BIM 技術(shù)在工程建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

李亭亭 吳 獻(xiàn) 尹 莉 韓進(jìn)宇 艾 新 段夢(mèng)恩 陳 娜

(1.沈陽建筑大學(xué)BIM工程中心，沈陽110168;2.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，沈陽110168;3.沈陽三三牌閥門制造有限公司，沈陽，110168)

世界上發(fā)達(dá)國(guó)家以及大部分發(fā)展中國(guó)家都把國(guó)民生產(chǎn)總值(GDP)相當(dāng)大比重投資到建筑業(yè)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全球建筑業(yè)總產(chǎn)值6萬億美元左右，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料顯示，2012年中國(guó)建筑業(yè)總產(chǎn)值13.5萬億人民幣，同比增長(zhǎng)15.6%。隨著建筑業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，由于各環(huán)節(jié)之間缺乏協(xié)同，造成大量不必要的浪費(fèi)，這種粗放式的發(fā)展模式面臨著許多問題:

(1)現(xiàn)有模式生產(chǎn)建筑的成本差不多是應(yīng)該花費(fèi)的兩倍;

(2)72%的項(xiàng)目超預(yù)算;

(3)70%的項(xiàng)目超工期;

(4)75%不能按時(shí)完工的項(xiàng)目至少超出初始合同價(jià)格50%;

(5)建筑工人的死亡威脅是其他行業(yè)的2.5 倍。[1]

隨著社會(huì)的發(fā)展以及信息化的不斷推進(jìn)，制造業(yè)、電子通訊業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)通過使用新技術(shù)，發(fā)展新模式，其生產(chǎn)效率和信息化程度得到了巨大提高，而建筑業(yè)的生產(chǎn)效率和信息化程度還一直處于較低水平。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，建筑業(yè)與制造業(yè)的生產(chǎn)效率對(duì)比如上圖1所示，可以看到，建筑業(yè)的浪費(fèi)比重是非常大的。因此，追求一種高效、精致、統(tǒng)一的建筑業(yè)發(fā)展模式成為一種必然趨勢(shì)。正在快速發(fā)展及應(yīng)用的BIM技術(shù)成為轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)建筑業(yè)粗放型發(fā)展模式的一種新的途徑。

圖1 建筑業(yè)與制造業(yè)生產(chǎn)效率對(duì)比

1 BIM概述

BIM(Building Information Modeling)的中文名稱為建筑信息模型，是一種以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，它具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。迄今為止，國(guó)內(nèi)對(duì)BIM這一新興技術(shù)的定義與解釋有好多版本，還沒有明確單一且被廣泛接受的定義。[2]

提起B(yǎng)IM，人們通常首先想到的是三維模型，認(rèn)為其優(yōu)勢(shì)在于真實(shí)性、可視性，比起傳統(tǒng)的二維圖紙可以更加直觀的觀察整個(gè)項(xiàng)目。往往忽略了最重要的一個(gè)方面——“information”。在工程項(xiàng)目中利用BIM技術(shù)，不僅使項(xiàng)目具有可視性，而且所建模型的每個(gè)構(gòu)件都是有信息的，我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)情況隨時(shí)觀察變更各個(gè)構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息，并且可以實(shí)現(xiàn)一處變更其他所有圖紙同步變更的效果，避免了傳統(tǒng)CAD制圖需要重復(fù)變更的弊端。BIM技術(shù)的另一優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同，使各專業(yè)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)避免由于溝通不到位而出現(xiàn)各專業(yè)之間的碰撞問題。

BIM既是結(jié)果也是過程，我們通過建模過程(Modeling)得到我們需要的帶有建筑信息的模型(Model)，如圖2所示。BIM技術(shù)服務(wù)于工程項(xiàng)目的全生命周期，從項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)到施工再到建成后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)甚至改擴(kuò)建、拆除等。其主要作用是減少和消滅項(xiàng)目生命周期各環(huán)節(jié)中的不確定性和不可預(yù)見性，避免不必要的浪費(fèi)。應(yīng)用這一技術(shù)可以為企業(yè)帶來巨大的效益，比如:更精確的估算造價(jià)、縮短項(xiàng)目工期、減少投資成本、減少設(shè)計(jì)變更甚至實(shí)現(xiàn)零變更、更好的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、改善后期物業(yè)管理效率等等。

