BIM 結構設計企業級標準研究

趙華英 李元齊 陸 揚

(1.同濟大學土木工程學院，上海 200092;2.上海現代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司，上海 200041)

1 引言

BIM(Building Information Modelling)技術的概念到2008 年左右被國內的建筑行業廣泛接受并開始應用。到今天，BIM 技術已經是建筑行業在進行項目建設過程中不可或缺的部分。BIM 技術最早在設計階段被廣泛應用，但目前BIM 技術的應用趨勢更多的被用在施工階段，設計階段的BIM 技術應用大多還是應用于設計輔助。

BIM 的成功實施需要決策層的政策支持和執行層的實施決心［1］。國家為進一步加強建筑企業信息化建設，不斷提高信息技術應用水平，促進建筑業技術進步和管理水平提升，住房和城鄉建設部印發了《2011～2015 年建筑業信息化發展綱要》(以下簡稱“《綱要》”)。《綱要》提出，“十二五”期間，基本實現建筑企業信息系統的普及應用，加快建筑信息模型(BIM)、基于網絡的協同工作等新技術在工程中的應用，推動信息化標準建設，促進具有自主知識產權軟件的產業化，形成一批信息技術應用達到國際先進水平的建筑企業［2］。

《綱要》對企業信息化建設、專項信息技術應用和信息化標準分別提出了具體目標。其中勘察設計類，要求完善提升企業管理系統，強化勘察設計信息資源整合，逐步建立信息資源的開發、管理及利用體系;推動基于BIM 技術的協同設計系統建設與應用，提高工程勘察問題分析能力，提升檢測監測分析水平，提高設計集成化與智能化程度。2014年10 月，上海市政府也對BIM 技術應用和推廣下發了市建設管理委《關于在本市推進建筑信息模型技術應用的指導意見》。

在國家和地方政府的建設管理部門關于推廣BIM 技術的大環境下，規劃、勘察設計、施工、運營維護等相關單位都開始主動采用BIM 技術，設計作為項目建設過程的前端，設計單位對BIM技術的應用和推廣有著指向性作用。而設計師直接采用BIM 技術進行設計活動已經是不可避免的趨勢。

2 國內外研究現狀

2.1 國外現狀

BuildingSMART 聯盟下屬的美國國家BIM 標準項目委員會(the National Building Information Model Standard Project Committee-United States，NBIMS -US)是專門負責美國國家BIM 標準的研究與制定。2012 年5 月，NBIMS-US 發布NBIMS的第二版的內容。NBIMS 第二版的編寫過程采用了一個開放投稿(各專業BIM 標準)、民主投票決定標準的內容，因此，也被稱為是第一份基于共識的BIM 標準。

英國建筑業BIM 標準委員會已于2009 年11 月發布了英國建筑業BIM 標準、于2011 年6 月發布了適用于Revit 的英國建筑業BIM 標準、于2011 年9 月發布了適用于Bentley 的英國建筑業BIM 標準。

新加坡建筑管理署(Building and Construction Authority，BCA)2012 年5 月發布了《新加坡建筑信息模型BIM 指南》，旨在推動BIM 技術在工程實踐中的應用。

澳大利亞、加拿大、冰島、日本、韓國等國家也相繼出臺了BIM 相關標準及規劃。國際上已經發布的BIM 標準主要可以分為兩類:第一類是行業推薦性標準:由行業性協會或機構提出的推薦做法，通常不具有強制性，第二類為針對具體軟件的使用指南，是針對BIM 軟件應用的指導性標準［3］。各發達國家或地區政府部門都根據本國或地區的行業情況，制定了相應的政府政策來保障BIM 在行業內的發展應用。雖然他們的建筑業管理體制、行業發展水平及信息化建設現狀有所不同，但在BIM 政府政策上的許多方面存在共同特點［4］。

2.2 國內現狀

香港房屋署自2006 年起，已率先試用建筑信息模型;為了成功地推行BIM，自行訂立BIM 標準、用戶指南、組建資料庫等等設計指引和參考。這些資料有效地為模型建立、管理檔案，以及用戶之間的溝通創造良好的環境。2009 年11 月，香港房屋署發布了BIM 應用標準［5］。

