羅茜汶 李思遠(yuǎn)

（1.西安建筑科技大學(xué)安德學(xué)院，陜西 西安 710311；2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西 西安 710072）

1 BIM技術(shù)研究要點(diǎn)的轉(zhuǎn)移和發(fā)展趨勢(shì)

按照2008年北京市《民用建筑信息模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，BIM技術(shù)是我國(guó)創(chuàng)建并規(guī)范利用建筑數(shù)字化信息模型對(duì)民用建設(shè)工程民用項(xiàng)目的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、建設(shè)和施工運(yùn)行管理全過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行信息管理和設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要過(guò)程、方法和關(guān)鍵技術(shù)[1]。

BIM可以把三維復(fù)雜形態(tài)及其表達(dá)形式解析表現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而充分展現(xiàn)一個(gè)項(xiàng)目不同發(fā)展階段的內(nèi)涵[2]。

BIM信息處理工具與技術(shù)載體主要包括理論幾何學(xué)和結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系、地域性信息、建筑物組件數(shù)量及特性、預(yù)算成本、物料庫(kù)存及項(xiàng)目時(shí)間表，用作展示建筑物的整個(gè)生命周期。不但對(duì)傳統(tǒng)的2D技術(shù)進(jìn)行延伸和革新，也能強(qiáng)化展示動(dòng)態(tài)3D模型[2]。

自BIM技術(shù)被推出開始，它逐漸受到了各國(guó)學(xué)者的關(guān)注和研究，并在建筑各個(gè)領(lǐng)域里研究BIM的使用。

隨著時(shí)間的推移，國(guó)內(nèi)外的工程師對(duì)BIM的研究與應(yīng)用更加透徹，BIM在建筑領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)也越來(lái)越多樣化。但相對(duì)于其他知識(shí)領(lǐng)域而言，BIM發(fā)展時(shí)間較短，涉及領(lǐng)域廣[2]。

通過(guò)Web of science和中國(guó)知網(wǎng)的論文資源庫(kù)中查找關(guān)于BIM的論文，通過(guò)時(shí)間的劃分，發(fā)現(xiàn)BIM的發(fā)展具有以下規(guī)律。

BIM于2002年由Autodesk公司提出，在前10年中，BIM并沒(méi)有受到廣泛的重視和使用，因而在2002～2012年間，鮮少有BIM的論文發(fā)表。但是在2012～2018年間，許多關(guān)于BIM的論文都得到了發(fā)表，而且上升速度迅猛，證明這一全方位全過(guò)程把控建筑的軟件得到了建筑行業(yè)工程師的認(rèn)可和使用[3]。BIM文獻(xiàn)的增長(zhǎng)規(guī)律如圖1所示[3]。

圖1 2004～2014年BIM論文分布圖[3]

在2018年以前，對(duì)于BIM的研究多處于將BIM用于單一的工程建筑中，如工程造價(jià)、鋼結(jié)構(gòu)以及施工階段的成本控制，對(duì)BIM可以將多專業(yè)聯(lián)系在一起的特點(diǎn)使用并不充分，尤其是在民用建筑領(lǐng)域中還停留在將Revit單一地當(dāng)作一個(gè)工程軟件使用。

在2018年以后，我國(guó)許多關(guān)于BIM的論文發(fā)表都是針對(duì)在某個(gè)大型建筑工程中如何使用BIM技術(shù)，或在工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)中對(duì)它的應(yīng)用，而非在某個(gè)單一的技術(shù)和設(shè)計(jì)中對(duì)它的使用和改良。很明顯，這是一個(gè)研究跨度上的飛躍。

