BIM專利技術(shù)綜述

(1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，北京 100088； 2.中國建筑科學(xué)研究院 北京 100013)

1 引言

BIM 技術(shù)管理理念的運用是現(xiàn)階段建筑業(yè)發(fā)展的一大趨勢[1]，盡管BIM技術(shù)在我國發(fā)展的時間較短，但隨著建設(shè)工程從業(yè)人員對BIM技術(shù)認識的不斷加深，國家、地方政策的大力支持[2]，BIM技術(shù)在逐漸被廣大從業(yè)者接受和認可的過程中，BIM技術(shù)管理理念已經(jīng)逐步融入到建設(shè)工程發(fā)展的全過程之中，并在建設(shè)工程的發(fā)展過程中起著越來越重要的作用?；谕暾?BIM 模型可以描述建筑全生命期各階段建筑實體及其在建設(shè)、使用過程的全部信息和數(shù)據(jù)，各個參與方可以隨時查詢、利用、更新和完善 BIM 模型信息，提高工程管理和決策水平[3]。本文從涉及BIM的專利申請的角度入手，對向我國提出并已經(jīng)公開的專利申請的數(shù)據(jù)進行綜述分析，探討了其申請量趨勢變化、申請人類型分布以及主要申請人技術(shù)分布和發(fā)展情況。

2 專利申請現(xiàn)狀

涉及BIM技術(shù)的專利申請數(shù)量眾多，本文僅針對向中國國家知識產(chǎn)權(quán)局提出并且已經(jīng)公開的涉及BIM技術(shù)的專利申請進行檢索，檢索時間截至2018年5月20日，筆者通過在CNABS數(shù)據(jù)庫中進行檢索、篩選和標引，共獲得1386項涉及BIM技術(shù)的專利申請，以下分別從三個方面進行專利申請現(xiàn)狀的解讀。

2.1 專利申請量趨勢

圖1顯示了自2008年以來BIM技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩康闹鹉曜兓闆r。事實上，筆者在CNABS數(shù)據(jù)庫中檢索到的與BIM技術(shù)有關(guān)的專利申請最早出現(xiàn)在2008年，從2008～2010年間，該領(lǐng)域在中國的專利申請量一直處于較低的狀態(tài)，每年不足5件，此時BIM技術(shù)引入我國時間較短，專利申請量不大且無明顯增長勢頭。從2011年開始，年專利申請量開始超過20件，并且申請量開始逐年上升，此時也正值中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《2011—2015 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，將“加快BIM等新技術(shù)在工程中的應(yīng)用”列入“十二五”規(guī)劃，這在一定程度上促進了BIM技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)專利申請量的增多[4-5]。到2015年專利申請量開始有了突飛猛進的爆發(fā)式增長，從之前的年申請量不足百件增長到年申請量超過200件，這與住建部于2015年6月發(fā)布的《關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》以及2016年8月發(fā)布的《2016—2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確了推進 BIM 技術(shù)應(yīng)用不無關(guān)系[2]。隨著BIM技術(shù)的逐步積累深入以及國家政策的大力支持，該領(lǐng)域的專利申請量在2017年達到頂峰，數(shù)量達到600余件。而2018年的申請量較少，可能是因為國內(nèi)申請由于未滿18個月而未進行公開，同時也可能有部分PCT申請未進入中國國家階段，導(dǎo)致在CNABS數(shù)據(jù)庫中檢索不到，因而該年份數(shù)據(jù)在這里僅供參考。

圖1 申請量年度分布

2.2 申請人分布情況

如圖2所示，在檢索獲得的1386項專利申請中，有81.6%來自企業(yè)， 14.1%來自高校，還有4.3%來自個人申請。由于BIM技術(shù)主要是應(yīng)用于建筑施工工程，建筑施工的生產(chǎn)規(guī)模大、成本高，并且需要配備專業(yè)設(shè)備和專業(yè)人員，上述這些特點導(dǎo)致其使用和改進多由企業(yè)來承擔。隨著技術(shù)不斷發(fā)展進步，BIM逐漸與其它專業(yè)和其它新技術(shù)有所結(jié)合，高校和個人也積極參與進來。