2010 年，清華大學通過研究，參考NBIMS，結合調研提出了中國建筑信息模型標準框架(簡稱CBIMS)，并且創造性地將該標準框架分為面向IT的技術標準與面向用戶的實施標準。

2012 年1 月，住建部“關于印發2012 年工程建設標準規范制訂修訂計劃的通知”宣告了中國BIM標準制定工作的正式啟動，其中包含五項BIM 相關標準:《建筑工程信息模型應用統一標準》、《建筑工程信息模型存儲標準》、《建筑工程設計信息模型交付標準》、《建筑工程設計信息模型分類和編碼標準》、《制造工業工程設計信息模型應用標準》。其中，《建筑工程信息模型應用統一標準》的編制采取“千人千標準”的模式，邀請行業內相關軟件廠商、設計院、施工單位、科研院所等近百家單位參與標準研究項目/課題/子課題的研究。至此，工程建設行業的BIM 熱度日益高漲［6］。

3 研究目的和思路

BIM 概念的提出已有40 余年，BIM 技術應用也有十幾年的過程，BIM 技術已經廣泛地應用在工程建設過程的各個階段，設計階段的BIM 應用也日趨成熟。現在從國家到地方的建設管理部門都在制定或者已經發布BIM 的相關標準，企業作為BIM 應用的落地單位，必須制定出與行業標準相符合的具有可操作性的企業級BIM 標準。企業的BIM 標準應包括更具體的BIM 應用方法，比如，BIM 應用的目的、使用BIM 的主體、BIM 應用范圍、BIM 模型建模方法、BIM 模型詳細程度、協同工作程序以及模型的評價方式等有關項目的BIM 應用準則［7］。

設計階段是整個工程建設過程的起始階段，也是建設項目從無到有的創造性階段，設計質量的優劣決定著建設項目的安全性、適用性和經濟性。設計階段的BIM 標準研究成果對設計師采用BIM 技術進行設計工作起到指導和示范作用，幫助設計師轉變設計方法，提高設計效率和設計質量，為下一階段的BIM 實施提供一個標準的建筑信息模型文件，實現BIM 模型的共享性、信息的連續性，為整個項目的協同交付打下良好的基礎。

企業實施BIM 規劃時，宜從單項BIM 專業應用入手，先選擇幾個關鍵的BIM 應用點實現BIM 應用的單項突破，再通過建立BIM 試點項目的方式，逐步擴展到多階段、多專業的集成應用，不斷積累和總結實施經驗，最終建立起適合企業自身需要的BIM 技術解決方案和協同工作平臺［8］。

本文著重研究BIM 在民用建筑結構設計的應用標準，該標準的級別定位在企業級，目的是結構工程師在采用BIM 技術進行結構設計時能有一個比較明確的指導文件，研究過程提出采用目前主流的BIM 系統軟件Autodesk Revit 系列作為設計使用軟件。

4 標準主要研究內容

4.1 適用范圍

標準中的功能術語和參考均主要基于Autodesk Revit 及Autodesk 系列平臺。標準適用于新建、改建、擴建的民用建筑中的BIM 設計。采用本標準進行基于BIM 的建筑設計時，尚應符合國家和地方相關標準的規定。標準適用于民用建筑設計的各個階段。標準應結合公司現行的ISO 質量管理文件使用。

4.2 BIM 執行計劃

在具體選擇某個建設項目要實施的BIM 應用以前，首先要為項目確定BIM 目標，這些BIM目標必須是具體的、可衡量的，以及能夠促進建設項目的規劃、設計、施工和運營成功進行的［9］。在BIM 設計階段實施過程中，為有效應用BIM，項目組應當在項目的初期制定一個《BIM 設計階段執行計劃》。該計劃包含項目組在整個項目過程中需要遵循的整體目標和實施細節。計劃應在項目的開始階段就要明確下來，以便指定的新項目團隊加入后能更好的適應項目。確定BIM實施目標、選擇合適的BIM 應用，是BIM 實施策劃制訂過程中最重要的工作，BIM 目標的定義必須具體、可衡量［10］。

