BIM专利技术综述

(1.国家知识产权局专利局，北京 100088； 2.中国建筑科学研究院 北京 100013)

1 引言

BIM 技术管理理念的运用是现阶段建筑业发展的一大趋势[1]，尽管BIM技术在我国发展的时间较短，但随着建设工程从业人员对BIM技术认识的不断加深，国家、地方政策的大力支持[2]，BIM技术在逐渐被广大从业者接受和认可的过程中，BIM技术管理理念已经逐步融入到建设工程发展的全过程之中，并在建设工程的发展过程中起着越来越重要的作用。基于完整的 BIM 模型可以描述建筑全生命期各阶段建筑实体及其在建设、使用过程的全部信息和数据，各个参与方可以随时查询、利用、更新和完善 BIM 模型信息，提高工程管理和决策水平[3]。本文从涉及BIM的专利申请的角度入手，对向我国提出并已经公开的专利申请的数据进行综述分析，探讨了其申请量趋势变化、申请人类型分布以及主要申请人技术分布和发展情况。

2 专利申请现状

涉及BIM技术的专利申请数量众多，本文仅针对向中国国家知识产权局提出并且已经公开的涉及BIM技术的专利申请进行检索，检索时间截至2018年5月20日，笔者通过在CNABS数据库中进行检索、筛选和标引，共获得1386项涉及BIM技术的专利申请，以下分别从三个方面进行专利申请现状的解读。

2.1 专利申请量趋势

图1显示了自2008年以来BIM技术领域专利申请量的逐年变化情况。事实上，笔者在CNABS数据库中检索到的与BIM技术有关的专利申请最早出现在2008年，从2008～2010年间，该领域在中国的专利申请量一直处于较低的状态，每年不足5件，此时BIM技术引入我国时间较短，专利申请量不大且无明显增长势头。从2011年开始，年专利申请量开始超过20件，并且申请量开始逐年上升，此时也正值中国住房和城乡建设部印发《2011—2015 年建筑业信息化发展纲要》，将“加快BIM等新技术在工程中的应用”列入“十二五”规划，这在一定程度上促进了BIM技术的发展及相关专利申请量的增多[4-5]。到2015年专利申请量开始有了突飞猛进的爆发式增长，从之前的年申请量不足百件增长到年申请量超过200件，这与住建部于2015年6月发布的《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》以及2016年8月发布的《2016—2020 年建筑业信息化发展纲要》中明确了推进 BIM 技术应用不无关系[2]。随着BIM技术的逐步积累深入以及国家政策的大力支持，该领域的专利申请量在2017年达到顶峰，数量达到600余件。而2018年的申请量较少，可能是因为国内申请由于未满18个月而未进行公开，同时也可能有部分PCT申请未进入中国国家阶段，导致在CNABS数据库中检索不到，因而该年份数据在这里仅供参考。

图1 申请量年度分布

2.2 申请人分布情况

如图2所示，在检索获得的1386项专利申请中，有81.6%来自企业， 14.1%来自高校，还有4.3%来自个人申请。由于BIM技术主要是应用于建筑施工工程，建筑施工的生产规模大、成本高，并且需要配备专业设备和专业人员，上述这些特点导致其使用和改进多由企业来承担。随着技术不断发展进步，BIM逐渐与其它专业和其它新技术有所结合，高校和个人也积极参与进来。

在这1386项专利申请中，如果按照申请人来自国内和国外来划分，如图3所示，有97.4%来自国内申请人，仅有2.6%来自国外申请人，可以看到，国内申请从数量上来说占绝对的主导地位。这一方面说明我国建设工程行业的创新主体对BIM技术非常重视并看好其未来的发展前景，另一方面也说明国内企业知识产权保护意识的增强。而值得一提的是，尽管BIM技术最初来源于国外并且在国外发展迅猛，然而国外申请人在中国提出的涉及BIM技术领域的专利申请甚少，国内关于BIM技术专利申请的井喷式发展与国外申请的较少数量之间，是否存在我国在该领域申请的盲目扩张或专利申请的技术方案仅仅是BIM技术应用的细微改进以及缺少基础性、核心性技术等问题，这也值得BIM技术从业者在将来的工作中进一步思考。

图4显示了BIM技术领域专利申请八大主要申请人的分布状况。尽管在1386项涉及BIM技术的申请总量中，高校申请相对企业申请的数量较少，国外申请相对国内申请的数量较少，但在八大主要申请人当中，有三所高校和一个国外申请人上榜，这可以从一定程度上说明BIM技术及其专利申请在企业的分布比较广泛，覆盖的企业较多，但在高校和国外则是相对比较集中的分布在几所高校和个别国外企业。

图2 申请人类型分布 图3 国内外申请人数量分布

图4 主要申请人分布情况

3 主要申请人技术分支和发展情况

根据近期的研究论文通常可以预期行业今后的发展方向，而创新主体往往将其较有价值的研究成果申请专利进行保护，因而分析专利申请的内容对于预判行业的发展趋势很有帮助。本文选取了上述八大申请人中比较有代表性的两家国内企业(上海同筑信息科技有限公司和中国建筑第八工程局有限公司)、一所高校(华中科技大学)以及一家国外企业(霍尼韦尔国际公司)的专利申请进行研究，根据这几个申请人涉及BIM技术的专利申请的特点，归纳和分析了其在该领域的技术分布以及技术发展情况。

