何謂BIM
BIM 的理論基礎(chǔ)主要源于制造行業(yè)集CAD 、CAM 于一體的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS(Computer Integrated Manufacturing System )理念和基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM 與STEP 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品信息模型。BIM 是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ),集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型,BIM 是對工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)。一個(gè)完善的信息模型,能夠連接建筑項(xiàng)目生命期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源,是對工程對象的完整描述,可被建設(shè)項(xiàng)目各參與方普遍使用。BIM 具有單一工程數(shù)據(jù)源,可解決分布式、異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題,支持建設(shè)項(xiàng)目生命期中動態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享。BIM 一般具有以下特征。
模型信息的完備性。除了對工程對象進(jìn)行3D 幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系的描述,還包括完整的工程信息描述,如對象名稱、結(jié)構(gòu)類型、建筑材料、工程性能等設(shè)計(jì)信息;施工工序、進(jìn)度、成本、質(zhì)量以及人力、機(jī)械、材料資源等施工信息;工程安全性能、材料耐久性能等維護(hù)信息;對象之間的工程邏輯關(guān)系等。
模型信息的關(guān)聯(lián)性。信息模型中的對象是可識別且相互關(guān)聯(lián)的,系統(tǒng)能夠?qū)δＰ偷男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,并生成相應(yīng)的圖形和文檔。如果模型中的某個(gè)對象發(fā)生變化,與之關(guān)聯(lián)的所有對象都會隨之更新,以保持模型的完整性和健壯性。
模型信息的一致性。在建筑生命期的不同階段模型信息是一致的,同一信息無需重復(fù)輸入,而且信息模型能夠自動演化,模型對象在不同階段可以簡單地進(jìn)行修改和擴(kuò)展而無需重新創(chuàng)建,避免了信息不一致的錯(cuò)誤。
BIM 的價(jià)值
具體而言,BIM 的應(yīng)用具有以下價(jià)值。
1、解決當(dāng)前建筑領(lǐng)域信息化的瓶頸問題
建立單一工程數(shù)據(jù)源。工程項(xiàng)目各參與方使用的是單一信息源,確保信息的準(zhǔn)確性和一致性。
實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各參與方之間的信息交流和共享。從根本上解決項(xiàng)目各參與方基于紙介質(zhì)方式進(jìn)行信息交流形成的“信息斷層”和應(yīng)用系統(tǒng)之間“信息孤島”問題。
推動現(xiàn)代CAD 技術(shù)的應(yīng)用。全面支持?jǐn)?shù)字化的、采用不同設(shè)計(jì)方法的工程設(shè)計(jì),盡可能采用自動化設(shè)計(jì)技術(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。
促進(jìn)建筑生命期管理,實(shí)現(xiàn)建筑生命期各階段的工程性能、質(zhì)量、安全、進(jìn)度和成本的集成化管理,對建設(shè)項(xiàng)目生命期總成本、能源消耗、環(huán)境影響等進(jìn)行分析、預(yù)測和控制。
2、基于BIM 的工程設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)。能夠根據(jù)3D 模型自動生成各種圖形和文檔,而且始終與模型邏輯相關(guān),當(dāng)模型發(fā)生變化時(shí),與之關(guān)聯(lián)的圖形和文檔將自動更新;設(shè)計(jì)過程中所創(chuàng)建的對象存在著內(nèi)建的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系,當(dāng)某個(gè)對象發(fā)生變化時(shí),與之關(guān)聯(lián)的對象隨之變化。
實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)計(jì)之間的信息共享。各專業(yè)CAD 系統(tǒng)可從信息模型中獲取所需的設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)信息,不需要重復(fù)錄入數(shù)據(jù),避免數(shù)據(jù)冗余、歧義和錯(cuò)誤。