《BIM 設計階段執行計劃》有利于業主和項目團隊記錄達成一致的BIM 說明書、模型深度和BIM項目流程。《主合同》應當參考《BIM 設計階段執行計劃》確定項目團隊在提供BIM 成果中的角色和職責。BIM 時代，各階段設計的責任，

需要完善什么模型信息，完善多少信息都要有明確的界定，各工種之間需要以何種形式和成熟度的模型交互數據也應有明確的界定［11］。

4.3 結構專業BIM 設計解決方案(常用)

設計:美國歐特克軟件(中國)有限公司的Revit Structure、Auto CAD、美國RobertMcNeel＆Associates 公司的Rhinoceros;

計算分析:中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司設計軟件事業部的PKPM、中國盈建科公司的YJK、美國CSI 公司的ETABS;

輔助計算分析:美國CSI 公司的SAP2000、韓國邁達斯技術有限公司的MIDAS Building＆MIDAS Gen;

高級有限元分析:法國達索SIMULIA 公司的ABAQUS、美國ANSYS 公司的ANSYS。

模型整合:美國歐特克軟件(中國)有限公司的Navisworks。

4.4 結構專業BIM 設計基本原則

(1)結構2D 平面布置圖應與Revit 的3D 模型相關聯，不應與Revit3D 模型脫離，所生產的圖紙始終與模型邏輯相關，當模型發生變化時，與之關聯的圖形和標注將自動更新［12］;

(2)結構專業3D 模型應與建筑、設備等相關專業協同工作;

(3)結構專業BIM 模型應作為設計的主模型，應與計算分析的有限元模型一致;

(4)BIM 結構專業負責人定期管理中心文件，保證對外模型的及時更新;

(5)BIM 模型的結構構件的標注信息應采用“參數共享”的方法與構件幾何尺寸相關聯，并能出現在明細表中;

(6)分析模型中對構件的修改宜采用僅將修改構件數據返回BIM 模型，不宜將計算模型全部返回BIM 模型;

(7)當模型不作為分析用途時宜不啟用構件的分析模型選項;

(8)對于空間布置的構件(起終點標高不同)，建模時應統一使用“起終點標高偏移”或“軸偏移值”構件，不宜混合使用。

(9)BIM 模型坐標未經同意不得修改;

(10)不同尺寸結構構件應采用不同的著色，當視圖切換到“著色”效果時應能清晰的區分構件分布。

4.5 工作流程

面向建筑全生命期的BIM 建模需要考慮組織、過程、信息和系統四要素以及它們之間的關聯［13］。在基于BIM 的設計過程中遵循合理的工作流程有利于各專業之間互相協調，同時可以保證項目的順利進行，可以在基于BIM 的設計過程中及時有效的解決設計過程中遇到的問題和沖突。BIM 團隊與傳統設計融合后的業務流程應進行合理規劃，才能達到高效的合作，最終得到高質量的成果［14］。設計過程中BIM 設計師可以通過更新模型實時檢查設計沖突，不必在設計結尾時再解決。

圖1 BIM 的協同設計示意圖

圖2 結構專業BIM 協同設計示意圖

4.6 協同設計

隨著建筑工程復雜性的增加，跨學科的合作成為建筑設計的趨勢。在二維CAD 時代，協作設計缺少一個統一的技術平臺，但建筑信息模型為傳統建筑工種提供了一個良好的技術協作平臺［15］。建筑信息模型允許不同專業、不同設計者在同一個模型中添加、修改、存儲不同的建筑信息，而且保持模型的實時更新和統一性［16］。協同設計開始前，項目組應確定一個適合項目的協同設計方式。建筑專業應建立“起始模型”以供其它專業以“起始模型”為基礎或參照開始協同設計，在協同設計之前使用Revit 中的“共享坐標”工具定義項目中某一點的真實世界坐標，并將其發布到所有鏈接的模型，采用“通過共享坐標”插入方法鏈接其它子模型，同時應正確建立“正北”和“項目北”之間的關系。

