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        城市軌道交通行業(yè)建設(shè)階段建筑信息模型的應(yīng)用

        2015-06-28 11:43:24劉鐵民曹明華
        城市軌道交通研究 2015年6期
        關(guān)鍵詞:二次開(kāi)發(fā)工程信息

        劉鐵民 曹明華

        (廣州市地下鐵道總公司總工程師室,510030,廣州∥第一作者,工程師)

        近年來(lái)隨著B(niǎo)IM(建筑信息模型)技術(shù)在國(guó)內(nèi)建筑業(yè)的日益流行,工程建設(shè)各行業(yè)都在嘗試著應(yīng)用BIM 技術(shù),期待利用 BIM 技術(shù)來(lái)改造規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)流程,解決一些過(guò)去無(wú)法解決的問(wèn)題,從而為本行業(yè)帶來(lái)革命性的變化。本文結(jié)合城市軌道交通工程建設(shè)階段對(duì)BIM 技術(shù)應(yīng)用的一些具體問(wèn)題進(jìn)行探討。

        1 城市軌道交通工程建設(shè)階段的特點(diǎn)

        城市軌道交通是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其投資大、系統(tǒng)多、技術(shù)密集、建設(shè)周期長(zhǎng)。項(xiàng)目會(huì)涉及多個(gè)子系統(tǒng)和專(zhuān)業(yè)[1]。從城市的空間幾何上看,城市軌道交通工程影響范圍類(lèi)似于一種圓柱狀的結(jié)構(gòu),在城市空間中延伸,短則幾公里,長(zhǎng)則幾十公里。線(xiàn)路的長(zhǎng)度按線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃是一定的,但在建設(shè)期圓柱狀結(jié)構(gòu)影響的半徑卻隨著時(shí)間的流轉(zhuǎn),逐漸變化。

        城市軌道交通的長(zhǎng)條形圓柱狀結(jié)構(gòu),在空間上與其穿越的既有結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大量的交叉關(guān)系。在城市軌道交通的建設(shè)期由于施工需要,這種交叉關(guān)系,在空間上占據(jù)的范圍更大,直到運(yùn)營(yíng)期開(kāi)始,才逐漸保持穩(wěn)定的空間范圍。

        正是由于這種交叉關(guān)系的存在,建設(shè)階段需要了解大量交叉結(jié)構(gòu)的信息。例如:在城市軌道交通線(xiàn)路規(guī)劃時(shí)期需要了解沿線(xiàn)的規(guī)劃信息、既有建構(gòu)筑物信息、地質(zhì)信息等;在建設(shè)時(shí)期需要更精確地了解征地拆遷信息、詳細(xì)的地質(zhì)信息、既有管線(xiàn)信息、交通疏解信息等;在運(yùn)營(yíng)期,需要了解沿線(xiàn)的地鐵保護(hù)信息等。但是,目前的城市軌道交通建設(shè)期對(duì)這些信息的了解并不充分。因?qū)こ探ㄔO(shè)的控制必須依賴(lài)信息的傳遞,很多時(shí)候不能對(duì)工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)有效控制的原因,就是沒(méi)有獲得足夠的信息[2]。

        2 BIM 技術(shù)的特點(diǎn)

        BIM 由美國(guó)佐治亞理工學(xué)院建筑與計(jì)算機(jī)系教授查克·伊士曼博士(Chuck Eastman,Ph.D.)于1975年提出,其基于數(shù)字化和可視化技術(shù),集成和管理與建設(shè)項(xiàng)目有關(guān)的信息。這些信息不僅包含建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等幾何視覺(jué)信息,還包括成本、性能等非幾何管理信息[3]。筆者認(rèn)為,BIM 有以下顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn):

        1)可視化:由于BIM 技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果從傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)提升到三維設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了真正的可視化,因此,可以極大地降低識(shí)別信息的門(mén)檻。在建設(shè)期,不論是方案比選還是針對(duì)施工階段操作層面的技術(shù)交底,信息受體對(duì)設(shè)計(jì)意圖的理解更為容易了。

        2)模擬性:可以真實(shí)地模擬建構(gòu)筑物全生命周期中的各個(gè)階段,以及建造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的多種行為。過(guò)去的二維設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間上及物體實(shí)體的模擬,因此,導(dǎo)致很多設(shè)計(jì)方案的“錯(cuò)、漏、碰、缺”不能被發(fā)現(xiàn)。而B(niǎo)IM 技術(shù)的模擬性,是通過(guò)對(duì)建筑物實(shí)體的模擬,避免了這種問(wèn)題的發(fā)生。BIM 技術(shù)將目前很多在施工階段需要解決的協(xié)調(diào)性問(wèn)題,在設(shè)計(jì)階段就解決了。這樣不僅提升了建筑物的使用價(jià)值,同時(shí)也極大地降低了后期為處理這些問(wèn)題所產(chǎn)生的協(xié)調(diào)成本。

