BIM在IPD模式中的应用文献综述

张佳莹

(清华惟邦城市与营建研究中心，北京 100012)

0 引言

目前，建筑工程行业正面临着巨大的技术和制度变革与挑战，包括建筑信息技术的革命和可持续性项目管理方式的实践。随着信息技术的飞速发展与传统交付模式自身缺陷的凸显，变革的交付模式综合项目交付IPD应运而生。建筑信息模型BIM则为项目过程提供了一个协作平台，可以作为IPD模式的有效支撑。建筑信息模型BIM与综合项目交付IPD协同管理的趋势越来越明显，国内外学者对BIM模型在IPD项目各阶段的应用进行了大量研究。

本文首先针对BIM的定义、核心概念、相关文献涵盖的主要议题，对前人研究成果进行综述，进而分析文献中未被广泛探索的领域。其次，综述BIM的优势、发展进程，并探索进程中存在的问题及背后原因、BIM可能进行的革命性突破，以及部分当下争论焦点；基于协同程度分析BIM与IPD的目标关系。然后，对IPD的产生背景、定义进行综述，总结IPD模式的优势、核心思想和实施原则，探索实现IPD模式的要素、IPD模式的应用障碍，以及IPD与BIM的关联与相互促进作用。最后，归纳BIM在IPD中的应用，探讨BIM技术在IPD中的应用发展方向，综述学者们在文献中提及的一些未来研究思路，以继续制定研究计划。

1 BIM

1.1 定义

BIM这一术语最初由建筑师Jerry Laiserin创造，用于描述“3D，object-oriented，AEC(建筑、建设、工程)，专用CAD(计算机辅助设计)”[1]。关于BIM的定义有很多，Eastman、Teicholz、Sacks和Liston定义BIM为“包含精确的几何形状和相关数据用以支持建设、装配和采购活动的一个项目的电子复制品”[2]。Sacks和Koskela认为，BIM明确地显示了结构的高度相互依存性，结构、建筑布局、机械、电气和管道系统通过技术使项目参与者耦合在一起[3]。美国NBIMS指出：“BIM技术是一种改进建筑计划、设计、建造、运营和维护过程的技术，它使用标准化的、机器可读的信息模型为每个建筑部件及设备建模，该模型包含独立创建和收集的能够在建筑的全生命周期使用的建筑部件及设备信息。”[4]另一种观点认为，BIM不仅是一种协作工具，而且是一种管理过程，对于这个过程可以用术语“虚拟设计与施工”(VDC)进行描述[5]。争议未有定论，无论解释为软件工具还是相关软件，BIM所实现的管理过程都被接受[5]。

BIM的核心是两个概念：①数据库效率。BIM的目标是允许信息集中存储、快速更新且由多个利益相关者访问，通过减少任务冗余来减少浪费文件。②可视化。所有BIM程序都可以用三维模型表示建筑物，这种可视化为给定建设项目中的利益相关者提供了三维的项目及其组件的图像[1]。

检索BIM相关的文献信息可知，主要议题大量涵盖BIM优势、BIM提出的概念框架、自动规则检查、潜在的协同效应与进一步推动IPD、BIM应用的障碍因素、BIM与精益互动、BIM对项目管理的影响、BIM对模块化结构的影响、BIM模型方法等。虽然许多文献主要议题提及使用BIM对生产率、成本、进度、质量的潜在积极影响，但通过对比全程使用BIM和没有使用的工程承建商每平方英尺(或其他可量化的指标)所花费的实际工时研究没有提及；BIM对提高安全性损失率的影响未被广泛研究；BIM技术的法律问题及其在行业中的社会学影响未被广泛探索。

