建筑信息模型方法学应用于结构工程领域的理论框架研究

叶献国等

摘要：总结并分析了建筑信息模型（BIM）应用于结构工程领域过程中所存在的问题，提出了建筑信息模型方法学（结构BIM方法学）理论，认为该理论是由结构BIM技术的基本原则与结构BIM模型理论这两大分支构成；应用数学建模方法对结构BIM技术的基本原则进行了数学建模与理论分析，解决了结构从业人员对结构BIM技术应用方式与研究方法模糊的问题，同时基本原则的数学模型也为未来结构BIM技术的定量化研究打下了基础。最后阐述了构建结构BIM方法学理论的实践意义，并引出了结构BIM模型这一理论分支。所得结论为进一步讨论结构BIM模型的组织构架方法奠定基础。

关键词：结构工程；建筑信息模型；理论框架；参数化建模；方法学

中图分类号：TU17文献标志码：A

0引言

从工业仿真技术介入制造业以来，传统工业产品的设计与表达便由平面设计转变为3D可视化设计。这种转变不仅对制造业产生了深远的影响，而且也推动着建筑业的信息化发展。以Chuck所提出的建筑描述系统（Building Description System，BDS）为原型的建筑信息模型作为建筑全生命周期（Building Lifecycle）智能化的重要手段，正在不断改变着工程项目从初期招投标到后期运营维护全过程中各专业的传统工作模式。

目前各国学者对建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术的研究仍主要集中于BIM发展战略等宏观层面[1-3]，而结合结构工程的特殊性对结构BIM技术在工程结构全生命周期中的应用目标与使用方法所开展的研究较少，且尚未有任何相关的方法学理论被提出。这使得BIM在介入到结构工程工作后蜕变为企业的营销手段，没有实现BIM应有的价值，更没有形成规范的行业运行模式。随着建筑业推行BIM的力度不断加大，深入分析BIM在结构工程领域发展缓慢的原因，找出可能的解决办法仍十分迫切。

为此，本文首先分析了结构BIM技术在应用过程中所存在的问题，得出了结构BIM技术的使用目的与推广价值。其次针对结构BIM技术的应用方法，提出了建筑信息模型方法学（结构BIM方法学）理论，并论述了该方法学理论的组织构架与工作原则。最后阐述了构建结构BIM方法学理论的重要实践意义，为后续在该方法学框架下进一步研究3D全BIM工作模式及相关技术奠定基础。

1结构BIM技术的定义及特征维度

根据《民用建筑信息模型设计标准》（DB11/T 1069—2014），BIM技术定义为创建并利用数字化模型对建设工程项目全生命周期活动进行管理和优化的过程、方法和技术[4-5]。具体到结构工程中结构BIM技术是利用计算机软硬件技术，通过创建结构BIM模型，实现对工程结构全生命周期中信息流管理的过程和方法。

结构BIM技术的特征维度除继承目前已有的BIM基本维度的内容[1]外，笔者认为还应具有结构BIM技术所特有的特征维度。

（1）结构BIM的技术维度。结构BIM技术是结构工程中应用到的全部先进技术的集成，包括：①高新测量技术，如卫星遥感测量、GIS技术以及激光扫描技术等；②虚拟仿真技术，如数值模拟技术、逆向工程技术等；③人工智能，如人工神经网络技术等。

（2）结构BIM的过程维度。继承建筑全生命周期的思想，形成工程结构全生命周期模式，使得结构工程服务于结构初选（特指建筑初步方案中的结构形式）、结构设计、土建施工、结构健康监测、结构鉴定加固直至结构拆除。

（3）结构BIM的价值维度。凭借结构BIM模型的完备性、关联性、一致性，实现了结构工作的可视、信息协调一致和模型重复利用[6-8]，提高了结构工作效率。

2结构BIM技术的应用现状

BIM技术应用于结构工程领域是建设工程信息化发展的产物。结合已有的工程实例，笔者将从以下3个方面阐述结构工程中的BIM应用现状及存在问题。

2.1结构BIM模型

依据国家《建筑工程信息模型应用统一标准》（征求意见稿）与北京市地方标准《民用建筑信息模型设计标准》（DB11/T 1069—2014）[9]中对BIM模型的定义，判定结构工程中所应用到的主流软件模型是否为结构BIM模型。

笔者首先对结构工程中应用频率最高的软件模型（Revit、斯维尔软件、ArchiCAD，PKPM、盈建科、AutoCAD，AutoCAD-Architecture，Tekla，IFC）进行比较分类（表1）：

