BIM技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究

郭慧鋒 曾日亮

摘要：BIM技術(shù)提供了一個(gè)改善規(guī)則的解決方案，以應(yīng)對(duì)在建筑施工行業(yè)中所遇到的挑戰(zhàn)。然而，BIM技術(shù)目前還不足以滿足建筑從業(yè)者在建筑施工方面的需要，目前的手動(dòng)和臨時(shí)決策的施工方案導(dǎo)致建筑施工產(chǎn)生大量的材料浪費(fèi)。本文對(duì)BIM的概念、特點(diǎn)、特性及模型作了具體論述。利用BIM中的豐富信息，使基于規(guī)則的建模應(yīng)用于建筑的三維模擬、多專業(yè)協(xié)同管理、進(jìn)度管控、施工成本分析和施工運(yùn)營維護(hù)，調(diào)整施工組織設(shè)計(jì)，使建筑施工中的浪費(fèi)實(shí)現(xiàn)最小化。

Abstract： BIM technology provides a solution to improve the rules to meet the challenges encountered in the construction industry. However， BIM technology is not enough to meet the needs of construction practitioners in building construction.Current manual and temporary decision-making construction schemes result in a great deal of material waste in building construction. This article makes a concrete exposition from the viewpoints， characteristics， characteristics and models of BIM. Utilize the rich information in BIM to make rule-based modeling to 3D simulation of buildings， multi-professional collaborative management， schedule management and control， construction cost analysis， construction operation and maintenance， adjust construction organization design， and minimise waste in building construction.

關(guān)鍵詞：施工方案;模型;BIM;三維模擬;施工組織設(shè)計(jì)

Key words： construction plan;modeling;BIM;three-dimensional simulation;construction devise

中圖分類號(hào)：TU71 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）10-0154-05

0 ?引言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的當(dāng)下，競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，每個(gè)行業(yè)都在改革，探求新方法。建筑業(yè)作為我國的產(chǎn)業(yè)之一，是不可或缺的一部分。隨著人民經(jīng)濟(jì)和生活水平的提高，人們對(duì)我們所居住的房屋也有了更多更高的要求，從而我們對(duì)設(shè)計(jì)和施工也提出了更高的要求。幸運(yùn)的是，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)的興盛使得這些問題有了解決的方向。BIM技術(shù)是一種信息化技術(shù)，能夠把建筑業(yè)由于出產(chǎn)效能低下和材料亂用嚴(yán)重等弊端給解決[1]。

BIM理念和技術(shù)在2002年我國開始將它應(yīng)用到工程建設(shè)業(yè)中來，目前我國BIM技術(shù)主要應(yīng)用在設(shè)計(jì)單位中， 與美國相比，無論是發(fā)展程度還是推廣力度，我國依然還是在起步階段[2]。BIM隨著時(shí)代的變遷，這項(xiàng)技術(shù)越來越受到人們的接受，對(duì)BIM技術(shù)的研究成為了熱潮。

目前一些學(xué)者將BIM技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)、工程造價(jià)管理和裝配式建筑等領(lǐng)域中。林俊航[3]將BIM技術(shù)應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中，他認(rèn)為BIM技術(shù)有別于手繪圖紙，它在具備了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容的基礎(chǔ)上改變了設(shè)計(jì)圖紙的交付內(nèi)容，可對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的原始工具進(jìn)行調(diào)整，使得圖紙的修改和拆分變得更加快速和便捷。李玉真[4]提出將BIM技術(shù)應(yīng)用到綠色建筑設(shè)計(jì)過程中，并對(duì)如何應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致的剖析探究。Dr.Boris Ceranica[5]等在一些案例的基礎(chǔ)上，提出將BIM應(yīng)用于可持續(xù)設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以在項(xiàng)目開劈的前期時(shí)期選擇更適合、可持續(xù)的解決方案。高懿瓊[6]用BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行模擬，體現(xiàn)了BIM在工程實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值。歐陽芝[7]認(rèn)為工程造價(jià)管理可以被應(yīng)用在BIM當(dāng)中，并且得出BIM技術(shù)和全過程造價(jià)管理有效結(jié)合具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅有利于各階段工程量的精準(zhǔn)計(jì)算及不可控因素的有效規(guī)避，而且有利于造價(jià)管理整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生成本的有效管控。王易欣[8]就BIM技術(shù)在建筑工程造價(jià)方面進(jìn)行了綜合性的論述。文艷芳[9]等構(gòu)建了基于BIM模型的工程項(xiàng)目建設(shè)流程和最低價(jià)中標(biāo)法評(píng)標(biāo)體系，形成最低價(jià)中標(biāo)法的實(shí)施體系。何玉枝[10]對(duì)裝配式建筑以及應(yīng)用BIM技術(shù)的裝配式建筑施工進(jìn)行對(duì)比，得出應(yīng)用BIM技術(shù)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)水平與質(zhì)量方面均優(yōu)于未使用BIM技術(shù)的裝配式建筑。李冬梅[11]采用BIM技術(shù)對(duì)高層建筑進(jìn)行施工可視化仿真，制定了適用于超高層建筑的施工模擬步驟。