许多学者都在文献中描述了BIM的明显优势。Eastman等人总结了使用BIM的优势，主要分为4类：施工前的收益(概念和可行性)，设计优势(可视化、变化的自动校正、2-d计划生成等)，建筑和制造的益处(同步规划、冲突检测、自动制造、量调查和估算等)，以及施工后的益处(管理和建筑操作)[6]。杨宝明指出，越来越多的建筑工作将在基于BIM的平台上完成作业，以提高工作效率和质量，工作成果可储存、可检索、可计算、可协同共享[7]。最终，BIM带来建筑业计算能力、数据能力的大幅度提升，是建筑业产业升级的必经之路[7]。除此之外，在建筑中使用的信息技术系统涉及所有学科，可用于描述和记录项目团队每个成员的贡献[8]，极大地提升行业透明度，可以杜绝很多工程腐败问题[7]。

1.2 发展进程

BIM为整个项目过程提供了一个平台，这个平台可以实现高度协作(AIA，2007)。但是基于平台的协作需要自行完成，不是平台自带的属性[9]，协作是一种建立在信任基础之上的人际活动[5]。然而，商业建筑行业中建设过程的碎片化、参与人之间的对立关系，被认为是充分实现BIM优势的障碍。Dossick和Neff进行了人种学研究并得出结论，如果没有强有力的领导，协作过程容易被简化为简单的信息交换，而不是有意义的问题解决和优化[10]。比如，项目中分包商之间的相互竞争会严重限制项目合作的程度。倡导者声称，IPD的适当执行将会消除一些(非全部)的障碍(AIA，2007)。

为了充分利用BIM的潜在优势，必须重新定义项目管理的概念，并且发展项目交付使用的过程和设备[11]。在发展趋势中，项目过程越来越多地使用专门知识的复杂信息系统；在项目交付过程中，BIM和相关技术的使用越来越普遍。当前的管理制度强调了参与者相互依赖性的不足，Succar认为IPD应该是所有BIM实现的期望终点[12]。这与AIA(2007)和Froeses的分析相一致，他们指出BIM的长期愿景是对领域技术、过程和策略的合并。

Popov、Juocevicius、Migilinskas、Ustinovichius和Mikalauskas发展了5D(3D+时间+成本)项目环境模型，将启用BIM的项目分为3个阶段：设计和资源的计算、组织和模拟建设工程、工程设施管理[13](见表1)，并建议使用此BIM启用模型替换整个行业普遍存在的传统的设计-投标-建造模型[13]，其目标本质上就是AIA(2007)定义的综合项目交付IPD的目标。该模型依赖于大量使用BIM来实现成本估算方面的协作，如自动文档审查、系统分析、价值工程、计划、资源分配、地点后勤和设施管理/维护等。同样，BIM被设想为一种工具用于项目集成。

表1 根据5D概念进行项目开发的各个阶段[13]

发展至2018年，目前具有革命性价值的BIM被认为可以发展至7D：3D实体+1D时间+3D工序维度。杨宝明认为，当形成7个维度结构化数据库且数据颗粒度达到构件级时，就会产生无数项目管理革命性的高价值应用，成为革命性的技术[7]。其核心价值是为建筑业全产业链提供其一直需要的创建、计算工程数据的能力，并提供最佳的建筑全生命周期的数据承载平台。7D数据库一旦建成，工程的计算能力、分析能力、精细化管理能力就拥有强大的技术和数据支撑，过去管理中的很多问题将能获得突破。也有学者提出了nD的说法，杨宝明则批判了这种论调，他指出造价并不是BIM的一个维度，而只是BIM承载的一个重要工程属性[7]。

Succar通过总结前人的研究和发现的问题后，基于协同程度将BIM应用分为5个阶段[13](表2)，层层递进，形成一种发展趋势，最后实现IPD最高的协同目标[14]。

目前，市面上的BIM软件，如民用建筑使用的Autodesk Revit，工厂设计和基础设施使用的Bentley，单专业建筑事务所应用的ArchiCAD、Revit、Bentley，适用于预算充裕的完全异形项目的Digital Project或CATIA，结构设计方面的PKPM等，均可以不同程度地支撑基于IPD的协同管理[15]。

