BIM技術建筑工程應用與發展趨勢分析
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【摘要】bim技術被認為是繼CAD之后建筑行業的第二次科技革命，為了解BIM的應用現狀及未來發展趨勢，利用SATI文獻可視化分析法對CNKI中國知網關于BIM的被引用量前2000的文章進行可視化分析，整理、總結、歸納國內外BIM的總體發展現狀以及國內外BIM技術在規劃、設計、施工和運維等不同階段的應用情況，并提出了BIM技術的未來發展的四大趨勢。
1引言
以信息技術為代表的科技手段推動著社會的進步，改變與影響著人們的衣食住行。在建筑領域傳統建筑中設計變革帶來的協同問題，管理變革帶來的工程投資額大、造型獨特、項目復雜管理難度大等問題，勞動生產率下降、產值利潤低的問題約束著整個行業的發展，與此同時，BIM技術也在近十年逐步發展，正在顛覆和改變著整個建筑行業，被認為是繼CAD之后建筑行業第二次科技革命。為了解國內BIM的應用現狀及未來發展趨勢，筆者先利用SATI文獻可視化分析法，分析了中國知網CNKI關于BIM的被引用量前2000的文章的高頻關鍵詞云圖如圖1。由SATI文獻可視化分析可知，有關BIM的文章在2013年以來便連年增高，意味著有關BIM的研究正蓬勃發展；就關鍵詞云詞分析可知，BIM的研究領域不僅僅局限于建筑設計階段，而是全面開花，而且存在于全生命周期，可視化、物聯網、IFC標準等也不斷為人們所熟悉。作者層面：清華大學張建平教授、廣州優比建筑咨詢有限公司CEO何關培、重慶大學王廷魁教授、同濟大學王廣斌教授文獻貢獻較大。機構層面：清華大學土木工程系、同濟大學經濟與管理學院、重慶大學建筑管理與房地產學院、中國建筑科學研究院為四大文獻機構。經過分析可知當前BIM發展正呈現良好態勢，以清華大學、同濟大學為首的土木工程強校，以廣聯達、優比建筑等BIM技術應用企業以及以中國建筑科學研究院為首的建筑研究院都時刻密切關注并不斷推動BIM在中國的發展。筆者通過對國內外BIM技術在規劃、設計、施工和運維等不同階段的應用情況以及國內外BIM的總體發展現狀的總結研究，提出了BIM技術未來的四大應用發展趨勢。
2BIM概念與特征
2.1BIM的概念
BuildingInformationModel簡稱BIM，即建筑信息模型。美國國家標準技術研究院將BIM概念定義為以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，BIM是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達[1]。BIM是利用數字模型對項目進行設計、施工和運營的過程，貫穿于建設項目全生命周期，重點是參建方的協同合作。
2.2BIM的特征
BIM的特征總結如下：1）完備性模型信息包括工程對象3D幾何信息和拓撲關系的描述。2）關聯性工程對象是可識別且相互關聯的，一個對象模型的變化，所有相關的對象將被更新。可避免如管道與結構沖突，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階段，構建對象的模型信息也是一致的，不需要重復輸入相同的信息。信息模型能夠自動演化，而且信息模型在項目不同的發展階段均可以進行修補[2]。4）模擬分析及可視化性模擬分析即對設計階段、招投標和施工階段以及運營階段進行軟件現實模擬及分析。三維模擬可視化，不僅整個建設項目的設計，施工和運營過程可視化，項目的溝通、討論與決策管理也可視話，提高效率。
3BIM研究應用現狀