2.2结构BIM技术的价值

结构工程在BIM未被引入之前就是依托数字化模型开展工作的，许多已有软件模型均已实现参数化设计、设计成果3D表达、设计成果自动生成（结构施工图、土建工程量统计、土建造价计算等）和协同工作等需求。根据目前已有的BIM应用实例不难发现，由于BIM技术的介入，不仅使得结构设计时模型堆砌现象严重，一个项目中结构专业所使用的软件模型数量过多，模型使用不具有系统性，多个软件模型间的主次关系不清晰，而且使结构设计工作变得冗杂，在克服与中国国家结构规范不相吻合时增加了大量的接口开发、数据库构建等复杂的重复性工作，还增加了软件间模型相互转化的工作负担、出错概率和时间浪费。如结构模型通过接口转换不仅耗时长、构件错误现象严重，而且蕴含有难以发现的模型错误，在结构分析时模型的错误会极大地影响结构分析结果，多数时候如果对接口转换模型进行修改则不如重新建模；此外基于结构BIM模型直接生成的DWG图纸通常难以满足施工图归档要求，一般情况下均需要翻图后才能够归档。因此，目前在符合中国规范要求的结构3D建模、分析及绘图软件十分成熟的条件下，无法看出基于结构BIM技术的工程软件对结构工程工作所带来的实际价值。故需要研究结构工程使用BIM技术的目标以及结构BIM技术对结构工程的实际价值。endprint

2.3结构BIM技术的应用与研究方法

中国已有的国家规范将BIM定义为一种技术方法，也可将其定义为一种业务流程。目前在中国的工程应用中，BIM的方法性被削弱，大多数企业仅将BIM作为传统结构设计的一种补充，结构工程使用BIM的目的仅用作简单的结构模型3D效果展示和服务于外专业的碰撞检查。可以看出，在这种应用模式下BIM技术对结构工程工作本身不具有任何实际意义。

此外，中国对BIM的研究方向偏重于宏观发展规划、软件应用以及软件接口（插件）开发。已有的研究成果中对结构BIM技术的使用目的、应用价值、研究方向、软件资源需求等均未有过系统性的讨论。因此，结构BIM技术在工程实践中的应用方法退化与关键问题的非系统性研究是导致目前结构BIM技术发展十分缓慢的重要原因，故需要系统地研究结构BIM技术的应用方法和研究方向。

综上所述，笔者认为结构工程为实现3D全BIM模式工作，首先应当明确BIM在结构工程领域的使用目的、价值、应用方式和研究方向，其次应强化BIM的方法特性，建立建筑信息模型方法学（结构BIM方法学）理论以指导实践工作。3建筑信息模型方法学理论框架

方法是一个处理问题的规定过程，而方法学是一组方法，其涵盖工程结构全生命周期中的各个部分，是结构工程实践与科学研究哲学的统一。方法学以方法为研究对象，探索方法的一般结构、发展趋势、发展方向以及科学研究中各种方法的相互制约关系。在科学研究哲学中，方法学的结构由科学调研的原则与科学调研的工具构成，科学调研的原则决定了如何配制和解释科学调研的工具。

BIM作为一种方法被引入到结构工程领域，应从方法学的角度进行研究。可以得出，建筑信息模型方法学（结构BIM方法学）是由结构BIM技术的基本原则（简称结构BIM的基本原则）这一科学调研原则以及结构BIM模型这一科学调研工具共同构成。结构BIM的基本原则决定着如何构建和解释结构BIM模型（图1）。本文限于篇幅，将主要讨论结构BIM技术的基本原则。

需要说明的是为了体现结构BIM方法学是工程实践与科学研究哲学的统一，笔者沿用了科学调研的原则与科学调研的工具这2种称谓。

3.1结构BIM技术的基本原则

透过对结构BIM技术的应用现状分析，首先需要明确结构BIM技术的研究实质。笔者认为其研究实质由5个方面共同构成：①结构BIM技术的应用目的；②结构BIM模型的组织构架方法；③结构BIM模型的建模方法；④结构BIM技术的保障方法；⑤结构BIM模型的应用方法。

这5个方面构成了结构BIM技术的基本原则（图1），这5个基本原则又是结构BIM方法学理论中的子方法或子方法学，指导并贯穿于工程结构全生命周期中各个阶段的结构BIM技术应用过程。

