BIM應用將給建筑業帶來什么變化？

◎ 何關培 李剛（Elvis）

前言

任何一種新技術和新方法，只有到了能夠真正應用來改善人類本身和人類生存環境的時候才算實現了其最大的價值，BIM也不例外。

對于工程建設行業的同仁而言，當面對BIM這樣一種新技術和新方法的時候，首先當然是要弄清楚什么是BIM，關于這個問題能找到的資料比較多，估計相當數量的同行們也可以說出個一二三來，這里不再重復。如果有興趣，諸位也可以參考筆者的另外一篇文章《那個叫BIM的東西究竟是什么？》。

關于BIM應用的資料雖然也可以找到不少，這個說用BIM設計了一個劇院，那個講用BIM進行了施工模擬，另一個描述用BIM支持數控加工等等，但總的感覺是有點零碎、有點無序、有點亂。

那如何才能把BIM應用這個問題講清楚呢？這里提供一種方法供同行參考討論：

我們從圖中的三個維度去討論和描述BIM應用這個命題，即BIM用在什么項目上？誰來使用？能用到什么程度？

關于BIM用在什么項目上這個問題，如果把BIM理解成一種技術和方法，那么BIM可以用在所有建設項目上；如果具體到某個BIM軟件和工具，那么，每個軟件和工具都有一定的適用范圍。一般情況下我們說的BIM都是BIM技術和方法。

誰來使用BIM這個問題的答案一定是項目的所有參與方，包括業主、策劃、設計、施工、供應商、銷售、運營商等，而且參與BIM使用的范圍越廣，BIM的價值就越能體現。當然，這么說，并不排除項目的單個參與方甚至單個個人使用BIM獲益。

基于上面的文字，我們知道BIM應用的前兩個維度相對來說都是比較容易回答的，因此，本文將著重對第三個維度進行一個分析，即BIM可以用到什么程度？或者說，BIM將在什么程度上給工程建設行業帶來變化呢？

BIM應用第1層變化-回歸3D

借用一句偉人說過的話，“建筑是3D的，也是2D的，但是歸根結底是3D的”。

人類很偉大，發明了用2D的方式來表達3D的建筑物（制造業也是如此），從而導致建筑業設計與施工兩個領域的明確分工，帶來了近一百多年建筑業的空前繁榮和發展。

隨著建設項目復雜性的不斷加大（包括規模的增大以及建筑系統數量和復雜性的增加等），以及由于競爭需要導致的業主對縮短工期和控制造價的壓力，建筑業在從未有過的發展和繁榮的同時也切身地感受到了從未有過的挑戰。

圖1

而人類偉大發明的2D表達以及設計與施工的明確分工恰恰被證明是出現上述挑戰的主要原因。

工程建設行業的專家們開始研究并實踐突破上述挑戰的技術和方法，這些技術和方法包括EPC（Engineering, Procurement and Construction工程總承包），IPD（Integrated Project Delivery一體化項目實施）, Lean Construction（精益建造）等，這些方法的主要目的是用來解決設計與施工明確分工帶來的問題的。

毋庸置疑，這些技術和方法中的BIM（Building Information Modeling建筑信息模型)是用來解決2D表達給建筑業進一步發展帶來的挑戰的，但是有一點需要特別說明，如果沒有BIM，那么EPC/IPD/LC等方法能夠為建筑業帶來的價值將大大地受到限制，換句話說，只有把BIM和上述方法整合起來使用才能更加有效地解決目前的挑戰。

原因很簡單，所有對建設項目不同階段的有效方案和措施都以項目參與人員對項目本身的全面、快速、準確理解為基礎，而2D表達恰恰在這件事情上是一個越來越嚴重的障礙。討論2D圖紙問題的文章很多，其中業界公認的BIM教父Chuck Eastman的歸納非常精煉到位：

· 需要用多個2D視圖來表達一個3D的實際物體指導施工，有冗余，又容易產生錯誤。

· 以線條、圓弧、文字等形式存儲，只能依靠人來解釋，電腦無法自動識別。

BIM的目的當然是解決2D表達的上述問題，讓建設項目的設計施工運營全過程回歸到建筑物的本來面目——3D上來。事實上制造業在這方面遠遠走在建筑業的前頭，其3D設計和制造技術在產業中的實際應用已經有超過30年的歷史。

首先我們來看一張目前典型使用的2D圖紙（圖2），從圖紙上我們能看出來劃紅圈的地方有問題嗎？

要確定上述圖紙有沒有問題，是一件十分耗時的事情，需要不同專業的設計人員花上大量的工作時間，首先需要對上述圖形進行解讀，然后在人腦里面把不同元素的空間關系想象出來，進行檢查，最后再把檢查結果轉成二維圖與其他人協調溝通。在項目復雜、時間有限的情形下，必然會遺留不少問題到工地上。

