BIM技術(shù)建筑工程應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)分析

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【摘要】bim技術(shù)被認(rèn)為是繼CAD之后建筑行業(yè)的第二次科技革命，為了解BIM的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)，利用SATI文獻(xiàn)可視化分析法對(duì)CNKI中國知網(wǎng)關(guān)于BIM的被引用量前2000的文章進(jìn)行可視化分析，整理、總結(jié)、歸納國內(nèi)外BIM的總體發(fā)展現(xiàn)狀以及國內(nèi)外BIM技術(shù)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維等不同階段的應(yīng)用情況，并提出了BIM技術(shù)的未來發(fā)展的四大趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】BIM；建筑工程；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1引言

以信息技術(shù)為代表的科技手段推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步，改變與影響著人們的衣食住行。在建筑領(lǐng)域傳統(tǒng)建筑中設(shè)計(jì)變革帶來的協(xié)同問題，管理變革帶來的工程投資額大、造型獨(dú)特、項(xiàng)目復(fù)雜管理難度大等問題，勞動(dòng)生產(chǎn)率下降、產(chǎn)值利潤低的問題約束著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，與此同時(shí)，BIM技術(shù)也在近十年逐步發(fā)展，正在顛覆和改變著整個(gè)建筑行業(yè)，被認(rèn)為是繼CAD之后建筑行業(yè)第二次科技革命。為了解國內(nèi)BIM的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)，筆者先利用SATI文獻(xiàn)可視化分析法，分析了中國知網(wǎng)CNKI關(guān)于BIM的被引用量前2000的文章的高頻關(guān)鍵詞云圖如圖1。由SATI文獻(xiàn)可視化分析可知，有關(guān)BIM的文章在2013年以來便連年增高，意味著有關(guān)BIM的研究正蓬勃發(fā)展；就關(guān)鍵詞云詞分析可知，BIM的研究領(lǐng)域不僅僅局限于建筑設(shè)計(jì)階段，而是全面開花，而且存在于全生命周期，可視化、物聯(lián)網(wǎng)、IFC標(biāo)準(zhǔn)等也不斷為人們所熟悉。作者層面：清華大學(xué)張建平教授、廣州優(yōu)比建筑咨詢有限公司CEO何關(guān)培、重慶大學(xué)王廷魁教授、同濟(jì)大學(xué)王廣斌教授文獻(xiàn)貢獻(xiàn)較大。機(jī)構(gòu)層面：清華大學(xué)土木工程系、同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院、重慶大學(xué)建筑管理與房地產(chǎn)學(xué)院、中國建筑科學(xué)研究院為四大文獻(xiàn)機(jī)構(gòu)。經(jīng)過分析可知當(dāng)前BIM發(fā)展正呈現(xiàn)良好態(tài)勢(shì)，以清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)為首的土木工程強(qiáng)校，以廣聯(lián)達(dá)、優(yōu)比建筑等BIM技術(shù)應(yīng)用企業(yè)以及以中國建筑科學(xué)研究院為首的建筑研究院都時(shí)刻密切關(guān)注并不斷推動(dòng)BIM在中國的發(fā)展。筆者通過對(duì)國內(nèi)外BIM技術(shù)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維等不同階段的應(yīng)用情況以及國內(nèi)外BIM的總體發(fā)展現(xiàn)狀的總結(jié)研究，提出了BIM技術(shù)未來的四大應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

2BIM概念與特征

2.1BIM的概念

BuildingInformationModel簡稱BIM，即建筑信息模型。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院將BIM概念定義為以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，BIM是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)[1]。BIM是利用數(shù)字模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營的過程，貫穿于建設(shè)項(xiàng)目全生命周期，重點(diǎn)是參建方的協(xié)同合作。

2.2BIM的特征

BIM的特征總結(jié)如下：1）完備性模型信息包括工程對(duì)象3D幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系的描述。2）關(guān)聯(lián)性工程對(duì)象是可識(shí)別且相互關(guān)聯(lián)的，一個(gè)對(duì)象模型的變化，所有相關(guān)的對(duì)象將被更新?？杀苊馊绻艿琅c結(jié)構(gòu)沖突，各房間冷熱不均，尺寸不符等情況[2]。3）一致性即使在不同的開發(fā)階段，構(gòu)建對(duì)象的模型信息也是一致的，不需要重復(fù)輸入相同的信息。信息模型能夠自動(dòng)演化，而且信息模型在項(xiàng)目不同的發(fā)展階段均可以進(jìn)行修補(bǔ)[2]。4）模擬分析及可視化性模擬分析即對(duì)設(shè)計(jì)階段、招投標(biāo)和施工階段以及運(yùn)營階段進(jìn)行軟件現(xiàn)實(shí)模擬及分析。三維模擬可視化，不僅整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，施工和運(yùn)營過程可視化，項(xiàng)目的溝通、討論與決策管理也可視話，提高效率。

