張建平：面向建筑全生命周期的BIM應用和研究

BIM的持續火熱使BIM的定義變得多種多樣，美國國家標準技術研究院對BIM的定義頗為準確，即BIM是以三維數字為基礎，集成了建筑工程項目的各種相關信息的一個工程數據模型，BIM也是對工程項目、社區實體和功能特性完整的數字化表達。

對于BIM的定義可以說明幾個問題，第一，BIM絕不等于三維模型，三維模型是BIM的定義，但是它無法直接集成工程項目的各種工程數據，只能對社區實體的幾何特性進行描述，而無法描述它的功能特性。第二，三維模型加一些數字或者屬性并不等于BIM，因為BIM要對項目生命周期包括規劃、設計、施工到運維的整個過程，以及過程中所需要的資源進行描述。它包含著嚴謹的關聯關系，這個關聯關系反映了項目全生命周期的工程邏輯關系。第三，當前由于各種條件所限，BIM還是基于文件的信息交換，而文件的信息交換和基于BIM的信息共享有著本質的區別，文件管理是固有的缺陷，使BIM模型在全生命周期很難達到一致性和全局共享。

BIM面臨的難題

在短短的十年時間里，BIM已經成為國內外建筑業信息技術研究的熱點，但在BIM實際應用過程中，也出現了一系列難題。一是BIM的建模難。BIM本身由于建筑產品的特殊性，它的建模、存儲和傳遞本身很復雜，再加上現在的設計軟件不配套，所以目前的設計軟件只能作為BIM的建模之用。對此，清華大學教授張建平表示：“這樣一來就產生一個尷尬的局面，就是設計仍然是基于二維設計，設計過程當中無法直接產生BIM模型，所以模型是需要根據二維的施工圖運行來建模，這就帶來了建模需要額外增加的成本?！?/p>

二是施工管理的BIM應用難。BIM設計模型本身所涵蓋的設計信息非常有限，有的甚至就是幾何模型，到了施工階段，缺乏合適的工具和平臺把施工的信息集成進去，因此現在的技術和工具難以形成施工管理的信息模型。

三是集成難。目前，無論是設計階段還是施工階段的BIM運用，都是單項的運用，比如說通道檢測、深化設計等，但是集成運用，尤其是集成管理的運用比較困難，因此很難體現BIM在建筑全生命周期的應用價值。

針對以上這些難點，清華大學的BIM團隊近十多年潛心研究，對于BIM的基本技術、標準以及運用展開了持續的研究，也獲得了相應的一些成果，這些成果包括平臺、應用系統等，它們都得到了業內專家的肯定和較高的評價，一些系統應用也獲得了獎項認可。

面向項目全生命周期的BIM應用架構

清華大學BIM團隊首先建立了一個面向全生命周期的BIM以及應用架構，這個架構是通過對BIM標準的研究建立的體系支撐，通過對建模技術的研究，建立了它的技術支撐。清華大學BIM團隊創建了BIM數據庫，實現了架構的數據支撐，同時，開發了BIM的數據集成平臺，實現了管理支撐。在這樣一個架構下，建模的基本思路是從不同的階段針對不同的運用，能夠生成子信息模型，而且這個子信息模型通過自動的演化，通過BIM信息的提取、擴展和集成，最終能夠生成完整的信息模型，解決了分階段、多層次的BIM建模技術。

針對這樣的基礎研究，清華大學BIM團隊開展了全生命周期各個階段點、線、面的BIM研究和應用。張建平介紹到，首先清華大學BIM團隊對于項目策劃階段的BIM應用進行了探索，這個探索主要針對住宅建筑，它的基本思路是基于建立一個標準的戶型單元庫，單元庫里面除了標準戶型的三元模型以外，還附加了各種相關的信息。通過從戶型、標準層、單體建筑到小區規劃，能夠快速的生成策劃方案，同時這個方案里面集成了該建筑的品質、機制、進度和綠色性能等信息，最后通過對策劃方案進行分析，最終輸出策劃成果。

在快速建立標準層后，所有的數據可以進行動態的修改，假如在某一個區域擴大它的面積，所有的數據將隨之更改。通過基于戶型進行單體建模和小區規劃的過程中，不僅從外形上把它的方案、模型建立起來，更重要的是它進行了自動的數據融合并形成了單體所有的方案數據和小區規劃的方案數據。在方案分析方面，可以進行日照分析、銷售、預售的分析，而4D耦合模擬是把施工的進度，銷售的情況，經費的支出和收入以及現金流的分析統一進行耦合分析、模擬，同時還可以進行多方案的比較，最終選出優選方案，從而實現信息、成果的交互，這些成果的交互包括策劃報告、總平面圖以及進度、計劃等。

在設計階段，清華大學BIM團隊針對目前設計階段的特殊急切需求——如何從結構施工圖中生成BIM模型，也就是基于BIM的結構施工圖設計做了一些研究?！霸诨贐IM結構施工圖的設計研究過程中，可以自動的生成施工結構的施工圖，同時產生BIM模型，然后支持施工階段的應用?，F在廣聯達結構的施工圖軟件已經發布了，這個軟件所有的功能都是基于BIM生成的智能設計、智能修改等應用，基于像廣聯達這樣成熟的軟件系統，可以使清華大學基于BIM的4D施工管理軟件成功的和廣聯達的算量軟件相結合?！睆埥ㄆ綄τ浾哒f。