在這1386項專利申請中，如果按照申請人來自國內(nèi)和國外來劃分，如圖3所示，有97.4%來自國內(nèi)申請人，僅有2.6%來自國外申請人，可以看到，國內(nèi)申請從數(shù)量上來說占絕對的主導(dǎo)地位。這一方面說明我國建設(shè)工程行業(yè)的創(chuàng)新主體對BIM技術(shù)非常重視并看好其未來的發(fā)展前景，另一方面也說明國內(nèi)企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)保護意識的增強。而值得一提的是，盡管BIM技術(shù)最初來源于國外并且在國外發(fā)展迅猛，然而國外申請人在中國提出的涉及BIM技術(shù)領(lǐng)域的專利申請甚少，國內(nèi)關(guān)于BIM技術(shù)專利申請的井噴式發(fā)展與國外申請的較少數(shù)量之間，是否存在我國在該領(lǐng)域申請的盲目擴張或?qū)＠暾埖募夹g(shù)方案僅僅是BIM技術(shù)應(yīng)用的細微改進以及缺少基礎(chǔ)性、核心性技術(shù)等問題，這也值得BIM技術(shù)從業(yè)者在將來的工作中進一步思考。

圖4顯示了BIM技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埌舜笾饕暾埲说姆植紶顩r。盡管在1386項涉及BIM技術(shù)的申請總量中，高校申請相對企業(yè)申請的數(shù)量較少，國外申請相對國內(nèi)申請的數(shù)量較少，但在八大主要申請人當中，有三所高校和一個國外申請人上榜，這可以從一定程度上說明BIM技術(shù)及其專利申請在企業(yè)的分布比較廣泛，覆蓋的企業(yè)較多，但在高校和國外則是相對比較集中的分布在幾所高校和個別國外企業(yè)。

圖2 申請人類型分布 圖3 國內(nèi)外申請人數(shù)量分布

圖4 主要申請人分布情況

3 主要申請人技術(shù)分支和發(fā)展情況

根據(jù)近期的研究論文通常可以預(yù)期行業(yè)今后的發(fā)展方向，而創(chuàng)新主體往往將其較有價值的研究成果申請專利進行保護，因而分析專利申請的內(nèi)容對于預(yù)判行業(yè)的發(fā)展趨勢很有幫助。本文選取了上述八大申請人中比較有代表性的兩家國內(nèi)企業(yè)(上海同筑信息科技有限公司和中國建筑第八工程局有限公司)、一所高校(華中科技大學(xué))以及一家國外企業(yè)(霍尼韋爾國際公司)的專利申請進行研究，根據(jù)這幾個申請人涉及BIM技術(shù)的專利申請的特點，歸納和分析了其在該領(lǐng)域的技術(shù)分布以及技術(shù)發(fā)展情況。

圖5顯示了上述四個代表性申請人在BIM技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埖募夹g(shù)分布。從幾大申請人的技術(shù)分布來看，該領(lǐng)域的研究主要集中在BIM技術(shù)的系統(tǒng)集成、模型優(yōu)化、施工管理優(yōu)化、施工方案優(yōu)化、系統(tǒng)開發(fā)以及其它類型。其中系統(tǒng)集成主要是指在應(yīng)用BIM綜合管理平臺的過程中，將BIM平臺與RFID技術(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)、智慧樓宇系統(tǒng)等進行對接，以便于達到BIM擴展應(yīng)用。模型優(yōu)化主要是指通過一定的技術(shù)手段實現(xiàn)BIM模型輕量化、BIM模型拆分、渲染優(yōu)化、自動添加BIM模型族文件信息、BIM模型快速放置定位等達到改善模型功能效果的技術(shù)。施工管理優(yōu)化主要包括利用BIM技術(shù)對施工現(xiàn)場的成本、安全、質(zhì)量起到直接或者間接的改善和促進作用的技術(shù)手段。施工方案優(yōu)化主要包括利用BIM技術(shù)對施工現(xiàn)場的工藝、工法、方案等進行模擬，從而達到提前發(fā)現(xiàn)問題、更加精準指導(dǎo)施工的目的，雖然從根本上來說其最終達到的目的是優(yōu)化施工管理，但其技術(shù)手段更加側(cè)重于具體施工方案，因此單獨分作一類。系統(tǒng)開發(fā)主要指BIM技術(shù)在這里不涉及專項應(yīng)用，不直接對施工起到優(yōu)化作用，而是從BIM系統(tǒng)中提取數(shù)據(jù)以開發(fā)新型的系統(tǒng)軟件。其它類型主要是指專利申請的關(guān)鍵技術(shù)手段不涉及BIM技術(shù)，僅在技術(shù)方案中簡單提到BIM技術(shù)的使用例如輔助性建模等，并不涉及BIM技術(shù)深入應(yīng)用的技術(shù)方案。