        3)精確性:依據(jù)美國(guó)國(guó)家BIM 標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS)對(duì)BIM 的定義——BIM 是一個(gè)設(shè)施(建設(shè)項(xiàng)目)物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)[4]。筆者認(rèn)為這也是BIM 技術(shù)最重要的特點(diǎn)。建筑模型過(guò)去已在三維效果圖、沙盤(pán)模型制作等方面得到了廣泛應(yīng)用,但是過(guò)去的三維模型僅僅是個(gè)模型,無(wú)法用來(lái)進(jìn)行建造。而B(niǎo)IM 作為一種數(shù)字表達(dá),強(qiáng)調(diào)的就是精確性。正是這種精確性,為建筑業(yè)的工業(yè)化制造提供了可行的路徑。例如,上海萬(wàn)科金色里程項(xiàng)目使用BIM 技術(shù)進(jìn)行了三維設(shè)計(jì),使得預(yù)制混凝土(PC)建造技術(shù)與主體結(jié)構(gòu)精確匹配,加快了施工速度[5]。同時(shí),BIM 技術(shù)更為建筑物的 3D 打印提供了基礎(chǔ)。

        3 BIM 技術(shù)在城市軌道交通工程應(yīng)用中的問(wèn)題

        3.1 信息輸入問(wèn)題

        BIM 技術(shù)本身是非常優(yōu)秀的,但是,其基于信息輸入的特點(diǎn),導(dǎo)致了目前在城市軌道交通工程中使用的有限性。通常影響城市軌道交通建設(shè)進(jìn)度與工程造價(jià)的幾個(gè)重要影響因素,如前期征地拆遷、地質(zhì)勘察資料變化、地下管線(xiàn)改遷等,這些重要影響因素信息的獲得都是不完全的,這在二維設(shè)計(jì)時(shí)代就是如此,應(yīng)用BIM 技術(shù)后依然如此。以某地鐵公司2014年工程變更統(tǒng)計(jì)(含方案變更及設(shè)計(jì)變更)為例,由于地質(zhì)勘察資料變化導(dǎo)致的工程變更數(shù)量占總數(shù)量的27%左右,由于征地拆遷及地下管線(xiàn)改遷無(wú)法實(shí)現(xiàn)而導(dǎo)致工程變更的數(shù)量占總數(shù)量的43%左右,由于優(yōu)化設(shè)計(jì)加快進(jìn)度而導(dǎo)致的工程變更數(shù)量占總數(shù)量的17%左右[6]。因此,在城市軌道交通工程中應(yīng)用BIM 技術(shù)僅可以在已收集的信息基礎(chǔ)上加快設(shè)計(jì),避免設(shè)計(jì)中間產(chǎn)生錯(cuò)誤而導(dǎo)致進(jìn)度拖延與變更,并不能解決基礎(chǔ)信息收集不完全的問(wèn)題。

        3.2 承發(fā)包模式問(wèn)題

        目前,我國(guó)城市軌道交通工程普遍采用的是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)—招標(biāo)—建造(Design—Bid—Build,簡(jiǎn)為DBB)模式。但是,在國(guó)際上設(shè)計(jì)施工總承包(Design—Build,簡(jiǎn)為 DB)模式及工程總承包(Engineering Procurement Construction,簡(jiǎn)為 EPC)模式已成為主流承發(fā)包模式,且業(yè)主招標(biāo)大多提出了功能性要求。這正好使BIM 技術(shù)的優(yōu)處得到充分發(fā)揮。通過(guò)模擬與可視化,在最契合業(yè)主功能需求的情況下,可以迅速統(tǒng)計(jì)獲得相關(guān)方案成本,同時(shí)在施工時(shí)逐漸深化設(shè)計(jì)即可。

