BIM正向設計存在的問題分析

文／趙璨、趙中宇、駱思羽 中國中建設計研究院有限公司 北京 100037

1、BIM 正向設計

1.1 意義

BIM 正向設計的提出是建筑行業發展、建筑設計轉型、建筑技術升級的綜合體現，也是跨行業的信息軟件技術、實時表現技術、數據統計分析技術與專業設計技術的高度融合的起點。BIM 正向設計技術是走向“節約型”設計的有效途徑，走向企業數字化的重要支撐，成為了勘察設計企業進軍市場的必備能力。通過本課題的研究，切實做到以科技支撐企業發展為基礎，大力推廣并帶動我院BIM正向設計技術普及應用。提升我院建筑工程BIM 技術正向設計應用能力，提高我院建筑工程設計協同工作效率和設計質量，減少我院建筑工程設計變更、設計周期、人工成本，促進我院建筑工程設計信息化、數字化、平臺化發展。

1.2 目標

（1）建立建筑工程基于BIM 的全專業正向設計標準體系；逐步形成我院BIM 技術 “一流程多標準” 的應用模式；

（2）是研究建筑工程設計階段全專業BIM 軟件及協同平臺的集成解決方案，使各軟件功能和平臺數據互通共享，在BIM 正向設計中，能快速高效的完成設計工作；為我院設計標準化、信息數據化、管理平臺化提供支撐；

（3）開展建筑工程BIM 正向設計項目示范，形成全專業的正向設計成果，并進行經驗交流和推廣。

2、現實問題分析

2.1 技術難點和解決途徑

（1）探索和實踐符合我院建筑工程BIM 正向設計標準體系

結合我院現有設計流程、標準，管理體系等進行綜合考慮，解決我院BIM 正向設計標準、二三維工作流程協調，設計師建模規范，正向設計成果交付等問題，引導BIM正向設計應用，提升BIM 應用效果、規范BIM 應用行為。

（2）BIM 正向設計軟件平臺功能應用效率和數據互通研究

重點解決各專業軟件和平臺對設計師使用熟練性，應用功能可操作性，信息傳遞準確性，數據共享、成果表達等問題。提高協同工作質量，減少設計變更，促進設計效率和設計質量的提升。

2.2 國內環境制約

我國目前面臨的現實問題，包括軟件技術、信息化建設和分配制度等方面的限制。有人指出，我國BIM 技術的發展受軟件標準、應用方式等因素的影響。有人運用BIM 技術進行了軌道結構的正向設計，結果表明，目前的地基平臺的專業水平較低，正方向的效率較低，需要根據國內的設計慣例進行二次開發，以提升效率。有人對水結構的正向設計進行了深入的分析，指出了目前應重點解決的問題是如何實現模型的輕量化以及如何實現結構的整體計算。PRUSKOVA 和 KAISER 指出，BIM 正向設計的最大阻礙在于缺少適當的技術手段，既要有相應的應用，又要有精確的資料分享與合作。我國正向設計的實際情況表明，我國自主開發的軟體設計水平遠遠達不到要求，必須加強開發工作。目前，廣聯達、鴻業科技、PKPM、盈建科、廣廈科技等BIM 公司都在積極運營。而且，正向設計的大部分思想都是基于二維的設計過程，只使用了一個簡易的二維模型來表示，而沒有尋找適合 BIM 的工程操作方式和規范的方法，最后難以達到預期的結果。BIM 正向設計的發展有賴于施工企業的信息化水平，但由于國內建筑業總體的信息化程度較差，其信息化程度只有0.3%，而國外的建設企業的信息化程度卻高達10 個百分點，這也是造成建筑業企業經營利潤較差的主要因素。建筑信息化與工業化相互促進、相互支撐，對建筑設計、施工、運營等技術的發展起到了很大的推動作用。要掌握建設單位的信息化發展動向，必須從信息技術的發展和運用方式兩個角度來進行。BIM 技術中的正向設計是一個重要環節，它所產生的結果往往會造成“孤島”現象，從而影響到 BIM 技術的最大利用。而在積極推動下，配送系統也成為制約其發展的一個主要因素。以大型公共建筑工程為案例，利用Shapely 值法構建了一個收益分布模式，分析了BIM 技術在新的環境下對各個成員的作用及收益的分布，并采用了一個校正的方法，使各方的收益分布更加公平、更加合理。BIM 的正向設計已經逐步突破了傳統的產業分布體系，對BIM 技術的應用進行了科學的研究和探討，以重構企業的供應鏈中的收益分配模式。目前，國內的積極設計以設計院為主，開發商和建筑單位是其最大的受益者，但是由于系統的軟件和人員的不斷更新，使得制造費用大大提高，但是在積極的設計中，它并不能起到重要的作用。這就造成了“正面設計”的設計理念缺失，從而形成了一個惡性循環。