BIM的成功提出為有效解決當(dāng)前建筑信息模型設(shè)計(jì)面臨的“信息孤島”和“信息斷層”設(shè)計(jì)問(wèn)題等帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)思路和解決方法。這對(duì)于了解我國(guó)目前建筑工程的造價(jià)現(xiàn)狀發(fā)展有很大的改進(jìn)幫助，以下將以它在建筑工程造價(jià)管理領(lǐng)域中所帶來(lái)的一些改變來(lái)作為范例進(jìn)行介紹。我國(guó)工程造價(jià)的方式大體上是經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程的演變，最開始是手工繪圖計(jì)算，之后發(fā)展為造價(jià)工程師憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估價(jià)，最后發(fā)展為電腦繪圖計(jì)算。前兩個(gè)階段中，造價(jià)工程師的結(jié)果是很容易出現(xiàn)誤差的，而且在第二階段中工程估價(jià)的結(jié)果很大程度取決于造價(jià)師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)而非系統(tǒng)的理論。雖然經(jīng)過(guò)前代工程師們幾十年的努力，造價(jià)計(jì)算方式得到了很大的改變，但整個(gè)工程造價(jià)行業(yè)水平與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展水平有較大差距。雖然當(dāng)前的政府工程造價(jià)已經(jīng)完全是在政府調(diào)整工程市場(chǎng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)價(jià)格和政府公布工程造價(jià)核算指導(dǎo)性價(jià)格系數(shù)之后再開始進(jìn)行相關(guān)工程造價(jià)的合理計(jì)算，但是依然不可避免地在工程造價(jià)當(dāng)中存在著很明顯的工程計(jì)劃造價(jià)特色。造價(jià)工程師在工作時(shí)，他們?nèi)〉玫男畔⒑茈y與其他部門的工程師進(jìn)行溝通，有一部分原因是因?yàn)槲覈?guó)企業(yè)中的平級(jí)設(shè)定，使各部門之間不能得到有效的溝通。如果僅僅是為了提升信息交流的速度就改變企業(yè)的管理層級(jí)設(shè)定，這并不是一個(gè)合理的解決方案，很有可能在改變層級(jí)之后引發(fā)新的問(wèn)題。而BIM就可以滿足這一項(xiàng)要求，它可以打破信息傳遞的壁壘，因?yàn)楦黜?xiàng)目組上傳的進(jìn)度信息都可以被其他的項(xiàng)目參與者看到，整個(gè)項(xiàng)目組變成一個(gè)有機(jī)的整體，從而大大提升了交流的效率。

2 BIM的功能

BIM的研究是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程。當(dāng)前，廣為國(guó)際認(rèn)可的BIM一詞最早起源于1974年Chuck East man提出的“Building Description Syste m”[4]。進(jìn)入21世紀(jì)，BIM建筑軟件應(yīng)用研究和開發(fā)推廣應(yīng)用，不斷得到新的行業(yè)突破性技術(shù)進(jìn)展，全球三大建筑應(yīng)用軟件系統(tǒng)開發(fā)商，都紛紛研發(fā)推出了自己的新型建筑應(yīng)用軟件[5]。

手工繪圖已經(jīng)成為歷史，CAD繪圖變成21世紀(jì)的主流?；贐IM技術(shù)的商業(yè)化軟件給出的是三維可視化建筑圖形。BIM也被人們稱為建筑業(yè)的第二次工業(yè)革命，如圖2所示。美國(guó)建筑師學(xué)會(huì)（AIA）一致認(rèn)為，BIM設(shè)計(jì)是一種建筑模型設(shè)計(jì)技術(shù)[6]。

圖2 建筑業(yè)信息革命過(guò)程

BIM沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)定義，它們只是一個(gè)涵蓋了城市建設(shè)項(xiàng)目主體物理數(shù)學(xué)特性和建設(shè)功能物理特性的一個(gè)數(shù)字模型。目前較為完整的描述是來(lái)自美國(guó)對(duì)于BIM標(biāo)準(zhǔn)的具體定義：BIM 是設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)，是一個(gè)共享的知識(shí)資源，為該設(shè)施從概念設(shè)計(jì)到拆除的全壽命周期中所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程。在項(xiàng)目不同階段，不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自職責(zé)的協(xié)同工作[7-8]。它分別具有提高可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性及提高可出色繪圖性等六大特點(diǎn)。

通俗地來(lái)說(shuō)，BIM之所以可以被人們正確理解，是因?yàn)樵谝慌_(tái)計(jì)算機(jī)中可以建立一個(gè)建筑物的三維幾何模型，模型結(jié)構(gòu)屬性中包含關(guān)于建筑物的三維幾何與非三維幾何模型信息，是一個(gè)基于建筑物的信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖3所示。

圖3 BIM在建筑中的應(yīng)用

近些年，BIM主要應(yīng)用于土木工程、建筑電氣、市政建設(shè)、工程管理等領(lǐng)域。本文著重論述BIM在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和市政建設(shè)中的應(yīng)用。

3 BIM在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

我國(guó)的建筑經(jīng)歷了從裝配式混凝土結(jié)構(gòu)到現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，其中裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性非常差，難以適應(yīng)人們對(duì)日益增長(zhǎng)的物質(zhì)生活的需求。因而在20世紀(jì)80年代末，我國(guó)經(jīng)歷了裝配式混凝土的發(fā)展低潮，之后受到人們青睞的是現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系?，F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)上的個(gè)性化和復(fù)雜化要求，但是現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出了很多問(wèn)題，比如建筑廢料多、施工噪聲污染大，還有一個(gè)不可忽視的問(wèn)題是難以招募到青年建筑工人。年輕的建筑工人更傾向于工作環(huán)境良好，安全系數(shù)高的工作環(huán)境。在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系中，還不能完全步入工業(yè)化，建筑工人在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系中依然扮演著非常重要的角色。

