BIM技術的國際研究概況與我國市政BIM應用分析

郭 紅 兵，趙 亞 蘭

(1.陜西交通職業技術學院，陜西 西安 710018； 2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

在BIM(Building Information Model)技術應用中，三維建筑信息BIM模型的建立與管理是不可或缺的關鍵工作。但是，在工程全生命周期的不同階段，BIM模型的內容、細節該如何掌握與要求，各行各業都一直希望能有一套統一的標準或規范可以遵循。特別是當項目合同中涉及BIM模型的交付時，項目合同的甲乙雙方更需要在交付BIM模型的內容、細節上達成共識。尤其是對于乙方而言，明確掌握甲方對交付BIM模型的預先期待與要求，才能精準估算構建BIM模型所需投入的資源與成本，并確保所交付的BIM模型能符合甲方后續的應用要求[1]。本文在對BIM技術的國際研究概況進行系統性綜述的基礎上，深入分析了BIM技術在我國市政工程設計行業的應用現狀，及其發展中遇到的主要問題；并對其發展前景與技術路線進行了預測與展望，對于加快推進BIM技術在我國市政工程中的應用具有重要的意義。

1 BIM技術的國際研究概況

近十余年來，隨著BIM技術的出現、發展與推廣應用，國內外土木工程建設行業的許多企事業單位、業主實體和工程公司都希望能夠建立一套統一的BIM技術應用標準，以便于工程項目合同雙方在 BIM技術應用方面達成共識，甲乙雙方在盡可能降低投入的同時，均取得預期目的與效益。

BIM技術首先是在美國得以應用及推廣，并逐步向全世界范圍擴展的。在國外土木工程建設行業，已經有一些大型業主單位、行業協會、高校與科研機構創建了一些BIM技術相關的標準規范，付諸于實踐并加以推廣應用，取得了良好的實踐應用效果。例如：美國于2007年5月發布的《美國聯邦總務局BIM指南》(General Services Administration BIM Guide-United States)[2]，于2007年12月發布的《美國國家BIM標準》(National Building Information Modeling Standard-United States)[3]，澳大利亞于2009年7月發布的《澳大利亞國家數字模擬指南》(National Guide for Digital Modeling-Australia)[4]，以及英國于2009年11月發布的《英國現代資本集團AEC(UK)BIM標準》(Advance Emerging Capital Limited(the United Kingdom)BIM Standard)[5]等，均已作為推薦性的行業標準得到了廣泛的實踐應用。在目前國外土木工程建設行業應用水平下，以上這些 BIM技術的相關標準規范可大致分為企業單位(公司)的內部標準、業主單位(或政府)的強制性標準和行業(企業)協會的推薦性標準等三大類型。

挪威在2010年提出《SN/TS 3489：2010 Implementation of support for IFD Library in an IFC model》標準，給出了基于IFC模型交換的數據字典標準，并且完成了信息傳遞手冊(Information Delivery Manual-IDM)標準項目研究，該研究主要是為了解決建筑項目中各個任務之間的信息交換需求。新加坡政府早在1995年就啟動了建筑信息化項目CORENET(Construction and Real Estate NETwork)，目的是將建筑工業瑣碎的業務聯系起來，形成新的建筑體系，提高建筑的質量和生產率。2000年，新加坡政府在已有工作基礎上積極開發了CORENET項目的e-Plan Check，提供對IFC格式的建筑圖紙的自動審圖功能；并在2003～2004年相繼開發完成了集成建筑規劃系統IBP(Integrated Building Plan)、集成建筑的服務系統IBS(Integrated Building Services)。2005年，通過測試、組織學術會議、在經濟上鼓勵使用BIM設計方式、提供對新系統的培訓、在采用的BIM項目中進行全程跟蹤和服務等一系列手段，使系統順利啟用。日本建設領域信息化的標準為CALS/EC(Continuous Acquisition and Lifecycle Support/Electronic Commerce)，主要內容包括工程項目信息的網絡發布、電子招投標、電子簽約、設計和施工信息的電子提交、工程信息在使用和維護階段的再利用、工程項目業績數據庫應用等。

