建筑設計中BIM管控與應用體系研究
——以某體育場為例

黃 騫

( 福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

黨的十九大報告中，習近平總書記在“貫徹新發展理念，建設現代化經濟體系”部分強調了工業化及信息化的發展。

然而，先進技術的推廣和運用，需要輔以配套的控制和管理手段。在建筑業中，BIM作為促進建筑業信息化發展的重要工具，要注重BIM在建筑業中推廣和應用的雙重效率。基于此，本文以某體育場為例，分析影響BIM發展的障礙因素，并提出相應對策。

2014年7月，住建部《關于建筑業發展和改革的若干意見》提出，將BIM等信息技術應用于建筑設計、施工和運維全過程。2015年6月，住建部《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》指出，到2020年末，90%的新立項目需要集中采用BIM。2016年8月，住建部建筑業“十三五”發展規劃《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》指出，探索基于BIM的數字化成果交付、審查和存檔管理，并將BIM應用于“一帶一路”重點工程中。在BIM技術已日趨完善的條件下，積極創新BIM的管理手段，有助于推動和促進BIM在建筑業中的擴散及應用效率，實現BIM應用的系統化和規范化。

1 理論回顧與應用現狀

BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)或者建筑信息管理(Building Information Management)是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，建立起三維建筑模型，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息[1]。BIM具有信息關聯性、信息完備性、信息一致性、模擬性、優化性、可視化、協調性等特點。項目信息不僅包含三維幾何形狀信息，還包含大量如建筑構件的材料、重量、價格和進度等非幾何形狀信息。通過對這些數據的挖掘、使用和維護，可以使建筑物在全生命期內得到最有效的管理和使用[2-3]。

國外對于BIM的研究與應用較早，目前處于比較成熟階段。國際上BIM應用已成為設計和建筑施工企業承接項目的必要能力，是建筑企業生存的必須技能[4]，BIM應用于建筑生命周期各階段時，也正逐步取代傳統的設計、建造和管理模式。但是，我國BIM技術目前一般應用于示范性與規模較大的建筑物，普及程度低且局限于建筑物某一階段的應用，與國際存在較大差距[5]。

應用現狀對比研究表明(表1)，發達國家和地區BIM應用已經逐步普及化，標準及軟硬件的研究較為領先，且國外注重長期發展，行業市場化、專業化、標準化、規范化程度高，項目規劃有成熟環境和機制，項目方案很少變動，體現出一以貫之的BIM作風[6]。但中國尤其是大陸地區，目前側重短期利益，工程項目管理形式粗放、趕進度和臨場變陣，與BIM有較明顯的沖突。此外，國內甲方的地位遠比國外強勢，對BIM應用的驅動效應更明顯，但其需求頻繁變更，導致設計單位工作成本增加，施工單位的變更利潤等“灰色收入”縮減，某種程度上也同時削弱了BIM應用動力。綜之，目前建筑業主要是通過利用BIM的優越性，來達到對項目進度、成本和質量等控制目的，而較少研究新技術在項目中的定位，及如何通過項目組織結構的改變或流程再造將BIM融入到現有組織結構之中，使先進的技術擁有與之配套的先進管理手段來發揮其最大的效益。但隨著IPD模式在國內工程領域普及，BIM在建筑各方的應用將有望得到有效改善[7-8]。

針對當前信息技術處于我國建筑行業應用初級階段、BIM管控研究較為薄弱、技術管理和控制未形成體系等問題，筆者考慮利用建筑設計的龍頭作用，使設計階段BIM管控和應用率先達到成熟水平，以推動BIM在項目全生命期的應用。基此，本文通過以大型公共體育場建筑設計過程中BIM應用為例，探討建筑設計中BIM設計應用重要性，并對建筑設計中BIM管控及應用方法進行分析，提出一套建筑設計BIM管控及應用體系框架，以期為其他建筑工程BIM設計應用提供借鑒，促進BIM擴散及應用。

2 BIM管控與應用體系框架構建

2.1 工程及BIM設計應用概況

項目建設地點位于“21世紀海上絲綢之路”的重要起點——福建省某市，該體育場將成為未來該市的標志性建筑，將提升帶動該市體育文化事業發展，提高“一帶一路”重要起點的經濟活力。

項目建筑設計，BIM模型匯總了各設計工種的相關信息，以三維形式存儲的數據,通過計算機圖形或動畫形式來高效檢驗設計的準確性。建筑、結構和設備等專業可以借助BIM，以高效、整合的進程完成設計工作，其高度精確的設計有助于承建商和其他專業人員實現順利合作，大大減少施工現場需要處理的問題，并為最終保證在緊張建設周期內和合理造價內實現高品質建筑的目標鋪平道路[9-11]。

