建筑設計中BIM管控與應用體系研究
——以某體育場為例

黃 騫

( 福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

黨的十九大報告中，習近平總書記在“貫徹新發(fā)展理念，建設現(xiàn)代化經(jīng)濟體系”部分強調(diào)了工業(yè)化及信息化的發(fā)展。

然而，先進技術的推廣和運用，需要輔以配套的控制和管理手段。在建筑業(yè)中，BIM作為促進建筑業(yè)信息化發(fā)展的重要工具，要注重BIM在建筑業(yè)中推廣和應用的雙重效率?；诖?，本文以某體育場為例，分析影響B(tài)IM發(fā)展的障礙因素，并提出相應對策。

2014年7月，住建部《關于建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》提出，將BIM等信息技術應用于建筑設計、施工和運維全過程。2015年6月，住建部《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》指出，到2020年末，90%的新立項目需要集中采用BIM。2016年8月，住建部建筑業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》指出，探索基于BIM的數(shù)字化成果交付、審查和存檔管理，并將BIM應用于“一帶一路”重點工程中。在BIM技術已日趨完善的條件下，積極創(chuàng)新BIM的管理手段，有助于推動和促進BIM在建筑業(yè)中的擴散及應用效率，實現(xiàn)BIM應用的系統(tǒng)化和規(guī)范化。

1 理論回顧與應用現(xiàn)狀

BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)或者建筑信息管理(Building Information Management)是以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)作為基礎，建立起三維建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息[1]。BIM具有信息關聯(lián)性、信息完備性、信息一致性、模擬性、優(yōu)化性、可視化、協(xié)調(diào)性等特點。項目信息不僅包含三維幾何形狀信息，還包含大量如建筑構件的材料、重量、價格和進度等非幾何形狀信息。通過對這些數(shù)據(jù)的挖掘、使用和維護，可以使建筑物在全生命期內(nèi)得到最有效的管理和使用[2-3]。

國外對于BIM的研究與應用較早，目前處于比較成熟階段。國際上BIM應用已成為設計和建筑施工企業(yè)承接項目的必要能力，是建筑企業(yè)生存的必須技能[4]，BIM應用于建筑生命周期各階段時，也正逐步取代傳統(tǒng)的設計、建造和管理模式。但是，我國BIM技術目前一般應用于示范性與規(guī)模較大的建筑物，普及程度低且局限于建筑物某一階段的應用，與國際存在較大差距[5]。

應用現(xiàn)狀對比研究表明(表1)，發(fā)達國家和地區(qū)BIM應用已經(jīng)逐步普及化，標準及軟硬件的研究較為領先，且國外注重長期發(fā)展，行業(yè)市場化、專業(yè)化、標準化、規(guī)范化程度高，項目規(guī)劃有成熟環(huán)境和機制，項目方案很少變動，體現(xiàn)出一以貫之的BIM作風[6]。但中國尤其是大陸地區(qū)，目前側重短期利益，工程項目管理形式粗放、趕進度和臨場變陣，與BIM有較明顯的沖突。此外，國內(nèi)甲方的地位遠比國外強勢，對BIM應用的驅動效應更明顯，但其需求頻繁變更，導致設計單位工作成本增加，施工單位的變更利潤等“灰色收入”縮減，某種程度上也同時削弱了BIM應用動力。綜之，目前建筑業(yè)主要是通過利用BIM的優(yōu)越性，來達到對項目進度、成本和質量等控制目的，而較少研究新技術在項目中的定位，及如何通過項目組織結構的改變或流程再造將BIM融入到現(xiàn)有組織結構之中，使先進的技術擁有與之配套的先進管理手段來發(fā)揮其最大的效益。但隨著IPD模式在國內(nèi)工程領域普及，BIM在建筑各方的應用將有望得到有效改善[7-8]。

