BIM在工程施工中的應用

◎ 清華大學教授 張建平

何為BIM

每個人站在不同的角度對BIM的理解各有不同，目前比較精準的解釋是美國國家標準技術研究院對BIM的定義：BIM是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。它不僅僅是數據更是連接建筑生命期不同階段的數據、過程和資源，是對工程對象的完整描述，可被建設項目各參與方普遍使用。BIM通過建立單一工程數據源，解決分布式、異構工程數據之間的一致性和全局共享問題，支持建筑全生命期動態的工程信息創建、管理和共享。

BIM主要具有三大特征：第一是模型信息的完備性，它除了對工程對象3D幾何信息和拓撲關系描述外，包括工程對象完整的工程信息描述。第二是模型信息的關聯性，工程信息模型中的對象是可識別且相互關聯的，模型中某個對象發生變化，與之關聯的所有對象都會隨之更新。第三是模型信息的一致性，建筑生命期不同階段模型信息是一致的，同一信息無需重復輸入，同時，信息模型能夠自動演化，模型對象在不同階段可以簡單地進行修改和擴展，而無需重新創建。

國內外對BIM的研究和應用已經成為新的熱點，而且這個“熱”超乎我們原來的預期，BIM的優勢正在逐步顯現。越來越多的企業和項目正在使用或者考慮使用BIM技術，在芬蘭，93%的建筑師已經應用BIM技術，在美國，超過60%的建筑師應用BIM。在國內，BIM的相關標準已列入2012 年國家工程標準制定計劃。與此同時，新的理念、技術和應用系統源源不斷的涌現，BIM這一全新技術，它涉及到從規劃、設計理論到施工、維護技術的一系列創新和變革。

然而BIM也面臨諸多難題。首先是BIM建模難，應用BIM需額外增加成本，建筑業所固有的產業結構分散、產品多樣形式單一、信息海量復雜等特點，使得BIM 的建模、存儲和傳遞都異常復雜。其次，國內缺乏成熟的BIM設計軟件，而國外軟件專業不配套以及設計規范的限制，主要用于相關專業的BIM 建模，工程設計仍以二維設計為主，設計過程中無法直接創建BIM 模型，需要按照2D 設計圖紙另行建模。第三，施工BIM應用難，難以體現BIM在工程施工中的應用價值，設計BIM 傳遞到施工階段，缺乏合適的平臺和工具添加并集成施工信息，難以形成支持施工及管理的信息模型。這些問題反應出目前BIM的商業炒作遠遠大于實質性的應用。

工程施工中的BIM應用現狀

鑒于這樣的現狀和問題，我們對工程施工中的BIM應用現狀做了調查，目前主要是IPD模式的推行和應用，它就是我們說的集成項目交互模式，正在歐美發達國家迅速推進。所謂IPD模式是源于并行工程理念，它把項目主要參與方在設計階段就集合在一起，著眼于項目的全生命期，并利用BIM技術進行虛擬設計、建造、維護及管理。引入IPD理念和應用BIM技術，已成為當前施工企業打造核心競爭力的重要舉措。

當前工程施工中的BIM應用主要有基于BIM的設計可視化展示，例如利用Revit等軟件進行建筑、結構、機電BIM建模等，是最初步的BIM應用。還有基于BIM的碰撞檢測與施工模擬，它將BIM模型通過IFC或.rvt文件導入專業碰撞檢測/施工模擬軟件，進行結構構件及管線綜合的碰撞檢測和分析，對建造過程或重要環節及工藝進行模擬，減少設計變更、優化施工方案與資源配置。也有基于BIM的工程深化設計，它基于結構、設備管線BIM模型，通過IFC或.rvt文件導入到Tekla、CATIA等專業設計軟件進行深化設計，利用碰撞檢測結果，通過BIM建模軟件直接調整結構、建筑、機電等專業設計。以及基于BIM的工程算量，將構建的BIM模型導入到廣聯達、魯班等工程算量軟件，進行工程算量和概預算。基于BIM的施工項目管理，這方面國內外尚無成熟商業軟件，清華大學4DBIMGCPSU實現了基于BIM和網絡的進度、資源、安全和場地布置的4D動態集成管理，以及施工過程的4D可視化模擬。

BIM在施工中運用的好處和存在的問題，以及未來的發展方向一直是各個科研機構研究的重點。目前的主要研究成果有：通過擴展IFC在施工方面的實體完成了《建筑施工管理IFC數據描述標準》；基于IFC的BIM數據集成與管理平臺；基于IFC標準的BIM建模系統，還有基于BIM的工程項目4D動態管理系統和基于BIM技術的建筑施工優化系統，以及基于BIM技術的建筑工程安全分析系統。

在這些研究基礎上，通過多年的實踐，我們推出了工程施工BIM應用的整體實施方案，其中包括技術架構和系統結構。系統架構包括它的應用流程以及應用的一些對策和措施。整體的實施方案是基于“十五”、“十一五”的研究成果，在整個的架構里面，包括了數據的接口層、數據層、平臺層、模型層還有應用層。實施方案包含項目內部布置的CS結構和基于BIM結構的4D軟件，有施工過程模擬、施工過程優化系統、構件碰撞檢測系統和場地設施碰撞監測，同時還有一個web服務器的BIM數據庫。

