BIM在工程建設中的應用

高宇擎 王卿臣（同濟大學 土木工程學院，上海200092）

1 前言

BIM(Building Information Modeling)，即建筑信息模型，它以三維數字技術為基礎，是對建筑物理和功能特征的數字化表達，并集成了工程項目各種相關信息的數據模型。

BIM是多維的建筑模型，是指在3D建筑模型的基礎上，增加時間參數進行施工進度模擬（4D），考慮造價等因素進行進度和造價模擬（5D），以及更為深化的項目終身信息管理（6D）[1]。可見BIM模型是對工程項目信息更為詳實的表達，給建筑物整個生命周期提供可信賴的信息共享資源，并實現不同專業、不同階段之間信息的集成和共享[2]。

2 BIM在工程的應用現狀

2.1 國外的應用情況

近些年來，BIM技術在美國、日本等國際建筑工程領域取得了大量的應用成果。在美國BIM的應用得到政府和行業的大力支持，并且美國政府也制定了相關BIM標準，要求所有在政府項目中推廣使用IFC標準和BIM技術，并開始推行基于BIM的IPD模式[3]，使得BIM技術成為設計施工領域重要的一部分。

2.2 國內的應用情況

國內雖然起步較晚，但是建筑信息模型的概念不斷在學術界、建筑界和軟件開發商之間進行傳播，且BIM在國外建筑行業得到廣泛應用，國內各大設計院、企業嗅到了一個技術革新的勢頭，對BIM技術高度關注。

近些年來國內在施工中應用BIM技術比較有代表性的就是上海中心項目。該工程由于分支系統非常復雜而且項目建設周期比較長，信息量非常龐大、參與方眾多，導致成本控制難度和信息的有效傳遞難度增大。因此承包商最終決定在方案設計和施工管理兩個階段都使用BIM這項技術。

圖1 上海中心效果圖

圖2 核工院三期模型

下面具體介紹一個例子，該工程為上海核工院研發設計中心三期研發綜合樓，由兩座主樓通過中間的裙房連接而成，平面上呈“L”型布局，形式如圖3所示。通過實際工程項目試點，核工院實現了利用工程建筑信息模型，在各工種以及業主、施工、設備供應商等相關各方間的信息共享與協同。在設計階段如圖4所示開展設備各專業三維管道模型綜合調整，最大程度避免在施工階段的返工和浪費；進行設備、材料、造價預算等工程量的統計，并根據工程修改進行實時調整；對施工方案進行4D模擬，實現對施工的可視化管理；如圖5、圖6所示，還可將結構模型導入其他分析軟件中進行結構受力計算，甚至對方案進行日照分析等建筑性能的模擬。

圖3 管道綜合

圖4 結構模型互導

圖5 日照分析

3 BIM在工程中的應用

BIM技術在施工中也起到了相當大的作用，更有施工單位稱它在施工的應用可謂是一次新技術革新。根據筆者使用的情況并結合海內外的工程資料，將BIM在工程建設中的應用主要分為以下幾個部分：施工圖設計、施工管理、造價控制。

3.1 施工圖設計

采用BIM的結構施工圖設計在設計流程上不同于傳統的“結構施工設計”。所謂的傳統結構施工圖設計就是設計人員采用基于二維圖檔的工作模式，不斷的反復確定設計結構繪制施工圖。但這些圖檔不具備信息的完整性、關聯性，因此難以確保信息的一致性[4]。

而基于BIM的結構施工圖設計則彌補了傳統設計模式無法保證信息一致性的缺點，它在設計過程中存在完整的信息模型，支持模型與圖檔的關聯修改和自動更新。目前常規的設計方法是采用諸如Revit的BIM設計軟件，運用Revit進行協同設計，并且輸出符合制圖規范的施工圖紙。首先通過體量建模推敲設計方案，然后為建筑物添加墻、柱、門窗等基本構件，并通過三維的直觀視感來檢驗設計的準確性。最后搭建的模型可以導入CAD等進行深化和修改。

3.2 施工管理

施工是一個動態的過程，盡管在動工前已經有大量詳細的進度計劃以及網絡圖、橫道圖等作為進度參考，但是由于很多不確定因素類似“破網”的事故經常發生，對施工單位的經濟效益產生直接的影響。傳統的施工管理除去以上進度管理上的問題還有以下局限性：1）二維CAD設計的項目形象差，不夠直觀，可視化程度低，復雜圖紙不僅僅讀圖困難，而且也不方便各專業之間的協調溝通。2）網絡計劃比較抽象，不適合對外界的溝通交流。3）傳統方法注重經驗，無法做到規范化和精細化管理。