2.3 產業鏈不成熟

BIM 并非單一的應用程序，它將專業信息、平臺、軟件的綜合運用于一體，從而實現數據交換、信息交流和跨行業協作。正向設計是BIM 技術的一個重要組成部分，它直接關系到BIM 技術的成熟性。本階段著重介紹了BIM+ PM 與BIM+數碼處理兩種技術的整合，而體現 BIM+數字化處理對正向設計的作用更大。傳統的工程交付方式是CM-at-Risk、DB（design-build）、DBB （design-bid-build）等，由于業主方、設計方和施工方的利益和風險分布不平衡，導致工程造價高、工期長。因此，90年代，歐美等發達國家就在工程中采用綜合工程交付（IPD）進行工程建設，并獲得了很好的效果，從而有效地解決了傳統的高費用、高周期的問題。BIM 技術的迅速發展使其信息化、集成化、協同化的特性成為IPD 技術的有力支撐。然而，與美國相比，在國內開展的IPD 協作工作中，BIM 技術的運用仍然十分局限。目前我國開展IPD 技術面臨的困難是BIM 技術、政策法規以及與我國的相關協議。2017年，有人對PPP項目實施IPD 模型的應用進行了分析，并提出了兩個可行的模型，指出了存在的問題。綜上所述，BIM+ IPD技術在國內的推廣尚處在初級水平，任重而道遠。2019年度，美國學者NGUYEN 和AKHAVIAN 將IPD、精益施工與BIM 集成為一種信息架構，也就是ILB 模型，利用扎根原理對72 座美國實際工程進行了深入的研究，從而使工程管理的知識庫更加完整。目前，工程建設仍停留在以傳統的方式進行，制約著BIM 技術的推廣，而正向的工程建設也在不斷地進行著。BIM 技術與DM 加工一體化是指通過生產裝置對BIM 模型中的數據進行數字化加工，其應用范圍包括預制混凝土構件、管線預制加工、鋼構件加工等領域，而在我國，則是以組裝方式進行應用。在國內，裝配施工+BIM 的技術整合尚處在起步狀態，尚存在技術標準不完善，裝配結構設計傳統觀念，BIM 技術與裝配設計的結合不緊密，軟硬件配置不能適應實際需要等問題。與常規施工方法比較，現有的組裝施工成本較高，施工時間較長，其主要因素是由于組件制造廠商沒有完全利用其生產能力，不具備降低成本的規模效應，設計與施工的實際操作水平也較差。這與BIM+組裝技術能夠減少工程造價、減少工期之間的優勢并不沖突，其實施的先決條件是：技術整合要達到成熟和完美。由于中國龐大的異質性市場，BIM 技術與組裝技術的發展受到了諸多因素的制約，這些因素并非彼此獨立，它們之間的聯系形成了一個錯綜復雜的網絡結構。TAN 等采用層次關系模式（ISM)，對中國BIM 及組裝施工的障礙進行了剖析，將其劃分為3 個層次，并分別給出了各層次的應對措施。第1 層次的回應應該是基于本國的學術研究、標準制定和以本國為導向的軟件發展；第2 層次應該構建一個適應 BIM 技術的生態體系，包括完善的工作流程、完善的管理體系、強化個人技術訓練等；第3 層次應該強化 BIM 技術在組裝工程中的運用。BIM+數字化技術在國內和國外的推廣都受到了很大的障礙，如果不能有效地加以克服，將會給企業帶來更多的利益。

