BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

楊玉梅

1 BIM基本簡介

建筑信息模型（Building Information Modeling）簡稱BIM，該技術(shù)創(chuàng)建于1975年，其研究經(jīng)歷了萌芽、產(chǎn)生和發(fā)展三個階段。BIM技術(shù)不但能應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)建筑[2]、混凝土結(jié)構(gòu)建筑、鋼結(jié)構(gòu)建筑等建筑工程，在綜合地下管廊工程、鐵路工程和橋梁工程中的應(yīng)用更凸顯其優(yōu)勢。某圖書館的BIM效果如圖1所示。

圖1 某圖書館BIM效果圖Fig.1 The BIM renderings of a library

BIM是貫穿于項(xiàng)目全過程的一種概念和理念，它的應(yīng)用范圍成千上萬，需要一系列的工具或服務(wù)來支撐。

在歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，應(yīng)用BIM的項(xiàng)目能達(dá)到50%以上，但基本上每個項(xiàng)目都是在某些環(huán)節(jié)使用，而并不是全過程都使用，這可能與目前沒有一個軟件廠商能提供一套完整的貫穿于整個項(xiàng)目應(yīng)用的軟件和服務(wù)，而不同廠商直接的軟件又存在接口問題有關(guān)，筆者認(rèn)為用戶在選擇BIM類的軟件和服務(wù)時，首先要清楚自己工作中最棘手的問題是什么，然后再有針對性地選擇解決這個問題的軟件或服務(wù)，先在這個環(huán)節(jié)進(jìn)行應(yīng)用，而不能急于求成，希望它一下子能解決自己所有的問題，當(dāng)然在選擇的時候盡量還要考慮最見效、自己最易掌握的應(yīng)用。

2 BIM在工程各個階段的應(yīng)用

BIM能應(yīng)用于工程建設(shè)的各個階段，包括方案設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、安裝施工、檢修維護(hù)以及成本控制等全過程。應(yīng)用BIM技術(shù)對建筑工程進(jìn)行信息化管理，可以提升生產(chǎn)效率、提高建筑質(zhì)量、縮短施工工期、降低建造成本、方便檢修維護(hù)，有利于建筑工程行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。圖2為BIM在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例。

圖2 BIM技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用圖例Fig.2 Application of BIM technology in engineering design

2.1 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1.1 可視化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)師可以利用BIM技術(shù)建立三維設(shè)計(jì)模型，所以在BIM軟件下繪制的構(gòu)件在三維空間(X、Y、Z方向)上具有相對獨(dú)立的屬性，設(shè)計(jì)師可以在電腦上進(jìn)行三維可視化設(shè)計(jì)。同時構(gòu)建的模型具有各自的屬性，如柱子，點(diǎn)擊屬性可知柱子的位置、截面尺寸、鋼筋數(shù)量、混凝土強(qiáng)度等級等。

2.1.2 提供各個專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)共享平臺

在BIM技術(shù)的支持下，各個專業(yè)可以協(xié)同工作，方便專業(yè)之間快速及時準(zhǔn)確地進(jìn)行資料交換，有效地提高設(shè)計(jì)速度和保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。三維的表達(dá)方式讓不同專業(yè)之間的讀圖更加直觀和容易，而在二維表達(dá)方式中，對于新人例如剛?cè)肼毜慕o排水專業(yè)設(shè)計(jì)師可能因讀不懂結(jié)構(gòu)專業(yè)圖紙，而將管道的標(biāo)高設(shè)置在梁高范圍內(nèi)，當(dāng)審圖階段發(fā)現(xiàn)時，有可能會導(dǎo)致所有管道的標(biāo)高需要重新調(diào)整，修改的工作量會十分巨大，從而延遲交付圖紙的時間。BIM共享平臺和三維表達(dá)方式能實(shí)現(xiàn)各個專業(yè)的有機(jī)合作，提高圖紙質(zhì)量。

2.1.3 提供設(shè)計(jì)階段進(jìn)行方案優(yōu)化的基礎(chǔ)

