BIM技術在設計施工一體化中的應用?

鄭培信

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南　長沙　410004）

BIM技術在設計施工一體化中的應用?

鄭培信

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙410004）

設計、施工的長期嚴格分離，給現(xiàn)代項目管理帶來了很多問題。近年來，建筑信息模型（BIM）的飛速發(fā)展給解決該問題帶來了新的思路。文中論述了BIM技術的概念和特性，分析了BIM與CAD相比所具有的優(yōu)勢，闡述了BIM在設計施工一體化中的應用。

工程管理；建筑信息模型（BIM）；設計施工一體化；可視化

目前，工程項目實施方法有平行發(fā)包模式、DBB模式、DB模式和CM模式等，其不足之處是把其他參與方置于對立位置，即個體的目標總是和項目總體目標不一致，常出現(xiàn)項目目標沒有實現(xiàn)而某一個體參與方的目標卻已實現(xiàn)的情況。在這些項目實施模式下，參與方將合同中規(guī)定的自己的權、責、利作為目標，在設計和施工方面，設計是設計方的工作，與施工方無關，設計時對施工方的可施工性考慮不周全，而設計中的問題直到施工現(xiàn)場才能發(fā)現(xiàn)，從而使施工遇到很多問題，引起設計變更、返工等，導致工期拖延、造價增加、工程質量難以保證等。為了解決這個問題，提出采用一體化項目實施（Integrated Project Delivery，IPD）的管理模式，從項目一開始就設立主要由項目干系人（業(yè)主、設計、施工、供應商等）組成的協(xié)同、高效、一體化的綜合項目團隊，所有參與方共同負責項目的整體目標，項目的總體目標跟每個參與方的目標一致。雖然所有參與方都參加的一體化項目實施不容易實現(xiàn)，但現(xiàn)在已有對于設計施工一體化的研究，并取得了一定成果。中國于2003年頒布的《關于培育發(fā)展工程總承包和工程項目管理企業(yè)的指導意見》，促進了設計施工一體化模式的誕生，但至今國內(nèi)應用仍然不多。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的出現(xiàn)為推進設計施工一體化帶來了新的思路。

1　BIM技術概述

對于BIM的定義或解釋有很多版本。2009 年，McGraw Hill在一次市場調(diào)研報告中對BIM作了最清晰、簡潔的定義：BIM是使用數(shù)字模型對工程項目進行設計、施工、運營的全過程。BIM一經(jīng)提出就受到全世界范圍業(yè)內(nèi)人士的認可，眾多專家認為它是建筑業(yè)的相對于“甩圖版”的第二次革命。

1.1BIM的特性

1.1.1可視化

現(xiàn)在，隨著建筑物越來越復雜，加上項目團隊不同專業(yè)、不同企業(yè)、不同背景的參與者之間的持續(xù)溝通需要，如果沒有可視化，完成一個建設項目的效率將會非常低。在運用BIM技術的工作環(huán)境下，全部過程都是可視化的，不但能使用可視化來匯報和展示，更重要的是，項目設計、施工、運營過程中的各專業(yè)的溝通、協(xié)商、決策都可在可視化的狀態(tài)下完成。可視化模擬可隨著BIM設計模擬的改變而改變，這樣能使可視化與設計保持一致。

1.1.2協(xié)調(diào)

由于一個項目涉及的參與方很多，各利益相關方是否能很好地溝通協(xié)調(diào)是能否在保證項目質量、進度、成本三大目標實現(xiàn)的前提下高效地完成工程項目的關鍵。然而目前的現(xiàn)實情況是各專業(yè)、各部門的溝通協(xié)調(diào)能力很差，意識淡薄。使用BIM，可很好地解決這個問題。因為BIM模型集成了相關項目全壽命周期的三維幾何結構、空間關系、地理位置信息、材料用量、施工進度和構建屬性等幾何、物理、功能屬性信息，每個參與者可通過BIM這個平臺實現(xiàn)良好的協(xié)調(diào)，各參與方都可通過BIM信息模型快速、準確地作出決策。

1.1.3模擬

模擬是對分析結果的形象化表達。如果沒有BIM的模擬，那么和工程實際發(fā)展變化是沒有必然相關性的，僅僅是一種可視化效果。利用BIM技術可實現(xiàn)動態(tài)化的可視化。如當設計有改變時，緊接著就對變化后的設計進行分析，再立即把分析結果形象地模擬出來，這樣設計—分析—模擬一體化能動態(tài)地表達工程的實際狀況?；贐IM，可實現(xiàn)日照模擬、能耗模擬、應急疏散模擬、施工模擬等。

