信息化（BIM技術）對工程建設領域生產與教學的影響分析

黃雷 劉萍

摘 要：作為工程建設領域信息化前沿技術的代表，BIM技術對工程建設領域生產實踐與專業教學的巨大影響主要體現在兩個方面：一是可模擬性;二是引起協同工作方式和管理模式的巨大變革。文章對此展開分析，并提出了相應的應對措施。

關鍵詞：信息化;BIM技術;工程建設領域;教學;預建造;模擬;協同工作

1 工程建設領域信息化的代表技術BIM技術概述

信息化的定義最早是被日本學者Tadao Umesao于20世紀60年代，在他的文章《論信息產業》中首次提出。當時的定義是“信息化是指通訊現代化、計算機化和行為合理化的總稱。”其中通訊現代化是離不開計算機技術的。而行為合理化是指按公認的合理標準、規范對信息進行獲取、轉化并使用，在有明確的標準和規范的前提下，同樣可以利用計算機技術對海量且近似度高的信息進行識別、統計、分析、判斷，進而做出準確決策或提出決策建議。因此，最大化利用計算機對信息進行處理和運用是信息化的核心。我國是在1997年召開的第一屆全國信息化工作會議上，對信息化和國家信息化做出了明確的定義：“信息化是指培育、發展以智能化工具為代表的新的生產力并使之造福于社會的歷史過程。國家信息化就是在國家統一規劃和組織下，在農業、工業、科學技術、國防及社會生活各個方面應用現代信息技術，深入開發廣泛利用信息資源，加速實現國家現代化進程。”此次大會還總結出實現信息化的6個要素：開發利用信息資源、建設國家信息網絡、推進信息技術應用、發展信息技術和產業、培育信息化人才、制定和完善信息化政策。2006年印發的《2006—2020國家信息化發展戰略》中，補充“信息安全”這一要素，將之前6個要素增加為7個要素。這些都體現了我國對各行各業信息化的重視。

工程建設領域的信息化同樣是大勢所趨，近年的發展如火如荼。其重要性，往小了說，有利于進一步實現工程建設管理更科學、質量更優、效率更高、風險更低、損耗更小等;往大了說，它是實現城鎮信息化和智能化，乃至實現國家信息化和智能化不可或缺的重要基礎之一。代表工程建設領域信息化的前沿技術就是建筑信息模型（Building Information Modeling）技術，簡稱BIM技術。到目前為止，BIM技術在國外已被廣泛運用。例如美國，2012年工程建設領域采用BIM技術的比例高達71%;再如英國，2011年在其內閣政府辦公室發布的一份文件中就明確要求：到2016年，建設項目全面使用協同的3D-BIM，并將全部的文件以信息化進行管理;還有如亞洲的新加坡、日本、韓國和北歐的瑞典、芬蘭、挪威等國家也都在工程建設領域積極推進和普及BIM技術的應用。[1]我國從2011年到2016年，陸續出臺了《2011～2015年建筑業信息化發展綱要》《關于推進建筑業發展和改革的若干意見》《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》《2016～2020年建筑業信息化發展綱要》等一系列計劃、政策及意見，體現了國家對建筑業信息化與BIM技術研究、推廣及應用的高度重視。事實是，從2011年以來，國內建筑業信息化程度逐步提高，進行BIM技術應用實踐與教學、科研的企業和高校越來越多。

