第2章　BIM技術與精益建造分析

2.1　BIM技術分析

2.1.1　BIM基本概念

BIM（building information modeling）是當前國內外研究學者和建筑業(yè)界人士關注的熱點。BIM思想產(chǎn)生于20世紀70年代^［71］。之后，喬治亞理工學院的Charles Eastman^［72］及Jerry Laiserin^［73］對BIM的概念進行了補充和詳細界定。根據(jù)維基百科的釋義，BIM技術是一種建立、管理建設項目物理和功能特點的數(shù)字化、可視化表現(xiàn)過程。在實施過程中多種形式的模型信息為共享數(shù)據(jù)信息資源平臺，貫穿于建設項目的決策、設計、施工、運營維護的全生命周期的全員的全過程的決策支持和支撐、協(xié)同作業(yè)和管理。隨著項目建設階段的進展，BIM模型信息不斷深化、不斷細化、不斷接近實際，形成緊密對接的信息鏈。

BIM即虛擬建筑或者建筑仿真，是近十年來在CAD技術基礎上發(fā)展起來的一種多維（三維、四維、五維、n維）模型信息集成技術，可以使建筑物的所有參與方都能夠在數(shù)字虛擬的真實建筑物模型中操作信息（幾何、物理和功能信息）和在信息中操作模型，見圖2-1。BIM的最大特點是數(shù)據(jù)信息的高度整合，其中模型是基礎，信息是靈魂，軟件是工具，協(xié)作是重點，管理是關鍵。以支持建筑全生命周期項目（building lifecycle management，BLM）決策、設計、施工、運營的技術、方法^［74］，見圖2-2?；贐IM的建筑業(yè)信息化，橫向打通了技術信息化和管理信息化之間的信息傳遞，實現(xiàn)建筑生命期各階段的工程性能、質量、安全、進度和成本的集成化管理^［75-77］，提高工作效率和質量，減少錯誤和風險，提升建設行業(yè)效率和利潤。

BIM是一種技術、一種方法、一個機制和機遇，以BIM為平臺集成工程建設信息的收集、管理、交換、更新、儲存等流程，為工程建設全生命期不同階段、不同參與主體、不同應用軟件之間提供準確、實時、充分的信息交流和共享，提高工程建設行業(yè)生產(chǎn)力水平。

2.1.2　BIM技術應用方法

（1）項目決策階段

在項目決策階段，利用BIM技術可以進行可視化規(guī)劃景觀模擬及規(guī)劃微環(huán)境模擬分析及評估。包括建筑物空間結構的日照關系、風環(huán)境、熱工、空間景觀的可視度和噪聲分析等。

①項目三維景觀分析　根據(jù)項目規(guī)劃平面圖、功能分區(qū)、戶型等參數(shù)，應用BIM軟件，建立可視化3D模型，全方位、多角度模擬建筑設計效果，比較全面地評估任意位置的景觀可視度，并對項目建筑位置、戶型等進行分析調整，如圖2-3、圖2-4所示。

區(qū)別傳統(tǒng)三維技術（如3Dmax）所傳達的只有“視覺信息”，項目規(guī)劃BIM模型用建筑工程專業(yè)語言來表達，而且容納更多信息量如面積、材料、重量、受力等。

②項目環(huán)境日照分析　根據(jù)項目所在地區(qū)氣象數(shù)據(jù)參數(shù)，如氣溫、相對濕度、總輻射、風速、風向、降雨量等，計算獲取設計方案的日照結果、太陽輻射強度和面積、容積率、建筑最佳朝向等，并針對某一天日照的陰影情況，優(yōu)化和調整樓宇之間的位置、高度和體形，如圖2-5～圖2-8所示。

③項目風環(huán)境分析　通過對風環(huán)境空氣齡、風速和風壓模擬分析，得出空氣流動形態(tài)，通過調整建筑設計的朝向、造型、自然通風組織等，提高空氣質量，如圖2-9、圖2-10所示。