針對當前信息技術處于我國建筑行業(yè)應用初級階段、BIM管控研究較為薄弱、技術管理和控制未形成體系等問題，筆者考慮利用建筑設計的龍頭作用，使設計階段BIM管控和應用率先達到成熟水平，以推動BIM在項目全生命期的應用?；?，本文通過以大型公共體育場建筑設計過程中BIM應用為例，探討建筑設計中BIM設計應用重要性，并對建筑設計中BIM管控及應用方法進行分析，提出一套建筑設計BIM管控及應用體系框架，以期為其他建筑工程BIM設計應用提供借鑒，促進BIM擴散及應用。

2 BIM管控與應用體系框架構建

2.1 工程及BIM設計應用概況

項目建設地點位于“21世紀海上絲綢之路”的重要起點——福建省某市，該體育場將成為未來該市的標志性建筑，將提升帶動該市體育文化事業(yè)發(fā)展，提高“一帶一路”重要起點的經(jīng)濟活力。

項目建筑設計，BIM模型匯總了各設計工種的相關信息，以三維形式存儲的數(shù)據(jù),通過計算機圖形或動畫形式來高效檢驗設計的準確性。建筑、結構和設備等專業(yè)可以借助BIM，以高效、整合的進程完成設計工作，其高度精確的設計有助于承建商和其他專業(yè)人員實現(xiàn)順利合作，大大減少施工現(xiàn)場需要處理的問題，并為最終保證在緊張建設周期內(nèi)和合理造價內(nèi)實現(xiàn)高品質建筑的目標鋪平道路[9-11]。

該體育建筑設計中，主體結構設計無疑是非常重要的一環(huán)，膜面積和膜結構的設計也尤為關鍵。因此，首先通過BIM手段介入的參數(shù)化設計，在設計前期為結構設計提供了三維可視化的呈現(xiàn)，便于結構設計方案的比選與優(yōu)化。如圖1所示，通過利用BIM技術輔助結構計算和分析，該復雜項目結構的振型和剛度均勻變形等迅速得到合理性驗證；通過現(xiàn)實性模擬，明確了荷載傳遞路徑及內(nèi)力圖形。如圖2所示，該體育場的膜設計融入了“浪花”“屋瓴”和“織畫”的概念，實體意境較難表現(xiàn)。通過利用BIM技術對膜形狀和各組塊的面積進行反復準確計算，將膜板塊面積控制在表2所示的最合理范圍，最大程度地表現(xiàn)出概念效果的同時，也便于現(xiàn)場拼接和安裝。

但是，從該體育場設計階段BIM應用的現(xiàn)實情況分析，BIM作為新的技術管理手段需要被各方了解和接納，并付諸實施。BIM實際應用過程中，各參建方從單純依靠二維圖紙進行任務溝通，上升到基于協(xié)調(diào)統(tǒng)一的BIM數(shù)字化模型及其集成化工作模式上來，期間必須輔以相應發(fā)達程度的管理手段以發(fā)揮BIM真正的價值?？梢?，隨著BIM的研究和推廣，必須加強配套的BIM管控及應用體系研究[12-13]。

圖1 BIM輔助結構計算分析圖

圖2 膜效果及板塊計算圖

表2 BIM輔助膜板塊最優(yōu)面積控制

2.2 管控與應用體系分析

通過深度剖析該體育場案例，可將BIM管控體系分為組織架構、數(shù)據(jù)架構、設計流程及模型應用控制等4個部分。組織架構和數(shù)據(jù)架構，主要從組織層面對傳統(tǒng)組織加固重構，為BIM設計提供一個最適用的組織環(huán)境。BIM設計流程主要從兩個角度分析：第一，從項目全階段角度分析，設計階段BIM的全局性優(yōu)化作用；第二，從設計階段角度，分析BIM與設計各參與方間的聯(lián)系及管理關系。模型應用控制，主要對已完成BIM模型的儲存、修改和調(diào)用等進行管理。