該體育建筑設計中，主體結構設計無疑是非常重要的一環，膜面積和膜結構的設計也尤為關鍵。因此，首先通過BIM手段介入的參數化設計，在設計前期為結構設計提供了三維可視化的呈現，便于結構設計方案的比選與優化。如圖1所示，通過利用BIM技術輔助結構計算和分析，該復雜項目結構的振型和剛度均勻變形等迅速得到合理性驗證；通過現實性模擬，明確了荷載傳遞路徑及內力圖形。如圖2所示，該體育場的膜設計融入了“浪花”“屋瓴”和“織畫”的概念，實體意境較難表現。通過利用BIM技術對膜形狀和各組塊的面積進行反復準確計算，將膜板塊面積控制在表2所示的最合理范圍，最大程度地表現出概念效果的同時，也便于現場拼接和安裝。

但是，從該體育場設計階段BIM應用的現實情況分析，BIM作為新的技術管理手段需要被各方了解和接納，并付諸實施。BIM實際應用過程中，各參建方從單純依靠二維圖紙進行任務溝通，上升到基于協調統一的BIM數字化模型及其集成化工作模式上來，期間必須輔以相應發達程度的管理手段以發揮BIM真正的價值。可見，隨著BIM的研究和推廣，必須加強配套的BIM管控及應用體系研究[12-13]。

圖1 BIM輔助結構計算分析圖

圖2 膜效果及板塊計算圖

表2 BIM輔助膜板塊最優面積控制

2.2 管控與應用體系分析

通過深度剖析該體育場案例，可將BIM管控體系分為組織架構、數據架構、設計流程及模型應用控制等4個部分。組織架構和數據架構，主要從組織層面對傳統組織加固重構，為BIM設計提供一個最適用的組織環境。BIM設計流程主要從兩個角度分析：第一，從項目全階段角度分析，設計階段BIM的全局性優化作用；第二，從設計階段角度，分析BIM與設計各參與方間的聯系及管理關系。模型應用控制，主要對已完成BIM模型的儲存、修改和調用等進行管理。

2.2.1組織架構

BIM作為一項新的技術手段，根據現狀分析[14-16]，由于BIM的應用，在一定程度上已經對管理組織的架構產生了一定沖擊和改變。圖3為該項目的BIM 組織架構，與傳統組織架構最大的區別在于新增BIM經理及其下轄組織。BIM經理與傳統項目組織的項目經理類似，主要負責BIM組織與傳統組織之間的信息協調；BIM技術負責人，主要對BIM核心技術進行控制；BIM協調員作為一線員工，主要對土建和機電等信息進行處理，完成BIM模型構建。通過對BIM的管理，在保證現有組織工作效率同時，確保BIM技術應用的專業性。

2.2.2數據架構

如上所述，BIM協調員主要處理傳統信息和建模，和傳統組織類似，BIM協調技術人員也需要進行分工合作，對土建、機電和專項設計等信息進行分別處理及應用，建立不同類型的子模型。如圖4中的土建模型和機電模型共同構成主體BIM模型，各專項設計模型組合成專項工作BIM模型，進而共同組成BIM模型平臺。BIM模型平臺屬于一個虛擬實體系統，包含實體的所有數據信息，子模型則屬于各子系統，子系統之間通過恰當的接口連接和交互，詳細設計過程中存在的單專業、多專業間碰撞協調和可建設性分析等問題。

圖3 BIM組織架構圖

圖4 BIM數據架構圖

2.2.3設計流程

BIM設計流程，主要用于規范BIM模型的設計。如圖5所示，該項目中BIM設計流程與傳統設計流程平行設置，主要利用BIM技術優化傳統方案設計和初步設計。設計階段的BIM應用在工程項目全生命期可以發揮龍頭作用，在項目最初階段將外部信息、業主單位建設需求、審批單位意見、施工單位對設計變更的要求等所有數據信息進行整合，期間所有的變更節點信息統一存檔，便于讀取信息數據，有利于工程項目全生命期的BIM應用。

圖5 BIM設計流程圖

圖6 BIM應用流程圖

在確定設計階段BIM在項目全生命期的作用后，需要進行詳細的BIM設計。由圖6所示的該項目BIM應用流程中，可以看到，在接收二維設計圖紙時，BIM設計提供AutoCAD DWG格式文檔，方便后期模型協作建立；在接收圖紙后，對各專業圖紙進行整理、歸檔。運用Autodesk Revit軟件系列平臺，實事求是地將圖紙以三維形式真實呈現出來；按設計文件施工的建筑成品將與BIM模型完全一致。通過利用BIM可視化、協同設計、優化設計等技術，以設計人員和業主為主導，在BIM模型中直觀地對設計階段的建筑建成效果進行控制，及早發現設計問題，以避免將問題帶入施工階段造成巨大損失。