圖2

再來看一張與上述圖紙表達的建筑物同樣位置的BIM模型三維視圖（圖3）：

紅圈里面的問題一目了然，這就是BIM的第1層應用，使得建設項目的所有參與方回歸3D。

BIM 和 3DS MAX同樣是3D，但不一樣的是BIM是虛擬建筑樣機，而3DS MAX不是。BIM提供的是建筑物精確的空間關系和數據，從而真實表達設計意圖及指導施工。

BIM應用第2層變化-協調綜合

建筑業的同行都對這樣兩個專有名詞耳熟能詳，一個叫“錯漏碰缺”，另外一個叫“設計變更”。其中錯漏碰缺是因，設計變更是果。

有了錯漏碰缺，就需要做設計變更，這就是所謂的因果。那么設計變更對建設項目的所有相關方和項目本身又意味著什么樣的果呢？

圖3

· 對設計師來說，意味著工作量

· 對承包商來說，意味著待工、窩工、返工

· 對發展商來說，意味著工期可能延誤、造價可能提高、質量可能降低

· 對社會來說，意味著人力材料浪費、更多的二氧化碳排放、更大的綠色挑戰

筆者沒有看到有關方面對錯漏碰缺和設計變更的原因進行分析的統計資料，根據對同行的訪談，我們得到以下概念性的信息（如圖所示）：

· 單個專業自己的圖紙本身發生錯誤的比例很小

· 設計各專業之間的不協調、設計和施工之間的不協調以及業主要求變更是設計變更的主要原因，而且三者比例差不多

· 業主要求變更的原因有兩種，其一是業主對圖紙的理解、他看到的施工結果與他想要的東西發生偏差；其二是業主本身的需求發生變化。

上述原因當中，除業主需求變化引起的變更外，其余專業之間的協調問題、設計施工之間的協調問題和業主由于理解偏差而要求的變化占設計變更的7-8成，而通過BIM應用的協調綜合功能可以解決掉這些問題的絕大部分甚至全部。

目前基于2D圖紙大家也做管線綜合的工作，花的精力不少，效果卻不能令人滿意，非常重要的一個原因在于工具的限制。

大家知道，協調綜合的工作主要分兩個步驟：首先是發現問題，然后是解決問題。使用2D圖紙進行協調綜合的時候，經常出現以下的問題：

· 花費上大量的工程時間去解讀及發現問題

· 由于時間及手段的限制，往往只能發現部分表面的問題

· 發現問題了，誰來修改呢？建筑、結構改還是給排水、電氣、暖通改？設計改還是施工改？由于在二維溝通上困難，各方爭論，莫衷一是，最后往往誰弱勢誰改，至于這樣修改是否對項目最有利只有天知道。

統計資料證明，BIM的第2層應用-協調綜合可以使設計變更大大減少，同時如果使用有效BIM協調流程進行協調綜合，那么協調綜合過程中的不合理變更方案或問題變更方案也就不會出現了。

BIM應用第3層變化-4D5D

4D/5D等3D以上的多維應用是BIM為建筑業帶來的新信息和新手段，在此以前，三維以上的nD空間更多的是一個數學意義上的概念。另外，4D/5D更是協助行業由純個人經驗管理方法提升為科學化管理方法的基石。

羅馬不是一天建成的，雖然一個項目沒有建設整個羅馬城需要的時間多，但也是要靠一磚一瓦才能建起來的，從這個意義上來說，建筑不僅僅是3D的，也是4D的。

事實上，項目在施工過程中，圍繞施工的所有活動都是和時間相關的，也就是說是4D的。例如建筑機械的行進路線和操作空間、土建工程的施工順序、設備管線的安裝順序、材料的運輸堆放安排等等，都需要隨著項目進展作出相應變化。因此所有的動線分析、碰撞檢查、方案設計也都必須和時間有關。

BIM的4D應用主要有以下兩個層面：

· 宏觀4D層面（工序安排模擬）：把BIM模型和進度計劃軟件（如MS Project，P3等）的數據集成，讓業主及團隊能利用三維的直觀優勢，可以按月、按周、按天看到項目的施工進度并根據現場情況進行實時調整，分析不同施工方案的優劣，從而得到最佳施工方案。 換言之，4D就是甘特圖的三維提升版。

· 微觀4D層面（可建性模擬）：把BIM模型和施工方案利用虛擬環境作數據集成，我們便可以在虛擬環境中作施工仿真，對項目的重點或難點部分進行全面的可建性（Constructibility可施工性）模擬以及安全、施工空間、對環境影響等等分析，優化施工安裝方案。

另外一個眾所周知的事實是，建設項目的投入不是一次性到位的，是根據項目建設的計劃和進度逐步到位的，制造業的“零庫存”生產管理方式由來已久，BIM的5D應用結合BIM模型、施工計劃和工程量造價于一體，可以實現建筑業的“零庫存”（限額領料）施工，最大程度發揮業主資金的效益。

由于BIM模型存儲了建設項目的所有幾何、物理、性能、管理信息，事實上成為實際項目的克隆或DNA，在此基礎上的4D/5D及更多維度的應用為業主提供了傳統CAD、效果圖或手工繪圖無法實現的價值。