2.2.1組織架構

BIM作為一項新的技術手段，根據(jù)現(xiàn)狀分析[14-16]，由于BIM的應用，在一定程度上已經(jīng)對管理組織的架構產(chǎn)生了一定沖擊和改變。圖3為該項目的BIM 組織架構，與傳統(tǒng)組織架構最大的區(qū)別在于新增BIM經(jīng)理及其下轄組織。BIM經(jīng)理與傳統(tǒng)項目組織的項目經(jīng)理類似，主要負責BIM組織與傳統(tǒng)組織之間的信息協(xié)調(diào)；BIM技術負責人，主要對BIM核心技術進行控制；BIM協(xié)調(diào)員作為一線員工，主要對土建和機電等信息進行處理，完成BIM模型構建。通過對BIM的管理，在保證現(xiàn)有組織工作效率同時，確保BIM技術應用的專業(yè)性。

2.2.2數(shù)據(jù)架構

如上所述，BIM協(xié)調(diào)員主要處理傳統(tǒng)信息和建模，和傳統(tǒng)組織類似，BIM協(xié)調(diào)技術人員也需要進行分工合作，對土建、機電和專項設計等信息進行分別處理及應用，建立不同類型的子模型。如圖4中的土建模型和機電模型共同構成主體BIM模型，各專項設計模型組合成專項工作BIM模型，進而共同組成BIM模型平臺。BIM模型平臺屬于一個虛擬實體系統(tǒng)，包含實體的所有數(shù)據(jù)信息，子模型則屬于各子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間通過恰當?shù)慕涌谶B接和交互，詳細設計過程中存在的單專業(yè)、多專業(yè)間碰撞協(xié)調(diào)和可建設性分析等問題。

圖3 BIM組織架構圖

圖4 BIM數(shù)據(jù)架構圖

2.2.3設計流程

BIM設計流程，主要用于規(guī)范BIM模型的設計。如圖5所示，該項目中BIM設計流程與傳統(tǒng)設計流程平行設置，主要利用BIM技術優(yōu)化傳統(tǒng)方案設計和初步設計。設計階段的BIM應用在工程項目全生命期可以發(fā)揮龍頭作用，在項目最初階段將外部信息、業(yè)主單位建設需求、審批單位意見、施工單位對設計變更的要求等所有數(shù)據(jù)信息進行整合，期間所有的變更節(jié)點信息統(tǒng)一存檔，便于讀取信息數(shù)據(jù)，有利于工程項目全生命期的BIM應用。

圖5 BIM設計流程圖

圖6 BIM應用流程圖

在確定設計階段BIM在項目全生命期的作用后，需要進行詳細的BIM設計。由圖6所示的該項目BIM應用流程中，可以看到，在接收二維設計圖紙時，BIM設計提供AutoCAD DWG格式文檔，方便后期模型協(xié)作建立；在接收圖紙后，對各專業(yè)圖紙進行整理、歸檔。運用Autodesk Revit軟件系列平臺，實事求是地將圖紙以三維形式真實呈現(xiàn)出來；按設計文件施工的建筑成品將與BIM模型完全一致。通過利用BIM可視化、協(xié)同設計、優(yōu)化設計等技術，以設計人員和業(yè)主為主導，在BIM模型中直觀地對設計階段的建筑建成效果進行控制，及早發(fā)現(xiàn)設計問題，以避免將問題帶入施工階段造成巨大損失。

2.2.4應用控制

BIM模型應用控制，主要包括模型管理、儲存和修改、調(diào)用及族庫管理。

(1)模型管理

BIM建模完畢后，需要制定模型使用制度，幫助各專業(yè)協(xié)調(diào)、有序地使用BIM模型。

(2)模型儲存及修改

模型成果存放在固定的一臺服務器中，由專人負責。如有圖紙變更需要修改模型時，必須經(jīng)總協(xié)調(diào)人同意，通過模型負責人調(diào)用模型，并注明模型修改部位及時間；模型修改完畢后，及時將模型存儲于服務器中，并注明修改版本。

(3)模型調(diào)用

調(diào)用分析模型時，經(jīng)過總協(xié)調(diào)管理人同意后，由模型管理人提取模型，任何人不得隨意調(diào)用和傳播模型。

(4)模型族庫管理

根據(jù)該項目的結構類型及圖紙，建模前建立與該項目相關的單獨族構件，使用時合理管理。

3 BIM在設計階段應用障礙和策略分析

通過對該體育場設計階段的BIM應用研究，總結應用過程中存在的不足及障礙，再通過對各障礙因素進行分析，結合現(xiàn)狀及BIM發(fā)展趨勢研究，給出相應的解決策略。