2 BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

BIM技術(shù)起源于美國(guó)，逐漸向歐洲、日韓、新加坡等發(fā)達(dá)國(guó)家普及。目前，BIM技術(shù)在大部分發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用越來越廣泛，并達(dá)到了一定的水平。其中，美國(guó)建筑行業(yè)中的大部分企業(yè)都開始主動(dòng)應(yīng)用BIM技術(shù)。2007年，美國(guó)建筑科學(xué)研究院(NIBS)發(fā)布美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS)，并在國(guó)內(nèi)逐漸成立了各種BIM協(xié)會(huì)、組織。有資料數(shù)據(jù)表明，2009年美國(guó)建筑業(yè)300強(qiáng)企業(yè)中80%以上都應(yīng)用了BIM技術(shù)。威斯康辛州要求從2009年7月1日開始，州內(nèi)預(yù)算在500萬美元以上的所有項(xiàng)目和預(yù)算在250萬美元以上的施工項(xiàng)目，都要從設(shè)計(jì)開始就應(yīng)用BIM技術(shù)。[3]

在日本國(guó)內(nèi)，2009年被稱為日本的BIM元年。BIM被越來越多的日本設(shè)計(jì)、施工企業(yè)認(rèn)識(shí)并應(yīng)用。2012年，日本建筑學(xué)會(huì)發(fā)布了日本 BIM指南，為BIM技術(shù)在日本建筑行業(yè)中的發(fā)展提供了有力指導(dǎo)。韓國(guó)對(duì)BIM技術(shù)的發(fā)展也非常重視，韓國(guó)國(guó)土海洋部在建筑、土木領(lǐng)域分別制定了相應(yīng)的BIM應(yīng)用指南。公共采購(gòu)服務(wù)中心(Public Procurement Service，PPS)制定了國(guó)內(nèi)BIM的中長(zhǎng)期發(fā)展路線:2012～2015年500億韓元以上的建筑項(xiàng)目全部采用4D(3D+cost)的設(shè)計(jì)管理系統(tǒng);2016年以后所有公共工程項(xiàng)目都必須使用BIM技術(shù)。[4]此外，新加坡、澳大利亞、英國(guó)等國(guó)家都制定了適合本國(guó)的BIM指南或標(biāo)準(zhǔn)。

在國(guó)內(nèi)，目前香港地區(qū)的BIM技術(shù)應(yīng)用比較先進(jìn)，這一技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各類工程項(xiàng)目中。香港建筑業(yè)成立了各種BIM協(xié)會(huì)，并于2010年發(fā)布了香港BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。但是在大陸地區(qū)，BIM技術(shù)還處于起步發(fā)展階段，隨著對(duì)BIM了解的越來越深入，國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)對(duì)這一技術(shù)越來越重視。“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目《現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究》已將BIM作為重點(diǎn)研究方向。[5]而且，國(guó)內(nèi)已有像“水立方”場(chǎng)館、上海中心、世博會(huì)等大型項(xiàng)目成功應(yīng)用BIM技術(shù)。可見，BIM在國(guó)內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)不可擋。

3 BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目各階段應(yīng)用價(jià)值研究

3.1 在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)的價(jià)值體現(xiàn)

在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)是提高整個(gè)項(xiàng)目工程質(zhì)量、減少成本的關(guān)鍵。建筑物的質(zhì)量主要是由設(shè)計(jì)決定的，而且設(shè)計(jì)還決定著施工的難易程度和工期，進(jìn)而影響著投資成本。相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的CAD二維圖紙復(fù)雜繁瑣、協(xié)調(diào)困難、錯(cuò)誤率高、變更頻繁的不足，設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)會(huì)為工程項(xiàng)目帶來巨大的價(jià)值:

圖2 某建筑物的建筑信息模型

(1)在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員需對(duì)擬建項(xiàng)目的外形、結(jié)構(gòu)形式、日照環(huán)境、能耗、可持續(xù)性、造價(jià)等進(jìn)行分析和決策。憑借原有的CAD技術(shù)，需要大量的人力、財(cái)力、時(shí)間投入，利用BIM技術(shù)，可以及時(shí)對(duì)不同的方案進(jìn)行模擬分析，并對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，保證初期決策的正確性。

(2)在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各專業(yè)的設(shè)計(jì)是相對(duì)獨(dú)立的，缺乏必要的溝通協(xié)調(diào)，難免出現(xiàn)設(shè)計(jì)上的矛盾沖突。而BIM三維信息模型可以對(duì)各專業(yè)進(jìn)行空間協(xié)調(diào)、減少碰撞沖突，大大減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間。

(3)利用BIM模型進(jìn)行施工模擬，發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)設(shè)計(jì)方案以利于后期施工的實(shí)現(xiàn)，使原本施工期間才能發(fā)現(xiàn)的問題在設(shè)計(jì)階段就能夠消除。這樣就達(dá)到了縮短工期、降低成本、提高效率的目的。