專業之間宜采用“文件鏈接(Link)”方式進行BIM 設計協同。該方式不存在圖元借用和中心模型的概念，屬離散型協同設計，通常不存在跨專業修改，更多的是相互參照。該方法可以在協同的基礎上將專業間干擾降至最低。

專業內部宜采用“工作集(Workset)”方式進行BIM 設計協同。該方式存在圖元借用和中心模型等緊密型的協同設計，適用于專業內部協同設計。由于采用中心模型，不同設計師均在本地模型操作屬于自己權限的構件，然后再與中心模型同步更新。該方法只有中心模型是可以完整編輯的模型，中心模型的管理機制和操作權限非常重要，如果管理不善很可能導致模型崩潰。采用“工作集(Workset)”方式進行BIM 設計協同時，在副本創建后，絕不可直接打開或編輯“中心”文件。所有要進行的操作都可以通過、也必須通過本地文件來執行［17］。圖1給出了項目整體協同設計示意，圖2 給出了結構專業內部協同設計示意。

4.7 設計深度

BIM 的信息集成的最終要求是涵蓋建筑全生命周期所有數據信息［18］。基于BIM 的建筑設計采用方案設計、初步設計、施工圖設計三個階段進行，各專業模型深度、圖紙深度應能滿足各設計階段的要求。不同項目階段所建模型各不相同，在應用上有性能分析、算量造價、施工模擬、性能測試、碰撞檢測等。為了避免模型應用功能的缺失，確保模型成果成功交付使用，應對BIM 模型的詳細程度劃分等級［19］。圖紙深度應滿足《建筑工程設計文件編制深度規定》［20］的要求。BIM 模型深度應滿足國家、地方現行標準的模型深度要求。

4.8 模型管理

BIM 作為一項建筑工程項目管理的新技術，在引進和使用之前，應很好地把握住其可能存在的風險，盡量做到未雨綢繆、防患于未然［21］。結構專業的模型均應有專業負責人統一管理，模型的設計、維護、變更修改均由BIM 設計師負責。

項目開始前BIM 經理應統一BIM 設計模型使用的軟件及版本，統一模型存放位置，統一不同用途模型、族的命名規則，統一與模型相關的設計文件、資料的存放位置，統一圖層標準，規定模型文件的更新時間。確定項目集成模型的管理者，確定專業內部“中心模型”的操作權限和管理者，確定“本地模型”的管理者。

BIM 項目集成模型應由項目BIM 經理統一對外發布，BIM 專業模型應由BIM 專業負責人統一向各協同專業發布。BIM 專業負責人應統一管理由模型產生的圖紙，包括圖紙深度、圖紙是否符合設計規范要求、圖紙格式等。模型交付校審前BIM 專業負責人應進行模型、圖紙的完整性和設計合理性、正確性檢查。設計模型的修改應從最底層開始，保證模型修改的唯一性，修改后的設計模型應按修改日期進行存檔。

在Revit 中對項目具有唯一性的系統參數應統一，如“項目地點”、“位置”、”坐標”等。用戶采自定義參數時宜采用“共享參數”或“項目參數”。對于用戶自定義的“共享參數”和“項目參數”各專業應在項目開始前統一規劃，參數名稱不得重名，參數需具有唯一性，一旦項目開始不宜再修改參數屬性。對于用戶自定義的參數各BIM 專業負責人應統一規劃、管理。自定義參數的種類及命名詳見各專業分則。

設計開始前BIM 經理、BIM 專業負責人應根據建模軟件、分析軟件、繪圖輔助軟件等BIM 軟件的交互性進行評估，選擇適合項目的軟件版本。BIM軟件良好的適用性與導入性能是BIM 實施的關鍵［22］。在設計過程中應統一BIM 工作中心軟件的版本，且不得在設計過程中進行版本升級，避免發生軟件版本的變更產生的協同設計不連續。同時應特別注意，Revit 系列軟件目前還不能將高版本轉存為低版本。如果發生版本升級的情況，應保留原版本的模型文件和原版本的軟件，原版本文件應存放在獨立的文件夾下，以便查閱。

