鄭培信

（長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南　長沙　410004）

BIM技術(shù)在設(shè)計施工一體化中的應(yīng)用?

鄭培信

（長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙410004）

設(shè)計、施工的長期嚴(yán)格分離，給現(xiàn)代項目管理帶來了很多問題。近年來，建筑信息模型（BIM）的飛速發(fā)展給解決該問題帶來了新的思路。文中論述了BIM技術(shù)的概念和特性，分析了BIM與CAD相比所具有的優(yōu)勢，闡述了BIM在設(shè)計施工一體化中的應(yīng)用。

工程管理；建筑信息模型（BIM）；設(shè)計施工一體化；可視化

目前，工程項目實施方法有平行發(fā)包模式、DBB模式、DB模式和CM模式等，其不足之處是把其他參與方置于對立位置，即個體的目標(biāo)總是和項目總體目標(biāo)不一致，常出現(xiàn)項目目標(biāo)沒有實現(xiàn)而某一個體參與方的目標(biāo)卻已實現(xiàn)的情況。在這些項目實施模式下，參與方將合同中規(guī)定的自己的權(quán)、責(zé)、利作為目標(biāo)，在設(shè)計和施工方面，設(shè)計是設(shè)計方的工作，與施工方無關(guān)，設(shè)計時對施工方的可施工性考慮不周全，而設(shè)計中的問題直到施工現(xiàn)場才能發(fā)現(xiàn)，從而使施工遇到很多問題，引起設(shè)計變更、返工等，導(dǎo)致工期拖延、造價增加、工程質(zhì)量難以保證等。為了解決這個問題，提出采用一體化項目實施（Integrated Project Delivery，IPD）的管理模式，從項目一開始就設(shè)立主要由項目干系人（業(yè)主、設(shè)計、施工、供應(yīng)商等）組成的協(xié)同、高效、一體化的綜合項目團(tuán)隊，所有參與方共同負(fù)責(zé)項目的整體目標(biāo)，項目的總體目標(biāo)跟每個參與方的目標(biāo)一致。雖然所有參與方都參加的一體化項目實施不容易實現(xiàn)，但現(xiàn)在已有對于設(shè)計施工一體化的研究，并取得了一定成果。中國于2003年頒布的《關(guān)于培育發(fā)展工程總承包和工程項目管理企業(yè)的指導(dǎo)意見》，促進(jìn)了設(shè)計施工一體化模式的誕生，但至今國內(nèi)應(yīng)用仍然不多。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的出現(xiàn)為推進(jìn)設(shè)計施工一體化帶來了新的思路。

1　BIM技術(shù)概述

對于BIM的定義或解釋有很多版本。2009 年，McGraw Hill在一次市場調(diào)研報告中對BIM作了最清晰、簡潔的定義：BIM是使用數(shù)字模型對工程項目進(jìn)行設(shè)計、施工、運(yùn)營的全過程。BIM一經(jīng)提出就受到全世界范圍業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可，眾多專家認(rèn)為它是建筑業(yè)的相對于“甩圖版”的第二次革命。

1.1BIM的特性

1.1.1可視化

現(xiàn)在，隨著建筑物越來越復(fù)雜，加上項目團(tuán)隊不同專業(yè)、不同企業(yè)、不同背景的參與者之間的持續(xù)溝通需要，如果沒有可視化，完成一個建設(shè)項目的效率將會非常低。在運(yùn)用BIM技術(shù)的工作環(huán)境下，全部過程都是可視化的，不但能使用可視化來匯報和展示，更重要的是，項目設(shè)計、施工、運(yùn)營過程中的各專業(yè)的溝通、協(xié)商、決策都可在可視化的狀態(tài)下完成?？梢暬M可隨著BIM設(shè)計模擬的改變而改變，這樣能使可視化與設(shè)計保持一致。

1.1.2協(xié)調(diào)

由于一個項目涉及的參與方很多，各利益相關(guān)方是否能很好地溝通協(xié)調(diào)是能否在保證項目質(zhì)量、進(jìn)度、成本三大目標(biāo)實現(xiàn)的前提下高效地完成工程項目的關(guān)鍵。然而目前的現(xiàn)實情況是各專業(yè)、各部門的溝通協(xié)調(diào)能力很差，意識淡薄。使用BIM，可很好地解決這個問題。因為BIM模型集成了相關(guān)項目全壽命周期的三維幾何結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系、地理位置信息、材料用量、施工進(jìn)度和構(gòu)建屬性等幾何、物理、功能屬性信息，每個參與者可通過BIM這個平臺實現(xiàn)良好的協(xié)調(diào)，各參與方都可通過BIM信息模型快速、準(zhǔn)確地作出決策。