2 BIM技術對工程建設領域生產實踐與專業教學的影響分析

2.1 BIM技術對工程建設領域生產實踐的影響分析

BIM技術的實質就是將小到一棟具體的建筑物，大到一個綜合的建設項目，在其全生命周期內所涉及的所有信息進行信息化，即利用計算機技術對這些信息進行獲取、轉化、處理（儲存、加工、統計、分析等）、傳播和應用。筆者通過近年來BIM技術相關課程教學與真實項目應用實踐經驗的總結，認為BIM技術對工程建設領域產生的巨大影響主要體現在兩個方面：一是，BIM技術源于其強大的可模擬性，降低了工程建設領域虛擬仿真（模擬建造）的門檻，提供了大多數普通從業人員都能掌握的強大便捷的模擬工具和技術手段，通過對復雜靜態實物和動態實施過程的真實模擬，使得隱藏的問題被發現和解決在施工正式實施之前，從而真正實現工程建設更科學的管理、更優的質量、更高的效率、更低的風險、更小的損耗。二是，通過BIM技術生成的建設項目BIM模型，集中儲存了最完整的項目信息，再結合BIM技術強大的信息（數據）處理與傳播功能，必將引起工程建設領域協同工作方式和管理模式的巨大變革。

就同大型演出前需要彩排、重大行動前需要演習一個道理。任何復雜活動正式開展前，都需要進行盡量真實的預演或模擬。這樣的預演或模擬，可以是真人在真實的環境中進行，也可以利用現代信息技術在計算機所創造的虛擬環境中進行。在計算機技術日新月異的今天，后者由于成本低、風險小、可控性高等眾多優點，正被越來越廣泛地應用于各行各業。工程建設活動通常需要較長的時間、復雜的流程和各種資源的巨大投入，一旦過程中發生問題往往會造成嚴重損失和惡劣影響。因此一個建設項目，在正式開工建設前需要事先對項目建成后的功能、建造的成本以及建造的過程進行模擬。建設項目的勘察、設計（可研或方案、初步、施工圖）階段實質就是對項目建成后的功能和安全性等進行一次全面的模擬;建設項目的招投標階段主要是對建造成本的模擬（預算），并對建造過程進行一個初步的模擬（施工組織設計）;施工前的準備階段，會對建造過程進行更深入的模擬，即深化施工組織設計，此時的進度計劃、施工方案、質量與安全計劃等比招投標階段更詳細、更具備可操作性。上述建設項目正式開工建設前的各種模擬，筆者將之統稱為“預建造”，其階段稱為“預建造階段”或“預建造環節”，與施工階段相對應。建設項目越是復雜，就越是要詳細、真實地做好預建造環節的各種模擬，否則施工中就會出問題，一旦施工中出問題將會造成難以挽回的巨大損失。過去，由于建設項目信息數據量龐大且信息數據間存在廣泛聯系的客觀原因，設計師想要修改之前的設計是比較困難的，而且容易出現錯誤和遺漏;現在，得益于BIM技術對龐大信息進行高效處理和管理的能力，以及對相關信息進行自動關聯的功能，修改設計不再是令設計師頭疼的難題，出錯率也大大降低。過去，建設項目預算是靠專業人員對照施工圖紙來計算工程量，這是一項耗時較長、重復度高、計算煩瑣且容易出現錯漏的工作，而且不同的人算出的結果也容易不一致;現在，得益于BIM模型儲存了建設項目幾乎所有的幾何與非幾何信息，其中就包含工程量信息，因此，只要BIM模型精度夠高，模型算量在模型建成之時就已經自動生成，只要再根據相應標準進行轉換就可以獲得準確性和一致性非常高的工程算量。過去，由于對施工過程的模擬只能是二維的、靜態的構成施工組織設計的各種文字和圖表，對于復雜構件和節點或復雜重要的施工過程，其中存在的很多問題只有在實際實施過程中才會暴露出來，由此造成的損失無可避免;現在，依靠BIM模型豐富、完整、準確的項目信息，以及BIM技術強大的三維可視化功能和把模型信息與虛擬時間相關聯的功能，不僅能模擬任意靜態實物，還能模擬施工過程這樣的動態過程，把問題在施工前暴露出來，從而減少甚至避免損失。