3BIM研究應(yīng)用現(xiàn)狀

基于完整的BIM模型可描述建筑全生命周期的所有數(shù)據(jù)和信息，參建方可隨時(shí)利用、更新和完善BIM模型信息，從而提高工程管理及決策水平。考慮到BIM技術(shù)涉及廣泛，現(xiàn)有的建筑信息管理方法難以形成完整的BIM模型，國內(nèi)外從BIM的政策、理論、方法及平臺(tái)、工具等各方面展開了深入地研究[3]。從國際發(fā)展來看，美國的BIM研究與應(yīng)用走在世界前列。GSA美國總務(wù)署曾推出了全國3D-4D-BIM計(jì)劃，鼓勵(lì)所有GSA的項(xiàng)目采用該技術(shù)；USACE美國陸軍工程兵團(tuán)也曾為期15年的BIM發(fā)展路線規(guī)劃[4]。英國內(nèi)閣辦公室2011年5月“政府建設(shè)戰(zhàn)略”，多個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目運(yùn)用BIM技術(shù)。BCA在2011年對(duì)新加坡BIM發(fā)展路線進(jìn)行總體規(guī)劃，提出推動(dòng)新加坡建筑業(yè)在2015年前廣泛使用BIM技術(shù)[4,5]。從國內(nèi)發(fā)展來看，諸多國家科技基金項(xiàng)目對(duì)BIM的理論、工具和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。其中，張建平等研究了面向全生命周期的BIM建模技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)了建筑全生命周期的BIM數(shù)據(jù)集成平臺(tái)。李云貴對(duì)國內(nèi)外BIM標(biāo)準(zhǔn)和政策進(jìn)行了全面調(diào)查和分析。王廣斌等通過對(duì)發(fā)達(dá)國家BIM和BIM政策應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)查，分析了我國BIM的發(fā)展趨勢(shì)。指出要從戰(zhàn)略高度重視BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用，充分發(fā)揮政府作用，制定適合我國產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)的BIM技術(shù)戰(zhàn)略政策[3]。我國住建部《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》提出加快BIM等新技術(shù)在工程中的應(yīng)用，至今多部BIM標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)納入國家工程標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃[3]。2015年，第一個(gè)國家層面的指導(dǎo)性文件《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》充分肯定了BIM應(yīng)用的重要意義，強(qiáng)調(diào)了BIM在建筑工程項(xiàng)目全生命周期(策劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維)的應(yīng)用，并從企業(yè)和項(xiàng)目兩方面制定了五年的應(yīng)用目標(biāo)，提出可量化要求：截至2020年末，建筑行業(yè)甲級(jí)勘察、設(shè)計(jì)單位以及特級(jí)、一級(jí)房屋建筑工程施工企業(yè)應(yīng)掌握并實(shí)現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)的一體化集成應(yīng)用[6,7]。

4BIM在工程建設(shè)各階段應(yīng)用

BIM貫穿了整個(gè)工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、出圖、預(yù)制、施工及運(yùn)營維護(hù)的各階段[8]，具體如圖2所示：

4.1BIM在規(guī)劃階段的應(yīng)用

1）現(xiàn)地狀況建模現(xiàn)地條件仿真，具體包括建置基地現(xiàn)況、現(xiàn)有設(shè)施、或者是現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)特定區(qū)域的現(xiàn)況，以提供規(guī)劃作業(yè)所需現(xiàn)地信息。2）設(shè)計(jì)表達(dá)量體模型建立（利用3D建置概念設(shè)計(jì)各方案的量體模型，以供業(yè)主利用3D模型進(jìn)行方案比較及比選）、設(shè)計(jì)（執(zhí)行設(shè)施、建物的概念設(shè)計(jì)，包括建筑、結(jié)構(gòu)、使用空間規(guī)劃、其他專業(yè)設(shè)計(jì)等，并使用3D軟件建置該設(shè)施/建物的BIM模型，以提供相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析與滿足業(yè)主空間上需求）。3）成本估算初步成本估算(由BIM模型輸出工程經(jīng)費(fèi)概算，以利提供成本信息給業(yè)主做決策及決定經(jīng)費(fèi)預(yù)算)。4）基地分析運(yùn)用GIS+BIM技術(shù)評(píng)估工程區(qū)域空間性質(zhì)及環(huán)境概況，用來確定工程的最佳基地位置。土地利用和交通規(guī)劃，運(yùn)用BIM工具來評(píng)估特定區(qū)域內(nèi)空間的利用及運(yùn)輸規(guī)劃，以利選擇最佳方案。交通影響模擬，運(yùn)用BIM工具來評(píng)估特定區(qū)域內(nèi)交通的運(yùn)輸規(guī)劃及影響模擬，以利決定方案的研擬及評(píng)估。5）設(shè)計(jì)審核利用3D模型向利害關(guān)系人展示符合原規(guī)劃要件的評(píng)估成果，包括建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)計(jì)、使用空間規(guī)劃，視需要實(shí)時(shí)解決設(shè)計(jì)的問題。6）歷程規(guī)劃可視化仿真，利用4D模型有效地在整建、整修、或增建項(xiàng)目中，規(guī)劃施工順序和空間要求的階段性變化，以利于基本設(shè)計(jì)前提出解決方案。7）空間規(guī)劃方案比較與決策，利用3D模型研擬空間規(guī)劃的方案并進(jìn)行比較評(píng)估與比選，以選擇最佳的空間方案。