基于完整的BIM模型可描述建筑全生命周期的所有數據和信息，參建方可隨時利用、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技術涉及廣泛，現有的建筑信息管理方法難以形成完整的BIM模型，國內外從BIM的政策、理論、方法及平臺、工具等各方面展開了深入地研究[3]。從國際發展來看，美國的BIM研究與應用走在世界前列。GSA美國總務署曾推出了全國3D-4D-BIM計劃，鼓勵所有GSA的項目采用該技術；USACE美國陸軍工程兵團也曾為期15年的BIM發展路線規劃[4]。英國內閣辦公室2011年5月“政府建設戰略”，多個試點項目運用BIM技術。BCA在2011年對新加坡BIM發展路線進行總體規劃，提出推動新加坡建筑業在2015年前廣泛使用BIM技術[4,5]。從國內發展來看，諸多國家科技基金項目對BIM的理論、工具和標準進行研究。其中，張建平等研究了面向全生命周期的BIM建模技術和體系結構，開發了建筑全生命周期的BIM數據集成平臺。李云貴對國內外BIM標準和政策進行了全面調查和分析。王廣斌等通過對發達國家BIM和BIM政策應用現狀的調查，分析了我國BIM的發展趨勢。指出要從戰略高度重視BIM技術的推廣應用，充分發揮政府作用，制定適合我國產業特點的BIM技術戰略政策[3]。我國住建部《2011—2015年建筑業信息化發展綱要》提出加快BIM等新技術在工程中的應用，至今多部BIM標準已經納入國家工程標準制定計劃[3]。2015年，第一個國家層面的指導性文件《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》充分肯定了BIM應用的重要意義，強調了BIM在建筑工程項目全生命周期(策劃、勘察、設計、施工、運維)的應用，并從企業和項目兩方面制定了五年的應用目標，提出可量化要求：截至2020年末，建筑行業甲級勘察、設計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業應掌握并實現BIM與企業管理系統和其他信息技術的一體化集成應用[6,7]。
4BIM在工程建設各階段應用
BIM貫穿了整個工程建設規劃、設計、分析、出圖、預制、施工及運營維護的各階段[8]，具體如圖2所示：
4.1BIM在規劃階段的應用
1）現地狀況建模現地條件仿真，具體包括建置基地現況、現有設施、或者是現有設施內特定區域的現況，以提供規劃作業所需現地信息。2）設計表達量體模型建立（利用3D建置概念設計各方案的量體模型，以供業主利用3D模型進行方案比較及比選）、設計（執行設施、建物的概念設計，包括建筑、結構、使用空間規劃、其他專業設計等，并使用3D軟件建置該設施/建物的BIM模型，以提供相關系統的設計分析與滿足業主空間上需求）。3）成本估算初步成本估算(由BIM模型輸出工程經費概算，以利提供成本信息給業主做決策及決定經費預算)。4）基地分析運用GIS+BIM技術評估工程區域空間性質及環境概況，用來確定工程的最佳基地位置。土地利用和交通規劃，運用BIM工具來評估特定區域內空間的利用及運輸規劃，以利選擇最佳方案。交通影響模擬，運用BIM工具來評估特定區域內交通的運輸規劃及影響模擬，以利決定方案的研擬及評估。5）設計審核利用3D模型向利害關系人展示符合原規劃要件的評估成果，包括建筑設計、結構設計、機電設計、使用空間規劃，視需要實時解決設計的問題。6）歷程規劃可視化仿真，利用4D模型有效地在整建、整修、或增建項目中，規劃施工順序和空間要求的階段性變化，以利于基本設計前提出解決方案。7）空間規劃方案比較與決策，利用3D模型研擬空間規劃的方案并進行比較評估與比選，以選擇最佳的空間方案。
4.2BIM在設計階段的應用
有效支持概念設計和初步分析：三維模型顯示、空間規劃、環境分析；有效進行設計優化：通過模型得到設計參數，進行多方案比較；有效支持建造級細度的建模：建筑設備的布置、圖紙及文檔的自動生成材料、工藝等細節定義。
4.3BIM在施工階段的應用
[9]1）缺碰檢查未完全固化三維BIM模型在設計階段進行缺碰檢查，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件，優化工程設計，減少施工可能發生的問題。同時通過調整、修改BIM模型空間標高，優化裝飾完成面和管線排布等施工方案。施工單位利用BIM進行施工交底和施工模擬，極大地提高了施工質量。2）多維協同在BIM模型三維可視化的基礎上增加時間維度，變成四維信息模型，結合施工組織設計和施工方案，能夠模擬施工進度。在BIM模型四維可視化的基礎上增加造價緯度，則為五維綜合信息模型。