基于BIM技術體系的設計模式創新研究

尤林奇 王楠 史玉龍

摘 要：BIM的應用可使設計企業改進設計模式、提升設計產品價值、提高市場競爭力，但是在國內的眾多設計企業尚未得到推廣應用。為了給BIM后發設計企業在實現設計模式轉變過程中提供系統的理論指導，在回顧BIM應用的代表性文獻的基礎上，按照技術、價值、合作關系等要素把BIM應用劃分為BIM進入期、BIM技術擴展期與BIM普及期3個階段，提出了各階段基于BIM的設計模式演變路徑，可將其概括為進入期新模式識別組建、擴展期迭代升級、普及期深化，以呼和浩特軌道交通2號線為例驗證了該路徑的可行性?；贐IM的創新設計模式逐漸成熟，其在一定程度上顛覆了傳統的二維設計模式，本文提出的設計模式演變路徑可推廣至水利水電設計企業，促進其數字化、信息化轉型升級。

關鍵詞：BIM;后發設計企業;設計模式;演變路徑

中圖分類號： TV222

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.027

引用格式：尤林奇，王楠，史玉龍.基于BIM技術體系的設計模式創新研究[J].人民黃河，2021，43（9）：139-143.

Research on Design Pattern Innovation Based on BIM Technology System

YOU Linqi， WANG Nan， SHI Yulong

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003，China）

Abstract： BIM （Building Information Modelling） technology helps design firms to improve design pattern， product value and market competitiveness. However， it has not been used in most design firm. In order to offer the guidance for latecomer firms during the transformation of design pattern， this paper divided the period of BIM application into Entrance Period， Expanding Period and Popularized Period based on reviewing related paper and technology， value and cooperation factors， then coming up with design pattern evolving path based on BIM technology during each period. In the end， discussing and verifying the specific process of design pattern evolving by analyzing the case of Hohhot Rail Transit Project. To conclude， the evolving path has overturned the traditional design pattern to some extent and extended to the whole hydropower design firm. It has promoted the digitization and informatization of the design firm.

Key words： BIM; latecomer design firms; design pattern; evolving path

BIM （Building Information Modelling）作為工程建設信息交換與共享的平臺，可有效提高建筑工程信息集成化程度[1]，其應用可使設計企業改進設計模式、提升設計產品價值、提高市場競爭力，雖然被引進國內已歷時17 a，但是在眾多設計企業尚未得到推廣應用。究其原因有以下幾方面：一是開展BIM應用創新的先發設計企業較少且都是大型設計企業，可供參考、借鑒的案例少;二是BIM應用的階段多、涉及面廣，以何種規模與方式開展BIM應用尚不明確;三是設計企業局限于價值鏈而非網格化思維，跨領域合作意識弱;四是開展BIM開發應用前期需要投入大量成本，但短期內在實際項目上難以產生效益。為了給BIM后發設計企業在實現設計模式轉變過程中提供系統的理論指導，本文在回顧BIM應用的代表性文獻的基礎上，按照技術、價值、合作關系等要素對BIM應用階段進行劃分，并提出基于BIM的設計模式演變路徑，以呼和浩特軌道交通2號線一期工程為例驗證其可行性。

1 BIM應用的代表性文獻述評

黃奇榮等[2]以珠三角光啟科學中心項目為例，介紹了BIM在高支模工程中的應用情況;張國興等[3]對BIM技術在建筑業施工成本控制中的應用現狀進行了調研，結果表明應用BIM的施工企業均不同程度減少對預算的更改，但存在技術水平低、標準不同等情況;曹庭等[4]闡述了BIM在水利工程全生命周期中的應用現狀，分析了應用誤區并提出解決方案，認為BIM在水利行業的應用仍處于起步階段;湯漩[5]總結了軌道交通設計企業應用BIM的3種模式，認為BIM的應用打破了傳統設計模式的局限、為項目設計管理帶來全新的活力;徐鈺德等[1]分析了BIM應用于水利工程施工管理的特點和優勢，提出了適用于水利工程施工管理的應用模式;王詩玉等[6]以天池抽水蓄能電站為例，建立了基于BIM的抽水蓄能電站智慧化管理平臺;王欣等[7]以某輸水箱涵工程為例，介紹了BIM在施工場地布置、工程量統計、技術交底和質量管理4個方面的應用情況。