4.2BIM在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

有效支持概念設(shè)計(jì)和初步分析：三維模型顯示、空間規(guī)劃、環(huán)境分析；有效進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化：通過模型得到設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行多方案比較；有效支持建造級(jí)細(xì)度的建模：建筑設(shè)備的布置、圖紙及文檔的自動(dòng)生成材料、工藝等細(xì)節(jié)定義。

4.3BIM在施工階段的應(yīng)用

[9]1）缺碰檢查未完全固化三維BIM模型在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行缺碰檢查，能夠直觀地解決建筑物空間上的沖突，檢查存在的缺失和碰撞構(gòu)件，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，減少施工可能發(fā)生的問題。同時(shí)通過調(diào)整、修改BIM模型空間標(biāo)高，優(yōu)化裝飾完成面和管線排布等施工方案。施工單位利用BIM進(jìn)行施工交底和施工模擬，極大地提高了施工質(zhì)量。2）多維協(xié)同在BIM模型三維可視化的基礎(chǔ)上增加時(shí)間維度，變成四維信息模型，結(jié)合施工組織設(shè)計(jì)和施工方案，能夠模擬施工進(jìn)度。在BIM模型四維可視化的基礎(chǔ)上增加造價(jià)緯度，則為五維綜合信息模型。即時(shí)通過BIM模型模擬施工進(jìn)展與施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比，所有的項(xiàng)目參建方可以有效進(jìn)行空間、時(shí)間、價(jià)格維度上的多維協(xié)同，并進(jìn)一步詳細(xì)了解工程項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)展，有效地減少返工和整改，有效地減少了建筑施工過程中存在的安全、進(jìn)度、質(zhì)量、造價(jià)等風(fēng)險(xiǎn)問題。3）虛擬現(xiàn)實(shí)通過渲染三維模型，使人們通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)代進(jìn)入實(shí)體建筑，在設(shè)計(jì)階段便可提供現(xiàn)實(shí)真實(shí)體驗(yàn)以及直接的視覺沖擊，有關(guān)方可以隨時(shí)檢驗(yàn)工程施工，以實(shí)現(xiàn)適時(shí)調(diào)整。4）知識(shí)管理傳統(tǒng)的施工，有經(jīng)驗(yàn)的工人往往口傳身授，但在施工過程中施工經(jīng)驗(yàn)知識(shí)技術(shù)工藝和工法難以積累甚至數(shù)字化的存儲(chǔ)，通過模型動(dòng)畫展示，可以不斷地更新施工長期積累的知識(shí)庫，降低施工項(xiàng)目的學(xué)習(xí)難度，有效提升項(xiàng)目管理的水平，為未來類似工程項(xiàng)目積累經(jīng)驗(yàn)。

4.4BIM在運(yùn)維階段的應(yīng)用

1）空間管理空間管理主要應(yīng)用在設(shè)備系統(tǒng)和辦公系統(tǒng)等。用三維圖形位置代替原有的冰冷的二維編號(hào)或者文字，能夠直觀地查找各個(gè)設(shè)施、設(shè)備位置，提升空間管理的效率。2）設(shè)施管理設(shè)施管理主要包括大大小小建設(shè)設(shè)施的空間規(guī)劃和維護(hù)操作等。3）隱蔽工程管理通過BIM模型，可以對(duì)隱蔽管道或設(shè)備信息進(jìn)行可視化管理。管理者可以通過共享信息隨時(shí)查看、調(diào)整和更新信息，確保隱蔽工程信息的完整性和準(zhǔn)確性，最大限度地降低隱蔽工程的安全風(fēng)險(xiǎn)。4）應(yīng)急管理在大型公共建筑和高層建筑等區(qū)域，人們往往擁擠，難以疏散，因此有必要提高應(yīng)急響應(yīng)能力。BIM技術(shù)可以預(yù)防、報(bào)警甚至處理突發(fā)事件，快速定位設(shè)施設(shè)備的位置，減少損失，避免更嚴(yán)重的事故。5）節(jié)能減排管理“BIM+IoT”，即模型信息+物聯(lián)網(wǎng)模式對(duì)能源進(jìn)行管理監(jiān)控。將建筑的各種能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸、初步分析、定時(shí)定點(diǎn)上傳，進(jìn)行可視化處理。

