同時，進度可以在類似Project的項目管理軟件里面進行展示，也可以用圖形、三維模型直觀展示，如果進度需要修改、變更，可以在Project里面進行變更，也可以在模型上直接操作，不管工作人員在哪方面操作，它的數(shù)據(jù)都是相互反饋的，同步進行修改。

基于BIM的工程項目管理

基于BIM的4D動態(tài)資源管理可以針對施工計劃或者實際進度自動計算整個工程，或者是任意的一個WBS結(jié)點，任意一個施工段或者是任意一個構(gòu)建在任意時間內(nèi)的工程量以及它的累計工程量都可以進行計算。而且還可以自動的按照清單進行分攤，并能以圖表的形式進行分析和統(tǒng)計。在系統(tǒng)中提供了兩種方法，一種是和目前的算量軟件、基建軟件相結(jié)合，可以導入它的工程計價清單，也設計了多套的定模模板，用戶可以選擇兩種方式進行資源消耗和成本的計算和分析，也可以進行資源消耗的查詢和分析。另外，針對計劃進度和實際進度，可以在指定的時間內(nèi)計算出相應的人、財、機的計劃用量和實際的消耗量，并針對這些消耗量，進行成本的計算，能夠計算出它的人工成本、材料成本、機械成本和總的成本，這些都是針對任何一個對象，任何一個時間段內(nèi)來進行實時的動態(tài)的計算和管理。

在施工場地管理方面，清華大學BIM團隊提供了三維的場地布置功能，每一個設施都和進度計劃掛接，選擇每一個設施都可以把它相關所有的數(shù)據(jù)全部展示出來，包括進場和退場的時間等。實現(xiàn)了把任何一個點的信息模型直接轉(zhuǎn)成某些人工分析的計算模型，可以進行施工起始點結(jié)構(gòu)的安全分析，然后通過建立場地的時空模型可以實現(xiàn)場地動態(tài)的碰撞檢測。

基于因特網(wǎng)的BIM工程項目綜合管理系統(tǒng)，是為了適應遠程協(xié)同管理，實時動態(tài)的信息更新和多層次的決策分析而設置的。它實現(xiàn)了基于因特網(wǎng)上的項目管理和基于CS架構(gòu)上的BIM無縫鏈接，所有在遠程輸送的數(shù)據(jù)都可以準確的掛接到BIM模型上?；贐IM的項目管理軟件，實現(xiàn)了業(yè)務管理、實時控制和決策支持等多項功能。

清華大學BIM團隊也對運維階段BIM應用進行探索和研究。張建平介紹到：“以昆明新機場項目為例，在運維階段，清華大學BIM團隊把在施工階段所有BIM的模型成功的用到了昆明新機場它的物業(yè)管理也就是運維階段，實現(xiàn)了物業(yè)、機電、流程、庫存以及報修的管理。我們是按照甲方的要求把BIM的技術和GIS技術相結(jié)合，把BIM的模型成功的轉(zhuǎn)成了GIS的表現(xiàn)，實現(xiàn)了物業(yè)、機電的信息管理。由于機電的信息管理有嚴謹?shù)倪壿嬯P系，比如說查一個機電，利用BIM技術可以查到它相關所在的位置，以及它上下有所關聯(lián)的設備都能夠查詢到，另外我們也進行了流程的管理、庫存管理和維修管理?！?/p>

此外，在清華大學和中建三局合作的關于機電設備的運維管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)了基本信息、構(gòu)建的管理、知識庫的管理和維修的管理等。在這些功能中，模型的接口是一個公開的接口，任何BIM的模型都可以導入進去，并能確定任何一個設備在其中上下游的關系，同時附加了所有的圖紙和相關的資料，能夠支持移動設備和二維條碼設備，實現(xiàn)了設備的維修和應急的處理。

關于BIM的思考

清華大學BIM團隊針對以往的研究成果和實際應用過程中的經(jīng)驗，對BIM的發(fā)展趨勢提出了一點建議，從技術層面來看，BIM技術不僅使虛擬施工成為可能，而且實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安裝的自動定位和檢測、施工安全與質(zhì)量的監(jiān)控與分析等。動態(tài)的、集成的和可視化的4D施工管理是工程建設行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。在維護技術方面，數(shù)字化的維護運營管理居于首位，預售性能的動態(tài)監(jiān)控與評估以及安全性能的動態(tài)監(jiān)控與評估也是日后業(yè)內(nèi)需要探索、研究和應用的主要方向之一。

在管理層面來看，BIM技術主要對管理模式、工作模式和成果的交付有比較大的調(diào)整和變革。一方面，政府部門應主要從政策的導向、法規(guī)的標準、技術研究和示范的應用等幾個方面著手；另一方面，工程建設行業(yè)也要從技術交流、應用推廣、技能的培訓和考評等幾方面推動，“雙管齊下”共同推進BIM的發(fā)展與應用。