實(shí)現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。某個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)的對象被修改,其他專業(yè)設(shè)計(jì)中的該對象會隨之更新。
實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)和智能設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)碰撞檢測、能耗分析、成本預(yù)測等。
3、基于BIM 的施工及管理
實(shí)現(xiàn)集成項(xiàng)目交付IPD(Integrated Project Delivery )管理。把項(xiàng)目主要參與方在設(shè)計(jì)階段就集合在一起,著眼于項(xiàng)目的全生命期,利用BIM 技術(shù)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)及管理。
實(shí)現(xiàn)動態(tài)、集成和可視化的4D 施工管理。將建筑物及施工現(xiàn)場3D 模型與施工進(jìn)度相鏈接,并與施工資源和場地布置信息集成一體,建立4D 施工信息模型。實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目施工階段工程進(jìn)度、人力、材料、設(shè)備、成本和場地布置的動態(tài)集成管理及施工過程的可視化模擬。
實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各參與方協(xié)同工作。項(xiàng)目各參與方信息共享,基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)文檔、圖檔和視檔的提交、審核、審批及利用。項(xiàng)目各參與方通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作,進(jìn)行工程洽商、協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量、安全、成本和進(jìn)度的管理和監(jiān)控。
實(shí)現(xiàn)虛擬施工。在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行建造過程,虛擬模型可在實(shí)際建造之前對工程項(xiàng)目的功能及可建造性等潛在問題進(jìn)行預(yù)測,包括施工方法實(shí)驗(yàn)、施工過程模擬及施工方案優(yōu)化等。
4、基于BIM 的建筑運(yùn)營維護(hù)管理
綜合應(yīng)用GIS 技術(shù),將BIM 與維護(hù)管理計(jì)劃相鏈接,實(shí)現(xiàn)建筑物業(yè)管理與樓宇設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控相集成的智能化和可視化管理。
基于BIM 進(jìn)行運(yùn)營階段的能耗分析和節(jié)能控制。
結(jié)合運(yùn)營階段的環(huán)境影響和災(zāi)害破壞,針對結(jié)構(gòu)損傷、材料劣化及災(zāi)害破壞,進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)安全性、耐久性分析與預(yù)測。
BIM 的研究
對于BIM 國內(nèi)外一些知名大學(xué)率先展開了卓有成效的基礎(chǔ)性研究。1996 年美國斯坦福大學(xué)提出的
4D 模型,將建筑構(gòu)件的3D 模型與施工進(jìn)度的各種工作相鏈接,動態(tài)地模擬這些構(gòu)件的變化過程;新加坡南洋理工大學(xué)提出了一個(gè)基于IFC 的網(wǎng)絡(luò)工作平臺,采用網(wǎng)絡(luò)及XML 技術(shù)進(jìn)行信息交換,支持建筑設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)分析的模型轉(zhuǎn)換;英國索爾福德大學(xué)提出的基于IFC 信息模型的4D 計(jì)劃管理工具,實(shí)現(xiàn)了施工計(jì)劃模擬、概預(yù)算以及施工項(xiàng)目假設(shè)分析。筆者及清華大學(xué)研究組于2002 年研發(fā)的4D 施工管理擴(kuò)展模型,將建筑物及其施工現(xiàn)場3D 模型與施工進(jìn)度相鏈接,并與施工資源和場地布置信息集成一體,2006 年開發(fā)了基于IFC 和BIM 的4D 建筑施工管理系統(tǒng)和物業(yè)智能管理系統(tǒng)。
隨著對信息建模研究的不斷深入,一些著名軟件開發(fā)商也提出了名稱各異的信息模型概念。匈牙利Graphisoft 公司提出虛擬建筑(Virtual Building, VB )的概念,并應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)軟件ArchiCAD 中;美國Bentley 公司基于全信息建筑模型(Single Building Model,SBM),推