在BIM技術的影響下，組織機構中各專業之間的協同工作方式將會發生巨大變革，協同工作將變得更自動化、智能化。以建設項目設計階段為例，設計單位各專業傳統的協同工作方式具備以下特點：（1）在工作流程上一般遵循建筑設計→結構設計→電氣、給排水、暖通等其他專業設計這樣一個先后順序。后面專業的大部分工作需要獲得足夠的前面專業傳遞來的信息數據后才能開展。（2）由于各專業都是以二維圖形、文字等方式各自分開儲存和管理本專業的信息數據，且專業之間的信息數據傳遞是以人工方式按照相關規定和流程進行操作，因此往往需要信息數據積累到一定的量后才會進行一次傳遞。這種協同工作方式不僅效率難以提高，且信息數據缺乏實時性，傳遞過程容易發生損失。通過BIM技術，各專業的所有信息數據被集中于唯一的BIM模型數據中心統一管理，各專業可以實時、快速地從中獲得其他專業最新的信息數據，并通過該數據中心進行溝通和配合。即使某專業的信息數據發生改變，其他專業也可以自動實時地獲得通知和提醒，甚至通過信息數據的自動關聯實現自動修改。這樣自動化、智能化的協同工作方式，同樣適用于施工階段參與項目建設的各組織機構之間的協同工作。過去，施工中有些重大問題需要參建各方約定時間和地點共同協商才能解決，現在通過以BIM模型（包含施工階段的場地布置、施工計劃、人材機等信息數據）為基礎構建的信息傳播與溝通的虛擬平臺，參建各方可以隨時隨地進行問題確認和協調溝通，有效消除信息不對稱、時間和空間不一致等因素對協調解決問題造成的不利影響。

2.2 BIM技術對工程建設領域專業教學的影響分析

BIM技術對工程建設領域專業教學的影響，同樣主要來源于兩個方面：可模擬性和引起協同工作方式與管理模式的變革。高職土建類專業教學的難點之一，就是要向學生清晰地表達建構筑物局部和整體、內部與外部的復雜、多樣的幾何形狀與空間位置關系，并使學生能盡量快速地記住這些內容。難點之二，讓學生在有限的教學時間內掌握復雜的工作和工藝流程這樣的動態過程。解決難點一的常規做法是建設實體模型。這些實體模型無論是1∶1全尺寸的，還是縮微的，要想全面覆蓋教學內容，不僅花費巨大，還需要極大的放置空間。而且，隨著技術的發展，這些實體模型也需要不斷的更新、更換，舊模型的拆除和新模型的建設將是一種需要長期投入大量資金的行為，一般的高職院校都難以承受。解決難點二的通常做法，校內主要是實訓，校外主要是實習。由于受時間、場地、人員、設備、經費等諸多限制，校內實訓無法覆蓋所有必需的教學內容，比如樁基施工，一般高職院校不具備樁基施工設備和相應場地等條件，這樣的實訓教學無法在校內開展。校內實訓無法覆蓋的內容，需要校外實習來彌補。但是實習也有局限，實習的內容是受所依附的在建項目所處建設階段限制的，也不可能覆蓋剩余的所有必需內容。還是以樁基施工為例，若實習開始時，所在項目已經進入上部結構施工的階段，實習學生就無法實習到樁基施工的相關內容。對于上述兩個專業教學的難點，BIM技術可真實模擬復雜靜態實物和動態實施過程的特點，為我們提供了一種省錢、省時、省空間且便于修改和更新的解決方案。用BIM技術模擬真實復雜靜態實物所建立的虛擬信息化模型，幾乎不需要材料成本;建模所花時間也遠少于真實建造的時間;由于數字化、信息化也不需要占用任何空間;更是可以隨時修改和更新。借助BIM技術強大的可視化功能，通過任意控制模型的觀察角度可以使觀察無死角;通過任意放大縮小模型可以使整體觀察和局部細節觀察進行快速轉換;通過顯隱控制可以使原本隱藏在內部的細節能被清晰地觀察到。相比實體模型，虛擬信息化模型除了包含現實可見的幾何信息，還可以包含幾乎所有不可見的非幾何信息，例如材質、材料物理化學性能、生產廠商、生產時間、產地等，不僅使得教學和學習的效率大大提高，而且使得教學這一信息傳遞過程中的信息損失大大降低。類似地，用BIM技術模擬復雜的工作和工藝流程這樣的動態過程，也具備上述各項優點。但是，鑒于動態過程模擬的復雜性，教學中的實訓和實習還是不可替代的，BIM技術模擬還只是一種非常有效的補充手段。隨著VR（虛擬現實）、AR（增強現實）技術的不斷發展和完善，BIM技術模擬動態過程的功能也會變得更加強大，不排除將來完全替代真實環境下的實訓和實習的可能。