現(xiàn)如今的建設(shè)項(xiàng)目都比較大、投入的資金多、項(xiàng)目工期又長、參與方人數(shù)又多、客戶對(duì)項(xiàng)目的功效要求變得又高，還有在項(xiàng)目的整個(gè)壽命內(nèi)其信息量龐大、復(fù)雜等這些特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和工程管理工作中時(shí)，建設(shè)項(xiàng)目非常龐雜，以往的信息交換和管理的模式已經(jīng)無法達(dá)到目的。眾多事實(shí)顯示，信息轉(zhuǎn)達(dá)錯(cuò)了或殘缺不全是引起眾多賠償與爭(zhēng)執(zhí)事情的主要原因，然而BIM利用3D模擬的共享平臺(tái)和3D的信息傳達(dá)的發(fā)法，這種方法提供了良好的技術(shù)平臺(tái)和解決路徑，能夠很好的傳達(dá)施工信息，由于建設(shè)工程領(lǐng)域一直存在的協(xié)調(diào)性不佳和整體性不強(qiáng)等問題能夠得到很好的解決。

1 ?BIM的內(nèi)涵

1.1 BIM概念的提出

畢業(yè)于美國喬治亞技術(shù)學(xué)院的查克·伊斯曼[12]（Chuck Eastman）博士在40多年前就提出了BIM的概念，他認(rèn)為建筑信息模型結(jié)合了幾乎所有的幾何模型的信息、功能要求以及構(gòu)件的性能，將一個(gè)建筑項(xiàng)目整個(gè)壽命時(shí)期內(nèi)的全部信息被整合到一個(gè)獨(dú)立的建筑模型中，并且施工進(jìn)度信息、建造過程信息、維護(hù)管理等信息都包括在內(nèi)。這就是早期對(duì)BIM技術(shù)的解釋。在最開始二十年間，由于科技不夠發(fā)達(dá)，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)還無法建筑一個(gè)BIM模型，因此BIM就一直停留在理論研究的階段[13]。

BIM被美國的國家標(biāo)準(zhǔn)定義為：BIM是一個(gè)3D數(shù)字化技術(shù)，各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)結(jié)合在了建筑信息模型當(dāng)中，BIM用數(shù)字化的形式將工程項(xiàng)目的設(shè)施實(shí)體與及他的各種功效表達(dá)出來[14]。紀(jì)博雅[15]等人將BIM定義為是一個(gè)涵蓋了建設(shè)項(xiàng)目實(shí)體的物理特性與功效的數(shù)字化模型，并提出建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期的決策與分析可以應(yīng)用這個(gè)模型的共享和互用性技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。余華恒[16]將BIM理解為是建筑信息所產(chǎn)生的數(shù)字化模型，認(rèn)為它是一種技術(shù)，能夠創(chuàng)建建筑數(shù)字化模型并且建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造以及經(jīng)營的整個(gè)過程進(jìn)行優(yōu)化管理都可以利用模型來實(shí)現(xiàn)。

總的來說，BIM是一個(gè)對(duì)建設(shè)項(xiàng)目或設(shè)備的外形和功能特點(diǎn)展示的數(shù)據(jù)化工具，屬于共享的資源;在建設(shè)項(xiàng)目施工全周期中，BIM模型的信息能夠?yàn)樗贫ǖ臎Q策提供可依賴的依據(jù);在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，各方都能夠在同一個(gè)模型BIM中增加、刪減和更改之前的信息。

