BIM 结构设计企业级标准研究

赵华英 李元齐 陆 扬

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092;2.上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海 200041)

1 引言

BIM(Building Information Modelling)技术的概念到2008 年左右被国内的建筑行业广泛接受并开始应用。到今天，BIM 技术已经是建筑行业在进行项目建设过程中不可或缺的部分。BIM 技术最早在设计阶段被广泛应用，但目前BIM 技术的应用趋势更多的被用在施工阶段，设计阶段的BIM 技术应用大多还是应用于设计辅助。

BIM 的成功实施需要决策层的政策支持和执行层的实施决心［1］。国家为进一步加强建筑企业信息化建设，不断提高信息技术应用水平，促进建筑业技术进步和管理水平提升，住房和城乡建设部印发了《2011～2015 年建筑业信息化发展纲要》(以下简称“《纲要》”)。《纲要》提出，“十二五”期间，基本实现建筑企业信息系统的普及应用，加快建筑信息模型(BIM)、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用，推动信息化标准建设，促进具有自主知识产权软件的产业化，形成一批信息技术应用达到国际先进水平的建筑企业［2］。

《纲要》对企业信息化建设、专项信息技术应用和信息化标准分别提出了具体目标。其中勘察设计类，要求完善提升企业管理系统，强化勘察设计信息资源整合，逐步建立信息资源的开发、管理及利用体系;推动基于BIM 技术的协同设计系统建设与应用，提高工程勘察问题分析能力，提升检测监测分析水平，提高设计集成化与智能化程度。2014年10 月，上海市政府也对BIM 技术应用和推广下发了市建设管理委《关于在本市推进建筑信息模型技术应用的指导意见》。

在国家和地方政府的建设管理部门关于推广BIM 技术的大环境下，规划、勘察设计、施工、运营维护等相关单位都开始主动采用BIM 技术，设计作为项目建设过程的前端，设计单位对BIM技术的应用和推广有着指向性作用。而设计师直接采用BIM 技术进行设计活动已经是不可避免的趋势。

2 国内外研究现状

2.1 国外现状

BuildingSMART 联盟下属的美国国家BIM 标准项目委员会(the National Building Information Model Standard Project Committee-United States，NBIMS -US)是专门负责美国国家BIM 标准的研究与制定。2012 年5 月，NBIMS-US 发布NBIMS的第二版的内容。NBIMS 第二版的编写过程采用了一个开放投稿(各专业BIM 标准)、民主投票决定标准的内容，因此，也被称为是第一份基于共识的BIM 标准。

英国建筑业BIM 标准委员会已于2009 年11 月发布了英国建筑业BIM 标准、于2011 年6 月发布了适用于Revit 的英国建筑业BIM 标准、于2011 年9 月发布了适用于Bentley 的英国建筑业BIM 标准。

新加坡建筑管理署(Building and Construction Authority，BCA)2012 年5 月发布了《新加坡建筑信息模型BIM 指南》，旨在推动BIM 技术在工程实践中的应用。

澳大利亚、加拿大、冰岛、日本、韩国等国家也相继出台了BIM 相关标准及规划。国际上已经发布的BIM 标准主要可以分为两类:第一类是行业推荐性标准:由行业性协会或机构提出的推荐做法，通常不具有强制性，第二类为针对具体软件的使用指南，是针对BIM 软件应用的指导性标准［3］。各发达国家或地区政府部门都根据本国或地区的行业情况，制定了相应的政府政策来保障BIM 在行业内的发展应用。虽然他们的建筑业管理体制、行业发展水平及信息化建设现状有所不同，但在BIM 政府政策上的许多方面存在共同特点［4］。

2.2 国内现状

香港房屋署自2006 年起，已率先试用建筑信息模型;为了成功地推行BIM，自行订立BIM 标准、用户指南、组建资料库等等设计指引和参考。这些资料有效地为模型建立、管理档案，以及用户之间的沟通创造良好的环境。2009 年11 月，香港房屋署发布了BIM 应用标准［5］。