2 IPD

2.1 定义

为了有效地管理项目，多种项目管理和交付方法已经被创建、测试和修改。传统步骤是工程、采购、制造组装[16]，随着项目复杂度提升且被放在“快车道”上以缩短项目工期，为了降低项目增加所带来的相关风险，传统方法的性质演变成几个学科在团队环境中朝着一个共同的目标努力[16]。团队之间以及成员内部的沟通需求增加，这种需要刺激综合项目交付即IPD的形成[17]。在21世纪信息技术突飞猛进的环境下，传统交付模式越来越不能满足实际的需求，催生新项目交付模式的发展，IPD应运而生[15]。IPD是传统项目交付模式变革的结果，目标是消除浪费、缩短时间、改进项目团队组织方式、降低成本、提高生产力，为有关各方创造共赢的结局[18]。

IPD是一种管理大规模建设和发展项目的方法，贯穿于项目的规划、设计和执行阶段。美国建筑师学会(AIA，2007)将综合项目交付IPD定义为“一个综合的可以实现相关参与因素集成并高度协作的项目交付办法，通过设计的各个阶段减少浪费和优化效率。”IPD模式的创新在于两个方面：①对所有参与方进行集成要求共享信息资源；②根据共享信息资源实现协同决策和精益建造的效果。IPD更能有效地促进BIM技术的应用[16]。2010年，美国研究人员进行的工程项目IPD模式效果调查结果显示，在工程成本方面70.3%实现下降，在工期方面59.4%实现缩短，在信息资源方面58.6%实现共享[19]。

《综合项目交付指南》(IPD guide，2007)对IPD的核心思想进行了表述与介绍：第一点是集成，对实践经验、组织系统和人进行集合，向整体化方向发展；第二点是合作，团队建设上要求参与方协作共享、风险共担、利益同享；第三点是全生命周期贯彻，参与者的协作共享在所有阶段都有体现；第四点是精益，在人力、财力、物力和时间方面达到最优(AIA，2007)。IPD具有5点特征[20]：①项目各参与方用合同来协调和保障所有各方的商业利益，项目团队建设起始于项目初始阶段，结束于项目交付，贯穿项目全生命周期；②整个工作流程具有非常高的协同性；③要求项目利益相关者共享资源和信息；④充分发挥项目参与人员的专业知识和相关技能；⑤项目的成功基于团队的成功，即共享风险和奖励、基于价值的决策以及充分利用能力和技术支持。综上可知，IPD是一种项目交付方式，基于BIM技术平台，其方式特点是项目参与方在知识和资源上实现共享并在操作中保持高度协同性。参照表2，对于BIM成熟度而言，IPD交付方式可以说是其等级发展的终极目标。

2.2 实现IPD模式的要素

IPD模式的实现需要以其内容和一定的原则作为依托：①在项目的整个生命周期中，参与者在各个方面协同合作，尤其注重在早期确定共同的综合项目目标，以实现最终互利共赢；②为了实现IPD模式的更有效应用，实现信息共享、设计最大限度优化、模拟施工等高精益追求，需要BIM技术作支持；③IPD模式下的多方关系合同契约将各参与方紧紧捆绑在一起，遵循信任原则、流程透明、有效协作、信息公开共享，保证稳定、互尊和互信的合作关系。此外，在考核和激励机制下，促使各参与方积极提高项目效率与效益，履行参与各方在项目中的责任和权利[15]。

2.3 IPD模式的应用障碍

针对IPD应用的阻碍因素，学者张连营和赵旭基于协同工作的角度进行剖析[19]；陈茜则通过定量数据来对阻碍因素进行分析，得出阻碍因素的特征[21]；高崧、李卫东对比分析了以上两个阻碍因素研究，认为它们是相互补充的关系，对阻碍因素做如下总结[14]：①硬件方面在于人员和规范标准：BIM技术水平有限，IPD没有相应的标准合同和规范框架；②软件方面在于机制问题：信任障碍，没有明确责任分担，缺乏激励刺激，收益与风险匹配问题。