1.1.4優(yōu)化

某個項目的整個實施過程就是不斷優(yōu)化的過程。目前基于BIM技術的優(yōu)化能實現(xiàn)以下功能：1）方案優(yōu)化。使用BIM技術可把設計和投資回報分析進行比較，計算出設計變更對投資回報所帶來的沖擊，有助于業(yè)主選擇最佳方案。2）特殊設計優(yōu)化。通過BIM技術對幕墻、屋頂這些異性設計的設計施工方案進行優(yōu)化，從而加快進度、減少費用。3）限額設計。利用BIM的可視化、模擬等功能可實現(xiàn)限額設計、控制工程造價。

1.1.5出圖

利用BIM技術對建筑物進行協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化后，能作出綜合結構留洞圖、綜合管線圖、碰撞檢查偵查報告及建議改進方案。

1.2BIM與CAD的區(qū)別

計算機輔助設計（Computer Aided Design， CAD）和BIM代表兩個時代，兩者有很大區(qū)別。CAD時代即現(xiàn)在，人基本擺脫了圖版，用計算機軟件繪圖取代手工繪圖，是隨著計算機技術、軟件的發(fā)明和普及，在繪圖工具上的一次大的變革。BIM時代是正要進入的時代。

1.2.1工具層面

利用CAD技術，設計師要分別畫出平面圖、立面圖和剖面圖等不同角度的視圖，而利用BIM技術，設計師能由BIM模型中獲得不同角度的視圖。當任一個構件的類型改變時，采用CAD技術時，要對CAD所作的平面、立面和剖面等圖紙逐個進行修改，但BIM模型只需修改一次即可全部自動更改，極大地提高了設計效率，并且避免了人為失誤導致的設計錯誤，準確性更高。另外，利用CAD技術，當需對結構、節(jié)能、熱工計算及工程量統(tǒng)計等計算工作進行個別調(diào)整時，必須依次調(diào)整所有計算模型，但利用BIM技術，只修改唯一的BIM模型即可，實現(xiàn)了高度自動化。

1.2.2方法層面

在CAD時代，業(yè)主、設計單位、施工單位及其他專業(yè)部門嚴重脫節(jié)，協(xié)調(diào)性欠佳。盡管現(xiàn)在設計與施工有一定的結合，然而大多數(shù)依然分別屬于不同專業(yè)，由不同單位承擔，由于各專業(yè)沒有很好地協(xié)調(diào)一致，導致后面出現(xiàn)很多的“設計變更”和“錯漏碰缺”問題。而進入BIM時代后，各專業(yè)把關于建筑的各種信息（包括建筑、結構、設備等）都放入BIM模型，各參與方可通過BIM模型共享建筑信息，達到及時溝通、協(xié)調(diào)的目的，避免“錯漏碰缺”的發(fā)生。而且施工實際進展情況能通過BIM模型表現(xiàn)出來，通過與進度計劃對比，更好地控制施工進度。另外， BIM模型信息對以后的市場銷售、運營和改擴建有很重要的作用。

1.2.3結果層面

從手工繪圖時代到運用CAD技術繪圖，繪圖效率大大提高，設計師是最大的受益者。從CAD時代到BIM時代，最受益的是業(yè)主，因為通過運用BIM可減少設計變更，因而可減少返工和追加的投資，提高工程質量。

1.2.4信息傳遞模式

在CAD時代，建筑師將腦中的三維圖像轉化為二維圖紙，再由施工方轉變?yōu)槿S實體建筑，即3D圖像—2D圖紙—3D實體，交付給施工方的仍然是二維圖紙，這就是建筑業(yè)數(shù)百年不變的“3—2—3”工作模式。在2D和3D的轉換過程中容易出現(xiàn)信息理解錯誤導致信息流失，難以集成與協(xié)同。運用BIM模型，建筑師將腦中的三維圖像轉化為可任意生成二維圖紙的三維施工模型，再由施工方實現(xiàn)三維實體建筑，可避免2D和3D轉換過程中的信息流失，最后交付給施工方的是一個可任意生成二維圖紙的三維施工模型。