1.1.3模擬

模擬是對分析結(jié)果的形象化表達(dá)。如果沒有BIM的模擬，那么和工程實際發(fā)展變化是沒有必然相關(guān)性的，僅僅是一種可視化效果。利用BIM技術(shù)可實現(xiàn)動態(tài)化的可視化。如當(dāng)設(shè)計有改變時，緊接著就對變化后的設(shè)計進(jìn)行分析，再立即把分析結(jié)果形象地模擬出來，這樣設(shè)計—分析—模擬一體化能動態(tài)地表達(dá)工程的實際狀況?；贐IM，可實現(xiàn)日照模擬、能耗模擬、應(yīng)急疏散模擬、施工模擬等。

1.1.4優(yōu)化

某個項目的整個實施過程就是不斷優(yōu)化的過程。目前基于BIM技術(shù)的優(yōu)化能實現(xiàn)以下功能：1）方案優(yōu)化。使用BIM技術(shù)可把設(shè)計和投資回報分析進(jìn)行比較，計算出設(shè)計變更對投資回報所帶來的沖擊，有助于業(yè)主選擇最佳方案。2）特殊設(shè)計優(yōu)化。通過BIM技術(shù)對幕墻、屋頂這些異性設(shè)計的設(shè)計施工方案進(jìn)行優(yōu)化，從而加快進(jìn)度、減少費(fèi)用。3）限額設(shè)計。利用BIM的可視化、模擬等功能可實現(xiàn)限額設(shè)計、控制工程造價。

1.1.5出圖

利用BIM技術(shù)對建筑物進(jìn)行協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化后，能作出綜合結(jié)構(gòu)留洞圖、綜合管線圖、碰撞檢查偵查報告及建議改進(jìn)方案。

1.2BIM與CAD的區(qū)別

計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design， CAD）和BIM代表兩個時代，兩者有很大區(qū)別。CAD時代即現(xiàn)在，人基本擺脫了圖版，用計算機(jī)軟件繪圖取代手工繪圖，是隨著計算機(jī)技術(shù)、軟件的發(fā)明和普及，在繪圖工具上的一次大的變革。BIM時代是正要進(jìn)入的時代。

1.2.1工具層面

利用CAD技術(shù)，設(shè)計師要分別畫出平面圖、立面圖和剖面圖等不同角度的視圖，而利用BIM技術(shù)，設(shè)計師能由BIM模型中獲得不同角度的視圖。當(dāng)任一個構(gòu)件的類型改變時，采用CAD技術(shù)時，要對CAD所作的平面、立面和剖面等圖紙逐個進(jìn)行修改，但BIM模型只需修改一次即可全部自動更改，極大地提高了設(shè)計效率，并且避免了人為失誤導(dǎo)致的設(shè)計錯誤，準(zhǔn)確性更高。另外，利用CAD技術(shù)，當(dāng)需對結(jié)構(gòu)、節(jié)能、熱工計算及工程量統(tǒng)計等計算工作進(jìn)行個別調(diào)整時，必須依次調(diào)整所有計算模型，但利用BIM技術(shù)，只修改唯一的BIM模型即可，實現(xiàn)了高度自動化。

1.2.2方法層面

在CAD時代，業(yè)主、設(shè)計單位、施工單位及其他專業(yè)部門嚴(yán)重脫節(jié)，協(xié)調(diào)性欠佳。盡管現(xiàn)在設(shè)計與施工有一定的結(jié)合，然而大多數(shù)依然分別屬于不同專業(yè)，由不同單位承擔(dān)，由于各專業(yè)沒有很好地協(xié)調(diào)一致，導(dǎo)致后面出現(xiàn)很多的“設(shè)計變更”和“錯漏碰缺”問題。而進(jìn)入BIM時代后，各專業(yè)把關(guān)于建筑的各種信息（包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等）都放入BIM模型，各參與方可通過BIM模型共享建筑信息，達(dá)到及時溝通、協(xié)調(diào)的目的，避免“錯漏碰缺”的發(fā)生。而且施工實際進(jìn)展情況能通過BIM模型表現(xiàn)出來，通過與進(jìn)度計劃對比，更好地控制施工進(jìn)度。另外， BIM模型信息對以后的市場銷售、運(yùn)營和改擴(kuò)建有很重要的作用。