为了克服这些障碍，更好地实现IPD模式，Wong和Cheung研究了建筑方面伙伴的信任关系，并认为承包商和业主在看待信任以及培养信任方面的不同[22]。Gregory F. Starzyk和Margot McDonald等人研究了综合伙伴关系中如何在“形成”“实施”和“发展”的各步骤中增强信任[23]，并指出知识产权是一个经常被忽略的可能影响合作关系的因素。有效的合同能提高合作品质，惧怕丧失商业信誉是履行合同的动力，也是一个激励因素。在实施过程中，须随着项目的发展而不断调整BIM执行计划，以防止BIM工具和某个合伙人的商业进程不合拍导致合伙人之间丧失互相理解和调整知识质量的机会。在后期的发展中，合作伙伴的合作关系趋于稳定，相互认同彼此的利益，此时的合作关系就不易因意外情况、未达到预期或纠纷而受到本质的影响。

3 BIM在IPD中的应用

使用BIM作为与IPD系统结合使用的信息共享工具是在建筑业的发展中更有前途的一种方式。BIM旨在促进各方之间的信息交流，以降低成本、错误和冗余为目标[24]。

AIA认为“BIM为整个项目的设计提供了一个协作平台”。此外，他们声明，“BIM是一种工具，不是项目交付方法，提倡IPD与BIM携手合作并充分利用该工具的功能”。业内也有学者提出“IPD的反思作为促进BIM的一种手段”的想法，这与AIA(2007)所理解的两者之间的关系相反[25]。

虽然IPD系统已经成熟，但与特定项目的所有利益相关者之间的信息流仍未充分整合[17]。利益相关者，指的是客户、最终用户、承包商、工会、直线组织、公共当局、财务机构、保险公司、控制机构、媒体第三方和竞争对手[26]。

从整体来看，目前BIM在IPD中的应用主要分为几大方面：马智亮、马健坤总结认为BIM技术为IPD提供数据存储交换服务、为处理IPD相关法律事务提供服务、辅助IPD完成设计施工任务、影响IPD组织文化[27](图1)。应该说，BIM不仅能辅助IPD完成设计施工，而且能为IPD项目各阶段提供服务。此外，BIM技术还可用于描述和记录IPD项目团队每个成员的贡献[8]。

3.1 BIM技术为IPD提供数据存储交换服务

IPD的特点是各个项目参与方从项目开始就组成一体化的项目实施团队，需要在早期阶段就开始进行有效的信息交流。然而，由于行业发展的历史原因，在数据存储上没有进行规范统一，导致参与方各自为政，造成沟通障碍[27]。

而BIM基于CAD技术，其过程可涵盖整个项目的全生命周期，从开始到交付，且建筑信息模型具有多属性特点，其数据标准开放、交互过程高效、数字可视化[27]，可作为IPD的支撑技术为其提供数据存储交换服务[15]。根据研究报告，BIM技术已经能为IPD在数据存储交换方面提供有效支持[28-30]。项目信息资源的传递共享在传统模式下实现较困难，受各个阶段过程和相应组织关系的转变因素影响，信息仅可在每个阶段内流动顺畅，在不同阶段之间则存在信息碎片；而在BIM和IPD协同应用的情况下，建设项目全生命周期所产生的信息储存整合至一个数据模型，使得信息能在全生命周期内持续地流动与共享，如图2所示。

当然，这方面还存在一些问题。Reza指出，在实际应用中，现阶段还难以将项目所有涉及的专业知识和技术纳入建筑信息模型中，只有建筑和结构设计等核心的部分能够将相关的成果数据整合到相应的信息模型中[31]。研究人员Volker表示，建筑信息模型在实践中会因大量的细节信息充斥而使得模型运转缓慢[32]。