1.2 BIM技術(shù)的特性

BIM技術(shù)擁有統(tǒng)一的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，以統(tǒng)一的數(shù)字化方式進(jìn)行信息的表達(dá)，因此有效的結(jié)合了各階段、各專業(yè)的信息。在同一個(gè)模型中各階段相關(guān)人員進(jìn)行工作完成任務(wù)。在施工階段，在建立BIM模型時(shí)要將建筑項(xiàng)目各階段的應(yīng)用考慮進(jìn)去，為模型進(jìn)行其他分析和應(yīng)用時(shí)建立基礎(chǔ)，使得模型能夠可持續(xù)、重復(fù)的利用[17]。一個(gè)具體、完整的BIM模型，是對(duì)工程對(duì)象的詳細(xì)展示，設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營維護(hù)等階段可以全方面的結(jié)合起來，其數(shù)據(jù)、過程和資源，項(xiàng)目的相關(guān)各方都能夠聯(lián)合運(yùn)用。BIM模型一般具有以下特征[18]：

1.2.1 模型信息的完備性

不僅能對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行3D信息和同胚關(guān)系的表達(dá)，還可以對(duì)全部的工程情況詳細(xì)的表達(dá)，比如工程的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)還有其對(duì)象之間的工程條理關(guān)系等表達(dá)。一方面，由于BIM的數(shù)據(jù)化模型和特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)的成果可以通過模擬直觀的顯示出來、而且還可以剖析和推算，不同專業(yè)的信息能夠很好的運(yùn)用起來，因此建筑的信息可以反復(fù)的應(yīng)用。除此之外，BIM是一個(gè)數(shù)據(jù)庫，這個(gè)數(shù)據(jù)庫主要是3D模型形成的，數(shù)據(jù)中包含了眾多信息，有設(shè)計(jì)信息，還包括了整個(gè)項(xiàng)目生命周期的信息，如從規(guī)劃到設(shè)計(jì)到建成使用再到運(yùn)營管理時(shí)的全部信息[19]。因?yàn)锽IM模型中有建筑物的各個(gè)組成部分和設(shè)施的詳細(xì)信息，因此我們能夠進(jìn)行概預(yù)算，增加了設(shè)計(jì)和概預(yù)算的效率和準(zhǔn)確度，業(yè)主也能夠借助它對(duì)項(xiàng)目的成本和后期的維護(hù)得到參考。

1.2.2 模型信息的關(guān)聯(lián)性

BIM模型中的模型是能夠識(shí)別并且相互關(guān)聯(lián)的，模型中的信息，BIM能夠自己進(jìn)行總結(jié)和推算，并自動(dòng)形成相對(duì)應(yīng)的圖形和文件展示出來。在對(duì)一個(gè)部件進(jìn)行修改時(shí)，所有與這個(gè)部件相關(guān)聯(lián)的對(duì)象都會(huì)發(fā)生改變，省去我們一一修改的麻煩，也能夠減少錯(cuò)誤，使模型保持完整和準(zhǔn)確。由于BIM具有關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)不僅提高設(shè)計(jì)的效率、減少圖紙修改的工作量，而且解決了因?yàn)槭韬龌驁D紙量大而不易發(fā)現(xiàn)或漏掉的問題。

1.2.3 模型信息的一致性

在建筑的整個(gè)使用過程中，每一個(gè)階段都能夠在共同的BIM模型中進(jìn)行信息分享和傳達(dá)、修改，沒有必要反復(fù)的輸入一樣的信息。在每一個(gè)階段，BIM模型都能夠相適應(yīng)的變化，模型部件能夠很容易地進(jìn)行更改和完善，模型也不用反復(fù)的創(chuàng)建，在大型項(xiàng)目中時(shí)常有龐雜的數(shù)據(jù)，修改時(shí)很麻煩，但是BIM的這一個(gè)特點(diǎn)就能夠解決這些問題。

以上就是BIM的一些特點(diǎn)，這些特點(diǎn)能夠完成建筑整個(gè)使用壽命中施工和管理的目標(biāo)。通過BIM對(duì)實(shí)體建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施過程進(jìn)行統(tǒng)一的管理，能夠解決以往的管理方式和技術(shù)中存在無法解決的問題，比如信息的有效傳達(dá)、累計(jì)方式等方面可以得到很好的解決。

2 ?BIM在施工中的運(yùn)用

2.1 BIM在施工中的模擬

通過BIM模型我們能夠?qū)κ┕し桨高M(jìn)行演示，篩選和設(shè)計(jì)優(yōu)化出最好的施工方案，進(jìn)而提升施工效果，縮短工期，降低因?yàn)楣こ痰母鼊?dòng)而導(dǎo)致的不必要損失。與施工進(jìn)度計(jì)劃結(jié)合在一起，施工流程及現(xiàn)場(chǎng)施工情況可以通過動(dòng)態(tài)3D模型模擬出來，以至于場(chǎng)所與空間的抵觸以及人員和設(shè)備的安全等方面的問題可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)施工方案進(jìn)行再一次的優(yōu)化[20]。項(xiàng)目中所用到的各種資源的相關(guān)信息，人員、材料、設(shè)備等信息可以存儲(chǔ)在BIM模型中，同樣的項(xiàng)目中用到的各種信息也可以儲(chǔ)存進(jìn)來，項(xiàng)目的各方可以在同一個(gè)模型中進(jìn)行工作，資源能夠得到有效的管理。