2 BIM技術在我國市政工程設計行業的應用現狀與關鍵問題分析

2.1 應用現狀

市政工程是一項專業復雜、工序繁多的系統性工程，需要多專業協同設計、各工序緊密銜接才能得以順利實施，并發揮其預期的效益。作為市政工程建設的基礎性、前提性工作，城市道路、橋梁、市政管線(給排水)、交通安全設施和園林綠化等的設計成果質量直接影響著市政工程的全生命周期服務質量與水平。進入21世紀以來，我國市政工程建設速度明顯加快，對包括市政工程在內的涉及國計民生的基礎設施建設質量標準要求也越來越高，這就要求市政工程設計更加高效，并且考慮更全面、更具體的信息，使得不同專業設計人員之間的信息交換更加頻繁，工作壓力倍增。

2002年，我國引入了BIM的概念。清華大學葛松培等于2004年發表《建筑業信息技術應用新概念—— BIM》一文，首次向國人全面系統地介紹了BIM技術，使得該項技術在國內逐步被研究和應用。BIM具有可視化、模擬性、可出圖性、共享性、協同化和可追溯性等特點，在工程建設中可以實現三維渲染宣傳展示、快速高精度算量、精確計劃、有效管控、虛擬施工、減少返工、方便決策等工程價值。因此，首先在我國比較易于實現構件標準化的建筑行業，迅速掀起BIM技術應用與探索實踐的熱潮。鑒于BIM技術的應用價值，國家相關部委先后發布關于在本行業推行BIM技術的政策文件。

清華大學于2009年啟動了CBIMS(China Building Information Modeling Standard)項目的研究，該項目研究者認為“CBIMS是未來建筑全生命周期的靈魂”[6]。住房城鄉建設部于2011年5月發布《2011—2015年建筑業信息化發展綱要》，指出“十二五期間，加快建筑信息模型(BIM)等新技術在工程中的應用…… ”隨后，2013～2015年住建部相繼發布了相關政策，推進建筑行業BIM技術應用，各省住建廳也先后發布關于在本省建筑行業推行BIM技術的政策文件。2014年10月，陜西省住建廳發布《陜西省級財政助推建筑產業化》，是國內較早出臺 BIM技術應用相關政策的省份之一。住房城鄉建設部于2019年1月7日發布JGJ/T448-2018《建筑工程設計信息模型制圖標準》，并于2019年6月1日起開始實施[7]。該標準主要針對建筑信息模型(BIM)的表達、三維模型的工程計量要求、模型單元的編號及其顏色、視圖表達等方面進行了統一與標準化[8]，旨在統一BIM模型的信息表達，提高BIM模型信息在業主單位、設計單位、監理單位、施工單位等工程項目參與方之間的傳遞、識別及溝通的效率，以滿足未來裝配式建筑工程建設項目對BIM技術在各個階段應用的預期需求。

在中國臺灣地區，國立臺灣大學土木工程資訊模擬與管理研究中心于2017年4月發布《BIM模型發展程度規范》(Level of Development Specification)[1]，旨在以此帶動更多學者對BIM相關規范與標準的研討，并帶動相關學會(或協會)，甚至政府部門一起推動本土BIM規范與標準的建立。

在建筑BIM的帶動下，市政行業也啟動了BIM技術在市政工程領域應用的探索與實踐，與城市道路有關的BIM政策也相繼發布。“十三五”時期，交通運輸部于2015年11月發布《關于印發交通運輸重大技術方向和技術政策的通知》，其中，BIM技術應用位居十大交通運輸重大技術方向與政策之首。國務院辦公廳于2017年2月發布《關于促進建筑業持續健康發展的意見》，其中：“(十六)加強技術研發應用” 指出“加快推進BIM技術在規劃、勘察、設計、施工和運營維護過程中的應用…… ”。交通運輸部辦公廳于2017年9月發布《關于開展公路BIM技術應用示范工程建設的通知》，指出“為貫徹《交通運輸信息化“十三五” 發展規劃》……決定開展公路BIM技術應用示范工程建設”[9]。中交集團和中交第一公路勘察設計研究院有限公司主編的“中國公路工程BIM標準編制工作大綱”于2017年11月順利通過交通運輸部審查。交通運輸部辦公廳于2017年12月發布《關于推進公路水運工程BIM技術應用的指導意見》，指出“為提升公路水運工程建設品質……決定在公路水運工程中大力推進BIM技術的應用”。在國家政策的引導下，我國交通運輸行業各企事業單位都相繼開展了大量的BIM技術典型項目應用與探索[10]，先后出現了許多先進的具有自主知識產權的計算機輔助設計平臺，例如：市政工程鴻業系列、公路工程緯地系列、道路工程EICAD系列等，它們都是我國國內具有獨立的本土化知識產權的軟件之杰出代表[11]。至此，我國市政設計行業進入了一個設計工具進化的百家爭鳴時期。此外，在國內其他土木工程類行業，以BIM技術為基礎，基于BIM+GIS平臺的跨界跨專業融合應用也相繼展開[12]。