④項目環(huán)境噪聲分析　考慮項目周邊已存在的較大噪聲源進行分析模擬（圖2-11、圖2-12），對受噪聲影響比較大的部位，采取隔聲措施，改善項目噪聲環(huán)境。

⑤項目環(huán)境溫度分析　項目環(huán)境溫度分析，包括項目小區(qū)區(qū)域內、室內的溫度分析和空氣流動。通過BIM模擬分析熱環(huán)境，進而設計出合理的建筑舒適環(huán)境，如圖2-13、圖2-14所示。

（2）設計階段

在設計階段，利用BIM技術可以進行三維協(xié)同設計、BIM管線綜合、結構力學分析、設計概預算信息統(tǒng)計等。

①三維協(xié)同設計　基于BIM平臺，建筑、結構、安裝等專業(yè)基于同一模型進行工作，實現(xiàn)三維集成協(xié)同設計，及早發(fā)現(xiàn)各專業(yè)設計中錯、碰、漏、撞的問題，進而優(yōu)化設計，保證設計成果的一致性，如圖2-15～圖2-17所示。

②BIM管線綜合　給排水、暖通、電氣照明等機電設備專業(yè)設計中要重點考慮管線設備的安裝順序和安裝空間?；贐IM平臺，通過碰撞檢測功能進行各專業(yè)管線碰撞檢測，提高設計的質量和效率，如圖2-18、圖2-19所示。

③結構力學分析　在結構設計完成之后，基于BIM結構模型，進行結構建模和計算、規(guī)范校核，如圖2-20～圖2-23所示。

④設計概預算信息統(tǒng)計　基于BIM結構模型，生成工程量清單和概算造價，進行結構用料信息的顯示和查詢。以利于評價施工圖設計的技術經(jīng)濟水平，并為工程資金準備、招投標提供依據(jù)，如圖2-24、圖2-25所示。

（3）施工階段

在施工階段，利用BIM技術可以進行施工方案模擬、進度控制、成本控制、安全管理、設計變更管理、施工過程工程資料記錄，形成BIM竣工模型。

①施工方案模擬　在工程的關鍵控制點、特殊施工環(huán)節(jié)實施前，運用BIM系統(tǒng)三維模型進行虛擬指導施工模擬，展示工藝流程和操作方法，給施工技術人員、管理人員、操作人員進行可視化的三維模型技術交底，如圖2-26、圖2-27所示。

②施工進度控制　根據(jù)資源限制和總工期需求，考慮施工方案、流水段劃分、施工工藝，進行WBS工程結構分解，編制建設項目和單項工程基于層、段、組合類型的施工進度計劃，對接項目BIM模型，建立4D可視化模型和施工進度計劃，如圖2-28所示。

③施工成本控制　基于BIM技術的5D施工成本模擬，可以隨時查看任意部位進度、資源、成本、資金的情況，進行多角度進度管理模擬以及成本、資源的多角度分析。提供項目進度控制、計量支付、變更控制、采購租賃、物資供應、成本計劃、成本核算，如圖2-29所示。

④施工安全管理　對項目重點控制的安全部位，如腳手架工程、高架大跨模板支撐系統(tǒng)工程、深基坑處理工程等，利用BIM模型進行安全施工模擬、安全操作交底，如圖2-30、圖2-31所示。

⑤工程變更管理　基于BIM模型，對設計變更部分滿足工程量統(tǒng)計分析，滿足工程量查詢、統(tǒng)計、對比分析應用，如圖2-32、圖2-33所示。

⑥施工過程資料記錄，形成BIM竣工模型　跟蹤、記錄施工過程，及時更新BIM信息，形成BIM竣工模型，如圖2-34所示。

（4）運營維護階段

在工程建設運營維護階段，現(xiàn)代物業(yè)必將建立在BIM信息建成的基礎之上，利用BIM技術主要可以進行可視化的設備維護管理、設備應急管理、物業(yè)租賃管理等。