目前，國內不少軌道交通設計單位對BIM的應用處于先進水平，尤其在管線綜合（簡稱管綜）設計中的應用取得較好效果。萬傳軍等[8]介紹了中國鐵建電氣化局集團有限公司在無錫地鐵2號線建設中對BIM的應用情況，其根據二維設計圖紙和現場勘測資料，基于BIM形成三維模型，進行碰撞檢測及管線布局優化，以指導現場施工。王欣睿[9]介紹了京張高鐵清河站基于BIM進行輔助設計的方法，其解決了管線碰撞、復雜空間驗證、凈高排查、優化設計和三維交底問題。沈亮峰[10]介紹了南京地鐵10號線城西路站建設中設計團隊+BIM團隊協作的管綜設計優化模式，BIM團隊在基礎設計階段主要對2D管線進行翻模，在協同合作階段通過管綜模型整合和碰撞檢測對2D設計圖紙進行輔助校核，在項目實施中兩技術團隊仍獨立存在，并未真正實現技術融合和企業技術創新。

國內外專家學者針對基于BIM的創新理論進行了大量研究。唐曉靈等[11]基于BIM工作流程建立了BASS模型，分析并預測了BIM技術的發展趨勢;吳賢國等[12]從技術創新行為的角度將BIM分為技術支持、創新網絡、數據互通和企業吸收能力4個層面，并利用SEM構建了BIM 技術創新行為誘導機制模型，用于分析BIM技術的創新行為影響路徑;王濤等[13]將BIM體系的應用視為創新網絡重置，從路徑創造和交易區創建兩個角度建立理論模型，結合多重案例進行驗證，認為刺激建設工程創新網絡重置是激發建設工程創新的主要原因;劉慧等[14]對BIM的5種模式進行創新價值定位，按漸進式創新、結構式創新、模塊化創新、系統性創新及根本性創新進行了BIM應用價值的探索。

Taylor等[15]提出4種 BIM 應用模式，認為隨著企業應用BIM經驗的增加，將以可視化模式—協調模式—分析模式—供應鏈集成模式的順序演變。Grilo等[16]從可互操作性的角度出發，基于項目網絡成員的互動模式將 BIM應用模式劃分為交流模式、協調模式、合作模式、協同模式及通道模式。

綜上所述，BIM的應用涉及項目設計、施工、運維等全生命周期的各個階段。筆者認為，BIM對后發設計企業設計模式的影響過程與顛覆式創新的實質[17]有所關聯，即普遍存在于項目設計、施工、運維等各個階段。因此，研究基于BIM技術體系的設計模式演變路徑，對后發設計企業如何逐步利用BIM技術實現設計模式的創新具有重要意義?；诖?，本文結合案例分析，試圖對現有研究的不足進行補充和完善，揭示基于BIM技術體系的設計模式演變客觀規律。

2 基于BIM技術體系的設計模式演變路徑分析

2.1 BIM應用階段劃分

BIM可應用于設計、施工與運維等項目全生命周期中，筆者認為，無論是在設計、施工還是運維管理中應用BIM，一般都要經歷進入期、擴展期與普及期3個階段。

第一階段，BIM進入期。后發設計企業基于對自身設計難點的分析與市場洞察，發現傳統二維設計模式存在的致命缺陷，即面對復雜結構的設計時，設計人員很難通過想象及時發現設計缺陷和漏洞，從價值層面、技術層面與合作層面突破瓶頸。首先，后發設計企業通過識別，選擇生產技術、生產工具升級的方式逐步實現技術升級;其次，技術升級的過程中可以帶來產品價值的升級;最后，技術升級的過程中可以尋求合作，與非設計專業的BIM人員開展合作，實現技術匹配，以迅速越過BIM的初期技術壁壘。

第二階段，BIM擴展期。后發設計企業已具備一定程度的BIM應用能力，BIM軟件已融入設計過程中，為進一步提高技術實力，一方面，設計企業開始探索多專業協同設計模式，完善產品生產體系，進一步提升產品價值，提供更為多樣化的產品形式;另一方面，設計企業加強技術協同，強化合作，穩固合作關系，為后續市場擴展積累外部力量。

第三階段，BIM普及期。后發設計企業通過技術演進，形成獨有的技術優勢，表現為BIM全專業協同設計、基于BIM的設計產品可視化交付等;在技術優勢的基礎上，對技術成果進行包裝，形成高附加值的數字產品;同時，持續與有關跨行業企業進行合作，打造企業共贏圈。

2.2 設計模式核心要素分析

基于BIM技術體系的后發設計企業設計模式演變主要涉及價值、技術和合作關系等核心要素，在BIM應用的不同階段，各要素間呈現動態復雜的關系，其在市場、技術和合作關系層面具有以下特征。