1、基于IFC 的BIM 基本架構(gòu)基于IFC 的BIM 基本架構(gòu)是一個(gè)包括數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系,其基本思路是隨著工程項(xiàng)目的進(jìn)展和需要分階段創(chuàng)建BIM ,即從項(xiàng)目規(guī)劃到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營不同階段,針對不同的應(yīng)用建立相應(yīng)的子信息模型。各子信息模型能夠自動演化,可以通過對上一階段模型進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、擴(kuò)展和集成,形成本階段信息模型,也可針對某一應(yīng)用集成模型數(shù)據(jù),生成應(yīng)用子信息模型,隨著工程進(jìn)展最終形成面向建筑生命期的完整信息模型。
2、面向設(shè)計(jì)與施工的BIM 建模系統(tǒng)引入建筑業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)IFC ,將建筑3D 模型與設(shè)計(jì)、施工及管理信息集成一體,實(shí)現(xiàn)了3D 模型參數(shù)化創(chuàng)建與顯
示,建筑構(gòu)件和體量、材料、進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等信息關(guān)聯(lián)、查看、編輯和擴(kuò)展,模型的IFC 格式導(dǎo)入與導(dǎo)出等功能。本系統(tǒng)適用于各種建筑設(shè)計(jì)與施工階段的BIM建模與編輯,為BIM 創(chuàng)建提供了工具。
2、面向設(shè)計(jì)與施工的BIM 建模系統(tǒng)引入建筑業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)IFC ,,將建筑3D 模型與設(shè)計(jì)、施工及管理信息集成一體,實(shí)現(xiàn)了3D 模型參數(shù)化創(chuàng)建與顯示,建筑構(gòu)件和體量、材料、進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等信息關(guān)聯(lián)、查看、編輯和擴(kuò)展,模型的IFC 格式導(dǎo)入與導(dǎo)出等功能。本系統(tǒng)適用于各種建筑設(shè)計(jì)與施工階段的BIM建模與編輯,為BIM 創(chuàng)建提供了工具。
3、基于IFC 的BIM 數(shù)據(jù)集成與管理平臺
可基于BIM 工程數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息存儲、管理和高效的訪問,并基于子信息模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程中BIM 數(shù)據(jù)積累、管理和共享。平臺提供了BIM 數(shù)據(jù)存儲、維護(hù)、管理以及三維幾何模型和材料、進(jìn)度等工程信息的瀏覽與查詢功能,實(shí)現(xiàn)多用戶的權(quán)限控制和并發(fā)訪問。該平臺為基于BIM 的AEC/FM 系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)支持,是面向建筑生命期工程信息管理的平臺支撐。
4. 建筑施工IFC 數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合我國建筑施工信息管理的特點(diǎn)和相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),在IFC標(biāo)準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)上,編制了建筑施工IFC 數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)基于IFC原有架構(gòu),應(yīng)用IFC 實(shí)體擴(kuò)展和屬性集擴(kuò)展機(jī)制,針對建筑施工的成本管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理及綠色施工的五個(gè)方面進(jìn)行了IFC 實(shí)體和屬性集擴(kuò)展,共擴(kuò)展IFC 實(shí)體91 個(gè)、IFC 屬性集126 條,形成了構(gòu)建建筑施工信息模型的IFC數(shù)據(jù)描述和體系結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營維護(hù)的信息共享和交流,開發(fā)新一代建筑施工管理系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),填補(bǔ)了建筑施工統(tǒng)一數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)的空白。