①設備維護管理　基于BIM的設備維護，包括對照明、消防等各系統(tǒng)和設備空間定位、內部空間設施可視化、運營維護數(shù)據(jù)累積與分析、設備運行監(jiān)控、隱蔽工程管理，如圖2-35所示。

②設備應急管理　遇到設備故障等突發(fā)狀況時如火災、水管爆裂、氣管爆裂等，及時獲取設備相關信息，進行報警、協(xié)助處理，如圖2-36所示。

③租賃管理　BIM模型數(shù)據(jù)庫存儲與物業(yè)租賃管理相關的出租物業(yè)面積、客戶信息、租賃合同、租金、租期等信息，并更新維護，提高物業(yè)租賃管理水平。

在項目運營維護階段，物業(yè)管理的運營效果、租賃分析、結構設備環(huán)境、防災監(jiān)控、安全保衛(wèi)等系列工作，皆可基于BIM與遠程監(jiān)控技術，實現(xiàn)無線、實時監(jiān)控、快捷應急反應。

2.1.3　BIM技術特點分析

（1）可視化

可視化是BIM技術最突出的特點和優(yōu)勢?？梢暬疊IM模型中包含了項目的幾何、物理和功能等完整信息，可以獲取需要的幾何、材料、光源、視角等信息，生成報表，可視化的工作資源集中到提高可視化效果上來，項目設計、建造、運營過程中的溝通、討論、決策都在可視化、全真虛擬化的狀態(tài)下進行。

（2）協(xié)調與協(xié)同性

傳統(tǒng)的信息管理模式中（圖2-37所示折線圖形），信息浪費和冗余，信息不斷流失，信息交換效率低下，無法從全局的角度進行優(yōu)化，嚴重影響了信息的有效性?；贐IM技術的信息管理模式（圖中無折線圖形），將建設全生命期、全方位信息連續(xù)打通和無縫連接，整合了離散的信息流程，避免了信息的歧義和不一致，減少了信息總量、信息共享和協(xié)同工作，及時糾正各種錯、漏、碰、缺，為目標式的信息管理模式^［78］。

基于BIM技術的信息管理模式，實現(xiàn)有工程項目管理中的屏障，集成工程項目各階段、各關鍵指標、各組織、各專業(yè)、各項目的信息融合，形成更加廣泛的集成，協(xié)調工程項目系統(tǒng)目標、外部資源、內部資源的信息流網(wǎng)絡^［79-82］，如圖2-38所示。

基于BIM中央數(shù)據(jù)庫的信息流樞紐，通過網(wǎng)絡交互平臺，各階段、各關鍵指標、各組織、各專業(yè)、各項目當前的供應信息共享，據(jù)此解決各專業(yè)碰撞問題，進行專業(yè)協(xié)調，實現(xiàn)信息集成和高水平協(xié)同作業(yè)。

（3）模擬性

模擬性可以模擬設計的建設項目模型，并且可以模擬在真實環(huán)境中無法操作的事物。如在設計階段，BIM可以進行實驗模擬，如建筑節(jié)能分析、應急預案模擬、日照和采光分析、結構力學分析等；在招投標和施工階段可以進行3D施工方案模擬、4D施工進度控制模擬、5D成本控制模擬、施工安全模擬等；后期運營階段可以模擬日常緊急情況處理模擬等。