2.2 關鍵問題

BIM技術的出現及引入，為我國市政工程設計行業帶來了新的發展機遇，也指明了新的發展路徑。但就目前的發展現狀而言，在我國市政行業中，BIM技術的發展主要遇到了主體不明、推進乏力、缺乏主動、發展緩慢等問題。BIM技術滯留在“貴族階層”，基本停留在國家政策及一些大型項目層面，極力推廣的主體只是政府和軟件開發商，很難在廣大普通工程項目中得到積極響應。究其原因，主要集中在兩個方面：效益問題和技術問題。

效益問題主要表現在BIM技術的投入主體與獲益主體不一致，甚至完全錯位的問題。BIM投入一般是在工程前期，而獲益雖然貫穿整個工程生命周期，但卻比較偏重后期。不同時期的工程參與單位不盡相同，造成投入主體和受益主體不一致或不成比例，打擊了投入主體的積極性。

相比于建筑BIM，技術方面的問題是市政行業推行BIM技術的最大障礙。在過去的20 a中，以Autodesk CAD為主要代表的計算機輔助設計平臺幾乎主宰了我國土木工程建設領域的設計方式，先后出現了市政工程鴻業系列、公路工程緯地系列、道路工程EICAD系列等。目前，計算機設計平臺正由“以二維為主的輔助繪圖軟件應用階段”和“以三維為主的三維設計軟件應用階段”轉向“‘三維+信息’的BIM應用階段”，但是，由于市政工程的系統性及復雜性，國內尚未出現較為成熟的、具有自主知識產權的市政BIM技術軟件平臺體系。由于本土化技術平臺體系支持的不足，在BIM 技術應用方面產生了很多實際操作層面的問題[11]。例如：由于已有BIM軟件的計算機輔助分析能力開發不足，目前仍然無法徹底解決“一次建模多重使用、多個專業協同設計”的問題；在設計階段引入并應用 BIM技術，由于全國各行業部委尚未出臺統一的BIM設計收費標準，各個設計行業的單位在項目前期BIM設計上投入的人力、物力、財力仍然得不到相應的回報。目前交通運輸行業尚未建立針對BIM設計成果的統一交付標準，盡管在設計過程中建立了BIM模型，但是在項目設計成果的交付階段，具有法律效力的項目設計文件仍然為二維設計圖表。并且，目前大多數應用BIM技術平臺的計算機輔助設計軟件尚不具備輸出二維設計圖表的功能，再加上絕大多數應用BIM技術平臺的計算機輔助設計軟件具體操作起來相對較為復雜，從而導致大多數習慣于傳統的二維設計流程的設計人員難于上手操作BIM軟件平臺。最終導致在目前絕大多數情況下，設計人員僅僅將BIM技術作為解決復雜設計問題的一種“輔助”方式，而并非作為一種主流的設計與分析手段來加以掌握并推廣應用。