2010 年，清华大学通过研究，参考NBIMS，结合调研提出了中国建筑信息模型标准框架(简称CBIMS)，并且创造性地将该标准框架分为面向IT的技术标准与面向用户的实施标准。

2012 年1 月，住建部“关于印发2012 年工程建设标准规范制订修订计划的通知”宣告了中国BIM标准制定工作的正式启动，其中包含五项BIM 相关标准:《建筑工程信息模型应用统一标准》、《建筑工程信息模型存储标准》、《建筑工程设计信息模型交付标准》、《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》、《制造工业工程设计信息模型应用标准》。其中，《建筑工程信息模型应用统一标准》的编制采取“千人千标准”的模式，邀请行业内相关软件厂商、设计院、施工单位、科研院所等近百家单位参与标准研究项目/课题/子课题的研究。至此，工程建设行业的BIM 热度日益高涨［6］。

3 研究目的和思路

BIM 概念的提出已有40 余年，BIM 技术应用也有十几年的过程，BIM 技术已经广泛地应用在工程建设过程的各个阶段，设计阶段的BIM 应用也日趋成熟。现在从国家到地方的建设管理部门都在制定或者已经发布BIM 的相关标准，企业作为BIM 应用的落地单位，必须制定出与行业标准相符合的具有可操作性的企业级BIM 标准。企业的BIM 标准应包括更具体的BIM 应用方法，比如，BIM 应用的目的、使用BIM 的主体、BIM 应用范围、BIM 模型建模方法、BIM 模型详细程度、协同工作程序以及模型的评价方式等有关项目的BIM 应用准则［7］。

设计阶段是整个工程建设过程的起始阶段，也是建设项目从无到有的创造性阶段，设计质量的优劣决定着建设项目的安全性、适用性和经济性。设计阶段的BIM 标准研究成果对设计师采用BIM 技术进行设计工作起到指导和示范作用，帮助设计师转变设计方法，提高设计效率和设计质量，为下一阶段的BIM 实施提供一个标准的建筑信息模型文件，实现BIM 模型的共享性、信息的连续性，为整个项目的协同交付打下良好的基础。

企业实施BIM 规划时，宜从单项BIM 专业应用入手，先选择几个关键的BIM 应用点实现BIM 应用的单项突破，再通过建立BIM 试点项目的方式，逐步扩展到多阶段、多专业的集成应用，不断积累和总结实施经验，最终建立起适合企业自身需要的BIM 技术解决方案和协同工作平台［8］。

本文着重研究BIM 在民用建筑结构设计的应用标准，该标准的级别定位在企业级，目的是结构工程师在采用BIM 技术进行结构设计时能有一个比较明确的指导文件，研究过程提出采用目前主流的BIM 系统软件Autodesk Revit 系列作为设计使用软件。

4 标准主要研究内容

4.1 适用范围

标准中的功能术语和参考均主要基于Autodesk Revit 及Autodesk 系列平台。标准适用于新建、改建、扩建的民用建筑中的BIM 设计。采用本标准进行基于BIM 的建筑设计时，尚应符合国家和地方相关标准的规定。标准适用于民用建筑设计的各个阶段。标准应结合公司现行的ISO 质量管理文件使用。

4.2 BIM 执行计划

在具体选择某个建设项目要实施的BIM 应用以前，首先要为项目确定BIM 目标，这些BIM目标必须是具体的、可衡量的，以及能够促进建设项目的规划、设计、施工和运营成功进行的［9］。在BIM 设计阶段实施过程中，为有效应用BIM，项目组应当在项目的初期制定一个《BIM 设计阶段执行计划》。该计划包含项目组在整个项目过程中需要遵循的整体目标和实施细节。计划应在项目的开始阶段就要明确下来，以便指定的新项目团队加入后能更好的适应项目。确定BIM实施目标、选择合适的BIM 应用，是BIM 实施策划制订过程中最重要的工作，BIM 目标的定义必须具体、可衡量［10］。