(4)利用BIM技術(shù)可以使設(shè)計(jì)變更更加靈活。在設(shè)計(jì)過程中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤需要變更圖紙，傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)需要將所有相關(guān)的圖紙都逐一修改，而BIM信息模型會(huì)實(shí)現(xiàn)一處變更其他所有相關(guān)聯(lián)信息(圖紙、工期、預(yù)算等)自動(dòng)變更的功能，節(jié)省了大量人力、時(shí)間。

(5)BIM模型是立體直觀的三維信息模型，最大限度的接近實(shí)際情況。利用BIM模型可以為業(yè)主、設(shè)計(jì)方、施工方、材料設(shè)備供應(yīng)方提供更加方便快捷、準(zhǔn)確直觀的信息，方便各方的溝通協(xié)調(diào)。

(6)利用BIM技術(shù)所建的三維信息模型，可以更好地指導(dǎo)后期施工，避免了傳統(tǒng)二維施工圖紙的不直觀性，進(jìn)而縮短工期。而且設(shè)計(jì)時(shí)所建的BIM模型也會(huì)為業(yè)主后期對(duì)建筑物的管理和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供支持。

3.2 在施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)的價(jià)值體現(xiàn)

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年我國(guó)施工企業(yè)的平均利潤(rùn)率為3.51%，大大低于開發(fā)商和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的年平均利潤(rùn)率。[6]因此，施工企業(yè)對(duì)利用新技術(shù)、新方法提高生產(chǎn)效率和利潤(rùn)率的動(dòng)力會(huì)比開發(fā)商和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)高得多。[3]利用BIM技術(shù)可以解決傳統(tǒng)CAD圖紙可施工性低、施工質(zhì)量低、工作效率低、工期不能保證的不足，給施工企業(yè)帶來的價(jià)值是巨大的:

(1)三維模型渲染，設(shè)計(jì)效果可視化。利用BIM技術(shù)可以對(duì)整個(gè)建筑物、設(shè)備布置情況以及關(guān)鍵部位進(jìn)行渲染，展現(xiàn)給業(yè)主真實(shí)直觀的效果圖，提高中標(biāo)率，并對(duì)施工有很大指導(dǎo)意義。

(2)5D施工模擬，優(yōu)化施工方案。將所建的三維信息模型導(dǎo)入相關(guān)BIM施工管理軟件，模擬整個(gè)施工過程、施工現(xiàn)場(chǎng)。將施工進(jìn)度與成本控制加入到建筑模型，最大限度的接近施工真實(shí)情況。通過對(duì)施工過程的5D模擬，能使施工企業(yè)對(duì)施工過程更好的控制(包括時(shí)間與成本的控制)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中隱藏的問題并優(yōu)化施工方案，極大的節(jié)約了成本，縮短了工期。

(3)碰撞檢查，減少返工與變更。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的是利用BIM技術(shù)對(duì)建筑物內(nèi)部管網(wǎng)做碰撞檢查，可以在施工前期發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)布置不合理的地方，優(yōu)化管網(wǎng)布置方案，避免施工過程中出現(xiàn)碰撞問題，影響工期。

(4)精確計(jì)劃，使精益化施工成為可能。由于利用BIM技術(shù)所建的建筑模型都是有信息的，施工企業(yè)可以得到工程施工所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為施工企業(yè)制定精確的施工計(jì)劃，安排施工人員，準(zhǔn)備施工材料、設(shè)備等提供了有力支撐。大大減少了人員、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等資源的浪費(fèi)。

(5)細(xì)節(jié)化的構(gòu)件模型，促進(jìn)預(yù)制加工工業(yè)化的發(fā)展。由于構(gòu)件模型是三維且?guī)в行畔⒌模梢杂脕碇笇?dǎo)預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)與施工，避免了傳統(tǒng)二維圖紙由于周圍環(huán)境與構(gòu)件的不確定性，導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件安裝不上的情況。

3.3 應(yīng)用BIM技術(shù)給業(yè)主帶來的價(jià)值

業(yè)主是應(yīng)用BIM技術(shù)的最大受益方:

(1)從項(xiàng)目一開始就應(yīng)用BIM技術(shù)，正如前面所提到的，可以減少設(shè)計(jì)變更，提高施工質(zhì)量，從而大大降低投資成本、縮短項(xiàng)目工期，使項(xiàng)目能夠盡早的投入運(yùn)營(yíng)，業(yè)主盡早受益。

(2)一個(gè)建筑物在建設(shè)階段所投入的成本只占其生命周期總成本的25%，使用階段的成本占75%。[7]因此，對(duì)建筑物使用階段的管理是非常重要的。在施工階段做出修改的BIM竣工模型所形成的管理平臺(tái)，為后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、改擴(kuò)建、拆除等提供了服務(wù)，極大的方便了業(yè)主的管理。