（4）優(yōu)化性

隨著工程項目的深入和進展，BIM信息模型逐步深化、逐步細化，不斷優(yōu)化。通過信息集成管理對項目目標主動控制，動態(tài)優(yōu)化，進而提高工程設計、施工和維護管理的質量、工作效率和科學管理水平，體現(xiàn)信息對工程項目服務的動態(tài)優(yōu)化性。如Patrick MacLeamy提出的BIM曲線^［83-84］（項目決策時機的現(xiàn)實與理想），如圖2-39所示。圖中，曲線1表明，在工程項目開發(fā)過程中，對整個項目投資的影響，越在前期對成本的影響越高，越到后期對成本的影響就越小。曲線2表明，工程項目成本實際的花費，越往后花錢越多。綜合來看曲線1和曲線2看到，越在前期，項目花的錢越少，但是對項目成本影響的可能卻越大。曲線3表明，傳統(tǒng)的設計流程把大量的時間花在施工圖設計階段（CD），錯過了影響整個造價的最佳時期。曲線4是基于BIM的設計過程，通過BIM技術實現(xiàn)把駝峰盡量往前移，把曲線3的駝峰從施工圖設計階段移到曲線4的駝峰方案設計階段和初步設計階段，盡量把工程當中遇到的問題在施工前解決掉，起到動態(tài)優(yōu)化、主動控制的目的。

（5）出圖性

BIM通過對建筑物進行可視化展示、協(xié)調、模擬、優(yōu)化以后，可以實現(xiàn)多元化的信息輸出方式。如從安裝管線綜合3D BIM模型中生成2D各專業(yè)碰撞圖、結構預留洞圖，也可以生成文檔數(shù)據(jù)信息報告，如碰撞檢查報告、預加工材料表、工程量表、預算分析表等。

2.1.4　BIM應用價值

在工程建設全生命周期中，利用BIM技術，實現(xiàn)三維渲染，宣傳展示。設計碰撞檢驗，減少錯誤；設計高效，減少資源浪費與損失。虛擬施工，有效協(xié)同；沖突調用，決策支持；進度控制，減少返工；跟蹤造價，減少浪費；多算對比，有效管控；精細建造，效率提升。運維實現(xiàn)三維可視化管理、集成化管理、智能化管理。

據(jù)Autodesk公司統(tǒng)計，三維可視化可提高企業(yè)競爭力66%，減少50%～70%的信息請求，縮短5%～10%的施工周期，減少20%～25%的各專業(yè)協(xié)調時間^［85］。

美國的一項研究顯示，因BIM應用提高了成本核算的準確性而使業(yè)主保留了比傳統(tǒng)建設模式下更低的不可預見費^［86］，如圖2-40所示。

在山景城醫(yī)院綜合辦公樓項目上，BIM的應用使得整個項目的返工只有0.2%，各系統(tǒng)之間達到零沖突，現(xiàn)場因信息不明確而發(fā)出的問詢單（request for information）只有2份，建筑信息模型已被認為是大幅提高建筑業(yè)生產(chǎn)效率最有效的工具之一^［87］。

英國機場管理局利用BIM削減希思羅5號航站樓10%的建造費用。恒基北京世界金融中心通過BIM應用，在施工圖紙中發(fā)現(xiàn)了7753個沖突，估算這些沖突如果在施工時才發(fā)現(xiàn)，會給項目除了造成超過1000萬元人民幣及3個月的浪費外，還大大影響項目質量和發(fā)展商品牌^［88］。

《中國工程建設BIM應用研究報告（2011）》調查問卷也顯示BIM技術的巨大應用價值^［89］，如圖2-41所示。2010年在歐洲進行的調研（運用BIM技術帶來的價值）^［90］，如圖2-42所示。

建筑生命關鍵指標與Building SMART聯(lián)盟總結BIM的25種應用關系^［91］，如圖2-43所示。

從圖2-43中可見，在工程建設的全生命周期中，建設關鍵指標有造型、功能、性能、造價、質量、安全、工期、效率等，BIM技術應用范圍貫穿于全過程，多個BIM技術應用交叉服務于多個關鍵指標，從而形成緊密聯(lián)結的基于BIM技術應用的建設生命期關鍵指標體系，進而提高項目效率和水平。