《BIM 设计阶段执行计划》有利于业主和项目团队记录达成一致的BIM 说明书、模型深度和BIM项目流程。《主合同》应当参考《BIM 设计阶段执行计划》确定项目团队在提供BIM 成果中的角色和职责。BIM 时代，各阶段设计的责任，

需要完善什么模型信息，完善多少信息都要有明确的界定，各工种之间需要以何种形式和成熟度的模型交互数据也应有明确的界定［11］。

4.3 结构专业BIM 设计解决方案(常用)

设计:美国欧特克软件(中国)有限公司的Revit Structure、Auto CAD、美国RobertMcNeel＆Associates 公司的Rhinoceros;

计算分析:中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司设计软件事业部的PKPM、中国盈建科公司的YJK、美国CSI 公司的ETABS;

辅助计算分析:美国CSI 公司的SAP2000、韩国迈达斯技术有限公司的MIDAS Building＆MIDAS Gen;

高级有限元分析:法国达索SIMULIA 公司的ABAQUS、美国ANSYS 公司的ANSYS。

模型整合:美国欧特克软件(中国)有限公司的Navisworks。

4.4 结构专业BIM 设计基本原则

(1)结构2D 平面布置图应与Revit 的3D 模型相关联，不应与Revit3D 模型脱离，所生产的图纸始终与模型逻辑相关，当模型发生变化时，与之关联的图形和标注将自动更新［12］;

(2)结构专业3D 模型应与建筑、设备等相关专业协同工作;

(3)结构专业BIM 模型应作为设计的主模型，应与计算分析的有限元模型一致;

(4)BIM 结构专业负责人定期管理中心文件，保证对外模型的及时更新;

(5)BIM 模型的结构构件的标注信息应采用“参数共享”的方法与构件几何尺寸相关联，并能出现在明细表中;

(6)分析模型中对构件的修改宜采用仅将修改构件数据返回BIM 模型，不宜将计算模型全部返回BIM 模型;

(7)当模型不作为分析用途时宜不启用构件的分析模型选项;

(8)对于空间布置的构件(起终点标高不同)，建模时应统一使用“起终点标高偏移”或“轴偏移值”构件，不宜混合使用。

(9)BIM 模型坐标未经同意不得修改;

(10)不同尺寸结构构件应采用不同的着色，当视图切换到“着色”效果时应能清晰的区分构件分布。

4.5 工作流程

面向建筑全生命期的BIM 建模需要考虑组织、过程、信息和系统四要素以及它们之间的关联［13］。在基于BIM 的设计过程中遵循合理的工作流程有利于各专业之间互相协调，同时可以保证项目的顺利进行，可以在基于BIM 的设计过程中及时有效的解决设计过程中遇到的问题和冲突。BIM 团队与传统设计融合后的业务流程应进行合理规划，才能达到高效的合作，最终得到高质量的成果［14］。设计过程中BIM 设计师可以通过更新模型实时检查设计冲突，不必在设计结尾时再解决。

图1 BIM 的协同设计示意图

图2 结构专业BIM 协同设计示意图

4.6 协同设计

随着建筑工程复杂性的增加，跨学科的合作成为建筑设计的趋势。在二维CAD 时代，协作设计缺少一个统一的技术平台，但建筑信息模型为传统建筑工种提供了一个良好的技术协作平台［15］。建筑信息模型允许不同专业、不同设计者在同一个模型中添加、修改、存储不同的建筑信息，而且保持模型的实时更新和统一性［16］。协同设计开始前，项目组应确定一个适合项目的协同设计方式。建筑专业应建立“起始模型”以供其它专业以“起始模型”为基础或参照开始协同设计，在协同设计之前使用Revit 中的“共享坐标”工具定义项目中某一点的真实世界坐标，并将其发布到所有链接的模型，采用“通过共享坐标”插入方法链接其它子模型，同时应正确建立“正北”和“项目北”之间的关系。