2.2.4應用控制

BIM模型應用控制，主要包括模型管理、儲存和修改、調用及族庫管理。

(1)模型管理

BIM建模完畢后，需要制定模型使用制度，幫助各專業協調、有序地使用BIM模型。

(2)模型儲存及修改

模型成果存放在固定的一臺服務器中，由專人負責。如有圖紙變更需要修改模型時，必須經總協調人同意，通過模型負責人調用模型，并注明模型修改部位及時間；模型修改完畢后，及時將模型存儲于服務器中，并注明修改版本。

(3)模型調用

調用分析模型時，經過總協調管理人同意后，由模型管理人提取模型，任何人不得隨意調用和傳播模型。

(4)模型族庫管理

根據該項目的結構類型及圖紙，建模前建立與該項目相關的單獨族構件，使用時合理管理。

3 BIM在設計階段應用障礙和策略分析

通過對該體育場設計階段的BIM應用研究，總結應用過程中存在的不足及障礙，再通過對各障礙因素進行分析，結合現狀及BIM發展趨勢研究，給出相應的解決策略。

3.1 障礙分析

(1)法律界限模糊

關于整個數據完整性的保護責任和信息數據共享及保密要求等，目前都還沒有明確的標準界限。因此，BIM應用過程，各參與方之間責任難以界定，容易產生糾紛。

(2)管理模式轉變困難

項目設計人員和BIM 建模人員兩者平行設置，處于分離狀態。然而BIM技術已經改變了傳統工程項目建設的流程，過程由離散逐漸趨于集中，由單一轉為更加復雜化，這個轉變更加強調了協同的重要性。但如何轉變目前的工程項目管理模式來營造協同工作環境，并能夠有效地保證工作效率，依然是一個亟待解決的難題。

(3)短期成本高

BIM技術輔助設計，需要引進或培訓BIM專業人才，并購買相關軟件及應用升級，人員培訓費、人工費、軟件及軟件升級等費用增加，會增加設計單位的經濟壓力，規模較小的公司無力承擔。

(4)設計人員思路轉變困難

由傳統設計方法轉變為基于BIM的新設計方法，意味著需要從二維圖紙向三維模擬仿真空間轉變，由粗放式設計向集中式設計轉變，同時還涉及到專業與非專業之間的協調，使設計人員難以適應，或可能產生抵觸心理[17]。

(5)族庫不完善

目前，軟件公司所提供的族庫豐富度欠缺，導致設計人員建模效率偏低，可能影響到整個項目進度，同時降低了BIM應用的意義。

3.2 策略分析

(1)明確法律責任邊界

政府應制定相關政策條款，明確相關單位各自的法律責任，明確法律邊界。

(2)建立BIM 專業團隊

在目前的工作流程中增設BIM專業組織，并通過BIM團隊討論研究形成適應于慣例的建模標準。此外，BIM團隊組織與傳統組織之間應進行緊密的協調作業，以保證工作效率最大化。

(3)提高業主對BIM應用的積極性

通過向業主宣傳BIM的優點和益處，大力宣傳業主是BIM應用的最大受益方，鼓勵更多的業主購買BIM軟件和組織人員參加BIM培訓。

(4)免費課程和強制性學習

通過向設計員工開放BIM設計相關的免費課程，并通過強制性手段和績效激勵方式，讓員工主動學習。

(5)開發更完善的族庫

軟件開發公司應致力開發豐富的軟件族庫，使設計人員能夠將更多的工作效能應用于工程項目設計中，最大化發揮BIM價值。

4 結語

隨著新型建筑工業化的逐步深入，BIM技術迎來了快速發展期，但我國BIM技術應用處在初級階段仍是事實。

本文以某體育場為例，成功將BIM應用于體育場建模、結構分析和工程量計算，彰顯了BIM技術在工程設計階段的強大優勢。通過對案例中BIM管控體系進行分步驟分析研究，證明了該管控體系與BIM技術的高效應用相對契合，有利于發揮BIM技術優勢，能夠為其他項目在BIM設計階段的應用提供可借鑒的管理控制經驗，有助于實現BIM在工程項目全生命期的推廣應用。

通過總結案例中BIM應用的障礙因素，提供了我國BIM發展需要解決的主要現實問題及相關對策，可助力同行對BIM技術運用的推進。