圖5 主要申請人的技術(shù)分布

從圖5來看，作為信息科技企業(yè)代表的上海同筑信息科技有限公司的專利申請主要涉及模型優(yōu)化、施工管理優(yōu)化和系統(tǒng)集成方面，作為施工企業(yè)代表的中國建筑第八工程局有限公司在該領(lǐng)域的專利申請主要涉及施工方案優(yōu)化、模型優(yōu)化以及其它類型如BIM技術(shù)在工程施工等過程中的簡單輔助應(yīng)用，作為高校代表的華中科技大學(xué)在該領(lǐng)域的專利申請主要涉及施工管理優(yōu)化和模型優(yōu)化，而作為國外申請人代表的霍尼韋爾國際公司則與國內(nèi)申請人有較大不同，其在該領(lǐng)域的專利申請幾乎全部涉及系統(tǒng)開發(fā)方面。下文將對這四個申請人在不同時期的專利技術(shù)發(fā)展情況進行進一步的細化分析。

3.1 上海同筑信息科技有限公司

上海同筑信息科技有限公司成立于2012年，是專業(yè)從事工程信息化研究與服務(wù)的技術(shù)密集型企業(yè)。在CNABS數(shù)據(jù)庫中檢索到的該公司作為申請人的專利申請全部涉及BIM技術(shù)領(lǐng)域，其在BIM技術(shù)領(lǐng)域提出的專利申請最早出現(xiàn)在2014年，起初該公司的專利申請主要涉及BIM系統(tǒng)集成技術(shù)，通過采用BIM集成的數(shù)據(jù)庫存儲器，使數(shù)據(jù)與模型交互，從而使得工程管理及其系統(tǒng)更加多元化、信息化和集成化，涉及的專利申請主要應(yīng)用領(lǐng)域為智能門禁裝置、RFID工地人員自動定位系統(tǒng)、車位監(jiān)控系統(tǒng)等； 該公司早期的專利申請也有部分涉及基于BIM技術(shù)的虛擬現(xiàn)實展示方法，從而可以低成本、短周期的完成建筑物的展示，并且提高觀察者的體驗感的模型優(yōu)化技術(shù)，以及利用網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)存儲在云端服務(wù)器，將工程管理數(shù)據(jù)與BIM模型相關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)及時更新同步以及模型與數(shù)據(jù)交互操作的工程管理優(yōu)化技術(shù)。到2015年，該公司的專利申請進入高峰期，共有22項涉及BIM技術(shù)的專利申請，此時其專利申請主要涉及施工管理優(yōu)化和模型優(yōu)化技術(shù)，例如以公開號為CN105426972A的專利申請為代表的基于BIM的工程項目智能運維管理方法及系統(tǒng)，其包括根據(jù)用戶移動端的信息確定與實際工程項目匹配的BIM模型并展示以及構(gòu)件編輯信息、運維故障解決、運維信息推送等步驟，通過移動終端將BIM模型與現(xiàn)場定位，提高了運維人員工作效率，且大大降低了設(shè)備成本，并且能夠主動采集工程項目運行數(shù)據(jù)，主動推送，提前發(fā)布預(yù)警。2016年，在CNABS數(shù)據(jù)庫中檢索到的該公司在BIM技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量有所下降，共7項專利申請中有5項涉及模型優(yōu)化技術(shù)，例如以公開號為CN106251397A的專利申請為代表的基于大型BIM模型的框選方法，通過采用選框椎體計算步驟、包圍盒判斷步驟、檢查步驟、網(wǎng)格碰撞體建立步驟、碰撞步驟、合并框選結(jié)果步驟等，利用多次預(yù)篩選，將需要檢測碰撞的對象數(shù)量降到最低，提高了對大型BIM模型的框選速度，并且合理篩出了大量選框外物體，以極低代價選出選框完全包含的對象，大幅減少了需要利用物理引擎檢測的碰撞。