2　BIM在設計施工一體化中的應用

2.1BIM在設計中的應用

設計決定建筑物的性能，設計的優(yōu)劣決定著施工的難易程度。設計階段只使用5％的建設費用，但決定70％的建筑成本。美國建筑科學研究院（NIBS）下屬部門buildingSMART聯(lián)盟關于“建設項目生命周期成本分布”的研究結果指出：整個項目生命周期中，設計師切入時間越早，影響項目性能的能力越大，否則越?。辉O計師切入時間越早，對項目進行變革所需費用越低，否則越高。但目前設計師一半以上的工作量都在施工圖階段，導致設計師成了“畫圖匠”。利用BIM技術，能使設計工作重心向前移，使設計師把工作重點放在方案設計和擴初設計階段，集中精力做好設計方案優(yōu)化。

2.1.1可視化設計

二維CAD的傳統(tǒng)設計方法，平面、立面、剖面圖和門窗表、詳圖等之間相互獨立，設計信息處于零散狀態(tài)，常導致圖紙設計出錯，平面、立面、剖面圖不能對應等問題。而基于三維數(shù)字技術的BIM模型為業(yè)主、建筑設計師、結構工程師、用戶等利益相關方提供了一個“模擬和分析”的協(xié)作平臺，各參與方可清晰地了解設計方的意圖，避免理解錯誤，可提高各專業(yè)、各參與方的溝通協(xié)調(diào)效率；當發(fā)生設計變更時，只需調(diào)整設計參數(shù)即可統(tǒng)一改變結構尺寸，節(jié)省了設計繪圖和調(diào)整時間，大大減少設計變更費用。

2.1.2協(xié)同設計

應用BIM技術，借助各專業(yè)的BIM可視化模型平臺，對原設計圖紙的二維圖紙進行檢查，找出錯誤，從而優(yōu)化設計。另外，設計師在虛擬的三維協(xié)同設計環(huán)境下很容易發(fā)現(xiàn)各專業(yè)構件的空間關系是否存在碰撞沖突，能及時排除可能會在施工中出現(xiàn)的碰撞沖突，從而減少變更申請，使管線綜合的設計能力和工作效率得到提高，加強多專業(yè)的協(xié)同工作。

2.1.3建筑性能分析

BIM技術為建筑性能分析的普及應用提供了可能。“BIM軟件-數(shù)據(jù)格式-專業(yè)分析軟件”組成BIM在工程建設領域綜合運用的基本模型。利用BIM模型，從不同角度出發(fā)，通過三維模型數(shù)據(jù)、價格數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)和其他各種數(shù)據(jù)庫的支持，能從各方面對建筑項目進行綠色評估分析，包括小區(qū)熱環(huán)境模擬、室外風環(huán)境模擬、建筑環(huán)境噪聲模擬、自然采光模擬、室內(nèi)自然通風模擬等分析。

2.1.4參數(shù)化設計

參數(shù)化設計方法可應用在方案設計的各個階段，借助參數(shù)化軟件建立邏輯模型，設計團隊可迭代式操作和定義項目的復雜幾何模型，為多專業(yè)設計協(xié)同提供良好基礎。參數(shù)化設計平臺在定義高性能造型和復雜結構體系的過程中發(fā)揮著關鍵作用。數(shù)字化設計平臺的使用，能從幾何角度對建筑平面和三維空間生成進行確切的定義與展現(xiàn)。

2.1.5深化設計

目前，工程項目復雜程度越來越高，有些設計工作用傳統(tǒng)的CAD基本上無法完成，如復雜三維形體設計往往需要制造安裝企業(yè)進行專業(yè)深化設計。然而基于BIM模型進行鋼結構、幕墻、機電等深化設計，能得到準確的信息作為參考，而且通過統(tǒng)一的可視化平臺，每個參與者可對細節(jié)位置進行溝通，在深化設計過程中及時發(fā)現(xiàn)施工圖上的設計盲點。通過創(chuàng)建工廠級幕墻BIM模型，在深化設計階段，利用BIM可保證建筑設計向幕墻細部設計過渡時的建筑信息的完整性和有效性，正確表達建筑師的設計意圖。進行鋼結構深化設計時，利用BIM模型免除了制造模型的創(chuàng)建時間，可提高制造質量，保證構件精細化工廠預制、現(xiàn)場安裝的質量和效率，具有直觀、方便、準確、高效的特點。