        我國(guó)的城市軌道交通工程采用的是DBB 模式,造成了BIM 技術(shù)應(yīng)用的割裂局面。設(shè)計(jì)單位和施工單位有各自的BIM 模型,其建模標(biāo)準(zhǔn)及軟件不統(tǒng)一,無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)信息集成的作用。施工單位寄希望于利用BIM 技術(shù)獲得精確的工程量,期望得到額外利潤(rùn)。設(shè)計(jì)單位希望利用BIM 技術(shù)提高圖紙質(zhì)量,避免“錯(cuò)、漏、碰、缺”。這本來(lái)是可以統(tǒng)一的,但是由于承發(fā)包模式的限制而不能統(tǒng)一,因此使得目前國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的大量BIM咨詢(xún)機(jī)構(gòu),僅是幫助設(shè)計(jì)單位或者施工單位進(jìn)行利用二維設(shè)計(jì)圖紙建立BIM 三維模型的“翻?!惫ぷ?。模型不統(tǒng)一,最終造成模型無(wú)法在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段發(fā)揮作用,造成了損失。

        3.3 軟件選擇與行業(yè)支持的二次開(kāi)發(fā)問(wèn)題

        目前,主流BIM 軟件大部分是應(yīng)用在民用建筑領(lǐng)域,對(duì)城市軌道交通而言,除了在車(chē)站設(shè)計(jì)時(shí)有較好的支撐外,缺乏對(duì)區(qū)間、軌道、通信及供電系統(tǒng)等線(xiàn)性結(jié)構(gòu)方面的功能支持。例如,要建立軌道結(jié)構(gòu)、接觸網(wǎng)、盾構(gòu)隧道等模型就必須進(jìn)行相應(yīng)的二次開(kāi)發(fā),否則,逐一繪制是一件非常困難的工作。

        同時(shí),由于軟件本身對(duì)行業(yè)應(yīng)用的支持有限,造成了使用軟件的門(mén)檻。要使用軟件必須進(jìn)行針對(duì)城市軌道交通行業(yè)的二次開(kāi)發(fā),獲得大量的族庫(kù)支持,才能使得軟件應(yīng)用速度達(dá)到目前二維設(shè)計(jì)的速度。否則,僅車(chē)站配筋或車(chē)站系統(tǒng)設(shè)備建模,就是一件非常龐大、耗時(shí)的事情,嚴(yán)重影響著B(niǎo)IM 技術(shù)普及推廣的積極性。筆者曾調(diào)研了國(guó)內(nèi)BIM 設(shè)計(jì)應(yīng)用較好的設(shè)計(jì)院,這些設(shè)計(jì)院基本上都結(jié)合自身工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行了大量的二次開(kāi)發(fā),才使利用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)得以順利應(yīng)用。而就某地鐵公司的目前試點(diǎn)情況來(lái)看,由于無(wú)相關(guān)的二次開(kāi)發(fā)及族庫(kù),土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本沒(méi)有采用BIM 技術(shù)進(jìn)行鋼筋設(shè)計(jì);機(jī)電相關(guān)設(shè)計(jì)人員,耗用了大量的時(shí)間重繪各種管道接頭、配電箱、閥門(mén)等,使設(shè)計(jì)師普遍認(rèn)為采用BIM 設(shè)計(jì)比二維設(shè)計(jì)效率低[7]。

        3.4 投資收益問(wèn)題

        目前主流的BIM 軟件僅使用費(fèi)就多達(dá)幾百萬(wàn)元甚至幾千萬(wàn)元(按用戶(hù)數(shù)),如果算上后期推廣、培訓(xùn)、升級(jí)、維護(hù)、二次開(kāi)發(fā),則總價(jià)算下來(lái)是一個(gè)驚人的數(shù)字。某地鐵公司準(zhǔn)備應(yīng)用BIM 技術(shù)在進(jìn)行從設(shè)計(jì)再到施工到運(yùn)營(yíng)的一體化管理研究時(shí)發(fā)現(xiàn),一條地鐵線(xiàn)路詢(xún)價(jià)結(jié)果為:購(gòu)買(mǎi)軟件在1 500~2 000 萬(wàn)元(含二次開(kāi)發(fā)),若采用租賃則第一年需投入500~750 萬(wàn)元(含二次開(kāi)發(fā)),之后每年租金在100~200 萬(wàn)元左右。統(tǒng)計(jì)分析該條地鐵線(xiàn)路因?yàn)椤板e(cuò)、漏、碰、缺”而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更或方案更改費(fèi)用僅在300~400 萬(wàn)元左右(未計(jì)算工期節(jié)省效益)。因此,目前若單純計(jì)算收益與花費(fèi),BIM 技術(shù)的應(yīng)用代價(jià)巨大。