在BIM技術(shù)下進(jìn)行設(shè)計(jì)，專業(yè)設(shè)計(jì)完成后則建立起工程各個構(gòu)件的基本數(shù)據(jù)；導(dǎo)入專門的工程量計(jì)算軟件，則可分析出擬建建筑的工程預(yù)算和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，能夠立即對建筑的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到方案選擇的合理性。圖3為BIM在施工階段的應(yīng)用實(shí)例。

2.2 BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用

2.2.1 實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理的優(yōu)化

圖3 BIM技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用圖示Fig.3 Application of BIM technology in engineering construction

通過BIM技術(shù)建立施工階段三維模型能夠?qū)崿F(xiàn)施工組織設(shè)計(jì)的優(yōu)化[3]。運(yùn)用BIM技術(shù)，可以在建筑三維模型中進(jìn)行施工總平面的布置，將原材料堆場、場內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備（包括塔吊的位置、臺數(shù)、型號等）、場內(nèi)臨時道路、照明設(shè)施、排水管溝、道路、門衛(wèi)、圍墻以及車輛和人員進(jìn)出通道等布置出來，方便施工技術(shù)人員確定平面布置是否合理，人流物流有無交叉，各設(shè)備有無碰撞等。

2.2.2 項(xiàng)目成本的精細(xì)化和動態(tài)管理

用BIM技術(shù)建立的施工階段5D （三維+時間+費(fèi)用）模型，通過算量軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目成本的精準(zhǔn)分析。軟件能準(zhǔn)確計(jì)算出每個時間節(jié)點(diǎn)段、每道工序、每段工區(qū)的工程量，再套用企業(yè)定額進(jìn)行成本核算，將各個階段的中標(biāo)價格和已經(jīng)發(fā)生的施工成本進(jìn)行比較，即可預(yù)測該階段的經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成本的精細(xì)化管理。同時可以類比分析相似工段在不同時期（例如冬雨季施工）的成本和效益，實(shí)現(xiàn)成本的動態(tài)管理，方便工程技術(shù)人員對效益不佳時段的施工和管理方法進(jìn)行改進(jìn)。避免了在項(xiàng)目完成后，無法知道項(xiàng)目盈利和虧損的原因和環(huán)節(jié)。

2.2.3 實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的虛擬拼裝，節(jié)約大量的施工成本

現(xiàn)代化的地標(biāo)性建筑具有高、大、重、奇的特征，建筑的結(jié)構(gòu)形式往往是鋼結(jié)構(gòu)+鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成的混合結(jié)構(gòu)，如上海中心的外筒就有極大的水平鋼結(jié)構(gòu)桁架。按照傳統(tǒng)的施工方式，鋼結(jié)構(gòu)在加工廠焊接好后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行預(yù)拼裝，檢查各個構(gòu)件間的配合誤差。在上海中心建造階段，施工方通過三維激光測量技術(shù)，建立了制作好的每一個鋼桁架的三維尺寸數(shù)據(jù)模型，在電腦上建立鋼桁架模型，模擬了構(gòu)件的預(yù)拼裝，取消了桁架的工廠預(yù)拼裝過程，節(jié)約了大量的人力和費(fèi)用。

2.2.4 優(yōu)化裝飾裝修方案

建筑工程的裝飾裝修設(shè)計(jì)通常需要根據(jù)業(yè)主的需求進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。在二維狀態(tài)下建筑工程的裝飾裝修設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)單位除了要出平面布置圖和立面圖外，還需要出具效果圖。靜態(tài)的效果圖，缺乏動態(tài)模擬的效果，不具有對比觀測的條件，在這種情況下往往靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)來判斷最終的效果圖能否達(dá)到業(yè)主滿意的效果。某些實(shí)力比較雄厚的裝飾裝修公司，為了讓業(yè)主體會實(shí)際效果，一般會建造一些具有特點(diǎn)的裝修完畢的樣板間，讓客戶來體驗(yàn)。而客戶很難對某一樣板間所有的裝飾裝修效果完全滿意，往往會提出一些修改意見和建議。如果再按業(yè)主的需求來重新裝飾裝修樣板間，不僅需要時間來重新搭建，也需要投入新的裝飾裝修材料，并且效果還不一定能滿足業(yè)主的要求。