3 BIM技術在我國市政工程設計行業的發展前景與技術路線展望

3.1 發展前景

針對BIM技術在我國工程建設領域應用、推廣和發展過程中遇到的以上問題，BIM技術在我國市政工程設計行業中的發展前景重點涉及但不限于以下五大方面。

3.1.1BIM技術在我國市政工程建設各個階段的具體應用分析

針對市政工程專業復雜、工序繁多的特點，從市政工程全生命周期的角度出發，分析BIM技術在市政工程建設各個階段的具體應用與實踐需求。一個市政工程建設項目完整的生命周期包括項目的決策、設計、施工、運營管理階段。在項目決策階段，應用BIM技術對城市人口分布、用地狀況、資源分布、環境分析、交通狀況、經濟狀況等進行預測分析，從而為項目決策提供必要的、可靠的數據支撐。在工程設計階段，應用BIM技術對多源數據進行集成，形成完整的地上地下城市信息模型CIM(City Information Modeling)，從而實現三維地形、傾斜攝影、激光點云、建筑BIM模型、市政BIM模型、景觀綠化模型等多專業協同設計的最終目的。在工程施工階段，應用BIM技術實現道路、橋梁、交通設施、地下管線、地鐵等全專業集成與優化，并可以進行屬性查詢，為工程施工提供技術支持。在工程驗收階段，應用BIM技術實現隱蔽工程(城市地下管線、綜合管廊等)驗收的可視化，從而提高工程驗收結果的準確性和可靠性。在運營管理階段，應用BIM數據庫不但可以為工程運營、養護、維修等提供資料依據，還可以方便地進行維護管理數據記錄和查詢，建立信息查詢系統、維修檔案記錄系統和服務能力評價系統。基于BIM技術在市政工程建設項目的決策、設計、施工、驗收及運營管理等各個階段的具體應用分析，總結提出BIM技術在我國市政工程項目建設中的應用流程，以及基于BIM技術的市政工程設計流程。

3.1.2基于BIM正向設計理念的城市道路設計與優化

針對傳統設計方法中存在的路線選線與地形結合不夠緊密、道路平縱面組合不盡合理、設計意圖表達不夠明確等問題，按照我國城市道路設計規范中既定的設計流程，通過合理地使用數字高程模型(DEM)，快速、合理地構建地面模型。基于MapGIS平臺進行地質模型構建[13]，便于進一步基于BIM+GIS技術進行城市道路平面線形的地質選線與優化。基于BIM正向設計理念，在不改變設計人員設計流程與設計習慣的前提下，結合三維GIS技術在空間分析和地理位置定位方面的優勢進行綜合考慮[14]，動態進行路線選線，完成城市道路平面主線的線形設計(確定路線交點及平曲線半徑)、縱斷面線形設計(縱坡及豎曲線)、平縱面線形組合設計(平包豎及行車視距)及橫斷面設計(土石方調配)，進而建立道路信息模型(包括道路、橋梁、交叉口、交通設施、綠化及建筑等功能模塊)，實現三維全景漫游，并運用公路與城市道路路線設計規則對道路路線BIM對象模型進行檢查，從而實現行車安全性分析和道路景觀設計與評價等功能。最終，通過一次設計得到傳統的施工圖二維圖表和BIM三維方案兩種成果(見圖1)。在此基礎上，總結提出基于BIM技術正向設計理念的城市道路BIM設計具體流程。

圖1 基于BIM模型的城市道路三維漫游及設計評價Fig.1 3D panoramic roaming and design evaluation of urban road based on BIM model

3.1.3基于BIM技術的城市道路信息模型拓展功能開發

目前在國內大多數道路BIM軟件的后期使用環節中，由于三維道路模型建立之后的可分析能力開發不足，導致其道路BIM功能并不完整，從而不能實現道路設計中的特定工作需求，最終使得BIM技術的應用價值大打折扣。需通過對道路BIM技術平臺拓展功能的深入挖掘，從而提升道路BIM系統的應用范圍、應用點及其附加值。根據業主對不同設計階段的技術需要，建立基于道路BIM技術的安全性預警系統，拓展、開發更多實用的計算機輔助設計功能(見圖2)，例如：針對城市道路設計技術指標的違規提示功能模塊(包括城市道路路線平曲線的半徑選擇及平曲線的線形組合、縱面豎曲線的半徑選擇及縱坡坡度、平曲線彎道外側超高漸變段、平曲線彎道內側加寬漸變段等指標是否符合規范要求等)、路線安全性分析功能模塊(包括道路通行能力分析、結合地質資料的土石方調配方案分析等)、路基安全性分析功能模塊(包括排水不暢路段自動識別、路基邊坡坡率超限預警、長度過短路基預警等)、交通安全設施安全性分析功能模塊(包括未設中間帶的低等級道路炫光分析、不同光線條件對安全設施的影響等)、環保綠化安全性分析功能模塊(包括道路兩側綠化植被遮擋行車視距的安全性隱患分析、道路交通環境污染程度及行車安全突發事件處理等)。在此基礎上，總結提出基于BIM技術的城市道路BIM模型之拓展功能的開發思路、模型參數及具體流程。

圖2 基于BIM技術的城市道路BIM模型拓展功能開發Fig.2 Development of the expansion function for urban road information model based on BIM technology