5BIM技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)

BIM的發(fā)展必將給建筑業(yè)帶來新的革命。隨著BIM研究和應(yīng)用的深入，建筑業(yè)的分工將進(jìn)一步細(xì)化，并能夠?qū)崿F(xiàn)三維環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計(jì)、管理、運(yùn)維?！癇IM+GIS+IoT”技術(shù)的成熟，將形成內(nèi)容完整的，應(yīng)用廣泛的，性能更優(yōu)的建筑信息模型。未來將實(shí)現(xiàn)高水平的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑工程全生命周期管理。隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑工程業(yè)的效率勢(shì)必不斷提高，未來BIM技術(shù)的發(fā)展預(yù)計(jì)將有以下四大發(fā)展趨勢(shì)[9]：

5.1移動(dòng)終端的應(yīng)用

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)智能終端的普及，人們可以隨時(shí)隨地獲取信息。在建筑施工領(lǐng)域，施工監(jiān)理人員等在未來將配備這些移動(dòng)設(shè)備，可以在工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)。

5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的普及

將監(jiān)控、無線傳感器放置在建筑物的各個(gè)角落，對(duì)建筑物內(nèi)的濕度、空氣質(zhì)量、溫度等進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合供暖、通風(fēng)、供水等控制信息，工程師可以充分了解建筑物的綜合情況，從而使設(shè)計(jì)和施工決策方案更加有效合理。

5.3數(shù)字化、云計(jì)算的應(yīng)用

通過一種激光掃描橋梁、道路等工程區(qū)域信息，可以獲得早期的一手?jǐn)?shù)據(jù)。設(shè)計(jì)師可以在這種浸入交互式的三維空間中進(jìn)行工作。結(jié)構(gòu)分析、能耗分析都需要用云計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算能力來處理和分析。甚至渲染和分析過程可以達(dá)到實(shí)時(shí)的計(jì)算，幫助設(shè)計(jì)師實(shí)時(shí)在諸多不同的設(shè)計(jì)和解決方案之間進(jìn)行比較，擇優(yōu)而立。

5.4扁平化協(xié)同模式

要建設(shè)完善的BIM實(shí)施，必須通過制定協(xié)同工作流程來保障和協(xié)同，可以將原設(shè)計(jì)師、工程師、承包商、業(yè)主的協(xié)同變成扁平化的管理風(fēng)格，實(shí)現(xiàn)成果共享，各方參與，使得BIM可以在項(xiàng)目生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)總價(jià)值的最大化。

6結(jié)語

本文利用SATI文獻(xiàn)可視化分析法對(duì)CNKI中國知網(wǎng)關(guān)于BIM的被引用量前2000的文章進(jìn)行可視化分析，總結(jié)歸納國內(nèi)外BIM的總體發(fā)展現(xiàn)狀良好并且持續(xù)向榮。國內(nèi)外BIM技術(shù)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維等不同階段的應(yīng)用情況不斷發(fā)展進(jìn)步，并提出了BIM技術(shù)的未來的五大發(fā)展趨勢(shì)，即移動(dòng)終端的應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的普及、數(shù)字化、云計(jì)算的應(yīng)用、扁平化協(xié)同模式創(chuàng)新與發(fā)展。BIM的應(yīng)用與發(fā)展壯大無可厚非的已經(jīng)改變了土木工程傳統(tǒng)的生產(chǎn)和施工模式，為工程項(xiàng)目的生產(chǎn)和管理提供了大量的數(shù)據(jù)信息。BIM作為大數(shù)據(jù)的載體，借助信息管理系統(tǒng)為企業(yè)運(yùn)營和項(xiàng)目管理提供有價(jià)值的決策依據(jù)[9]。相信隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，BIM終將成為土木工程領(lǐng)域高效率增長的引擎，再次煥發(fā)建筑業(yè)的無限活力。

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作者：徐磊 李舒暢 單位：武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院