圖1是南昌臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)市政管理中心工程運(yùn)用BIM對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行模擬后確定場(chǎng)地合理布置。

通過這個(gè)實(shí)際項(xiàng)目可知，場(chǎng)地進(jìn)場(chǎng)階段投入挺大，項(xiàng)目的質(zhì)量、安全和浪費(fèi)問題也就不可避免的產(chǎn)生。應(yīng)用BIM技術(shù)工程師能夠在施工過程中對(duì)工程的進(jìn)度、造價(jià)成本等進(jìn)行很好的管理、監(jiān)督和控制。通過使用BIM技術(shù)可對(duì)工程的施工進(jìn)行模擬，可以很好的制定施工組織計(jì)劃，將建筑施工過程在虛擬環(huán)境中可視化，清除潛在的問題，這點(diǎn)對(duì)復(fù)雜的重要項(xiàng)目來說顯得更加重要。在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，建筑項(xiàng)目的規(guī)劃、施工方案，甚至采購計(jì)劃能夠通過BIM的建筑部件進(jìn)行更具體的制定。將施工方案、BIM的施工模型和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有機(jī)的結(jié)合起來，可以有效的降低建筑的質(zhì)量問題和防止、躲避安全問題，使得沒有必要的返工和整改能夠也隨之降低，使得施工組織設(shè)計(jì)的編制更加合理，也能加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目的整體控制。

2.2 BIM在施工中的協(xié)同管理

建筑施工管理過程中，通過使用BIM能夠很好的對(duì)施工工程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)的銜節(jié)進(jìn)行早期的預(yù)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的緊急情況進(jìn)行預(yù)防和控制。

在傳統(tǒng)的施工過程中，最難處理的就是各種管線、模板、電線、管道等的貫通，一般采取的是根據(jù)不同類型進(jìn)行分散來施工，各個(gè)環(huán)節(jié)分開工作，無法有效的結(jié)合在一起，完成時(shí)要花費(fèi)很長的工期和精神和氣力，在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生人力、物力、財(cái)力龐大，采用這樣的建筑施工方法，不僅花費(fèi)了不必要的時(shí)間，而且對(duì)經(jīng)濟(jì)造成了損失，并且還無法做到施工的精細(xì)化、準(zhǔn)確化、簡(jiǎn)單化等。但是，相對(duì)應(yīng)地，BIM技術(shù)被南昌市市政管理中心工程運(yùn)用在建筑施工管理過程中，提前構(gòu)建了施工過程中所使用的BIM模型，對(duì)建筑施工工程建設(shè)中的各種管線、模板、電線、管道模型并對(duì)其進(jìn)行了銜接，展現(xiàn)出直觀立體的感觸，施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)變得更加簡(jiǎn)單、明了、可預(yù)知化，能夠預(yù)測(cè)可能發(fā)生的問題，以防緊急情況的發(fā)生，而且在發(fā)生時(shí)能夠快速地解決，如圖2所示。

通過BIM三維可視化可以清楚的看到建筑結(jié)構(gòu)、建筑及管道之間的位置關(guān)系，為施工安排，建材進(jìn)場(chǎng)的順序有合理的指導(dǎo)到作用。

2.3 BIM技術(shù)在施工中的進(jìn)度管控

把BIM技術(shù)運(yùn)用在建筑施工管理過程中，通過模型能夠?qū)こ淌┕ぶ械倪M(jìn)度情況很好的掌控并進(jìn)行指導(dǎo)，與此相比，一般的建筑在施工管理過程中，對(duì)施工工程中的進(jìn)度掌控依然還處于2D平面的基礎(chǔ)上，沒法對(duì)深層次的作業(yè)進(jìn)行控制，對(duì)于工程進(jìn)程的控制只是停留在簡(jiǎn)單的層面上，無法進(jìn)一步的展示和體現(xiàn)出工程進(jìn)程的進(jìn)度情況。同時(shí)，對(duì)那些相對(duì)更加復(fù)雜、程序更加繁雜的工程建設(shè)來說，則表現(xiàn)得更為明顯，無法從核心上進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)于縮短工期來說更加沒法實(shí)現(xiàn)，也就是沒法做到在各個(gè)方面一一展示。這樣的2D平面對(duì)建筑的發(fā)展和改善不利。但是，如果在建筑施工管理過程中應(yīng)用BIM技術(shù)，就可以對(duì)工程進(jìn)度進(jìn)行虛擬指導(dǎo)，如圖3所示。