我國(guó)近10年開始了鋼結(jié)構(gòu)在民用建筑中的使用，小區(qū)高層，城市體育館的建設(shè)中大量使用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性高，而且施工環(huán)境相較于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系也表現(xiàn)得非常優(yōu)良，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)建筑中的構(gòu)建如梁、柱、板等都由工廠生產(chǎn)，生產(chǎn)后直接在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝即可。

雖然在鋼結(jié)構(gòu)建筑中仍有保溫性差和防腐等問(wèn)題急需解決，但是無(wú)疑的鋼結(jié)構(gòu)建筑在未來(lái)的有很大的發(fā)展空間。鋼結(jié)構(gòu)首先在建筑設(shè)計(jì)體系方面的技術(shù)要求相較于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系更為嚴(yán)格，BIM在建筑鋼結(jié)構(gòu)中已經(jīng)起到了很重要的主導(dǎo)作用。通過(guò)對(duì)BIM設(shè)計(jì)技術(shù)的廣泛使用，可以有效降低鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中的技術(shù)難度系數(shù)，如圖4所示。

圖4 BIM在施工中的作用

而且在鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的預(yù)制構(gòu)件，大大增加了管理的難度和成本，這時(shí)可以使用BIM技術(shù)，因?yàn)锽IM技術(shù)是項(xiàng)目的全周期管理，在使用相對(duì)應(yīng)的軟件時(shí)，可以根據(jù)構(gòu)件的不同性能建立不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，部品管理數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)、建立和應(yīng)用有助于進(jìn)一步加強(qiáng)整個(gè)通用裝配式大型鋼結(jié)構(gòu)工程建筑制造體系作業(yè)的精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化流程管理，如圖5所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)骨架模擬

BIM技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)上是我國(guó)邁入建筑工業(yè)化很重要的一步，從中也可以反映出BIM技術(shù)在我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展中的重要性。

4 BIM在市政建設(shè)中的作用

研究BIM在市政工程中的作用時(shí)，首先，就需要充分明確市政工程和一般民用普通住宅的根本區(qū)別。城市公共市政工程主要包括建設(shè)城市道路、橋梁、排水、污水處理、城市防洪、園林等各類城市市政公用公共事業(yè)建設(shè)工程[9]。這和民用建筑是兩種不同的概念。

在橋梁和道路的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)多種問(wèn)題，比如，在設(shè)計(jì)時(shí)不能夠全面考慮在建成后它們可能遇到的問(wèn)題，BIM技術(shù)就可以彌補(bǔ)這點(diǎn)不足。因?yàn)锽IM可以通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙建立三維數(shù)據(jù)模型，取代了傳統(tǒng)的二維模型設(shè)計(jì)，完全彌補(bǔ)了其存在的不足。

BIM技術(shù)在市政建設(shè)中還具有較高的協(xié)調(diào)性和多領(lǐng)域協(xié)調(diào)工作的優(yōu)點(diǎn)，使用BIM技術(shù)之后，可以避免傳統(tǒng)的二維圖紙的單調(diào)和細(xì)節(jié)性的不足，而且它對(duì)于模型的設(shè)計(jì)和分析能力更高，大大減少了設(shè)計(jì)人員用于進(jìn)行檢查和糾錯(cuò)的時(shí)間。

在市政工程施工時(shí)，會(huì)經(jīng)常遇到地下管道錯(cuò)綜復(fù)雜的情況，由于對(duì)這些管道的排布情況不清楚，很容易在施工的時(shí)候?qū)艿涝斐蓳p害，甚至發(fā)生嚴(yán)重的事故。BIM技術(shù)的使用可以明晰地下管道的排布，可以代替市政道路中依靠人工解決的管網(wǎng)交叉問(wèn)題。還為市政建設(shè)中的各部門提供了一個(gè)交流平臺(tái)，能夠方便各部門的人員進(jìn)行數(shù)據(jù)和進(jìn)度的交流，大大提升工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM在工程中的應(yīng)用還會(huì)遇到一些不可避免的阻礙，首先是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變，這意味著他們需要學(xué)習(xí)新的軟件和新的工作模式，這對(duì)一個(gè)從事單一事業(yè)多年的工作者而言并非易事。其次，在應(yīng)用BIM的過(guò)程中，會(huì)增加該階段的工作量，在工作的過(guò)程中會(huì)有很多新的數(shù)據(jù)要處理，而且在三維建模后，還需要繪圖出二維圖紙[8]。

BIM技術(shù)無(wú)疑是非常適合我國(guó)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型，在技術(shù)上能夠快速改進(jìn)原有技術(shù)的不足，打破單一的工作模式，提供一個(gè)既可以方便部門間交流又不破壞原有秩序的新的途徑。