专业之间宜采用“文件链接(Link)”方式进行BIM 设计协同。该方式不存在图元借用和中心模型的概念，属离散型协同设计，通常不存在跨专业修改，更多的是相互参照。该方法可以在协同的基础上将专业间干扰降至最低。

专业内部宜采用“工作集(Workset)”方式进行BIM 设计协同。该方式存在图元借用和中心模型等紧密型的协同设计，适用于专业内部协同设计。由于采用中心模型，不同设计师均在本地模型操作属于自己权限的构件，然后再与中心模型同步更新。该方法只有中心模型是可以完整编辑的模型，中心模型的管理机制和操作权限非常重要，如果管理不善很可能导致模型崩溃。采用“工作集(Workset)”方式进行BIM 设计协同时，在副本创建后，绝不可直接打开或编辑“中心”文件。所有要进行的操作都可以通过、也必须通过本地文件来执行［17］。图1给出了项目整体协同设计示意，图2 给出了结构专业内部协同设计示意。

4.7 设计深度

BIM 的信息集成的最终要求是涵盖建筑全生命周期所有数据信息［18］。基于BIM 的建筑设计采用方案设计、初步设计、施工图设计三个阶段进行，各专业模型深度、图纸深度应能满足各设计阶段的要求。不同项目阶段所建模型各不相同，在应用上有性能分析、算量造价、施工模拟、性能测试、碰撞检测等。为了避免模型应用功能的缺失，确保模型成果成功交付使用，应对BIM 模型的详细程度划分等级［19］。图纸深度应满足《建筑工程设计文件编制深度规定》［20］的要求。BIM 模型深度应满足国家、地方现行标准的模型深度要求。

4.8 模型管理

BIM 作为一项建筑工程项目管理的新技术，在引进和使用之前，应很好地把握住其可能存在的风险，尽量做到未雨绸缪、防患于未然［21］。结构专业的模型均应有专业负责人统一管理，模型的设计、维护、变更修改均由BIM 设计师负责。

项目开始前BIM 经理应统一BIM 设计模型使用的软件及版本，统一模型存放位置，统一不同用途模型、族的命名规则，统一与模型相关的设计文件、资料的存放位置，统一图层标准，规定模型文件的更新时间。确定项目集成模型的管理者，确定专业内部“中心模型”的操作权限和管理者，确定“本地模型”的管理者。

BIM 项目集成模型应由项目BIM 经理统一对外发布，BIM 专业模型应由BIM 专业负责人统一向各协同专业发布。BIM 专业负责人应统一管理由模型产生的图纸，包括图纸深度、图纸是否符合设计规范要求、图纸格式等。模型交付校审前BIM 专业负责人应进行模型、图纸的完整性和设计合理性、正确性检查。设计模型的修改应从最底层开始，保证模型修改的唯一性，修改后的设计模型应按修改日期进行存档。

在Revit 中对项目具有唯一性的系统参数应统一，如“项目地点”、“位置”、”坐标”等。用户采自定义参数时宜采用“共享参数”或“项目参数”。对于用户自定义的“共享参数”和“项目参数”各专业应在项目开始前统一规划，参数名称不得重名，参数需具有唯一性，一旦项目开始不宜再修改参数属性。对于用户自定义的参数各BIM 专业负责人应统一规划、管理。自定义参数的种类及命名详见各专业分则。

设计开始前BIM 经理、BIM 专业负责人应根据建模软件、分析软件、绘图辅助软件等BIM 软件的交互性进行评估，选择适合项目的软件版本。BIM软件良好的适用性与导入性能是BIM 实施的关键［22］。在设计过程中应统一BIM 工作中心软件的版本，且不得在设计过程中进行版本升级，避免发生软件版本的变更产生的协同设计不连续。同时应特别注意，Revit 系列软件目前还不能将高版本转存为低版本。如果发生版本升级的情况，应保留原版本的模型文件和原版本的软件，原版本文件应存放在独立的文件夹下，以便查阅。