高職土建類專業的課程體系、課程設計及教學組織實質包含了對工程建設領域協同工作方式與管理模式的一種模擬、一種再現。因此，BIM技術因其信息化特點所引起的工程建設領域協同工作方式和管理模式的巨大變革，毋庸置疑也會延伸影響到相關專業領域的教學。

3 針對影響采取的措施

通過上述分析，可以得出結論：BIM技術給工程建設領域生產實踐與專業教學帶來的主要影響是有利的。如何充分利用好有利影響，可以采取如下幾項措施：（1）充分利用好BIM技術的可模擬性。目前，各種專業虛擬仿真軟件在教學中運用的越來越多，它的優點是制作精良、互動性強、視覺效果好等。但是缺點也比較明顯：無法覆蓋所有的教學內容，功能相對固定;開發周期長、更新速度慢;費用高昂，只適合單位購買，教師和學生個人難以承受。對比這些專業虛擬仿真軟件，BIM技術可模擬性的重要性就不僅體現在功能強大，還體現在它的易用性方面，使得每一位普通專業教師、學生都能用它為教學和學習服務。并且特別適合碎片化教學內容中的復雜靜態實物與動態過程的模擬，制作周期短、更新方便。因此，落實到日常的教學中，不僅要開設BIM建模與模型應用的專門課程，還需要將BIM技術嵌入到每一門專業課程的教學中。每一位教師和學生都應培養BIM思維，任何事物、任何事情都要想一想能否信息化，能否用BIM技術來模擬。（2）BIM技術引起的工程建設領域協同工作方式和管理模式的巨大變革，最終是要落實到基于現代信息技術的管理制度、工作流程及規范標準上。這些制度、流程和標準不是一拍腦袋即可得，不可能一蹴而就。因此，工程技術人員、教師和學生都應該積極參與到BIM技術的真實項目實踐中，通過“制定（制度、流程和標準）→執行（實踐）→修改→再執行（再實踐）”這一螺旋上升的方式，使制度、流程和標準在實踐過程中不斷完善，這樣才能使BIM技術真正落地，真正地充分發揮信息化對提升工程建設領域品質所起的作用。（3）教師和學生要想參與到BIM技術的真實項目實踐中，需要加強BIM技術應用方面的校企合作、工學結合。校企合作分為兩種模式：一種模式是院校提供場地，設備等硬件，企業提供實際項目案例，教師、學生與企業工程技術人員共同合作進行項目實踐。另外一種模式是通過頂崗實習的方式，企業提供實訓基地，學生參與到企業的BIM項目實際案例中去。[2]（4）以典型BIM建模軟件Revit為例，BIM技術應用得好不好，豐富的標準化、參數化族資源是重要條件之一。族就好比精密機械設備中的各種零部件。標準化、參數化族資源，在生產實踐和專業教學中是通用的。一旦形成品種豐富、標準優化、及時更新、管理科學、具備自主知識產權的族資源庫，將會為所有者帶來豐厚的回報。而族資源庫建設又是一項持續、煩瑣、量大的工作。因此，無論企業還是學校，都應注重加強日常族的制作、收集、優化、更新和管理，加強族資源的知識產權保護。

參考文獻：

[1]羅中.BIM技術引入建筑工程項目管理課程教學實踐探討.山西建筑，2015-09，41（27）：249-250.

[2]苑晨丹，張延濤，王春林.應用型人才培養模式改革下的建筑信息模型技術應用標準研究.中國標準化，2016-11，（11）：221-222.