BIM在工程施工中的应用

◎ 清华大学教授 张建平

何为BIM

每个人站在不同的角度对BIM的理解各有不同，目前比较精准的解释是美国国家标准技术研究院对BIM的定义：BIM是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，BIM是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。它不仅仅是数据更是连接建筑生命期不同阶段的数据、过程和资源，是对工程对象的完整描述，可被建设项目各参与方普遍使用。BIM通过建立单一工程数据源，解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建筑全生命期动态的工程信息创建、管理和共享。

BIM主要具有三大特征：第一是模型信息的完备性，它除了对工程对象3D几何信息和拓扑关系描述外，包括工程对象完整的工程信息描述。第二是模型信息的关联性，工程信息模型中的对象是可识别且相互关联的，模型中某个对象发生变化，与之关联的所有对象都会随之更新。第三是模型信息的一致性，建筑生命期不同阶段模型信息是一致的，同一信息无需重复输入，同时，信息模型能够自动演化，模型对象在不同阶段可以简单地进行修改和扩展，而无需重新创建。

国内外对BIM的研究和应用已经成为新的热点，而且这个“热”超乎我们原来的预期，BIM的优势正在逐步显现。越来越多的企业和项目正在使用或者考虑使用BIM技术，在芬兰，93%的建筑师已经应用BIM技术，在美国，超过60%的建筑师应用BIM。在国内，BIM的相关标准已列入2012 年国家工程标准制定计划。与此同时，新的理念、技术和应用系统源源不断的涌现，BIM这一全新技术，它涉及到从规划、设计理论到施工、维护技术的一系列创新和变革。

然而BIM也面临诸多难题。首先是BIM建模难，应用BIM需额外增加成本，建筑业所固有的产业结构分散、产品多样形式单一、信息海量复杂等特点，使得BIM 的建模、存储和传递都异常复杂。其次，国内缺乏成熟的BIM设计软件，而国外软件专业不配套以及设计规范的限制，主要用于相关专业的BIM 建模，工程设计仍以二维设计为主，设计过程中无法直接创建BIM 模型，需要按照2D 设计图纸另行建模。第三，施工BIM应用难，难以体现BIM在工程施工中的应用价值，设计BIM 传递到施工阶段，缺乏合适的平台和工具添加并集成施工信息，难以形成支持施工及管理的信息模型。这些问题反应出目前BIM的商业炒作远远大于实质性的应用。

工程施工中的BIM应用现状

鉴于这样的现状和问题，我们对工程施工中的BIM应用现状做了调查，目前主要是IPD模式的推行和应用，它就是我们说的集成项目交互模式，正在欧美发达国家迅速推进。所谓IPD模式是源于并行工程理念，它把项目主要参与方在设计阶段就集合在一起，着眼于项目的全生命期，并利用BIM技术进行虚拟设计、建造、维护及管理。引入IPD理念和应用BIM技术，已成为当前施工企业打造核心竞争力的重要举措。

当前工程施工中的BIM应用主要有基于BIM的设计可视化展示，例如利用Revit等软件进行建筑、结构、机电BIM建模等，是最初步的BIM应用。还有基于BIM的碰撞检测与施工模拟，它将BIM模型通过IFC或.rvt文件导入专业碰撞检测/施工模拟软件，进行结构构件及管线综合的碰撞检测和分析，对建造过程或重要环节及工艺进行模拟，减少设计变更、优化施工方案与资源配置。也有基于BIM的工程深化设计，它基于结构、设备管线BIM模型，通过IFC或.rvt文件导入到Tekla、CATIA等专业设计软件进行深化设计，利用碰撞检测结果，通过BIM建模软件直接调整结构、建筑、机电等专业设计。以及基于BIM的工程算量，将构建的BIM模型导入到广联达、鲁班等工程算量软件，进行工程算量和概预算。基于BIM的施工项目管理，这方面国内外尚无成熟商业软件，清华大学4DBIMGCPSU实现了基于BIM和网络的进度、资源、安全和场地布置的4D动态集成管理，以及施工过程的4D可视化模拟。

BIM在施工中运用的好处和存在的问题，以及未来的发展方向一直是各个科研机构研究的重点。目前的主要研究成果有：通过扩展IFC在施工方面的实体完成了《建筑施工管理IFC数据描述标准》；基于IFC的BIM数据集成与管理平台；基于IFC标准的BIM建模系统，还有基于BIM的工程项目4D动态管理系统和基于BIM技术的建筑施工优化系统，以及基于BIM技术的建筑工程安全分析系统。

在这些研究基础上，通过多年的实践，我们推出了工程施工BIM应用的整体实施方案，其中包括技术架构和系统结构。系统架构包括它的应用流程以及应用的一些对策和措施。整体的实施方案是基于“十五”、“十一五”的研究成果，在整个的架构里面，包括了数据的接口层、数据层、平台层、模型层还有应用层。实施方案包含项目内部布置的CS结构和基于BIM结构的4D软件，有施工过程模拟、施工过程优化系统、构件碰撞检测系统和场地设施碰撞监测，同时还有一个web服务器的BIM数据库。