這是BIM將給建筑業帶來的第3層變化。

BIM應用第4層變化-團隊改造

造房子是一個集體運動，除了參與方個人的專業能力要強以外，所有參與方之間有效配合的重要性對整個建設項目的效益貢獻并不比個人的專業能力小。

現代建筑業經過幾百年的發展，已經形成了相對穩定的項目團隊形式，如圖所示：

這種團隊形式的有效性已經被近一百年以來建筑業的高速發展所證明，那么隨著項目的復雜性越來越高（規模大、功能復雜等）、市場對項目質量的要求越來越高（包括綠色、可持續等），而與此同時全球化使競爭越來越劇烈、對工期和造價的控制越來越嚴格，這樣的項目組織形式是否面臨著挑戰呢？

美國國家標準技術研究院（NIST - National Instuitute of Standards and Technology)在2004年做了一個名為“Additional costs of inadquate interoperability in the construction industry”的研究，下表是研究成果之一：

該表對2002年美國建筑業由于項目各參與方之間以及不同軟件系統之間的數據不能互用（interoperability)給行業帶來的額外成本進行了分析研究，項目種類包括商業建筑、工業建筑和公共建筑，主要結論如下：

·對于新建項目，由于信息不能有效互用導致每平方英尺額外增加6.12美元的成本；

·對于正在使用的項目，由于信息不能有效互用導致每平方英尺額外增加0.23美元的成本；如果按50年使用年限計算，這個額外成本為每平方英尺11.5美元；

·在所有的額外增加成本中，68%左右（約106億美元）發生在業主身上（表中紅色行）。

近十年世界各地的理論研究和工程實踐證明，信息有效互用是BIM給建筑業帶來的主要價值之一，應用BIM可以幫助消除上述額外成本的發生。

BIM對于我國建筑業各個環節來說都還是一個比較新的技術和方法，那么對于業主來說，應該如何在項目中實施BIM呢？

這里我們對業主使用BIM的幾種可能性分析如下：

·業主自己建立BIM團隊：不能一步到位，需要時間積累；

·委托項目設計方使用BIM：業主使用BIM的其中一個目標是檢查設計圖紙的正確、合理與否，從這個層面來理解，設計機構如果用了BIM，那么業主的工作量會減少，反之，業主的工作量會增加。但是不管哪種情況，業主使用BIM的人不能是項目設計方本身，這就像施工圖審查不能由設計院自己做一樣；

·委托項目施工方使用BIM：業主的BIM應用和施工方的BIM應用目標不完全一致，和設計方的情形類似，業主的BIM應用不能委托項目施工方；

·委托專業BIM咨詢服務公司：事實上，在業主初期應用BIM技術的階段，這是一個不二的選擇，隨著業主對BIM應用的不斷積累，業主可以選擇自己建立BIM團隊，或者長期委托專業BIM咨詢公司。

無論是業主自己建立團隊還是委托專業BIM咨詢服務機構來實施BIM，有一點是共同的，BIM必須為項目所有參與方服務，也就是說，項目的其他參與方是縱向分工的（如建筑、結構，設計、施工等），而BIM服務是橫向貫穿的，使用BIM以后的項目團隊如上圖所示：

只有這樣，BIM才能為業主帶來最大效益，是為BIM應用第4層變化。

BIM應用第5層變化-整合現場

即使圖紙完全正確，施工或運營現場也還可能產生錯誤。引起錯誤的原因很多，但是其中一個最主要的原因就是現場人員對圖紙的理解有誤及獲得的信息不正確，尤其是在時間要求很緊的情況下（例如事故、火災等突發事件），這種理解錯誤發生的概率就更高。

BIM應用的整合現場實際上就是整合虛和實，用BIM模型的虛擬建筑與實際的施工現場或運營管理現場相整合，讓現場人員按照實際建筑物樣子的BIM模型去理解現場并實施操作，而不是根據抽象的圖紙，經過現場人員理解翻譯以后的腦袋里的三維空間去處理。

BIM的現場整合應用主要包括現場指導、現場校驗和現場跟蹤幾個方面。

· 現場指導：以BIM模型和3D施工圖代替傳統二維圖紙指導現場施工，避免現場人員由于圖紙誤讀引起施工出錯（說明：下圖由Autodesk提供）。

· 現場校驗：無論采取何種措施，現場出錯的問題將永遠存在，因此，如果能夠盡早在錯誤剛剛發生的時候發現并改正，對施工現場也具有非常大的意義和價值，下圖通過BIM模型對施工現場進行校驗。

· 現場跟蹤：利用激光掃描、GPS、移動通訊、RFID和互聯網等技術與項目的BIM模型進行整合，指導、記錄、跟蹤、分析作業現場的各類活動，除了保證施工期間不產生重大失誤以外，同時也為項目運營維護準備了準確、直觀的BIM數據庫。

把BIM模型和施工或運營管理現場的需求整合起來，再結合互聯網、移動通訊、RFID等技術，形成BIM對現場活動的最大支持，是BIM應用將給建筑業帶來的第5層變化。

（未完待續，請繼續關注二月下期）