3.2 中國建筑第八工程局有限公司

中國建筑第八工程局有限公司是國家住建部頒發(fā)的新房屋建筑工程施工總承包特級資質(zhì)企業(yè)，主要經(jīng)營業(yè)務(wù)包括房建總承包、基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)安裝、投資開發(fā)和工程設(shè)計等。在CNABS數(shù)據(jù)庫中檢索到的中建八局涉及BIM技術(shù)領(lǐng)域最早的專利申請出現(xiàn)在2012年初，但從2012年至2015年間該公司涉及BIM技術(shù)領(lǐng)域的專利申請很少，并且?guī)缀跞可暾埦鶅H僅涉及的是建模過程在施工中的輔助應(yīng)用，對BIM技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新的指導(dǎo)意義不大，此處不再贅述該類申請的具體技術(shù)手段。從2015年底、2016年初開始，該公司開始展開了以模型優(yōu)化和施工方案優(yōu)化技術(shù)為主導(dǎo)的專利申請，例如以公開號為CN105731262A的專利申請為代表的基于BIM技術(shù)的塔吊平面布置方法，通過建模單元、獲取單元、平面布置單元、吊重檢查單元的設(shè)置，從而能夠為構(gòu)件賦予重量參數(shù)，在場地布置完成后，進行塔吊吊重與構(gòu)件重量的比對，完成塔吊覆蓋范圍內(nèi)的吊重檢查，實現(xiàn)了智能化的平面布置。到2017年該公司的申請量大幅提升，達到19件，從技術(shù)分布來看，其研發(fā)和布局方向仍然主要涉及模型優(yōu)化和施工方案優(yōu)化，例如以公開號為CN107665122A的專利申請為代表的土建BIM模型的自動更新方法，將三維實體構(gòu)件的特定編碼修改為與原始BIM土建模型中對應(yīng)部分的構(gòu)件的編碼相同，通過替換相同編碼的構(gòu)件，替換原始BIM土建模型中的構(gòu)件，完成原始BIM土建模型的自動更新，從而能夠自動更新BIM模型，無需對土建BIM模型的整體重新建模，能夠顯著節(jié)約人力成本，提高BIM模型的使用效率。

3.3 華中科技大學(xué)

華中科技大學(xué)作為高校申請人中的代表，在CNABS數(shù)據(jù)庫中檢索到的其在BIM技術(shù)領(lǐng)域的專利申請最早出現(xiàn)在2013年，該最早的申請也僅僅是涉及建模過程在施工中的輔助應(yīng)用， 2014年初開始出現(xiàn)了關(guān)于基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動建造裝置及其工作方法的涉及施工方案優(yōu)化的技術(shù)方案。之后很長一段時間，華中科大沒有再進行有關(guān)BIM技術(shù)的專利申請，直到2016年才開始開展了相對大量的以模型優(yōu)化和施工管理優(yōu)化為側(cè)重點的專利申請，而這種現(xiàn)象在2017年又開始減弱，在CNABS數(shù)據(jù)庫中檢索到的2017年華中科大在BIM技術(shù)領(lǐng)域的專利申請僅有1件。該申請人的的典型技術(shù)方案例如以公開號為CN106327104A的專利申請為代表的基于增強現(xiàn)實安全帽的施工管控系統(tǒng)及方法，通過安全帽獲取人員位姿信息，將其同步定位到后臺BIM模型中，根據(jù)安全帽虛擬視覺范圍生成以及范圍內(nèi)施工對象信息判定，確定后臺推送的人員視覺范圍內(nèi)的施工對象的進度信息、質(zhì)量信息、安全信息、成本信息等，并傳送到安全帽的增強現(xiàn)實眼鏡上顯示，供現(xiàn)場管理人員進行虛擬與現(xiàn)實的對比，管理人員據(jù)此下達相應(yīng)施工管控指令，完成施工現(xiàn)場的高效管理。