而在通過BIM技術(shù)建立的完全虛擬真實(shí)建筑空間的模型里，業(yè)主如果對某些地方不滿意，建筑師只要動動手指和鍵盤，進(jìn)行簡單的置換，馬上會呈現(xiàn)出不同的裝飾裝修效果，業(yè)主和建筑師能夠像在已經(jīng)建好的房屋內(nèi)的虛擬空間內(nèi)漫游。

2.3 方便檢修和維護(hù)

BIM技術(shù)包括建筑工程的設(shè)計(jì)、建造以及營運(yùn)等全過程體系的生命周期，具有非常龐大的信息系統(tǒng)，包括建筑材料和設(shè)備資料等。建筑內(nèi)材料的信息提取十分方便，因此方便了建筑工程使用過程中的檢修和維護(hù)。例如某個大廈在后期的使用過程當(dāng)中，當(dāng)業(yè)主發(fā)現(xiàn)某處滲漏，不用管理人員來逐層分析調(diào)查，只要在大廈的建筑信息模型中查找位于滲漏地點(diǎn)附近的閥門，再通過實(shí)地驗(yàn)證，便可準(zhǔn)確無誤地找到滲漏原因。如果是閥門壞了，再根據(jù)BIM數(shù)據(jù)提供的閥門規(guī)格、制造商、零件號碼或其他信息，及時有效地對閥門進(jìn)行維修或更換。

3 BIM普及的制約因素

目前BIM技術(shù)在我國還未得以充分的應(yīng)用與發(fā)展，筆者認(rèn)為，制約我國BIM技術(shù)發(fā)展的因素主要有以下幾方面。

3.1 時機(jī)尚不成熟

由于BIM在我國的應(yīng)用尚不普及，設(shè)計(jì)人員對BIM的熟練運(yùn)用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及CAD、天正、探索者等系列軟件，因此使用它不但會有技術(shù)風(fēng)險，而且任務(wù)完成時間在設(shè)計(jì)師加班加點(diǎn)的情況下也很難得到保證。尤其是目前我國建筑行業(yè)普遍存在著設(shè)計(jì)周期被嚴(yán)重壓縮的困難局面，而又沒有相關(guān)利益補(bǔ)償?shù)那闆r下，BIM技術(shù)的應(yīng)用很難得到設(shè)計(jì)師、設(shè)計(jì)單位的認(rèn)同。除非國家或有關(guān)部門出臺相關(guān)的技術(shù)保障措施和配套的管理機(jī)制[4]，來清除BIM在我國普及的障礙。因此，BIM技術(shù)的普及不僅需要相關(guān)BIM技術(shù)部門逐步完善BIM軟件的2D出圖效果，而且還需要相關(guān)行政部門大膽改革，逐步改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙表達(dá)方式，并及時更新相關(guān)的制圖規(guī)范，讓設(shè)計(jì)與BIM技術(shù)早日融合。

3.2 圖紙交付時間存在風(fēng)險

我國建設(shè)項(xiàng)目的業(yè)主普遍存在著一方面要求設(shè)計(jì)方縮短設(shè)計(jì)周期，另一方面需要施工單位無條件加快施工進(jìn)度的不合理情況。BIM技術(shù)在初期使用時，由于初學(xué)者對BIM技術(shù)的運(yùn)用不夠熟練，不可避免地會存在各種各樣的技術(shù)難題，往往會導(dǎo)致設(shè)計(jì)文件的完成時間不能達(dá)到甲方的進(jìn)度要求。

3.3 使用要求高、培訓(xùn)難度大[4]

盡管BIM軟件的設(shè)計(jì)者總是強(qiáng)調(diào)其易學(xué)也易用，實(shí)際上相對于目前的2D設(shè)計(jì)而言，要想熟練掌握BIM軟件的技巧，難度還是不小的，需要設(shè)計(jì)者拋棄急功近利的思想，靜下心來研學(xué)BIM軟件的應(yīng)用技巧。另外，復(fù)雜BIM模型的創(chuàng)建需要建筑設(shè)計(jì)人員具備良好的數(shù)學(xué)功底以及一定的編程能力，或有相關(guān)CAD程序工程師的配合[4]。