3.2 BIM技术为处理IPD相关法律事务提供服务

长久以来，阻碍复杂建筑项目合同有效实施的一个重要因素是不能清晰明确地定义合同标的物。IPD关系型专属合同在BIM技术帮助下，能在精确的建筑信息模型中准确清晰地定义标的物[33]。Fish指出，建立精确的建筑信息模型能够帮助IPD参与方之间法律诉讼最小化[34]。

对于传统的项目交付方式而言，设计者和施工方合作的最大阻力在于对知识产权的争议，学者Stephen基于相关调查和研究数据着重对该模式下与法律相关的问题争议进行研究，认为对于项目设计阶段产生最大影响的因素就是知识产权纠纷[35]。研究人员Wang表示，解决设计产品的相关知识产权问题纠纷最好的途径是通过BIM技术建立多属性的建筑信息模型，要求该模型不仅能够面向各种类型的对象，而且能够保持完整性、清晰性和具体性[36]。Pishdad也指出在建筑信息模型中清楚地划分参与方各自的贡献，能使IPD参与各方在技术层面上最大限度地获得知识产权保障，不管是施工方、咨询方，还是设计方[37]。

图1 BIM技术在IPD中的应用框架[27]

图2 传统模式和BIM与IPD结合模式信息流比较[15]

3.3 BIM模型为IPD项目各阶段提供服务

W. Nofera和S.Korkmaz认为，通过BIM技术可以更好地实现IPD模式对于项目的协同作用，促成项目的顺利实施[38]。Ryan指出IPD 与BIM技术的融合能够消除由于设计缺陷导致的施工障碍[39]。

通过对BIM各功能、IPD 模式以及BIM在IPD项目各阶段建模策略的分析，可知BIM在IPD建设项目的各阶段都可以发挥其自身的作用[40-41]。BIM模型在IPD项目各阶段的应用如下：

(1)参考项目设计设想和目标构建的建筑模型，能在工程模型分析和设计方案调整方面提供有效的技术支持[15]；可以直观地帮助IPD参与方更有效地交流专业问题优化设计[28]。

(2)结构工程可由相应的结构设计模型提供技术支持[15]。

(3)设施、设备、消防工程等可由相应的专项分析模型提供技术支持[15]。

(4)在项目设计过程中，不同专业领域之间容易发生争议，例如电气、设备、暖通、结构等。这种情况需要相应的设计协同模型来提供技术支持，提前对相应的冲突进行预测并做协调处理，减少后期争议返工或停滞，提高效率和降低成本[15]。

(5)对于工程项目的进度把控和安全质量等问题可由相应的施工协同管理模型作为技术支持，其作用在于对进度、成本、质量、安全等方面的内容进行综合把控[15]。Lancaster指出BIM技术建立的4D建筑信息模型，能够在特定时间节点提供相应的方案优化建议和技术支持改进，对项目的结果可行性进行最优化促进[42]。

(6)相应的估算和成本与进度计划可依托估算计划模型作为技术支持，以在对应阶段实现最优方案[15]。使用BIM技术对IPD项目进行虚拟施工和冲突检测，可以为涉及的所有技术专业参与方提供优化设计的有效依据，获得更高的预期经济产出[43]。

(7)对于相应的安装流程可由专业安装模型提供技术支持，模型包含材料、图样、设备、技术等信息[15]。

3.4 BIM技术对形成IPD组织文化的影响

Howard认为，BIM技术能够协同团队，能够从实际出发对项目进行定义，合理科学地划分相应的工作任务和职责使其易于被理解与接受，自然促使参与方之间愿意坦诚地交流与合作并且相互信任与尊重，减少法律纠纷[44]。

3.5 BIM技术用于解决IPD应用障碍

在IPD项目中，所有利益相关者之间的信息流仍未充分整合[17]。而在建筑中使用BIM技术系统包含所有学科，可用于描述和记录项目团队每个成员的贡献[8]，极大地提升行业信息透明度，可以解决上文中提到的IPD应用障碍中的风险分担、责任承担、收益分配的问题，甚至可以杜绝很多工程腐败问题[7]。