（1）在技術層面，BIM應用強調的是利用成熟的技術降低產品創新成本，打造富有特色的新產品，并通過不斷的技術演進形成技術優勢。首先，后發設計企業通過價值分析，找出自身痛點問題與產品價值問題;其次，后發設計企業逐步優化現有生產工具與生產方式，快速實現技術升級;最后，隨著后發設計企業技術的成熟，形成技術優勢，保障產品的多樣性與合作的多維性。

（2）在價值層面，BIM應用重點在于產品的多維賦能，并最終以數字化形式進行產品交付。首先，后發設計企業在技術層面上開展技術識別，發現產品價值漏洞，并開始彌補現有產品的不足;其次，參考成功企業的產品類目，對老產品進行價值賦能，打造新產品;最后，后發設計企業不斷進行產品迭代升級，借助自身技術優勢，對產品進行凝練與包裝，形成價值升級的數字化產品。

（3）在合作層面，后發設計企業最初難以獨立構建BIM價值網絡，企業開展價值活動往往依據專業分工與自主獨立的上下游企業協作，建立BIM價值網絡。首先，后發設計企業在進入BIM領域初期，設計師很難快速掌握相應的BIM軟件工具，學習成本高，此時應通過內外聯合尋求技術支持，解決轉型初期的困難;其次，隨著技術升級和應用經驗不斷積累，與上下游企業的合作關系由最初的單向依賴演變成穩固合作的雙向依賴;最后，后發設計企業通過與BIM價值網絡成員的交流溝通等促進價值網絡融合，形成市場和技術優勢，構成統一的企業生態系統。

綜上所述，后發設計企業開展BIM應用的不同階段所涉及的價值、技術和合作關系呈不同狀態。在價值層面，后發設計企業由低價值產品優化起步，迅速擴張以優化現有產品結構;在技術層面，后發設計企業的技術由簡至繁，起初基于成熟技術的簡化、重組和融合，經持續性創新形成自身的特色和優勢，最終打造并形成技術優勢;在合作關系層面，設計企業間的關系由單向依賴演變為雙向依賴，形成合作共享、價值鏈條復雜交替的網狀關系。

2.3 設計模式演變路徑分析

基于BIM技術體系的設計模式演變路徑如圖1所示。

在BIM進入期，演變路徑是新設計模式識別組建。一方面，后發設計企業通過消除設計痛點來實現產品價值的升級;另一方面，后發設計企業可以尋求專業技術人員的技術支持，與合作企業共享資源，探尋全新的合作模式。

在BIM技術的擴展期，演變路徑是迭代升級。伴隨著設計模式的不斷更新，形成多維數字化設計的新設計模式，產品的類型進一步增多，產品的設計價值進一步提升。同時，設計企業與合作伙伴的關系也因不斷的技術協同、強化合作而變得穩固，各方受益也因此得到了進一步提升。

在BIM的普及期，演變路徑是深化。設計模式趨向于以全流程數字化為基礎、跨行業合作為契機、數字產品為形式的資源共享模式。為了不斷擴展市場，后發設計企業通常持續開展技術升級，保持技術優勢，打造與包裝全新的數字產品。同時，通過跨行業合作實現上下游企業（產業）生態共贏。

3 案例分析

呼和浩特軌道交通2號線一期工程南起阿爾山路站、北至塔里東路站，正線全長27.308 km，全部為地下線路，其中管綜涉及專業多、土建設計空間小、結構復雜且變更多，設計時間短、任務重，業主要求以高精度的BIM設計模型來指導現場施工。

3.1 BIM應用階段劃分

按照上述方法對BIM在該工程的應用階段進行劃分，見圖2。

（1）BIM進入期。在項目初期即BIM進入期，項目設計人員多采用傳統的CAD+現場經驗的二維設計方式，根據復雜多變的管線設計任務和業主對設計成果的要求，在二維設計方式難以滿足需求的情況下，項目組人員開始了解和使用BIM技術。

（2）BIM擴展期。在項目前中期即BIM擴展期，項目組人員同BIM技術人員開展合作，開始進行BIM應用策劃，制定建模標準、建模規則，創建建模環境，根據二維提資初步建立BIM模型，并根據設計變更和現場要求修改模型。