3.1.4在城市市政地下管線及綜合管廊設計中的應用

基于BIM技術應用，在已有的城市道路BIM模型基礎上，實現市政管線布置、豎向調整、三維管網碰撞檢測與調整以及材料統計等，完成市政管線的施工圖設計及BIM模型構建；實現管廊主體結構布設，具體包括管廊的平面路由設計、標準橫斷面設計、豎向設計與調整、交叉井室設計、節點與附屬物、機電設備布置等，完成城市綜合管廊的施工圖設計及其 BIM模型的構建(見圖3)。在此基礎上，總結提出BIM技術在市政地下管線及綜合管廊設計中應用的具體流程。

圖3 BIM技術在市政地下管線及綜合管廊設計中的應用Fig.3 Application of BIM technology in design of municipal pipelines and comprehensive corridors

3.1.5基于BIM技術的市政工程多專業協同設計與實踐

以陜西渭南高新區創新創業基地市政工程項目為依托，基于BIM技術應用，實現數字地形圖DTM(Digital Terrain Model)或DEM處理與分析、城市道路線形(平面、縱斷面及橫斷面)設計與優化，以及道路、立交(橋梁)、交通設施、綠化等多專業協同設計。通過建立道路信息模型，進行三維全景漫游，實現空間行車視距分析、運行速度分析、標志標線合理性分析、交通行車炫光分析、景觀和環境分析、設計成果的數字化提交等功能；并結合傾斜攝影數據，最終實現傾斜攝影數據與三維道路、立交(橋梁)、交通設施、綠化等多專業合模展示[11，15](見圖4)，為我國市政基礎設施建設與管理部門進行城市規劃、技術比選及方案決策等提供技術支持。

圖4 基于BIM技術的市政工程行業多專業協同設計與實踐Fig.4 Multi-specialties collaboration design and practice for municipal engineering industry based on BIM technology

3.2 技術路線

按照“提出問題→分析問題→解決問題→結論建議”的總體技術思路，總結提出BIM技術在我國市政工程設計行業中應用的技術路線(見圖5)，其中需要解決的關鍵問題如下。

(1) 如何將BIM技術與數字地形圖(DTM或DEM)緊密結合，基于BIM技術正向設計理念，實現城市道路路線平面選線及空間線形(平面、縱斷面及橫斷面)設計與優化，解決傳統設計方法中存在的路線選線與地形結合不夠緊密、道路平縱面組合不盡合理、設計意圖表達不夠明確等問題。

(2) 如何運用公路與城市道路路線設計規則對道路路線BIM對象模型進行檢查，基于Auto CAD二次開發技術，開發道路BIM系統拓展功能模塊，實現路線、路基、交通安全設施、道路環保綠化安全性分析，確保道路設計方案滿足相關規范中的技術指標和行車安全要求。

(3) 如何將BIM技術與傾斜攝影數據合理結合，實現三維道路、立交(橋梁)、交通設施、綠化等多專業協同設計與合模展示，從而提高市政工程行業中各專業的相互協調、相互配合和匹配程度，最終徹底實現“一次建模多重使用、多個專業協同設計”的問題。

其中，擬解決的關鍵科學問題主要包括道路BIM系統拓展功能模塊的數學模型構建及其計算參數選取，以及基于Auto CAD二次開發技術的程序編寫。

圖5 BIM技術在我國市政工程設計行業中應用的技術路線Fig.5 Technical route of application of BIM technology in municipal engineering design industry in China

4 結 語

(1) 基于BIM技術在我國市政設計行業的應用現狀分析，指出目前發展中遇到的問題主要集中在兩個方面：效益問題和技術問題。其中，效益問題主要是投入主體和受益主體不一致，而技術方面的問題是市政行業推行BIM技術的最大障礙。

(2) 對BIM技術在我國市政設計行業的發展前景與技術路線進行預測與展望，指出其發展前景重點涉及但不限于以下3個方面：① 建立切實可行、易于掌握的基于BIM技術的市政工程設計方法與流程；② 進一步深入挖掘道路BIM系統的拓展功能，提升道路BIM系統的輔助分析能力，增強道路BIM系統的應用范圍、服務水平和附加值。③ 通過開展基于BIM技術的市政工程多專業協同設計與實踐，開拓市政BIM多專業協同設計思路，為加快市政BIM推廣應用作出貢獻。