4.9 数据交换

应了解目标软件/硬件系统的要求和限制，以便能够恰当地准备需要交换的BIM 数据。

为了确保不同软件之间数据交互的一致性，要求BIM 软件在应用时必须能够读入/读出强制以及可选等级的全部构件属性［23］。应以输入软件能接受的形式输出结果，使得他人能够便捷地处理文件中的数据。

当模型数据不能直接转换成输入软件所需要的格式时，可采用第三方软件进行辅助，但应特别注意格式转换过程中数据的完整性。

目前，BIM 采用IFC 标准作为建筑产品的数据交换标准，不同软件之间通过IFC 标准交换数据，研究表明，基于IFC 标准的建筑模型与结构模型之间的信息传递和共享还不十分成熟［24］。数据输入软件使用前应使用副本数据进行测试，检验不同软件/硬件系统之间的数据交换方式，以确保交换过程能保持数据的完整性。

BIM 技术中的数据转换一般包含三种形式:直接转换、中间文件转换、公共转换标准［25］。建模过程中应预先考虑可能与之产生数据互换的软件特点，根据需求建立模型。如有些计算软件对弧形构件的识别能力不足，需要设计师在工作模型中将弧形构件划分成若干个直线构件。

数据交互完成后的模型应有BIM 设计师自行检查模型信息的完整性，以确保在交互后的模型能正确使用。

4.10 设计成果交付

在企业级BIM 实施过程中，应根据BIM 交付的目的和交付物的用途，来确定具体的交付内容［26］。BIM 模型交付物交付时如无特殊情况应将外部链接文件绑定后交付，当需要有外部引用时应将外部引用文件一并交付，防止模型文件数据缺失。设计交付成果采用BIM 技术，不仅可以准确传递结构工程师的设计意图，同时施工单位的工程师可以全面的分享建筑的各项数据，避免了重复建模的负担，同时设计人员也可以通过变更建筑信息模型快速的完成设计变更，减小设计变更对工期成本的影响［27］。设计成果的交付流程应符合ISO 质量控制标准的要求。BIM 设计成果当采用电子版代替蓝图交付时，应符合国家及地方的相关规定。设计成果交付统一由BIM 经理负责。

5 结论

本文研究的重点是如何有效地将BIM 技术应用到结构设计工作中，通过在实践中积累的BIM 经验，并结合主流的BIM 软件Revit 建立一套可以指导结构工程师在运用BIM 技术进行结构设计的企业级统一标准。通过总结传统设计方法的弊端和BIM 技术的特点建立新的结构设计方法，提高基于BIM 的结构设计工作效率，将BIM 工具真正为结构设计师所用。对BIM 技术在设计阶段的应用具有参考价值。经过分析研究和总结，得出以下结论:

(1)结构设计师在设计阶段的BIM 技术应用势在必行，但由于软件限制和结构设计师应用BIM 技术的人员数量不足，任然限制了BIM 在设计阶段的应用效果;

(2)BIM 技术在设计阶段的应用必须有一套适应设计师工作习惯和设计企业工作流程的企业级标准，这有助于设计企业的标准化管理和提高工作效率，有利于结构设计师对BIM 技术的理解和应用;

(3)基于BIM 的结构设计中协同方法的选取是设计是否高效的重要因素之一;

(4)对于设计企业BIM 设计的实施需要建立在确定的BIM 软件的基础上，选取合适的BIM 软件是BIM 设计实施的前提;

(5)BIM 设计标准的建立应该符合企业质量管理的目标，BIM 设计标准的内容需要与企业质量管理体系的要求相一致;

(6)基于BIM 的结构设计交付成果和模型深度应该符合工程建设的要求，并能与下一工作阶段有效衔接。

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