3.4 重視程度有待提高

BIM技術(shù)供應(yīng)商對客戶的技術(shù)支持在初始階段會多一些，可能會派技術(shù)人員到客戶單位進(jìn)行培訓(xùn)，但是不可能將培訓(xùn)力量長期集中在某一個單位。在這種情況下，就需要BIM技術(shù)的應(yīng)用者有主動獲取學(xué)習(xí)的方法和動力，以不斷提高自己在BIM技術(shù)上的使用能力。另外BIM技術(shù)使用單位也應(yīng)建立自己的BIM技術(shù)中心，建立準(zhǔn)確的可以共享的數(shù)據(jù)庫，方便本單位人員隨時調(diào)用，以提高BIM在工程中的使用效率。但是這些基礎(chǔ)性的工作需要人力和時間來完成，并且短時間內(nèi)不會有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，有些單位便不愿意做這些前期投入的工作，往往傾向于將BIM技術(shù)外包給經(jīng)驗(yàn)豐富的專門的公司來做。

4 結(jié)語

北京首都國際機(jī)場3號航站樓的設(shè)計(jì)方案出自英國建筑大師諾曼·福斯特之手；國家大劇院是以法國建筑師保羅·安德魯（Paul Andreu）領(lǐng)導(dǎo)的巴黎機(jī)場公司與清華大學(xué)建筑系合作而成的杰作；“鳥巢”則是由瑞士赫爾佐格和德梅隆設(shè)計(jì)事務(wù)所、中國建筑設(shè)計(jì)研究院以及奧雅納工程顧問公司設(shè)計(jì)聯(lián)合體共同設(shè)計(jì)的。以上三個具有時代性的建筑物均出自外國建筑師之手，還有很多地方上的地標(biāo)性建筑，均不是由我國本土的建筑設(shè)計(jì)師來完成的，這種局面令人深思，我國的建筑師可利用BIM技術(shù)來提高自己的設(shè)計(jì)水平，爭取在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得一定的話語權(quán)。

目前，由中國建筑科學(xué)研究院PKPM軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的BIM軟件，將建筑工程的概念設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算與造價報表、施工管理等環(huán)節(jié)連接起來，率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)模型化、模型通用化的BIM理念，實(shí)現(xiàn)了建筑模型數(shù)據(jù)在建筑全生命周期的充分利用[5]。北京探索者軟件股份有限公司在Autodesk公司BIM平臺Revit上開發(fā)的建筑三維建模軟件，包括建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通以及電氣等專業(yè)。鴻業(yè)科技的HYBIM系列軟件，也是本土化的BIM軟件。當(dāng)這些BIM軟件被廣大相關(guān)設(shè)計(jì)人員接受之時，也是我國BIM技術(shù)方興之日。

未來，BIM技術(shù)或?qū)⒊蔀槲覈ㄖO(shè)計(jì)所采用的主流方向。在這種情況下，相關(guān)BIM技術(shù)開發(fā)人員、BIM技術(shù)軟件的應(yīng)用者、建設(shè)方、設(shè)計(jì)方以及施工方的領(lǐng)導(dǎo)決策層，都應(yīng)該審時度勢，積極跟上建設(shè)領(lǐng)域的時代潮流，運(yùn)用BIM技術(shù)，將建筑行業(yè)打造成低碳、環(huán)保、節(jié)能和智能的行業(yè)。

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[2] 王麗, 王滋, 周賢武, 等. 木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的連接方式與性能[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2015, 42(12):48-51.

[3] 夏杰, 陳雷. BIM技術(shù)在施工領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 住宅與房地產(chǎn), 2016,11x(446):138.

[4] 姚遠(yuǎn). BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀[J]. 四川建材, 2011, 37(159):193-194.

[5] 姜立, 張志遠(yuǎn), 張雷, 等. BIM技術(shù)在PKPM建筑工程軟件系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2012, 4(2):78-87.