基于BIM的工程項目4D施工管理系統，是集進度計劃、資源、成本和場地利用于一體的4D信息模型。這個系統可以實施方案比選，允許用戶輸入多套施工進度方案，提供不同方案之間快速切換，進行方案的對比和分析，同時能夠對施工進度進行4D顯示。進度計劃可在Microsoft Project 中用甘特圖或網絡圖表示，也可以動態的3D圖形方式展現。系統還可以控制施工進度，如果Project中的進度被修改，4D-GCPSU 中的4D施工模型也隨之改變，在4D-GCPSU中修改任意施工工序的實際開始及完成日期，將自動調整Project進度計劃。此外，在進度追蹤分析方面，可以提供按指定時間段，對整個工程、WBS節點或施工段進行進度計劃執行情況的跟蹤分析、實際進度與計劃進度的對比分析，并能夠對施工信息進行動態查詢與管理。

4D施工過程可視化模擬可以天、周、月為時間單位，按不同的時間間隔對施工進度進行正序模擬或逆序模擬，形象反映施工計劃和實際進度。4D動態資源管理可相對施工計劃進度和實際進度，自動計算整個工程、任意WBS節點、3D施工段或構件的工程量，以圖表形式提供工程量完成情況的統計和分析。通過可設置多套定額的資源模板，可相對施工計劃進度和實際進度，查詢指定時間段內相應的人力、材料、機械的計劃用量和實際消耗量；還可相對施工計劃進度和實際進度，查詢指定時間段內相應的工程成本，包括人力成本、材料成本、機械成本以及總成本。

基于4D信息模型可以對施工場地進行管理，可進行3D施工場地布置，自動定義施工設施的4D屬性。將場地布置與施工進度相對應，形成4D動態的現場管理。 在場地布置過程中，可進行場地設施沖突檢測，場地布置可隨施工進度動態變化，查詢并顯示不同階段的場地布置狀況。

開發基于BIM的工程項目綜合管理系統主要是應對實際工程施工對BIM應用的新需求：

1、遠程協同管理：針對項目多參與方相距各方、地處異地，實現基于互聯網的多參與方協同管理。

2、實時信息更新：針對大量信息需要實時更新，信息報送流程復雜，報表種類繁多，提供更為高效、友好的信息管理環境，提高實時更新和報送信息的工作效率。

3、多層次的決策分析：針對不同的應用主體和應用參與方的需求，進一步細化和完善施工項目管理功能，提供多層次的項目決策分析，提高BIM系統的適用性和實用性。

基于BIM的項目綜合管理系統在業務管理方面為各職能部門業務人員提供項目的合同管理、進度管理、質量管理、安全管理、采購管理、支付管理、變更管理以及竣工管理等功能；在實時控制上為項目管理人員提供實時數據查詢、統計分析、事件追蹤、實時預警等功能；在決策支持上提供工期分析、臺賬分析以及效能分析等功能，為決策人員的管理決策提供分析依據和支持。

工程施工BIM應用的整體實施方案的應對措施主要從六方面入手：

1、理念知識：對BIM技術及應用價值具有足夠的認識；對應用BIM的管理理念、方法和手段應進行相應的轉變；掌握BIM技術和相關軟件應用知識。

2、團隊組織：BIM應用的初期，可借助外聘BIM團隊共同實施BIM應用；著眼于企業自身發展，建立自己BIM團隊；通過技術培訓和應用實踐，達到BIM技術和軟件的普及應用。

3、流程優化：結合BIM應用重新梳理并優化現有工作流程；建立適合BIM應用的管理模式。

4、制定相應的工作制度和職責規范，使BIM應用能切實提高工作效率和管理水平。

5、應用環境：根據實際需求制定BIM應用實施方案，通過外購商品軟件、合作開發等方式，構建BIM應用環境。

6、成果交付：規范施工各階段BIM應用成果的形式、內容和交付方式，提供可供項目各參與方交流、共享的階段性成果，形成工程項目竣工驗收時集中交付的最終BIM應用成果。

工程施工BIM應用項目

關于整體實施方案的工程施工BIM應用項目主要有8個大項目，它的運用范圍包括建筑結構、公路工程；它的用戶有業主、工程總承包方也有項目方。這些應用項目是隨著技術和方案的不斷成熟而逐步發展，每一個項目都有自己的應用側重點。以廣州珠江新城西塔工程為例，它實現了主塔樓結構和機電工程4D施工管理，特點是做了精細化管理，提供了日報表輸入和打印報表功能，可每日填寫當日進度情況和下一日進度安排，并統計日報數據，輸出Excel報表，把所有的日報信息掛接到每一個施工的結點上。目前在進行中的上海國際金融中心項目，它的要求是全生命周期管理，這個項目花費1000萬建立了100平米的BIM工作室，現在已經建立了設計的模型，目前正在進行的是它的裝機施工，裝機信息的查詢包括質量信息都可以在WEB瀏覽器上查詢并統計。

基于BIM的昆明新機場機電安裝與運營管理系統，將航站樓的機電設備4D宏觀管理與4D精細管理結合起來，點擊宏觀管理界面上的機房就可以進入到機房的精細化管理界面，系統可以進行前置任務和后置任務的分析，打印任意一天的施工情況。

解決方案包括系統的應用，其應用項目有代表性，突破了BIM在施工管理方面的應用，尤其突破了當前BIM技術在施工項目管理方面的應用。拓展了BIM的應用方案，不僅包括建筑工程還包括橋梁工程，系統更具有適用性，可以滿足我國施工管理的實際需求，它的適用性和實用性非常有利，我們所提出BIM的方案對提高施工管理取得了很好的效果，它體現了BIM在工程施工中的應用價值。