3.1 障礙分析

(1)法律界限模糊

關于整個數(shù)據(jù)完整性的保護責任和信息數(shù)據(jù)共享及保密要求等，目前都還沒有明確的標準界限。因此，BIM應用過程，各參與方之間責任難以界定，容易產(chǎn)生糾紛。

(2)管理模式轉變困難

項目設計人員和BIM 建模人員兩者平行設置，處于分離狀態(tài)。然而BIM技術已經(jīng)改變了傳統(tǒng)工程項目建設的流程，過程由離散逐漸趨于集中，由單一轉為更加復雜化，這個轉變更加強調(diào)了協(xié)同的重要性。但如何轉變目前的工程項目管理模式來營造協(xié)同工作環(huán)境，并能夠有效地保證工作效率，依然是一個亟待解決的難題。

(3)短期成本高

BIM技術輔助設計，需要引進或培訓BIM專業(yè)人才，并購買相關軟件及應用升級，人員培訓費、人工費、軟件及軟件升級等費用增加，會增加設計單位的經(jīng)濟壓力，規(guī)模較小的公司無力承擔。

(4)設計人員思路轉變困難

由傳統(tǒng)設計方法轉變?yōu)榛贐IM的新設計方法，意味著需要從二維圖紙向三維模擬仿真空間轉變，由粗放式設計向集中式設計轉變，同時還涉及到專業(yè)與非專業(yè)之間的協(xié)調(diào)，使設計人員難以適應，或可能產(chǎn)生抵觸心理[17]。

(5)族庫不完善

目前，軟件公司所提供的族庫豐富度欠缺，導致設計人員建模效率偏低，可能影響到整個項目進度，同時降低了BIM應用的意義。

3.2 策略分析

(1)明確法律責任邊界

政府應制定相關政策條款，明確相關單位各自的法律責任，明確法律邊界。

(2)建立BIM 專業(yè)團隊

在目前的工作流程中增設BIM專業(yè)組織，并通過BIM團隊討論研究形成適應于慣例的建模標準。此外，BIM團隊組織與傳統(tǒng)組織之間應進行緊密的協(xié)調(diào)作業(yè)，以保證工作效率最大化。

(3)提高業(yè)主對BIM應用的積極性

通過向業(yè)主宣傳BIM的優(yōu)點和益處，大力宣傳業(yè)主是BIM應用的最大受益方，鼓勵更多的業(yè)主購買BIM軟件和組織人員參加BIM培訓。

(4)免費課程和強制性學習

通過向設計員工開放BIM設計相關的免費課程，并通過強制性手段和績效激勵方式，讓員工主動學習。

(5)開發(fā)更完善的族庫

軟件開發(fā)公司應致力開發(fā)豐富的軟件族庫，使設計人員能夠將更多的工作效能應用于工程項目設計中，最大化發(fā)揮BIM價值。

4 結語

隨著新型建筑工業(yè)化的逐步深入，BIM技術迎來了快速發(fā)展期，但我國BIM技術應用處在初級階段仍是事實。

本文以某體育場為例，成功將BIM應用于體育場建模、結構分析和工程量計算，彰顯了BIM技術在工程設計階段的強大優(yōu)勢。通過對案例中BIM管控體系進行分步驟分析研究，證明了該管控體系與BIM技術的高效應用相對契合，有利于發(fā)揮BIM技術優(yōu)勢，能夠為其他項目在BIM設計階段的應用提供可借鑒的管理控制經(jīng)驗，有助于實現(xiàn)BIM在工程項目全生命期的推廣應用。

通過總結案例中BIM應用的障礙因素，提供了我國BIM發(fā)展需要解決的主要現(xiàn)實問題及相關對策，可助力同行對BIM技術運用的推進。