2.1.5　BIM應用現(xiàn)狀探討

美國是率先開展建筑信息化研究的國家，BIM技術與應用處于世界前列。隨著全球化的進程，日本、英國、中國等國家的BIM技術應用都得以快速發(fā)展。

（1）美國BIM應用現(xiàn)狀

美國工程建設中已基本普及使用BIM技術，統(tǒng)計表明，早在2009年美國建筑企業(yè)三百強中80%以上均使用了BIM技術。國家也成立了多種BIM協(xié)會，制定了相應的BIM實施標準。麥格勞-希爾建筑（McGraw-Hill Construction）公司調查BIM在北美的業(yè)務價值，在多年的趨勢分析和用戶評分（2007—2012）^［92］中指出，2012年建筑業(yè)使用BIM技術的占71%，其中有74%的承包人使用，高于設計階段的建筑師使用比例70%和高于安裝工程師使用比例67%，BIM技術的應用價值得到大大的認同。美國BIM應用范圍廣泛，已建立BIM衡量標準測量過程改進程度，利用BIM技術進行信息商務的完全智能化操作控制，并已應用于項目運營維護階段的資產(chǎn)管理和設施管理。

美國總務署（General Service Administration，GSA）負責聯(lián)邦所有建設項目的建造和運營管理。目前，大型建設項目均必須使用BIM技術，要求在初步設計階段必須提高BIM信息模型。在施工的過程中鼓勵使用ND-BIM模型技術，并為項目承包人設立了相應的獎金支持?，F(xiàn)在GSA正在研究開發(fā)建設項目更廣泛的BIM全生命周期的BIM應用整體解決方案，如空間規(guī)劃模擬檢驗等。

美國陸軍工程兵團（The U.S.Army Corps of Engineers，USACE）負責為美國軍隊提供項目管理和施工管理服務。2006年USACE發(fā)布了15年規(guī)劃的BIM應用六大戰(zhàn)略大綱^［93］，支持MILCON路線圖實現(xiàn)轉換，承諾未來軍事建設項目全部使用BIM技術，于2020年實現(xiàn)利用美國BIM標準使項目生命周期任務自動化。

Building SMART聯(lián)盟（building SMART alliance，bSa）是美國建筑科學研究院信息資源與技術領域的一個專業(yè)聯(lián)盟。bSa大力推廣BIM應用和研究，竭力提高建設項目全生命周期共享信息的準確性和及時性，提高建設信息化水平。bSa下屬的國家BIM標準項目委員會NBIMS-US制定研究IFC標準和BIM標準（NBIMS）。2007年發(fā)布了BIM標準第一版，2012年更新完善發(fā)布了BIM標準第二版，更加規(guī)范了BIM技術的實施應用。同時Building SMART出版有BIM雜志，建設有豐富的BIM網(wǎng)站，供各類建筑業(yè)人士學習、參照。

（2）英國BIM應用現(xiàn)狀

英國政府采取強制措施要求推廣使用BIM技術。2011年英國政府頒布政府建設工程規(guī)劃戰(zhàn)略文件^［94］，其中要求到2016年，所有基礎設施項目必須使用多維的BIM模型，達到的一個目標是要對整個英國建筑業(yè)節(jié)約20%，并且要求項目建設過程文件全部要采用信息化管理，極大提高文件處理能力。截至現(xiàn)在，英國建筑業(yè)BIM標準委員會頒發(fā)了BIM實施標準，并制定有適合Revit系列BIM軟件的標準、適用于Bentley系列BIM軟件的標準，現(xiàn)在正在制定ArchiACD、Vectorworks等系列BIM軟件的標準，為英國建筑業(yè)從CAD 2D管理過渡到ND BIM提出了針對性的可實施方案和準則。

（3）日本BIM應用現(xiàn)狀

2009年日本開始推廣BIM技術，很多設計企業(yè)、施工企業(yè)應用BIM技術，同時日本國土交通部門選擇政府建設項目進行BIM技術試點，探索了BIM技術在設計階段協(xié)同優(yōu)化、施工可視化交底、信息共享和鏈接等方面的應用價值^［95］。