        3.5 BIM建模標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

        目前,國(guó)家的BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)仍未正式出臺(tái),僅有北京地方的BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。各種BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)也呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)。這導(dǎo)致了模型信息流轉(zhuǎn)困難以及相應(yīng)設(shè)計(jì)收費(fèi)等問(wèn)題。同時(shí),鑒于城市軌道交通行業(yè)的自身特點(diǎn),應(yīng)有一部能夠與地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范相結(jié)合的建模標(biāo)準(zhǔn),但一部統(tǒng)一的BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法解決城市軌道交通工程中諸多的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的建模標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。

        3.6 利用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)的收費(fèi)問(wèn)題

        現(xiàn)在的BIM 技術(shù)相關(guān)企業(yè)有軟件商、“翻?!逼髽I(yè)、咨詢(xún)企業(yè)等,但并無(wú)統(tǒng)一的合同范本及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。城市軌道交通行業(yè)大多屬于政府投資,若無(wú)相應(yīng)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),不僅不能促使BIM 技術(shù)健康發(fā)展,還會(huì)由于價(jià)格市場(chǎng)的混亂,造成許多模型的粗制濫造,為模型信息的后期流轉(zhuǎn)及利用造成不利影響。

        4 BIM技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用

        4.1 在機(jī)電安裝工程施工階段的應(yīng)用

        機(jī)電安裝工程施工階段中的BIM 應(yīng)用,是目前城市軌道交通工程中BIM 價(jià)值發(fā)揮最大的應(yīng)用點(diǎn),也是投入與產(chǎn)出最佳的應(yīng)用點(diǎn)。首先是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)輸入信息的穩(wěn)定、完整,此時(shí)影響工程成本與進(jìn)度的主要因素則是設(shè)計(jì)及施工中的錯(cuò)漏碰缺,而應(yīng)用BIM 技術(shù)便可解決該問(wèn)題。選擇機(jī)電安裝工程施工階段應(yīng)用而不是設(shè)計(jì)階段應(yīng)用的主要原因與目前的設(shè)計(jì)方式有關(guān)。目前,機(jī)電安裝的二維設(shè)計(jì)圖紙較為簡(jiǎn)單,部分甚至只是原理圖,但是應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后,需要每根電線(xiàn)、管道和每個(gè)裝修層都反映在模型中;如果放在設(shè)計(jì)階段完成,工作量會(huì)加大很多,如果沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)費(fèi)用增加(目前無(wú)正式的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)),很多設(shè)計(jì)單位根本不愿意做。在施工階段,施工單位僅需完成翻模工作,故比較容易。因此施工單位從整體工期考慮,普遍較為積極地推行BIM 技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)在二維設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)圖紙錯(cuò)誤,不論是工地停工,還是等待走完整個(gè)設(shè)計(jì)變更流程都會(huì)造成施工單位損失,因此,利用BIM技術(shù)避免錯(cuò)漏碰缺,可為施工單位得到直接的經(jīng)濟(jì)利益。現(xiàn)以廣州地鐵6號(hào)線(xiàn)一德路站的機(jī)電安裝BIM 應(yīng)用為例(見(jiàn)圖1),該站采用BIM 技術(shù),利用二維設(shè)計(jì)圖紙建立機(jī)電安裝所有專(zhuān)業(yè)的三維模型,通過(guò)模型的碰撞檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤達(dá)24 處。采用BIM 技術(shù)后這些錯(cuò)誤在管線(xiàn)安裝下料之前可全部解決,同時(shí),通過(guò)三維模型工程量統(tǒng)計(jì),可對(duì)該站精確控制并優(yōu)化管線(xiàn)進(jìn)料與下料環(huán)節(jié)。相對(duì)于傳統(tǒng)的采用二維圖紙施工來(lái)說(shuō),采用BIM 技術(shù)后節(jié)省了大量人工、材料、工期[8]。