图5显示了上述四个代表性申请人在BIM技术领域专利申请的技术分布。从几大申请人的技术分布来看，该领域的研究主要集中在BIM技术的系统集成、模型优化、施工管理优化、施工方案优化、系统开发以及其它类型。其中系统集成主要是指在应用BIM综合管理平台的过程中，将BIM平台与RFID技术、监控系统、智慧楼宇系统等进行对接，以便于达到BIM扩展应用。模型优化主要是指通过一定的技术手段实现BIM模型轻量化、BIM模型拆分、渲染优化、自动添加BIM模型族文件信息、BIM模型快速放置定位等达到改善模型功能效果的技术。施工管理优化主要包括利用BIM技术对施工现场的成本、安全、质量起到直接或者间接的改善和促进作用的技术手段。施工方案优化主要包括利用BIM技术对施工现场的工艺、工法、方案等进行模拟，从而达到提前发现问题、更加精准指导施工的目的，虽然从根本上来说其最终达到的目的是优化施工管理，但其技术手段更加侧重于具体施工方案，因此单独分作一类。系统开发主要指BIM技术在这里不涉及专项应用，不直接对施工起到优化作用，而是从BIM系统中提取数据以开发新型的系统软件。其它类型主要是指专利申请的关键技术手段不涉及BIM技术，仅在技术方案中简单提到BIM技术的使用例如辅助性建模等，并不涉及BIM技术深入应用的技术方案。

图5 主要申请人的技术分布

从图5来看，作为信息科技企业代表的上海同筑信息科技有限公司的专利申请主要涉及模型优化、施工管理优化和系统集成方面，作为施工企业代表的中国建筑第八工程局有限公司在该领域的专利申请主要涉及施工方案优化、模型优化以及其它类型如BIM技术在工程施工等过程中的简单辅助应用，作为高校代表的华中科技大学在该领域的专利申请主要涉及施工管理优化和模型优化，而作为国外申请人代表的霍尼韦尔国际公司则与国内申请人有较大不同，其在该领域的专利申请几乎全部涉及系统开发方面。下文将对这四个申请人在不同时期的专利技术发展情况进行进一步的细化分析。

3.1 上海同筑信息科技有限公司

上海同筑信息科技有限公司成立于2012年，是专业从事工程信息化研究与服务的技术密集型企业。在CNABS数据库中检索到的该公司作为申请人的专利申请全部涉及BIM技术领域，其在BIM技术领域提出的专利申请最早出现在2014年，起初该公司的专利申请主要涉及BIM系统集成技术，通过采用BIM集成的数据库存储器，使数据与模型交互，从而使得工程管理及其系统更加多元化、信息化和集成化，涉及的专利申请主要应用领域为智能门禁装置、RFID工地人员自动定位系统、车位监控系统等； 该公司早期的专利申请也有部分涉及基于BIM技术的虚拟现实展示方法，从而可以低成本、短周期的完成建筑物的展示，并且提高观察者的体验感的模型优化技术，以及利用网络通信将数据存储在云端服务器，将工程管理数据与BIM模型相关联，从而实现数据及时更新同步以及模型与数据交互操作的工程管理优化技术。到2015年，该公司的专利申请进入高峰期，共有22项涉及BIM技术的专利申请，此时其专利申请主要涉及施工管理优化和模型优化技术，例如以公开号为CN105426972A的专利申请为代表的基于BIM的工程项目智能运维管理方法及系统，其包括根据用户移动端的信息确定与实际工程项目匹配的BIM模型并展示以及构件编辑信息、运维故障解决、运维信息推送等步骤，通过移动终端将BIM模型与现场定位，提高了运维人员工作效率，且大大降低了设备成本，并且能够主动采集工程项目运行数据，主动推送，提前发布预警。2016年，在CNABS数据库中检索到的该公司在BIM技术领域的专利申请量有所下降，共7项专利申请中有5项涉及模型优化技术，例如以公开号为CN106251397A的专利申请为代表的基于大型BIM模型的框选方法，通过采用选框椎体计算步骤、包围盒判断步骤、检查步骤、网格碰撞体建立步骤、碰撞步骤、合并框选结果步骤等，利用多次预筛选，将需要检测碰撞的对象数量降到最低，提高了对大型BIM模型的框选速度，并且合理筛出了大量选框外物体，以极低代价选出选框完全包含的对象，大幅减少了需要利用物理引擎检测的碰撞。