基于BIM的工程项目4D施工管理系统，是集进度计划、资源、成本和场地利用于一体的4D信息模型。这个系统可以实施方案比选，允许用户输入多套施工进度方案，提供不同方案之间快速切换，进行方案的对比和分析，同时能够对施工进度进行4D显示。进度计划可在Microsoft Project 中用甘特图或网络图表示，也可以动态的3D图形方式展现。系统还可以控制施工进度，如果Project中的进度被修改，4D-GCPSU 中的4D施工模型也随之改变，在4D-GCPSU中修改任意施工工序的实际开始及完成日期，将自动调整Project进度计划。此外，在进度追踪分析方面，可以提供按指定时间段，对整个工程、WBS节点或施工段进行进度计划执行情况的跟踪分析、实际进度与计划进度的对比分析，并能够对施工信息进行动态查询与管理。

4D施工过程可视化模拟可以天、周、月为时间单位，按不同的时间间隔对施工进度进行正序模拟或逆序模拟，形象反映施工计划和实际进度。4D动态资源管理可相对施工计划进度和实际进度，自动计算整个工程、任意WBS节点、3D施工段或构件的工程量，以图表形式提供工程量完成情况的统计和分析。通过可设置多套定额的资源模板，可相对施工计划进度和实际进度，查询指定时间段内相应的人力、材料、机械的计划用量和实际消耗量；还可相对施工计划进度和实际进度，查询指定时间段内相应的工程成本，包括人力成本、材料成本、机械成本以及总成本。

基于4D信息模型可以对施工场地进行管理，可进行3D施工场地布置，自动定义施工设施的4D属性。将场地布置与施工进度相对应，形成4D动态的现场管理。 在场地布置过程中，可进行场地设施冲突检测，场地布置可随施工进度动态变化，查询并显示不同阶段的场地布置状况。

开发基于BIM的工程项目综合管理系统主要是应对实际工程施工对BIM应用的新需求：

1、远程协同管理：针对项目多参与方相距各方、地处异地，实现基于互联网的多参与方协同管理。

2、实时信息更新：针对大量信息需要实时更新，信息报送流程复杂，报表种类繁多，提供更为高效、友好的信息管理环境，提高实时更新和报送信息的工作效率。

3、多层次的决策分析：针对不同的应用主体和应用参与方的需求，进一步细化和完善施工项目管理功能，提供多层次的项目决策分析，提高BIM系统的适用性和实用性。

基于BIM的项目综合管理系统在业务管理方面为各职能部门业务人员提供项目的合同管理、进度管理、质量管理、安全管理、采购管理、支付管理、变更管理以及竣工管理等功能；在实时控制上为项目管理人员提供实时数据查询、统计分析、事件追踪、实时预警等功能；在决策支持上提供工期分析、台账分析以及效能分析等功能，为决策人员的管理决策提供分析依据和支持。

工程施工BIM应用的整体实施方案的应对措施主要从六方面入手：

1、理念知识：对BIM技术及应用价值具有足够的认识；对应用BIM的管理理念、方法和手段应进行相应的转变；掌握BIM技术和相关软件应用知识。

2、团队组织：BIM应用的初期，可借助外聘BIM团队共同实施BIM应用；着眼于企业自身发展，建立自己BIM团队；通过技术培训和应用实践，达到BIM技术和软件的普及应用。

3、流程优化：结合BIM应用重新梳理并优化现有工作流程；建立适合BIM应用的管理模式。

4、制定相应的工作制度和职责规范，使BIM应用能切实提高工作效率和管理水平。

5、应用环境：根据实际需求制定BIM应用实施方案，通过外购商品软件、合作开发等方式，构建BIM应用环境。

6、成果交付：规范施工各阶段BIM应用成果的形式、内容和交付方式，提供可供项目各参与方交流、共享的阶段性成果，形成工程项目竣工验收时集中交付的最终BIM应用成果。

工程施工BIM应用项目

关于整体实施方案的工程施工BIM应用项目主要有8个大项目，它的运用范围包括建筑结构、公路工程；它的用户有业主、工程总承包方也有项目方。这些应用项目是随着技术和方案的不断成熟而逐步发展，每一个项目都有自己的应用侧重点。以广州珠江新城西塔工程为例，它实现了主塔楼结构和机电工程4D施工管理，特点是做了精细化管理，提供了日报表输入和打印报表功能，可每日填写当日进度情况和下一日进度安排，并统计日报数据，输出Excel报表，把所有的日报信息挂接到每一个施工的结点上。目前在进行中的上海国际金融中心项目，它的要求是全生命周期管理，这个项目花费1000万建立了100平米的BIM工作室，现在已经建立了设计的模型，目前正在进行的是它的装机施工，装机信息的查询包括质量信息都可以在WEB浏览器上查询并统计。

基于BIM的昆明新机场机电安装与运营管理系统，将航站楼的机电设备4D宏观管理与4D精细管理结合起来，点击宏观管理界面上的机房就可以进入到机房的精细化管理界面，系统可以进行前置任务和后置任务的分析，打印任意一天的施工情况。

解决方案包括系统的应用，其应用项目有代表性，突破了BIM在施工管理方面的应用，尤其突破了当前BIM技术在施工项目管理方面的应用。拓展了BIM的应用方案，不仅包括建筑工程还包括桥梁工程，系统更具有适用性，可以满足我国施工管理的实际需求，它的适用性和实用性非常有利，我们所提出BIM的方案对提高施工管理取得了很好的效果，它体现了BIM在工程施工中的应用价值。