3.1.1结构BIM技术的目标域原则

首先回顾2个数学概念：

根据上述定义，此时来明确结构BIM技术的应用目的。笔者认为，只有结构BIM模型最大限度地接近实际结构，才能当施工、造价等一系列工程活动对结构本体信息有调用需求时直接读取（不必再次开展模型转换工作或重新建模工作）到精确的构件位置与工程量信息，并能够将产生的新信息反馈给结构BIM模型系统，从而避免工程结构全生命周期中发生信息流断裂与资源浪费。因此，实现“结构虚拟仿真”才是BIM介入结构工程的目标，“结构虚拟仿真”系笔者针对实现结构全生命周期全BIM工作所提出的术语，包括结构本体仿真、结构状态仿真、场环境仿真以及结构施工和运维过程中的相关活动仿真。据此，笔者推广单侧极限的概念得出了结构BIM技术的目标域原则。

结构BIM技术目标域原则的实质是指：根据经济效益所确定的结构BIM模型，其精度必须在规范要求的最低精度与虚拟仿真精度之间取值，且结构BIM模型系统具有无限逼近结构实际本体的潜力，能够随时响应工程项目对结构BIM模型精度需求的改变。需要指出的是：能够随时响应工程项目对结构BIM模型精度需求的改变体现在任意给定的模型期望精度ε这一不确定的极限定义参数上，故不难看出，BIM技术的应用过程与函数极限定义的本质是协调统一的，这也从侧面反映了结构BIM方法学理论的指导思想符合自然数学原理。

笔者提出这条原则主要是由于结构BIM技术在应用过程中全部工作均是围绕着一个主要的数字化模型进行。整个BIM过程是对实际结构进行结构虚拟仿真和土建虚拟建造，并用以指导实践工作，而不仅是实现软件间结构模型的传递或结构施工图出图。考虑到结构BIM技术在实施过程中的经济效益约束，不能够也不可能要求任何规模的结构工程其最终的结构BIM模型都达到虚拟仿真精度。然而任何阶段的结构BIM模型都应当具有逼近结构实际本体的潜力，以便随时响应外部环境对结构BIM模型精度需求的改变。这才是结构BIM模型和其他3D模型本质的区别和结构工程领域引入BIM技术的优势所在。否则在3D结构建模与分析软件众多的当下，结构BIM技术对结构工程工作是不具有价值的。

3.1.2结构BIM模型架构原则

BIM技术是方法，但其必须以软件模型为载体，结构工程中应用BIM技术离不开结构BIM模型。中国的一些研究成果表明：BIM模型应具有多维度特性，能够从二维到多维表达工程项目实体和相关活动[12]；BIM模型能够基于数据库进行划分，形成分阶段子模型，并通过滤过的方式实现模型的调用[13]。

结合结构BIM技术目标域原则，笔者得出结构BIM模型并不是单一的软件模型，而是一个复杂的模型系统，其必定存在相应的组织架构。因此，可将结构BIM模型本体的组成方法理论定义为结构BIM模型架构原则，其数学表达式为

笔者认为，结构BIM模型应仅受当前模型精度x的影响，与精度成一一对应关系，其他一切外部条件因素只能影响x的取值，而无法直接影响到结构BIM模型本体。该原则是为建立数集（精度取值）与模型实体间的相互映射关系，通过精度来控制结构BIM模型本体架构，以期实现在不同精度条件下对不同架构的模型进行规范。endprint

3.1.3结构BIM模型成模原则

结构BIM技术定义指出BIM的应用核心为结构BIM模型，应用条件为计算机软硬件技术。中国的一些研究成果表明，目前存在有2种成模方法：①通过宏观软件（特指操作单元为软件文件）层面上实现结构BIM模型构建[14]；②通过构建数据库（特指操作单元为结构设计数据）的形式来实现结构BIM模型构建[15-17]。

不难看出，结构BIM模型的成模方法是十分重要的，无论是否沿用上述2种方法，其必定是结构BIM方法学理论的重要分支，会直接影响到结构BIM技术的应用。因此笔者认为成模方法应作为结构BIM方法学的指导原则之一，可被定义为结构BIM模型成模原则（以下简称成模原则），其数学表达式为

）

结构BIM模型成模方式受计算机软硬件水平和工程项目复杂程度的影响，因此需要根据不同工程的复杂程度和技术保障水平来确定采用何种成模方法。成模原则的提出是希望建立起结构BIM模型在计算机中的运行方式与外部技术保障水平、项目复杂程度间的相互映射关系，以期实现对结构BIM模型本体文件进行规范的存储和交互。