4.9 數據交換

應了解目標軟件/硬件系統的要求和限制，以便能夠恰當地準備需要交換的BIM 數據。

為了確保不同軟件之間數據交互的一致性，要求BIM 軟件在應用時必須能夠讀入/讀出強制以及可選等級的全部構件屬性［23］。應以輸入軟件能接受的形式輸出結果，使得他人能夠便捷地處理文件中的數據。

當模型數據不能直接轉換成輸入軟件所需要的格式時，可采用第三方軟件進行輔助，但應特別注意格式轉換過程中數據的完整性。

目前，BIM 采用IFC 標準作為建筑產品的數據交換標準，不同軟件之間通過IFC 標準交換數據，研究表明，基于IFC 標準的建筑模型與結構模型之間的信息傳遞和共享還不十分成熟［24］。數據輸入軟件使用前應使用副本數據進行測試，檢驗不同軟件/硬件系統之間的數據交換方式，以確保交換過程能保持數據的完整性。

BIM 技術中的數據轉換一般包含三種形式:直接轉換、中間文件轉換、公共轉換標準［25］。建模過程中應預先考慮可能與之產生數據互換的軟件特點，根據需求建立模型。如有些計算軟件對弧形構件的識別能力不足，需要設計師在工作模型中將弧形構件劃分成若干個直線構件。

數據交互完成后的模型應有BIM 設計師自行檢查模型信息的完整性，以確保在交互后的模型能正確使用。

4.10 設計成果交付

在企業級BIM 實施過程中，應根據BIM 交付的目的和交付物的用途，來確定具體的交付內容［26］。BIM 模型交付物交付時如無特殊情況應將外部鏈接文件綁定后交付，當需要有外部引用時應將外部引用文件一并交付，防止模型文件數據缺失。設計交付成果采用BIM 技術，不僅可以準確傳遞結構工程師的設計意圖，同時施工單位的工程師可以全面的分享建筑的各項數據，避免了重復建模的負擔，同時設計人員也可以通過變更建筑信息模型快速的完成設計變更，減小設計變更對工期成本的影響［27］。設計成果的交付流程應符合ISO 質量控制標準的要求。BIM 設計成果當采用電子版代替藍圖交付時，應符合國家及地方的相關規定。設計成果交付統一由BIM 經理負責。

5 結論

本文研究的重點是如何有效地將BIM 技術應用到結構設計工作中，通過在實踐中積累的BIM 經驗，并結合主流的BIM 軟件Revit 建立一套可以指導結構工程師在運用BIM 技術進行結構設計的企業級統一標準。通過總結傳統設計方法的弊端和BIM 技術的特點建立新的結構設計方法，提高基于BIM 的結構設計工作效率，將BIM 工具真正為結構設計師所用。對BIM 技術在設計階段的應用具有參考價值。經過分析研究和總結，得出以下結論:

(1)結構設計師在設計階段的BIM 技術應用勢在必行，但由于軟件限制和結構設計師應用BIM 技術的人員數量不足，任然限制了BIM 在設計階段的應用效果;

(2)BIM 技術在設計階段的應用必須有一套適應設計師工作習慣和設計企業工作流程的企業級標準，這有助于設計企業的標準化管理和提高工作效率，有利于結構設計師對BIM 技術的理解和應用;

(3)基于BIM 的結構設計中協同方法的選取是設計是否高效的重要因素之一;

(4)對于設計企業BIM 設計的實施需要建立在確定的BIM 軟件的基礎上，選取合適的BIM 軟件是BIM 設計實施的前提;

(5)BIM 設計標準的建立應該符合企業質量管理的目標，BIM 設計標準的內容需要與企業質量管理體系的要求相一致;

(6)基于BIM 的結構設計交付成果和模型深度應該符合工程建設的要求，并能與下一工作階段有效銜接。

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