（3）BIM普及期。在項目中后期即BIM普及期，在時間緊迫的情況下，先修改二維圖紙再修改三維模型的設計模式已無法適應軌道交通項目設計頻繁變更的需要，項目組采用BIM人員直接了解需求并修改、二維專業設計人員校審的方式，即以BIM設計人員為中心的設計模式（BIMer-Center Design Pattern，簡稱BCDP模式），滿足了項目節點和質量要求。同時，嘗試研發BIM+產品，推動了企業數字化生產和轉型。

3.2 設計模式演變路徑

呼和浩特軌道交通2號線設計模式演變路徑與上述后發企業設計模式演變路徑一致，見圖3。通過加強合作、提升價值與技術升級實現了傳統的二維設計模式賦能升級，演變為BCDP模式，初步實現數字化生產轉型。

（1）進入期新設計模式識別組建。①價值識別，傳統價值升級。項目開始階段，設計方主要采用傳統二維設計模式，各專業設計人員根據設計規范和經驗以CAD二維設計為主，在價值層面主要以傳統二維圖紙為載體體現設計價值。②技術識別，改善設計痛點。在技術層面，存在二維設計無法可視化檢測碰撞、各專業設計溝通協同性差、對隨現場情況變化而產生的設計頻繁變更處理慢等問題，花費大量時間得出的二維圖紙并不能滿足現場要求，這是需要改善的痛點。③合作識別，探尋合作模式。基于識別的設計痛點，二維設計人員探尋與BIM專業人員建立合作關系，利用BIM的可視化、協同化等優勢解決上述問題。

（2）擴展期迭代升級。①新技術、新產品的形成?；谏鲜鰡栴}，BIM專業人員通過與各專業二維設計人員溝通，確定BIM應用的實施計劃、BIM應用策劃、軟硬件環境配置、技術架構，根據各專業二維設計提資初步建立土建和部分管綜模型，進行管綜修改、設計流程優化、成果提交和BIM深度應用及拓展，最終初步形成基于BIM技術的新產品。同時，根據項目需求和以往經驗制定建模與信息標準，以規范和確保BIM在后續項目的應用。②穩固合作關系。BIM專業人員根據項目具體情況和合作模式，采用圖4所示的外鏈和工作集劃分的私有云實時協同的BIM技術架構模式，將管綜模型和土建模型中心文件布置于服務器，二者通過外鏈模型互相鏈接顯示，各專業BIM設計人員在本地通過中心文件實時協同，以提高建模和修改效率。③提升設計價值。在BIM擴展階段，項目設計模式仍是以二維專業設計人員為中心的設計模式，即BIM設計人員根據相關專業二維設計人員的提資及溝通進行建模、碰撞檢測和二維專業圖紙校審，二維設計人員對BIM人員校審過的模型進行專業校審，最后將符合設計要求的模型提交業主、施工方、裝修方等參建單位，如圖5所示。設計方由于提供了更形象、更豐富的設計成果，因此大大提升了設計價值。此階段雖然尚未發揮BIM技術的全部優勢，但傳統的設計模式已經因BIM技術的融入而開始不斷迭代升級，從二維走向三維。

（3）普及期深化。①確定合作模式并鞏固。在該工程建設的中后期，由于以二維專業設計人員為中心的設計模式已無法適應軌道交通項目設計的頻繁變更性、時間緊迫性和業主對設計成果要求的特殊性，因此基于BIM將設計模式、合作模式進行優化和改進，BIM設計人員根據前期制定的設計標準、積累的管綜設計專業規范，直接同參建各方溝通，按照“四個要求”（即管綜調節技術要求、設計變更要求、業主的時間要求、施工和裝修的空間要求）對現場提出的設計變更直接進行三維調節，并將設計成果提交專業設計人員校核，實現了“正向設計”即BCDP正向協同設計流程（見圖6）。②BIM+新技術。在全專業協同設計的基礎上，BIM技術的應用不斷擴展深化，并逐步形成跨維融合的產品，如BIM+VR、BIM+AR等，為設計審查、設計產品交付等提供了全新的技術路線，豐富了設計成果的展現形式，設計企業提升了核心競爭力、拓展了技術廣度。③設計增值，形成體系。新的設計體系在該工程項目施工過程中發揮了巨大作用。在新店站站廳層土建已施工完成的情況下，發現在有限的土建空間內綜合管線排布不下，且經過各專業設計人員溝通和重新設計都無法解決問題，為此項目組基于BCDP，經現場實地考察，同參建各方、各專業人員設計積極溝通，通過修改管線尺寸、在BIM模型中不斷進行方案調整，最終提出的方案避免了對已完成土建的拆除重建，大大節省了項目成本、縮短了工期。在該工程項目建設過程中，BIM設計人員采用BCDP對兩個站的管綜模型進行了數十次的調整，力爭做到每次調整“零碰撞”，修改和完善原設計方案不合理的地方千余處，使設計效率提高60%、成本節省近百萬元。