2.4 協同與集成

BIM 正向設計協同工作標準體系建設研究包括：建筑工程BIM 正向設計全流程的策劃實施；全專業的BIM建模制圖標準；專業BIM 提資協同標準；BIM 模型的檢查標準；BIM 設計校審標準；BIM 設計成果交付標準；BIM 正向設計評價標準；企業BIM 資源管理標準等體系建設，以及相關的BIM 軟件和應用方法利用工作集合的優點，可以設定工作集合的權限，各個領域的工程師都可以設定自己的工作集合，比如暖通的工作集合可以分為通風、暖氣和空氣調節等，暖通工程師可以建立三個工作集合，指定工作集中的擁有者，并將工作集中的可編輯設為“否”，以便其他人很難對你的工作進行修改。

3、發展路徑

3.1 完善制圖標準

在當前的測繪工作中，圖紙不可或缺，于是就把BIM資料轉換成圖形，因此，出現了正向設計。與美國類似，國內對2 級的軟件開發和建筑領域有IFC、IFD 和IDM3種標準。美國與中國的制圖設計差異很大，而BIM 的設計更符合美國的設計體制。目前國內還沒有統一平面圖制圖規范，依然使用例如0901 《民用建筑工程建筑施工圖設計深度圖樣》、09G103 《民用建筑工程結構施工圖設計深度》等。BIM 作為一個承載著大量數據的立體建模工具，具有很好的應用前景，可以極大地降低對平面圖形的依賴性。今后建筑工程將采用無紙作業，通過使用手機觀察模型，提取相關信息，對建筑工程進行引導施工。平面設計傳遞的方法與表達都是平面的，在BIM 中，通過移動電子設備、云平臺等實現了BIM 的信息傳遞，其表達方式多種多樣，包括二維、三維、動態仿真等。BIM 技術的發展必須要有相應的規范來克服其局限性。此外，BIM技術是一個面向全生命周期的、包含設計與經營的技術平臺，由于BIM 技術規范的制定時間較短，因此BIM 在實際應用中會遇到很多問題和困擾，這就需要對 BIM 進行持續的改進。

3.2 設計施工一體化

推動BIM 在技術鏈條、產業鏈中的深入化，是實現BIM 技術與工程建設充分結合的重要環節。如何創新工程模式，提高工程建設的質量與效益，已成為當前建設領域亟待解決的問題。由于各成員的利益目的不統一，使用過程中的零散問題，使得DBB、DB、CM-at-Risk 等常規的傳遞方式妨礙了彼此的合作，從而提高了建筑費用和工程的時間。同時，由于我國工程建設的日益復雜化，這一缺陷也日益凸顯。按照美國建筑師學會的界定，IPD 模型是一個將人員、平臺、架構和設施有機結合起來的組織形式，讓每個成員都能最大程度地利用自己的才能來優化建造，減少浪費，最大化整個工程的效益。IPD 和 BIM 技術都是在工程建設之前進行設計和仿真，在工程建設之前，雙方在共同努力下，共同承擔責任、風險和收益。目前BIM 技術在實際中的應用尚未達到預期的要求，因此，BIM 技術的發展還有待于更深入的研究。此外，我國的建筑業在交付方式上仍停留在傳統的交付方式上，缺少相關的理論架構與實際操作。IPD 模式在工程實踐中的運用并不是一件簡單的事情，它必須要有一套能夠支撐IPD 運作的技術平臺。在推進工程建設的過程中，設計與建設的結合是推進工程建設的一個關鍵環節，而技術與經營方式的革新則是工程建設取得成功的基礎。