3.4 霍尼韋爾國際公司

霍尼韋爾國際公司作為涉及BIM技術(shù)的在中國的專利申請量最大的國外申請人，其專利申請的技術(shù)分布的側(cè)重點與國內(nèi)申請明顯不同，并沒有在例如國內(nèi)BIM主要應(yīng)用的施工方案、施工管理、模型優(yōu)化等方面進行專利申請布局，該公司的BIM技術(shù)在其專利申請中不涉及專項應(yīng)用，不直接優(yōu)化施工管理，而是從BIM系統(tǒng)中提取數(shù)據(jù)以開發(fā)其它諸如巡視、可穿戴設(shè)備等系統(tǒng)軟件，從系統(tǒng)開發(fā)的角度進行專利申請。在CNABS數(shù)據(jù)庫中檢索到的其在BIM技術(shù)領(lǐng)域的專利申請最早出現(xiàn)在2010年，在2011～2017年中，其涉及BIM技術(shù)的專利申請基本上都以利用BIM模型為其可視化事件歷史優(yōu)化、警衛(wèi)巡視系統(tǒng)優(yōu)化和為可穿戴設(shè)備提供撤離路線等提供系統(tǒng)開發(fā)服務(wù)。例如以公開號為CN106408848A為例，其將開發(fā)具有多個威脅傳感器的威脅檢測系統(tǒng)，在存儲器中體現(xiàn)的安全區(qū)域的建筑物信息模型(BIM)，檢測人類居住者進入到安全區(qū)域并且提供每個人類居住者的位置的整體指示的訪問控制系統(tǒng)，經(jīng)由每個人類居住者攜帶的無線設(shè)備發(fā)射的無線電波檢測安全區(qū)域內(nèi)的人類居住者的具體位置的居住者定位器和通知器，基于BIM、威脅、威脅的位置和人類居住者的具體或整體表明的位置為每個人類居住者計算到安全出口的相應(yīng)路線的安全路徑計算器，其中所述居住者定位和通知器向人類居住者的無線設(shè)備無線發(fā)送相應(yīng)計算的路線，達到高速、精確、實時提供安全撤離方案的目的。

圖6 幾大申請人的專利技術(shù)發(fā)展情況

圖6為2010年至2017年，上海同筑信息科技有限公司、中國建筑第八工程局有限公司、華中科技大學(xué)及霍尼韋爾國際公司四個代表性申請人其關(guān)鍵BIM專利的技術(shù)發(fā)展情況。

3 結(jié)語

本文關(guān)于BIM技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埖纳暾埩口厔葑兓⑸暾埲祟愋头植?、主要申請人技術(shù)分布及其發(fā)展情況等的分析，也在一定程度上表明BIM技術(shù)從逐步為工程建設(shè)行業(yè)所知曉，經(jīng)過快速蓬勃的發(fā)展，設(shè)計施工企業(yè)、軟件企業(yè)和學(xué)術(shù)界紛紛展開了有關(guān)BIM技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用，各大申請人已經(jīng)將BIM技術(shù)應(yīng)用到工程建設(shè)的設(shè)計階段、施工階段以及建設(shè)完成之后的運維和管理階段，并且也已經(jīng)與互聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動通訊、增強現(xiàn)實等信息技術(shù)進行集成和融合。希望通過本文所介紹和歸納的對于BIM技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)分布、所處發(fā)展階段、重要申請人技術(shù)發(fā)展狀態(tài)等信息能夠?qū)IM從業(yè)者在今后的BIM領(lǐng)域?qū)＠暾垺⒓夹g(shù)開發(fā)等方面具有一些啟示作用。