即時通過BIM模型模擬施工進展與施工現場的實際進展進行對比，所有的項目參建方可以有效進行空間、時間、價格維度上的多維協同，并進一步詳細了解工程項目實際進展，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、進度、質量、造價等風險問題。3）虛擬現實通過渲染三維模型，使人們通過虛擬現實技術代進入實體建筑，在設計階段便可提供現實真實體驗以及直接的視覺沖擊，有關方可以隨時檢驗工程施工，以實現適時調整。4）知識管理傳統的施工，有經驗的工人往往口傳身授，但在施工過程中施工經驗知識技術工藝和工法難以積累甚至數字化的存儲，通過模型動畫展示，可以不斷地更新施工長期積累的知識庫，降低施工項目的學習難度，有效提升項目管理的水平，為未來類似工程項目積累經驗。
4.4BIM在運維階段的應用
1）空間管理空間管理主要應用在設備系統和辦公系統等。用三維圖形位置代替原有的冰冷的二維編號或者文字，能夠直觀地查找各個設施、設備位置，提升空間管理的效率。2）設施管理設施管理主要包括大大小小建設設施的空間規劃和維護操作等。3）隱蔽工程管理通過BIM模型，可以對隱蔽管道或設備信息進行可視化管理。管理者可以通過共享信息隨時查看、調整和更新信息，確保隱蔽工程信息的完整性和準確性，最大限度地降低隱蔽工程的安全風險。4）應急管理在大型公共建筑和高層建筑等區域，人們往往擁擠，難以疏散，因此有必要提高應急響應能力。BIM技術可以預防、報警甚至處理突發事件，快速定位設施設備的位置，減少損失，避免更嚴重的事故。5）節能減排管理“BIM+IoT”，即模型信息+物聯網模式對能源進行管理監控。將建筑的各種能耗數據實時采集、傳輸、初步分析、定時定點上傳，進行可視化處理。
5BIM技術的應用趨勢
BIM的發展必將給建筑業帶來新的革命。隨著BIM研究和應用的深入，建筑業的分工將進一步細化，并能夠實現三維環境下的協同設計、管理、運維。“BIM+GIS+IoT”技術的成熟，將形成內容完整的，應用廣泛的，性能更優的建筑信息模型。未來將實現高水平的虛擬現實技術，實現建筑工程全生命周期管理。隨著通信技術和計算機技術的不斷發展，建筑工程業的效率勢必不斷提高，未來BIM技術的發展預計將有以下四大發展趨勢[9]：
5.1移動終端的應用
隨著互聯網和移動智能終端的普及，人們可以隨時隨地獲取信息。在建筑施工領域，施工監理人員等在未來將配備這些移動設備，可以在工作現場進行指導。
5.2無線傳感器網絡的普及
將監控、無線傳感器放置在建筑物的各個角落，對建筑物內的濕度、空氣質量、溫度等進行監控，結合供暖、通風、供水等控制信息，工程師可以充分了解建筑物的綜合情況，從而使設計和施工決策方案更加有效合理。
5.3數字化、云計算的應用
通過一種激光掃描橋梁、道路等工程區域信息，可以獲得早期的一手數據。設計師可以在這種浸入交互式的三維空間中進行工作。結構分析、能耗分析都需要用云計算強大的計算能力來處理和分析。甚至渲染和分析過程可以達到實時的計算，幫助設計師實時在諸多不同的設計和解決方案之間進行比較，擇優而立。
5.4扁平化協同模式
要建設完善的BIM實施，必須通過制定協同工作流程來保障和協同，可以將原設計師、工程師、承包商、業主的協同變成扁平化的管理風格，實現成果共享，各方參與，使得BIM可以在項目生命周期內實現總價值的最大化。
6結語
本文利用SATI文獻可視化分析法對CNKI中國知網關于BIM的被引用量前2000的文章進行可視化分析，總結歸納國內外BIM的總體發展現狀良好并且持續向榮。國內外BIM技術在規劃、設計、施工和運維等不同階段的應用情況不斷發展進步，并提出了BIM技術的未來的五大發展趨勢，即移動終端的應用、無線傳感器網絡的普及、數字化、云計算的應用、扁平化協同模式創新與發展。BIM的應用與發展壯大無可厚非的已經改變了土木工程傳統的生產和施工模式，為工程項目的生產和管理提供了大量的數據信息。BIM作為大數據的載體，借助信息管理系統為企業運營和項目管理提供有價值的決策依據[9]。相信隨著科技的不斷發展進步，BIM終將成為土木工程領域高效率增長的引擎，再次煥發建筑業的無限活力。
參考文獻
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作者：徐磊 李舒暢 單位：武漢大學土木建筑工程學院