3.3 正向設計的過渡

我國目前所提倡的正面設計還是以圖示作為信息的媒介，其原因在于BIM 技術還處在起步期，還沒有完全發展起來，各種理論與執行方法存在著諸多不確定因素，技術發展與項目管理都還沒有完全完善。以圖紙為媒介，與BIM 的設計意圖不符，存在著很大的時效性。《2019上海市建筑信息模型技術應用與發展報告》指出，建設信息化建設要實現的四個方面：要強化“1+X”的建設模式；制定城市BIM 收費標準；強化BIM 技術實施的全流程監管；推動工程設計審核與完工交付工作從二維過渡到三維。最后一條主要是解決正向工程中的指導性問題，并建議在 BIM 技術基礎上，構建一個智能化施工項目的審批系統，并完善相應的工作體系和工作程序，在施工期以“審模”為主，以“按模”驗收，在交貨期采用“竣工模型”。BIM 在今后的發展過程中，將會按照 BIM 的基本需求，加強與 BIM 相關的信息流的傳輸，并對原有的管理思想進行優化，并利用5G、物聯網等新技術對BIM 的可操作性，以及人工智能與云計算對BIM的提升。以資訊模型取代圖樣，現行“正向設計”也將告結束，而遵循BIM 固有規則的設計方式將會有更大的優越性。

4、主要經濟社會指標

BIM 正向設計技術是建筑行業走向數字化的重要支撐，是設計企業提升市場競爭的必備能力。在建筑設計中實現正向設計，可為當下的BIM 應用節省部分環節、降低勞動力和信息交換成本。讓設計師充分利用信息化平臺表達自己的設計理念。通過準確而詳實的模型能夠順利打破傳統行業間信息傳遞的壁壘，實現信息之間的多向交流。

截止2021年，全國有上海、浙江、安徽、廣東、重慶等19 個省市相繼出臺BIM 計費標準，設計階段BIM技術應用的取費標準單價在15-24 元/m2，雄安、深圳等地已經賦予BIM 信息模型相應的法律地位，BIM 模型已逐漸成為項目不可或缺的信息數據和技術應用。BIM 正向設計的實施可更高效的對傳統施工圖設計和設計總包類項目產生更多的附加價值，并在EPC 項目、施工總包類項目、智慧運維項目、智慧城市項目等項目后期形成延伸價值。

通過本課題研發，將傳統設計模式改變成為以信息數據為驅動的項目協同管理的模式。通過模型將設計數字化、信息化，通過協同平臺取代或部分取代傳統模式下低效的協同方式，減輕了工作人員的負擔，提高工作效率，減少工作錯誤，降低項目成本。

探索BIM 正向設計技術應用對我院增強企業核心競爭力有著深層次影響，對進一步對接國內外市場，意義重大。其成果對建筑工程設計、設計總包類項目、EPC 類項目；雄安、深圳等BIM 要求較高的地區；中海、龍湖等要求BIM 正向設計能力的大型房企中形成較大競爭優勢，對我院各生產單位有廣泛的推廣作用，促進生產方式的轉變。

結語：

BIM 正向設計是探索BIM 技術的一種有效途徑，它極大地推動了BIM 技術的推廣和應用。然而，根據目前國內外的經驗，BIM 技術尚處在起步階段，其整個生命周期的運用還存在著許多問題，而以出圖為主導的正向設計更是有一定的時效性。目前，國內的正向設計還面臨著：（1）缺少有針對性的技術規范和數據標準。目前，以出圖為指導的前向設計規范并不完全符合當前的要求，從而限制了生產的工作；（2）受內外部環境影響。BIM 系統缺少獨立的開發平臺，二次開發水平不高；我國建筑業的信息化水平較差，制造業的信息化水平較高；目前的施工企業分布制度限制了BIM 的積極作用；（3）BIM 技術鏈條及產業鏈在我國尚不健全。現行工程的實施方式與前向的規劃不相適應，從而降低了工程實施的有效性；目前，BIM 技術尚不完善，限制了BIM 技術在我國的廣泛應用。本文就前向設計中遇到的問題，給出了相應的對策，并從理論上探討了面向前向設計的思路。在此基礎上，基于云計算的工程信息傳輸技術，在智能互聯網技術的支持下，進行了各種管理、審核和施工驗收。