        4.2 在土建工程施工階段的應(yīng)用

        城市軌道交通工程在土建施工階段的工期延誤主要是由一些外部因素影響及地質(zhì)條件改變等造成的。而這些外部因素的改變常常也會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案的改變,應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)對(duì)加快進(jìn)度有一定影響,但是非常有限。目前,由于國(guó)內(nèi)部分由工程算量發(fā)展延伸而來(lái)的應(yīng)用BIM 技術(shù)的軟件,則在工程成本控制方面得到了很好的應(yīng)用效果。國(guó)外的BIM 三維設(shè)計(jì)軟件,其出發(fā)點(diǎn)是在三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)工程量,由于是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的工程量,故與我國(guó)的工程量清單計(jì)價(jià)匹配性并不高;而國(guó)內(nèi)的算量軟件,則完全符合我國(guó)規(guī)范,其出發(fā)點(diǎn)是在二維圖紙的基礎(chǔ)上建立算量的模型,從而得到精確的工程量。目前較多施工單位很看重這一點(diǎn),因?yàn)榫_的工程量,可以實(shí)現(xiàn)精確的成本控制,從而獲得更多的利潤(rùn)。例如,國(guó)內(nèi)某BIM 軟件商在無(wú)錫地鐵控制中心的項(xiàng)目中,就很好地利用了基于設(shè)計(jì)圖紙建立的BIM 預(yù)算模型,可以即時(shí)地提供工程管理需要的工程量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并對(duì)其工程量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行套定額處理,由此可隨時(shí)做出一份完整的工程造價(jià)書(shū)[9]。

        4.3 在車(chē)站線(xiàn)路翻新改造中的應(yīng)用

        由于BIM 技術(shù)較好的可模擬性,因此在軌道交通改造工程中有著較為廣闊的應(yīng)用前景。目前,隨著國(guó)內(nèi)大城市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)的密集化,出現(xiàn)了非常多的車(chē)站需要改造為換乘站。既有車(chē)站如何改造,如何降低對(duì)既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的影響,如何在有限的天窗期內(nèi)實(shí)現(xiàn)施工效率的最大化,只有通過(guò)BIM 技術(shù)對(duì)整個(gè)改造過(guò)程進(jìn)行模擬,以指導(dǎo)改造工程的設(shè)計(jì),才能得到一個(gè)影響最小、功能最優(yōu)的方案。

        圖1 廣州地鐵6號(hào)線(xiàn)一德路站廳層機(jī)電安裝BIM 模型

        4.4 在特殊地質(zhì)條件中的應(yīng)用

        在城市軌道交通建設(shè)工程中,會(huì)遇到石灰?guī)r地質(zhì)中的地下溶土洞處理,以及盾構(gòu)掘進(jìn)中對(duì)孤石的處理。對(duì)這些特殊地質(zhì)情況,若用地質(zhì)縱剖面表示,則很難反映出其與工程結(jié)構(gòu)的三維空間關(guān)系,但是,用BIM 技術(shù)的三維界面,溶洞的大小、位置、與周邊的關(guān)系即可一目了然,便于技術(shù)決策與施工處理。例如,在廣州地鐵9號(hào)線(xiàn)施工1 標(biāo)段有個(gè)車(chē)站,該站在施工期間初步判斷基坑外有一個(gè)溶洞與基底存在水力聯(lián)系,通過(guò)多次鉆孔探查,查明了該溶洞的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)。但是,在二維圖紙展現(xiàn)時(shí),與車(chē)站結(jié)構(gòu)的關(guān)系上始終會(huì)缺少一個(gè)軸向的顯示,而采用BIM 技術(shù)建立三維模型后,這個(gè)問(wèn)題解決了,溶洞與基坑間的水力連通也可以得到較好的判斷[10]。

        5 結(jié)語(yǔ)

        1)通過(guò)以上的比較與分析可知,由于行業(yè)特點(diǎn)的影響,BIM 技術(shù)目前在城市軌道交通工程中的應(yīng)用還有較大的局限性。因此,目前適宜在統(tǒng)一的框架(建模標(biāo)準(zhǔn))下先在一些能夠獲得較好收益的應(yīng)用點(diǎn)上進(jìn)行應(yīng)用,或者在個(gè)別典型性標(biāo)段進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)這些應(yīng)用來(lái)獲得基礎(chǔ)的族庫(kù)模型及二次開(kāi)發(fā)支持等基礎(chǔ)支撐元素。

        2)由于BIM 技術(shù)國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的空白、BIM 技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的空白,以及工程承發(fā)包模式的問(wèn)題,最重要的還有BIM 模型在法律地位定義上的空白等問(wèn)題,都極大地影響著B(niǎo)IM 技術(shù)的推廣應(yīng)用。只有解決這些基本的問(wèn)題,才能為BIM 技術(shù)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),促進(jìn)其良性發(fā)展。

        3)BIM 技術(shù)作為土建技術(shù)行業(yè)全面信息化的有效途徑,這從世界范圍內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用BIM 技術(shù)的結(jié)果來(lái)看,是毋庸置疑的。但是,新技術(shù)的應(yīng)用必須結(jié)合自身行業(yè)的特點(diǎn),因此,必須遵循由簡(jiǎn)至繁、由易至難的應(yīng)用原則。

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