3.1.4结构BIM技术保障原则

软件开发和二次开发应当采用何种计算机工程方法学理论，将关系到结构模型本体的精度和表达形式。中国有相当一部分研究是针对BIM软件开发的[18-20]，因此结构BIM技术方法学原则中应当包含有这个方向上的指导原则，可被定义为结构BIM技术保障原则（简称保障原则）。技术保障水平衡量参数的取值是综合考虑了BIM实施单位的软件水平、计算机硬件水平和人员水平等因素后所共同确定的。设想如果后期在BIM发展的过程中能够确定出技术保障水平衡量参数的取值方法，那么该参数即可以对企业的BIM实力进行衡量并与企业资质相挂钩，这样能够规范对BIM技术实施过程的管理，以消除企业将BIM作为营销手段的可能。

3.1.5结构BIM技术应用管理原则

结构BIM技术的价值体现在结构BIM模型的实际应用中，不论采用何种建模方法，结构BIM模型均是为实际工程服务的。如何规范构建与使用结构BIM模型，也是结构BIM技术作为一种方法向劳动生产力转化的重要一步。笔者将这些方法称为结构BIM技术应用管理原则，其具体表现为结构BIM模型使用方法[如建设工程全生命周期管理（BLM）][21-26]与相关规范[27-30]、法律的约束。

3.2结构BIM技术基本原则间的相互关系

3.2.1基本原则的外环境

除上述在结构BIM的基本原则中所提及的结构BIM技术实施外部影响因素外，笔者认为还存在2类直接的外部影响因素：经济可行性和结构工程外部需求（简称工程需求）。

考虑到经济可行性具有一定的不确定性和受多种不确定因素控制的特点，可以认为结构BIM技术的经济可行性是其影响因素的函数，能够采用函数映射关系来衡量，笔者将此称为结构BIM经济控制函数，即

在结构工程全生命周期以外的其他专业或工程不确定因素的影响条件下，外部环境对结构BIM模型存在一定的信息需求。笔者采用工程需求函数这一函数映射关系来衡量外部环境对结构BIM技术的需求，即

3.2.2基本原则间的相互关系

基于泛函和复合函数的定义，并结合BIM技术基本原则和外环境的数学表达式，不难推广得出模型精度是一确定的数值，但其受成模原则和外环境的控制，即模型精度与成模原则和外环境间有一一对应的关系。成模原则是保障原则的函数，外部环境是其各自对应变量的函数。因此，当相应的映射函数确定时，模型精度与其影响变量之间成复合函数关系；当相应的映射函数可变时，模型精度此时被认定为函数的函数，故此时形成一种多变量泛函关系。

目前，笔者尚无法确定模型精度与外部影响函数间应当是何种映射关系，相关研究文献中也没有对此问题的回答。因此笔者列出了这2种可能的映射关系，其数学表达式为

4结构BIM方法学理论的实践意义

方法学理论是结构工程过程、实践和哲学的统一，贯穿于工程结构全生命周期。结构BIM方法学理论具有十分重要的意义，这是由于方法学理论为结构这一复杂系统的开发注入了纪律；方法学中定义了一些BIM产物，这些产物是整个BIM运行过程中信息沟通的载体；方法学为BIM项目的进度测量、风险管理与规范运行定义了里程碑；方法学原则的数学模型是结构BIM技术定量化实施的手段，其不仅能够清晰反映各种影响因素间的相互关系，而且为未来结构BIM技术精确化操作打下了理论基础。

目前，中国结构BIM技术的应用仍处于初级阶段，在实际工程项目中，上述原则中的相关参量和函数映射关系并没有规范化和精确的定量，但是尝试应用上述原则定性分析工程实例也能够对结构BIM项目的应用状况有一个大致的判断。5结语

（1）本文所提出的结构BIM方法学理论框架是从方法学（哲学）的角度对结构BIM技术开展研究的大胆尝试，解决了从业人员对结构BIM技术的使用目的、使用方法、研究内容、研究方向模糊的问题。通过对所提出的方法学原则进行数学建模分析，为结构BIM技术定量化实施打下了基础。结构BIM技术方法学理论的另一分支结构BIM模型——科学调研的工具实质上是基本原则的进一步具体化，是对基本原则中相关映射函数具体形式的讨论。

（2）BIM技术目前在中国尚处于摸索阶段，本文从方法学理论的角度叙述了笔者对结构BIM技术的思考。本文中所提出的相关理论难免有不足之处，将在后续的研究中不断的改进与完善，并通过扶持企业3D全BIM转型落脚于实处，最终普遍推广到工程实践中。

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