5、基于BIM 技術(shù)的建筑施工優(yōu)化控制和管理系統(tǒng)
該系統(tǒng)研究基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)定義了施工管理領(lǐng)域涉及的人力、機(jī)械、材料等資源信息模型,通過建立將資源信息模型與施工計(jì)劃、成本和施工場地信息模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)的信息集成機(jī)制,構(gòu)建基于IFC 的施工優(yōu)化信息模型。綜合應(yīng)用離散事件模擬、蒙特卡羅隨機(jī)模擬和粒群優(yōu)化算法的理論和方法,分析施工資源與施工工期之間的動態(tài)關(guān)系以及不與施工工期之間的動態(tài)關(guān)系以及不確定性事件對工程工期的影響,實(shí)現(xiàn)了合理工期條件下的施工資源和場地的優(yōu)化,以及在一定資源和場地條件下對施工工序進(jìn)行優(yōu)化,并將4D 施工管理系統(tǒng)(4D-GCPSU))與基于離散事件模擬的施工優(yōu)化系統(tǒng)(SDESA ))進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)4D 施工過程優(yōu)化以及施工操作的可視化模擬。該系統(tǒng)在北京奧運(yùn)會國家體育場、廣州珠江新城西塔等多個(gè)大型工程示范應(yīng)用,有效的輔助設(shè)計(jì)施工人員進(jìn)行施工進(jìn)度安排與優(yōu)化,場地布置和施工操作優(yōu)化,明顯提高了關(guān)鍵工序的施工效率和精度,提高了信息化管理水平。
6、基于BIM 的建筑工程4D 施工管理及安全分析系統(tǒng)該系統(tǒng)研究發(fā)展4D 模型理論,綜合應(yīng)用BIM 技術(shù),建立4D 施工信息模型,實(shí)現(xiàn)了施工進(jìn)度、資源、成本、場地的4D 集成化動態(tài)管理和4D 可視化模擬。該系統(tǒng)引入IFC 標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)IFC 文件解析器和IFC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口,建立建筑施工安全管理和結(jié)構(gòu)分析的IFC 數(shù)據(jù)描述,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工信息的交流與共享。通過直接獲取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息,自動生成4D 施工安全信息模型,實(shí)現(xiàn)了施工過程時(shí)變結(jié)構(gòu)和支撐體系的安全分析,進(jìn)度、資源、成本的沖突分析和預(yù)測,以及相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制和決策支持。通過建立施工場地設(shè)施時(shí)變空間模型,實(shí)現(xiàn)了施工設(shè)施與設(shè)施、設(shè)施與建筑構(gòu)件在施工過程中的動態(tài)碰撞檢測。
該系統(tǒng)在北京奧運(yùn)會國家體育場、青島海灣大橋、廣州珠江新城西塔、上海金融交易廣場等多個(gè)大型工程示范應(yīng)用,提高了施工效率,保障施工過程結(jié)構(gòu)安全,減少了施工沖突,提高了信息化管理水平,取得顯著成效。
BIM 的應(yīng)用
BIM 是一種全新的理念,它涉及到從規(guī)劃、設(shè)計(jì)理論到施工、維護(hù)技術(shù)的一系列創(chuàng)新和變革,是建筑業(yè)信息化的發(fā)展趨勢。BIM 的研究對于實(shí)現(xiàn)建筑生命期管理,提高建筑行業(yè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的科學(xué)技術(shù)水平,促進(jìn)建筑業(yè)全面信息化和現(xiàn)代化,具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
目前,BIM 的應(yīng)用在歐美發(fā)達(dá)國家正在迅速推進(jìn),如美國已推出國家BIM 標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定房屋建筑設(shè)計(jì)必須應(yīng)用BIM 技術(shù),推行集成項(xiàng)目交付IPD 管理模式。同時(shí)該行業(yè)的大力推進(jìn),使得BIM 工程師、BIM
經(jīng)理、BIM 咨詢公司等新型職業(yè)和商機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。與歐美發(fā)達(dá)國家相比,我國BIM 應(yīng)用起步并不晚,但由于建筑企業(yè)和項(xiàng)目管理模式及水平的限制,致使其推廣應(yīng)用更為艱難。不過,國家的重視及行業(yè)發(fā)展的需求,將極大促進(jìn)BIM 更深層次的研究和廣泛的推廣應(yīng)用。目前,我國BIM 應(yīng)用的主要推力表現(xiàn)在以下三方面。