2.2BIM在施工中的應用

2.2.1可視化預演

使用BIM技術能對施工現(xiàn)場平面布置、重要施工環(huán)節(jié)及選用新技術、新工藝、新方案的部位等進行可視化預演與分析，從而提高施工方案的可行性和復雜建設體系的可建性。通過BIM信息化三維技術對施工組織進行模擬，可非常直觀地了解整個施工過程的時間節(jié)點和工序，提高施工效率和施工方案的可行性。

2.2.2施工進度跟蹤

將Revit構建的模型結合施工進度計劃，在Navisworks中進行4D模擬，可分析施工進度計劃中存在的問題。經(jīng)過4D模擬把時間與空間信息整合到一個可視化4D模型中，可反映工程建設施工的全過程。運用BIM技術、4D模擬、3D激光掃描技術、GPS、GIS、無線通信技術和互聯(lián)網(wǎng)技術，可動態(tài)跟蹤現(xiàn)場施工進度，并與施工進度計劃作比較；可自動地每天、每周、每月對施工進度情況作匯報，并根據(jù)現(xiàn)場情況實時調(diào)整，從而獲得最佳的施工方案，提高質量控制和安全控制的效率，也為后期運營維護提供全面、準確的BIM數(shù)據(jù)庫。

2.2.3預制件加工及跟蹤管理

從采購、生產(chǎn)、運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝使用的整個過程中，使用無線移動終端、網(wǎng)絡、身份識別等技術，把在工廠預制、預加工的部件與BIM模型集成，可直觀有效地管理所有部件，避免任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。

2.2.4大型機械運行空間分析

運用BIM軟件，通過對各大型機械進行參數(shù)化建模，可以3D的視角來觀察機械的狀態(tài)并方便地作出調(diào)整以接近臨界狀態(tài)，從而對大型機械運行進行空間分析。這樣既可避免大型機械運行期間互相干擾，又可在遇到惡劣天氣時選擇安全的待機姿態(tài)。

2.2.5碰撞檢查

利用BIM技術，可使各專業(yè)集成到一個統(tǒng)一的平臺，實行三維碰撞檢查；可及時發(fā)現(xiàn)設計中的錯誤和不合理之處，檢查深化設計結果，及時更正，避免因深化設計失誤而造成返工；可對梁、板、柱、墻、設備、管線等結構進行碰撞檢查，避免出現(xiàn)沖突，從而保證各專業(yè)（如結構、建筑、設備等）的協(xié)同工作。

2.2.6BIM的5D應用

BIM技術為工程行業(yè)帶來了新手段，即4D/5D 等3D以上的多維應用，3D+進度=4D，3D+進度+造價=5D。使用BIM模型結合施工計劃和成本管理，能實現(xiàn)建筑業(yè)的“零庫存”施工。使用BIM模型提供的數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)對資金計劃、材料計劃、人工計劃等的合理安排。利用BIM模型，可把設計變更對造價的影響反饋給設計人員，使其清晰地了解設計方案變化對成本的影響。

3　結語

以前，人類獨創(chuàng)了用二維的施工圖來表達三維建筑物的方法，使設計、施工兩個領域長期分離，帶來了建筑業(yè)近百年來前所未有的繁榮和發(fā)展。但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，建設項目的復雜程度越來越大，行業(yè)之間的競爭也越來越大，給業(yè)主帶來了縮短建設周期和控制成本的壓力，建筑業(yè)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。事實證明，人類的偉大發(fā)明即2D表達和設計、施工的分離是出現(xiàn)上述問題的根源，設計施工一體化是必然選擇。

通過多年的努力，科研人員研究了EPC、精益制造等技術方法來解決設計與施工明確分離帶來的問題。但如果沒有BIM技術，這些方法的價值的體現(xiàn)將會受到一定限制，只有把BIM技術和這些方法結合起來，充分利用BIM的優(yōu)勢，才能有效解決上述問題，實現(xiàn)工程行業(yè)更大的繁榮與發(fā)展。為實現(xiàn)BIM技術在中國建筑行業(yè)技術和管理水平提高中的綜合價值，必須有一套自己的BIM開發(fā)與應用系統(tǒng)。要全面實現(xiàn)BIM技術對中國建筑業(yè)的價值，還需整個行業(yè)所有利益相關方的共同努力。

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U415

A

1671-2668（2016）01-0234-04

2015-06-14

湖南省自然科學基金項目（2015JJ2004）