綜上所述，BIM技術在工程設計模式深化階段創造重大價值的同時，使設計模式演變成了由全專業、全參建方參與的BCDP模式，基于該模式，二維專業設計人員和BIM設計人員合作，甚至項目參建各方都發生了深入的跨專業、跨行業融合。在此項目實施過程中，BIM專業人員通過技術儲備掌握了管綜專業設計知識，二維專業設計人員認識、學習和逐步掌握BIM技術，實踐中培養了一批既懂專業又懂BIM的復合人才。此外，在技術層面，形成了企業獨有的全專業BIM實施和設計模式，探索出BIM可視化交付的技術路線，為形成企業獨有的、具有市場競爭優勢的BIM+產品（如三維圖紙和工程數據化交付平臺等）奠定了技術基礎。

4 結 語

BIM在呼和浩特軌道交通2號線的應用實踐，印證了筆者提出的后發設計企業基于BIM的設計模式演變路徑的可行性，其可為相關行業后發設計企業的數字化生產轉型提供理論和實踐指導。基于BIM技術體系的三維數字化設計模式是較為成熟的設計模式，其在一定程度上顛覆了傳統的二維設計模式，可推廣至水利水電行業設計企業使用，促進其數字化、信息化轉型升級。

參考文獻：

[1] 徐鈺德，王銘巖，楊葉娟.基于BIM的水利工程施工管理模式及應用流程[J].人民黃河，2019，41（8）：138-143.

[2] 黃奇榮，武俊，劉曦，等.BIM技術在高大模板施工中的應用[J].施工技術，2017，46（增刊2）：621-624.

[3] 張國興，徐玲玲，黃飛玉，等.BIM技術在施工階段的成本控制現狀研究[J].河北建筑工程學院學報，2018，36（3）：65-67.

[4] 曹庭，王嘉斌，宦如胤.BIM技術在水利工程設計施工運維中的應用[J].水利科學與寒區工程，2018，1（7）：67-69.

[5] 湯漩.BIM技術在我國城市軌道交通項目設計管理中的應用[J].施工技術，2018，47（增刊1）：1475-1478.

[6] 王詩玉，楊建州，王寧波.基于BIM技術的抽水蓄能電站智慧建設管理[J].人民黃河，2019，41（6）：152-155.

[7] 王欣，馮利軍.BIM技術在輸水箱涵施工階段的應用研究[J].人民黃河，2019，41（4）：135-138，158.

[8] 萬傳軍，王孝忠.基于BIM技術的地鐵出入口綜合管線工藝優化方法[J].城市軌道交通研究，2018，21（5）：112-114，120.

[9] 王欣睿.基于BIM的綜合交通樞紐管線綜合設計研究：以京張高鐵清河站設計為例[J].鐵道標準設計，2019，63（9）：97-100，125.

[10] 沈亮峰.基于BIM技術的三維管線綜合設計在地鐵車站中的應用[J].工業建筑，2013，43（6）：163-166，159.

[11] 唐曉靈，易小海.BIM技術在建筑業企業中的擴散趨勢研究[J].施工技術，2016，45（18）：25-28，62.

[12] 吳賢國，劉倩，張立茂，等.BIM技術創新行為誘導機制研究[J].施工技術，2015，44（18）：33-39.

[13] 王濤，劉慧，鄭俊巍.BIM技術應用對建設工程創新影響機理研究[J].科技進步與對策，2016，33（16）：12-16.

[14] 劉慧，王孟鈞，MIROSLAW J S，等.BIM在建設工程項目中的創新價值初探[J].科技管理研究，2016，36（8）：194-200.

[15] TAYLOR J E， BERNSTEIN P G. Paradigm Trajectories of Building Information Modeling Practice in Project Networks[J].Journal of Management in Engineering，2009，25（2）：69-76.

[16] GRILO A， RICARDO J G. Value Proposition on Interoperability of BIM and Collaborative Working Environments[J]. Automation in Construction，2010，19（5）： 522-530.

[17] 馮立杰，杜靖宇，王金鳳，等.顛覆式創新視角下后發企業價值網絡演變路徑[J].科學學研究，2019，37（1）：175-183.

【責任編輯 張智民】