1、國家支持的BIM 研究成果應(yīng)用
我國BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)性研究得到國家的大力支持,并取得了卓有成效的研究成果。如筆者完成的國家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃課題研究成果“基于IFC 的建筑工程4D 施工管理系統(tǒng)”,成功應(yīng)用于國家體育場、青島海灣大橋、廣州西塔等多個(gè)大型、復(fù)雜工程,專家評價(jià)屬國內(nèi)首創(chuàng),填補(bǔ)了國內(nèi)空白,達(dá)到國際先進(jìn)水平,榮獲2009 年“華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)”。清華大學(xué)和中國建筑科學(xué)研究院承擔(dān)的國家“十一五”科技支撐項(xiàng)目課題“建筑設(shè)計(jì)與施工一體化信息共享技術(shù)研究”,著重BIM 的基礎(chǔ)性研究,已經(jīng)完成了基于IFC 的BIM 體系架構(gòu)建立,開發(fā)了面向設(shè)計(jì)與施工的BIM 建模系統(tǒng)、BIM 數(shù)據(jù)集成管理平臺及BIM 數(shù)據(jù)庫。清華大學(xué)承擔(dān)的另一國家
“十一五”科技支撐項(xiàng)目課題“基于BIM 技術(shù)的下一代建筑工程應(yīng)用軟件研究”,側(cè)重于BIM 應(yīng)用軟件的研究,即將推出基于BIM 技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)、建筑成本預(yù)測、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、建筑施工優(yōu)化、建筑工程安全分析以及建筑工程耐久性評估等一系列應(yīng)用軟件。這些軟件正在實(shí)際工程中示范應(yīng)用,其進(jìn)一步推廣將大力推進(jìn)BIM 的應(yīng)用進(jìn)程。
2、行業(yè)BIM 標(biāo)準(zhǔn)的制定
IFC (Industry Foundation Classes )是BIM 的數(shù)據(jù)表達(dá)與交換的標(biāo)準(zhǔn)。“十五”期間,我國建筑業(yè)已經(jīng)開始推廣應(yīng)用IFC 標(biāo)準(zhǔn)工作。2007 年推出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑對象數(shù)字化定義》,《工業(yè)基礎(chǔ)類平臺規(guī)范》也即將出版。清華大學(xué)承擔(dān)的
“十一五”科技支撐項(xiàng)目成果“建筑施工IFC 數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)”已經(jīng)完成,中國BIM 標(biāo)準(zhǔn)也正在編制中,這些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定是BIM 應(yīng)用的基礎(chǔ)和保障。
3、建筑業(yè)信息化應(yīng)用的實(shí)際需求
目前,我國正在進(jìn)行著世界最大規(guī)模的基本建設(shè),工程項(xiàng)目規(guī)模日益擴(kuò)大,結(jié)構(gòu)形式愈加復(fù)雜,尤其是超大型工程項(xiàng)目層出不窮,使企業(yè)和項(xiàng)目都面臨著巨大的投資風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和管理風(fēng)險(xiǎn)。然而,當(dāng)前的管理模式和信息化手段都無法適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要。應(yīng)用BIM 技術(shù),從根本上解決建筑生命期各階段和各專業(yè)系統(tǒng)間信息斷層問題,從設(shè)計(jì)、施工技術(shù)到管理全面提高信息化水平和應(yīng)用效果,已成為建設(shè)企業(yè)的迫切需求。國家體育場、青島海灣大橋、廣州西塔等工程項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)4D 施工動態(tài)集成管理,并獲2009 年、2010 年華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。上海中心項(xiàng)目工程總承包招標(biāo),明確要求應(yīng)用BIM 技術(shù)。上海金融交易廣場和廣聯(lián)達(dá)信息大廈項(xiàng)目都已規(guī)劃面向建筑生命期的BIM 應(yīng)用整體方案,并在方案設(shè)計(jì)階段就引入了BIM 技術(shù)。這些大型工程項(xiàng)目對BIM 的應(yīng)用與推廣,引起了設(shè)計(jì)、施工企業(yè)的關(guān)注,勢必對我國建筑業(yè)BIM 技術(shù)的廣泛應(yīng)用起到重要示范作用