在日本，專業(yè)軟件發(fā)展很快，多家國產(chǎn)軟件公司聯(lián)合成立了日本國產(chǎn)解決方案軟件聯(lián)盟。日本建筑學會在2012年發(fā)布了BIM應用指南，包括BIM團隊建設、BIM數(shù)據(jù)處理、BIM設計流程、BIM工程造價、BIM進度管理、BIM施工模擬等多方面的內容，為建設項目相關參與單位應用BIM技術提供了可靠支持。

（4）中國BIM應用現(xiàn)狀

2010年中國商業(yè)地產(chǎn)和2011年中國工程建設BIM應用研究報告中統(tǒng)計分析，2010年我國BIM認知程度為60%，2011年增長為87%，其中有39%的單位應用了BIM軟件進行設計協(xié)同綜合和施工模擬分析，以設計企業(yè)為主^［96］。

我國住房和城鄉(xiāng)建設部（以下簡稱住建部）在2011～2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要中明確指出：要在施工階段大力開展BIM技術推廣應用，鏈接BIM設計階段信息，減少信息孤島，提高信息協(xié)同共享，著力探索基于BIM平臺的4D/5D項目信息管理，實現(xiàn)建設項目可視化、形象化、高水平的管理和可控性，提高我們建設信息化管理水平。

目前，在我國BIM應用標準還非常缺乏，如建模標準、關聯(lián)屬性標準、信息使用標準等。住建部2012年啟動BIM標準制定工作，包括有BIM應用統(tǒng)一標準、存儲標準、交付標準、信息分類編碼標準等。研究學者們大都認為，我國目前建筑業(yè)體制、建筑標準規(guī)范的不同是BIM技術應用的關鍵障礙^［97-98］，因此適合我國國情和體制、標準和規(guī)范的BIM技術應用是急需解決的關鍵問題。

目前，我國大中型設計單位大多已經(jīng)建立了BIM技術團隊，積累了BIM應用經(jīng)驗，大中型施工企業(yè)開始進行BIM的實施應用。BIM的運用整體體現(xiàn)出專項應用多、集成應用少，多體現(xiàn)在三維可視化交底、碰撞檢查、深化設計、施工進度模擬、工序模擬、預制加工、工程量計算等方面。其中，基于BIM的碰撞檢查、深化設計應用最多，效益明顯；施工進度模擬應用也較多，主要用于形象進度展示；BIM與施工項目管理結合較少，作為施工項目管理各業(yè)各部管理內容龐雜、綜合應用難度很大，BIM與進度管理、成本管理、合同管理、資料管理等項目現(xiàn)場管理業(yè)務的結合應用還較少。

2.1.6　BIM軟件

（1）核心BIM建模軟件

經(jīng)梳理分析，核心BIM建模軟件見表2-1。

（2）BIM軟件現(xiàn)狀

各類BIM軟件類型及主要產(chǎn)品見表2-2。

從表2-2中看出，在BIM的軟件類型中國外軟件產(chǎn)品豐富，專業(yè)分工精細，國產(chǎn)軟件大部分還處于空白階段，尤其是核心建模軟件和運營維護軟件。而設計階段PKPM、施工階段魯班、廣聯(lián)達等是在原設計、造價軟件的基礎上研發(fā)而成。因此，開發(fā)適合中國建筑行業(yè)特點的國內BIM軟件至關重要。

（3）BIM軟件信息互用

BIM軟件間的有機結合和綜合應用，存在信息流動關系^{［99，100］}，如圖2-44所示。

從圖2-44中可見，工程建設全生命期中各BIM專業(yè)軟件和信息流是共享、互通的，形成全過程緊密聯(lián)結的信息大數(shù)據(jù)庫，極大地提高了信息交換和使用率，提高了項目質量和效率。