4 BIM技术在IPD中的应用发展方向

为了更好地在IPD中应用，BIM技术需要在扩展其统一的数据标准、提高建筑信息模型的运行与维护性能、适应网络化应用、进行有效的数据管理等方面取得突破。

4.1 扩展BIM技术的统一数据标准

目前，不同类型的建模工具产生了纷繁复杂的BIM文件格式，如rvt、ifc、dgn、skp、nwd、adm等。BIM技术能为IPD提供数据存储交换服务，但还不能完全满足IPD多参与方之间进行数据共享与交换的需求，因此BIM技术还需要改进扩展其统一的数据标准。

4.2 模型轻量化显示、提高建筑信息模型的运行与维护性能

在现代化发展进程下，建筑项目越来越复杂，建筑模型中的信息输入包含IPD项目的所有参与方，将产生TB级别的海量数据[7]，这也使得模型运行维护更加困难。且对于IPD模式而言，要求各方知识产权进行清晰划分定义，因此模型需具有较高的精确度，这样模型中对象的数量和属性将大幅增加，这些都会降低模型的运行效率[7]，所以模型的轻量化显示非常有必要(广联达，2018)。因此，只有提高BIM技术运行与维护方面的能力，才能更好地为IPD提供技术支持。

4.3 发展适应网络化应用的BIM技术

IPD模式需要参与者之间频繁的沟通，必然会产生相应的沟通成本，主要体现在费用和时间上。现代社会互联网络技术发达，IPD参与者应该充分利用互联网进行整合创新，BIM技术也需要适时调整。

4.4 有效管理BIM数据

首先，如何有效管理建筑信息模型中由原始文件和运用时产生的动态文件所产生的数据是BIM应用的关键因素(广联达，2018)。此外，数据安全问题也需要高度重视，很多关系到国计民生的政府重大工程项目的数据和信息应当被妥善保护。若将BIM模型存放于国外的服务器，可能涉嫌违反《国家安全法》[7]。

4.5 其他

学者们在文献中还提及了一些未来的研究思路，包括：BIM虚拟数据库与链接数据库的概念信息；BIM与可持续设计的协调；IPD作为BIM推广方法的再思考；教育影响以及项目的整个生命周期的管理问题；采用项目绩效度量(如成本、利润、投资回报、进度、安全、关系等)定量方法在实际工程中的应用等数据，以进一步了解BIM在IPD中的应用。

5 结语

BIM为整个项目过程提供了一个可协作的平台，能为IPD项目各阶段提供服务，作为技术支撑以实现IPD模式。而IPD的适当执行将会消除部分阻碍充分实现BIM优势的障碍，能更有效地促进BIM技术的应用。更具体地说，IPD交付模式的特点是参与方利益高度协同，BIM技术与IPD模式的结合能使信息共享持续项目全生命周期的每个阶段内进行畅通流动。BIM和IPD的目标皆在消除浪费、缩短时间、降低成本、提高生产力，使参与各方的目标与利益趋于一致，促进全生命周期的协同合作，为有关各方创造共赢的结局。

虽然BIM和IPD模式协同管理的方法优势明显，可以从根本上解决传统模式的许多问题，适应复杂项目和高速发展的需求，给建筑业带来巨大的价值和变革，但当下的BIM技术和IPD模式在实践过程中都还不够成熟且存在一些问题亟待解决，尤其是数据标准的统一和数据的有效管理、模型的轻量化和高效运转、BIM和IPD模式的标准化合同的制定和推广、知识产权和相应法律的规范等。此外，用可量化的指标对比全程使用BIM和没有使用的所花费的实际工时与成本研究、BIM对安全和提高安全性损失率的影响、BIM技术的法律问题和其在行业中的社会学影响、IPD组织文化的影响等有待在未来的研究中继续探索。