(3)其實(shí)可以這樣理解，項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)，為業(yè)主對(duì)建筑物的后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供了最重要的基礎(chǔ)和方便。不僅為業(yè)主節(jié)省了投資成本，縮短了工期，還為業(yè)主節(jié)省了使用成本。

4 BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展遇到的障礙及克服障礙的建議

4.1 BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展存在的障礙

(1)由于一種新技術(shù)的傳播需要過程，各企業(yè)管理層和員工對(duì)BIM技術(shù)的認(rèn)識(shí)不足，意識(shí)欠缺，導(dǎo)致發(fā)展這種新技術(shù)的動(dòng)力不足。

(2)資金投入不足。由于使用BIM技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)軟件及硬件的要求比較高，計(jì)算機(jī)需要有足夠的硬件配置才能運(yùn)行流暢，還要對(duì)BIM相關(guān)軟件的升級(jí)投入資金。這成為阻礙BIM發(fā)展的一部分原因。

(3)缺乏BIM專業(yè)技術(shù)人才。目前國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)的應(yīng)用還不是很廣泛，地域性差異比較大，設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思維方式轉(zhuǎn)變比較困難。

(4)設(shè)計(jì)企業(yè)存在短視現(xiàn)象。雖然應(yīng)用BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)企業(yè)呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是大部分企業(yè)還處于試探性階段，只是在局部使用，或者用來應(yīng)付檢查、提高中標(biāo)率，實(shí)際并未真正應(yīng)用。

(5)業(yè)主變革驅(qū)動(dòng)力不足。業(yè)主是推動(dòng)建筑業(yè)發(fā)展的中堅(jiān)力量，是建筑生產(chǎn)過程的總組織者，也是應(yīng)用BIM技術(shù)的最大受益方之一。目前由于國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)的不成熟，導(dǎo)致應(yīng)用BIM技術(shù)后，項(xiàng)目的投資回報(bào)率，生產(chǎn)效率等與期望值有一定差距，使得業(yè)主變革的動(dòng)力不足。

(6)國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)體制不健全，相關(guān)規(guī)范缺失。BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展過程中，由于缺乏相關(guān)規(guī)范的約束指導(dǎo)，法律責(zé)任界限不明確，導(dǎo)致大多數(shù)企業(yè)安于現(xiàn)狀，不敢思變。

4.2 BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)如何更好的發(fā)展

首先要提高設(shè)計(jì)人員對(duì)BIM技術(shù)的認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變其設(shè)計(jì)思維方式，使企業(yè)看到BIM技術(shù)帶來的巨大優(yōu)勢(shì)，在項(xiàng)目中主動(dòng)應(yīng)用BIM。其次，充分調(diào)動(dòng)業(yè)主的積極性，應(yīng)用BIM技術(shù)的最大受益方是業(yè)主，他們是推動(dòng)BIM技術(shù)發(fā)展的最大動(dòng)力。要讓業(yè)主看到應(yīng)用BIM技術(shù)為自己帶來的巨大利益，才會(huì)有推動(dòng)BIM發(fā)展的動(dòng)力。再次，政府有關(guān)部門要鼓勵(lì)企業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)，要對(duì)建筑行業(yè)現(xiàn)有體制進(jìn)行改革，制定適合我國(guó)基本國(guó)情的BIM相關(guān)行業(yè)規(guī)范，明確法律責(zé)任界限。另外，要盡快解決BIM關(guān)鍵技術(shù)問題，建立統(tǒng)一的BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的全面共享，加快推進(jìn)BIM技術(shù)的本土化。[8]最后，加大對(duì)高校相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生的培訓(xùn)教育，開設(shè)BIM相關(guān)課程，培養(yǎng)BIM專業(yè)技術(shù)人才，為BIM的發(fā)展提供源動(dòng)力。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)建筑行業(yè)信息化程度低、投資回報(bào)率低、管理混亂、浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著建行業(yè)的不斷發(fā)展，這種粗放式的發(fā)展模式必須改變，使其逐步走向信息化、精細(xì)化、可持續(xù)發(fā)展之路。BIM作為一種新興技術(shù)，在建設(shè)項(xiàng)目全生命周期中發(fā)揮著重要作用，能為業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工企業(yè)帶來在巨大價(jià)值。雖然BIM在我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展推廣過程中還存在很多問題，但是隨著國(guó)家相關(guān)政策的出臺(tái)以及政府有關(guān)部門的支持與引導(dǎo)，BIM技術(shù)肯定會(huì)得到快速發(fā)展，被建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用。

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