圖6 施工管理流程

3.3 造價控制

對于動態的施工過程來說，一般方法計算造價只能作為一個參考，而不能準確地計算出總的工程造價。目前比較流行的做法是，通過一些造價軟件導入二維CAD圖紙，建立三維模型，從而計算出工程量和造價。但是這些軟件的核心功能只有工程造價計算，而BIM所建立的三維模型在統計算量、計算造價的同時，還能精細化到對每種構件的數量、價格、尺寸進行分類編號、統計管理，從而對應每一次的微小調整，計算出較為接近實際的造價，更好地將動態元素反饋于造價控制。

4 BIM在施工應用的特點

筆者在項目實習這段時間通過工程中BIM的應用，總結了一些特點。

4.1 可視化與參數化

所謂可視化，就是利用計算機將數據轉化成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的方法。而參數化，就是模型和設計圖紙存儲于同一個數據庫中，所有內容都是關聯的，這種雙向關聯和即時、全面的變更傳播可以實現高質量、可靠的信息輸出。

BIM一般采用一些軟件如Revit、Bentley等進行建模，可直接建出三維的實體模型。這對施工是一個突破，一個三維的可視化施工模型相比于二維線條的形式表達，給予了一個更直觀的視角，參數化也使構件信息更精確，大大提高了施工的準確性。

項目設計、建造以及運營都可以在可視化狀態下操作。利用BIM的可視化功能進行擬建，可最大化減少設計錯誤、排除施工中的沖突碰撞、對比分析不同施工方案的可行性等等。據不完全統計，現實施工常常由于施工沖突或設計問題而返工，其中70%的碰撞返工來源于設計疏忽。如果采用BIM檢查的話，此類問題均能第一時間避免。

4.2 協同協調

施工是一個多方的過程，為了保質保量地完成施工任務，施工單位、設計單位、設備供應單位等等都需要積極的配合和相互進行協調。

相較于傳統的方法，借助BIM工具可以更好地管理復雜的建筑項目，將不同的文件整合到一個視圖內提高時間和空間的協調利用率，加上強大的可視化效果，可在施工前就確定設計中存在的問題和沖突。在BIM中，通過中心文件，各方技術人員在模型中查看其它專業部件的布置以及信息，從而對自己負責的部分進行修改調整并同步到中心文件，避免碰撞問題。

4.3 模擬優化

現代建筑的形式越來越多樣化，有些建筑物的復雜程度甚至超過了參與人員自身的能力極限，而BIM和其配套的各種模擬優化工具能夠讓項目順利完成。

一個最為優化的建筑設計從零到定稿可以簡化為設計—驗證—優化這個循環，再從中找到最優點。但是對于復雜工程，優化過程是相當繁瑣的，必須借助軟件才能實現。BIM的模擬優化不僅僅能夠模擬出建筑物的實體模型，還能模擬出建筑物在各種真實環境下的狀態。在設計環節，可以模擬出太陽輻射、室內采光、風環境等等，精確地統計出材料以及人工的用量，從而對比得出最優方案；在施工環節，以建筑的3D模型作為基礎，連接施工的進度計劃作為時間因素實現建造過程的動態模擬，信息實時共享，從而及時地對之后的方案進行預估和優化。

5 BIM在國內工程應用中的缺點

作為一門新技術，BIM在國內的推廣應用進程相對緩慢。究其原因筆者主要歸結為這樣三點：額外成本、更多的前期后續工作、流程的破壞性。

1）額外成本。包括在軟件程序的購買與更新以及相應的硬件裝備的更新費用、企業BIM應用不夠成熟時產生的時間成本以及團隊建設的培訓費用。

2）更多的前期、后續工作。相較于傳統的流程，BIM要求承包商必須在施工開始前與設計師和其他承包商一起建立協作模型，需要大量的數據輸入與更新。

3）流程破壞性。應用BIM可快速進行變更，優化調整十分方便，但是在訂購需要較長交付周期的物項時，設計變更會破壞采購與施工整體過程，從而對既定的采購和施工造成變動[5]。

4）兼容性有待提高。盡管BIM已經與CAD、SAP2000等軟件之間實現了良好互導與兼容，但是它與國內其他軟件的互導方面還處于探索階段，如果要實現BIM的其他增值服務，就需要在其他BIM軟件中重新建立模型，導致工作重復。

參考資料

[1]趙越.BIM對建筑設計和施工的優化[J].安徽建筑，2012，5(186).

[2]柳娟花.基于BIM的虛擬施工技術應用研究[D].西安建筑科技大學

[3]張建平，李丁，林佳瑞，顏鋼文.BIM在工程施工中的應用[J].施工技術，2012，41(371).10-17

[4]王勇，張建平.基于建筑信息模型的建筑結構施工圖設計[J].華南理工大學學報（自然科學版），2013，41(3)

[5]塔梅拉·麥克庫恩，艾伯特·斯佩戴爾，劉峻山.虛擬施工的BIM應用[J].建筑創作，2012(10)