BIM能夠同時(shí)掌控工程中的每一階段，對(duì)每一階段中施工的實(shí)際情況進(jìn)行提前的演示，把實(shí)際的施工場(chǎng)地采用三維掃描，建立一個(gè)立體的、可觀的、準(zhǔn)確的、直觀的數(shù)據(jù)模型，讓人們對(duì)其工程進(jìn)程看得一覽無余，也能夠?qū)赡艽嬖诘陌踩[患或者質(zhì)量問題提前預(yù)防和制定解決方案，通過先進(jìn)的信息技術(shù)的應(yīng)用，能夠較好地掌控工程的進(jìn)度情況，在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)時(shí)能夠做出正確的決定，對(duì)建筑工程的進(jìn)度可以精確、快速地預(yù)知。

2.4 BIM技術(shù)對(duì)施工成本的影響

因?yàn)锽IM模型中涵蓋了的建筑物的具體信息，是以，在制作各種門窗表、材料表以及綜合報(bào)表時(shí)就十分簡(jiǎn)單和快捷，同時(shí)因?yàn)檫@個(gè)特性為BIM模型的進(jìn)一步運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)，例如從這些表格中能夠進(jìn)行概預(yù)算，建筑材料的采購清單也能方便快捷的獲得。除此之外，由于BIM模型與信息各方都可以隨時(shí)的查看，使得建筑項(xiàng)目變得更加透明，能夠有效的防止偷工減料的發(fā)生，很好的規(guī)范了建筑市場(chǎng)，起到了積極的作用[21]。

Autodesk公司對(duì)三維可視化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為3D可視化可提升66%的企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，降低50%-70%的信息申請(qǐng)，減少5%-10%的施工工期，各專業(yè)協(xié)調(diào)時(shí)間可減少20%-25%[22]。在美國的一項(xiàng)研究中得出了，由于BIM的應(yīng)用使得項(xiàng)目成本計(jì)算的準(zhǔn)確性得到了很大的提高并且在不可預(yù)見費(fèi)上也比傳統(tǒng)的更低，如圖4所示[23]。在南昌市市政管理中心工程項(xiàng)目中，如圖5所示，BIM的使用使得項(xiàng)目的返工率降低到只有0.1%，由于每一方之間引起的摩擦也相應(yīng)的急劇的減少。通過運(yùn)用BIM能夠使得建筑業(yè)生產(chǎn)效率大幅度的提高。

2.5 建筑施工運(yùn)營維護(hù)

BIM模型中涵蓋了在建筑施工過程中不斷形成和完善的建筑項(xiàng)目每一階段、每一個(gè)專業(yè)的情況，各方能夠隨時(shí)對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)程以及具體情況進(jìn)行查看和咨詢。BIM模型多中的數(shù)據(jù)是同步的，如果要更改某一處的信息，其他與之相關(guān)的信息都會(huì)自動(dòng)該改變，保持建筑信息的有效性和準(zhǔn)確性。BIM模型不僅可以顯示設(shè)備的特征、使用情況等信息，而且也可以顯示各方面變化的數(shù)據(jù)，還能夠?qū)ㄖ?xiàng)目的物理信息和財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行把握。

3 ?結(jié)語

根據(jù)以上內(nèi)容的分析和論證，我們可以了解到，如果在建筑施工管理過程中應(yīng)用BIM技術(shù)將起到非常明顯的作用，建筑業(yè)的發(fā)展尤其是建筑施工的發(fā)展將能夠安全、穩(wěn)健、迅速的向前運(yùn)行。

因此，我們必須逐步推進(jìn)BIM技術(shù)的進(jìn)展，使其與建筑工程密切的聯(lián)系在一起，在建筑工程中應(yīng)用BIM技術(shù)，使其服務(wù)于建筑工程。并且在工程當(dāng)中不斷地革故鼎新，尋求到改進(jìn)施工技術(shù)的好方法，采用新材料、新技術(shù)，按期地對(duì)職員進(jìn)行一定的培訓(xùn)，讓建筑施工管理時(shí)時(shí)產(chǎn)生新穎的生命力，從而使得BIM技術(shù)在建筑工程中得到更好的應(yīng)用，從而使職工的生命、健康、安全不受損害。

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