3.2 中国建筑第八工程局有限公司

中国建筑第八工程局有限公司是国家住建部颁发的新房屋建筑工程施工总承包特级资质企业，主要经营业务包括房建总承包、基础设施、工业安装、投资开发和工程设计等。在CNABS数据库中检索到的中建八局涉及BIM技术领域最早的专利申请出现在2012年初，但从2012年至2015年间该公司涉及BIM技术领域的专利申请很少，并且几乎全部申请均仅仅涉及的是建模过程在施工中的辅助应用，对BIM技术的发展创新的指导意义不大，此处不再赘述该类申请的具体技术手段。从2015年底、2016年初开始，该公司开始展开了以模型优化和施工方案优化技术为主导的专利申请，例如以公开号为CN105731262A的专利申请为代表的基于BIM技术的塔吊平面布置方法，通过建模单元、获取单元、平面布置单元、吊重检查单元的设置，从而能够为构件赋予重量参数，在场地布置完成后，进行塔吊吊重与构件重量的比对，完成塔吊覆盖范围内的吊重检查，实现了智能化的平面布置。到2017年该公司的申请量大幅提升，达到19件，从技术分布来看，其研发和布局方向仍然主要涉及模型优化和施工方案优化，例如以公开号为CN107665122A的专利申请为代表的土建BIM模型的自动更新方法，将三维实体构件的特定编码修改为与原始BIM土建模型中对应部分的构件的编码相同，通过替换相同编码的构件，替换原始BIM土建模型中的构件，完成原始BIM土建模型的自动更新，从而能够自动更新BIM模型，无需对土建BIM模型的整体重新建模，能够显著节约人力成本，提高BIM模型的使用效率。

3.3 华中科技大学

华中科技大学作为高校申请人中的代表，在CNABS数据库中检索到的其在BIM技术领域的专利申请最早出现在2013年，该最早的申请也仅仅是涉及建模过程在施工中的辅助应用， 2014年初开始出现了关于基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置及其工作方法的涉及施工方案优化的技术方案。之后很长一段时间，华中科大没有再进行有关BIM技术的专利申请，直到2016年才开始开展了相对大量的以模型优化和施工管理优化为侧重点的专利申请，而这种现象在2017年又开始减弱，在CNABS数据库中检索到的2017年华中科大在BIM技术领域的专利申请仅有1件。该申请人的的典型技术方案例如以公开号为CN106327104A的专利申请为代表的基于增强现实安全帽的施工管控系统及方法，通过安全帽获取人员位姿信息，将其同步定位到后台BIM模型中，根据安全帽虚拟视觉范围生成以及范围内施工对象信息判定，确定后台推送的人员视觉范围内的施工对象的进度信息、质量信息、安全信息、成本信息等，并传送到安全帽的增强现实眼镜上显示，供现场管理人员进行虚拟与现实的对比，管理人员据此下达相应施工管控指令，完成施工现场的高效管理。

3.4 霍尼韦尔国际公司

霍尼韦尔国际公司作为涉及BIM技术的在中国的专利申请量最大的国外申请人，其专利申请的技术分布的侧重点与国内申请明显不同，并没有在例如国内BIM主要应用的施工方案、施工管理、模型优化等方面进行专利申请布局，该公司的BIM技术在其专利申请中不涉及专项应用，不直接优化施工管理，而是从BIM系统中提取数据以开发其它诸如巡视、可穿戴设备等系统软件，从系统开发的角度进行专利申请。在CNABS数据库中检索到的其在BIM技术领域的专利申请最早出现在2010年，在2011～2017年中，其涉及BIM技术的专利申请基本上都以利用BIM模型为其可视化事件历史优化、警卫巡视系统优化和为可穿戴设备提供撤离路线等提供系统开发服务。例如以公开号为CN106408848A为例，其将开发具有多个威胁传感器的威胁检测系统，在存储器中体现的安全区域的建筑物信息模型(BIM)，检测人类居住者进入到安全区域并且提供每个人类居住者的位置的整体指示的访问控制系统，经由每个人类居住者携带的无线设备发射的无线电波检测安全区域内的人类居住者的具体位置的居住者定位器和通知器，基于BIM、威胁、威胁的位置和人类居住者的具体或整体表明的位置为每个人类居住者计算到安全出口的相应路线的安全路径计算器，其中所述居住者定位和通知器向人类居住者的无线设备无线发送相应计算的路线，达到高速、精确、实时提供安全撤离方案的目的。

图6 几大申请人的专利技术发展情况

图6为2010年至2017年，上海同筑信息科技有限公司、中国建筑第八工程局有限公司、华中科技大学及霍尼韦尔国际公司四个代表性申请人其关键BIM专利的技术发展情况。

3 结语

本文关于BIM技术领域专利申请的申请量趋势变化、申请人类型分布、主要申请人技术分布及其发展情况等的分析，也在一定程度上表明BIM技术从逐步为工程建设行业所知晓，经过快速蓬勃的发展，设计施工企业、软件企业和学术界纷纷展开了有关BIM技术的研究、开发和应用，各大申请人已经将BIM技术应用到工程建设的设计阶段、施工阶段以及建设完成之后的运维和管理阶段，并且也已经与互联网、云计算、移动通讯、增强现实等信息技术进行集成和融合。希望通过本文所介绍和归纳的对于BIM技术领域的技术分布、所处发展阶段、重要申请人技术发展状态等信息能够对BIM从业者在今后的BIM领域专利申请、技术开发等方面具有一些启示作用。