對于施工階段的BIM應用一直是清華大學BIM團隊的研究重點，也是清華大學BIM團隊研究時間最長、成果最為顯著的一個方面，在這方面的研究主要是立足于施工的項目管理。清華大學BIM團隊提出了工程施工BIM應用的整體實施方案，在這個實施方案中有一個技術架構，所有的數據是開放的。張建平介紹到，通過清華大學BIM團隊自主研發的BIM數據接口和引擎能夠將這些數據存在BIM數據庫中，清華大學自己開發的BIM集成系統和4D可視化平臺，能夠支持、生成面向應用的子信息模型，然后支持應用系統運行。在整體方案中它的系統結構分成了兩部分，一部分是基于CS架構的直接操作BIM模型系統，其中包括4D的動態管理系統、安全分析系統、模擬和優化系統以及碰撞檢測。基于CS架構是支持遠程對項目的管理，最大的特點是在因特網上所有輸入的數據都可以準確的掛接到它相應的BIM的模型和構建上，實現了跨平臺的BIM施工管理。

另外，整體模型中有一個完整的支持施工的BIM模型，這個模型是與4D技術相結合，以WBS的分解器作為核心，實現了集進度、成本、質量、安全和場地等于一體的信息模型。在這個系統中首先能夠實現4D的施工進度管理，它可以實現多方案的比選，同時，進度可以在類似Project的項目管理軟件里面進行展示，也可以用圖形、三維模型直觀展示，如果進度需要修改、變更，可以在Project里面進行變更，也可以在模型上直接操作，不管工作人員在哪方面操作，它的數據都是相互反饋的，同步進行修改。

基于BIM的工程項目管理

基于BIM的4D動態資源管理可以針對施工計劃或者實際進度自動計算整個工程，或者是任意的一個WBS結點，任意一個施工段或者是任意一個構建在任意時間內的工程量以及它的累計工程量都可以進行計算。而且還可以自動的按照清單進行分攤，并能以圖表的形式進行分析和統計。在系統中提供了兩種方法，一種是和目前的算量軟件、基建軟件相結合，可以導入它的工程計價清單，也設計了多套的定模模板，用戶可以選擇兩種方式進行資源消耗和成本的計算和分析，也可以進行資源消耗的查詢和分析。另外，針對計劃進度和實際進度，可以在指定的時間內計算出相應的人、財、機的計劃用量和實際的消耗量，并針對這些消耗量，進行成本的計算，能夠計算出它的人工成本、材料成本、機械成本和總的成本，這些都是針對任何一個對象，任何一個時間段內來進行實時的動態的計算和管理。

在施工場地管理方面，清華大學BIM團隊提供了三維的場地布置功能，每一個設施都和進度計劃掛接，選擇每一個設施都可以把它相關所有的數據全部展示出來，包括進場和退場的時間等。實現了把任何一個點的信息模型直接轉成某些人工分析的計算模型，可以進行施工起始點結構的安全分析，然后通過建立場地的時空模型可以實現場地動態的碰撞檢測。

基于因特網的BIM工程項目綜合管理系統，是為了適應遠程協同管理，實時動態的信息更新和多層次的決策分析而設置的。它實現了基于因特網上的項目管理和基于CS架構上的BIM無縫鏈接，所有在遠程輸送的數據都可以準確的掛接到BIM模型上。基于BIM的項目管理軟件，實現了業務管理、實時控制和決策支持等多項功能。

清華大學BIM團隊也對運維階段BIM應用進行探索和研究。張建平介紹到：“以昆明新機場項目為例，在運維階段，清華大學BIM團隊把在施工階段所有BIM的模型成功的用到了昆明新機場它的物業管理也就是運維階段，實現了物業、機電、流程、庫存以及報修的管理。我們是按照甲方的要求把BIM的技術和GIS技術相結合，把BIM的模型成功的轉成了GIS的表現，實現了物業、機電的信息管理。由于機電的信息管理有嚴謹的邏輯關系，比如說查一個機電，利用BIM技術可以查到它相關所在的位置，以及它上下有所關聯的設備都能夠查詢到，另外我們也進行了流程的管理、庫存管理和維修管理?！?/p>

此外，在清華大學和中建三局合作的關于機電設備的運維管理系統中，實現了基本信息、構建的管理、知識庫的管理和維修的管理等。在這些功能中，模型的接口是一個公開的接口，任何BIM的模型都可以導入進去，并能確定任何一個設備在其中上下游的關系，同時附加了所有的圖紙和相關的資料，能夠支持移動設備和二維條碼設備，實現了設備的維修和應急的處理。

關于BIM的思考

清華大學BIM團隊針對以往的研究成果和實際應用過程中的經驗，對BIM的發展趨勢提出了一點建議，從技術層面來看，BIM技術不僅使虛擬施工成為可能，而且實現了結構安裝的自動定位和檢測、施工安全與質量的監控與分析等。動態的、集成的和可視化的4D施工管理是工程建設行業未來的發展趨勢。在維護技術方面，數字化的維護運營管理居于首位，預售性能的動態監控與評估以及安全性能的動態監控與評估也是日后業內需要探索、研究和應用的主要方向之一。

在管理層面來看，BIM技術主要對管理模式、工作模式和成果的交付有比較大的調整和變革。一方面，政府部門應主要從政策的導向、法規的標準、技術研究和示范的應用等幾個方面著手；另一方面，工程建設行業也要從技術交流、應用推廣、技能的培訓和考評等幾方面推動，“雙管齊下”共同推進BIM的發展與應用。