1.2.3結(jié)果層面

從手工繪圖時代到運(yùn)用CAD技術(shù)繪圖，繪圖效率大大提高，設(shè)計師是最大的受益者。從CAD時代到BIM時代，最受益的是業(yè)主，因為通過運(yùn)用BIM可減少設(shè)計變更，因而可減少返工和追加的投資，提高工程質(zhì)量。

1.2.4信息傳遞模式

在CAD時代，建筑師將腦中的三維圖像轉(zhuǎn)化為二維圖紙，再由施工方轉(zhuǎn)變?yōu)槿S實體建筑，即3D圖像—2D圖紙—3D實體，交付給施工方的仍然是二維圖紙，這就是建筑業(yè)數(shù)百年不變的“3—2—3”工作模式。在2D和3D的轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)信息理解錯誤導(dǎo)致信息流失，難以集成與協(xié)同。運(yùn)用BIM模型，建筑師將腦中的三維圖像轉(zhuǎn)化為可任意生成二維圖紙的三維施工模型，再由施工方實現(xiàn)三維實體建筑，可避免2D和3D轉(zhuǎn)換過程中的信息流失，最后交付給施工方的是一個可任意生成二維圖紙的三維施工模型。

2　BIM在設(shè)計施工一體化中的應(yīng)用

2.1BIM在設(shè)計中的應(yīng)用

設(shè)計決定建筑物的性能，設(shè)計的優(yōu)劣決定著施工的難易程度。設(shè)計階段只使用5％的建設(shè)費(fèi)用，但決定70％的建筑成本。美國建筑科學(xué)研究院（NIBS）下屬部門buildingSMART聯(lián)盟關(guān)于“建設(shè)項目生命周期成本分布”的研究結(jié)果指出：整個項目生命周期中，設(shè)計師切入時間越早，影響項目性能的能力越大，否則越??；設(shè)計師切入時間越早，對項目進(jìn)行變革所需費(fèi)用越低，否則越高。但目前設(shè)計師一半以上的工作量都在施工圖階段，導(dǎo)致設(shè)計師成了“畫圖匠”。利用BIM技術(shù)，能使設(shè)計工作重心向前移，使設(shè)計師把工作重點放在方案設(shè)計和擴(kuò)初設(shè)計階段，集中精力做好設(shè)計方案優(yōu)化。

2.1.1可視化設(shè)計

二維CAD的傳統(tǒng)設(shè)計方法，平面、立面、剖面圖和門窗表、詳圖等之間相互獨立，設(shè)計信息處于零散狀態(tài)，常導(dǎo)致圖紙設(shè)計出錯，平面、立面、剖面圖不能對應(yīng)等問題。而基于三維數(shù)字技術(shù)的BIM模型為業(yè)主、建筑設(shè)計師、結(jié)構(gòu)工程師、用戶等利益相關(guān)方提供了一個“模擬和分析”的協(xié)作平臺，各參與方可清晰地了解設(shè)計方的意圖，避免理解錯誤，可提高各專業(yè)、各參與方的溝通協(xié)調(diào)效率；當(dāng)發(fā)生設(shè)計變更時，只需調(diào)整設(shè)計參數(shù)即可統(tǒng)一改變結(jié)構(gòu)尺寸，節(jié)省了設(shè)計繪圖和調(diào)整時間，大大減少設(shè)計變更費(fèi)用。

2.1.2協(xié)同設(shè)計

應(yīng)用BIM技術(shù)，借助各專業(yè)的BIM可視化模型平臺，對原設(shè)計圖紙的二維圖紙進(jìn)行檢查，找出錯誤，從而優(yōu)化設(shè)計。另外，設(shè)計師在虛擬的三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境下很容易發(fā)現(xiàn)各專業(yè)構(gòu)件的空間關(guān)系是否存在碰撞沖突，能及時排除可能會在施工中出現(xiàn)的碰撞沖突，從而減少變更申請，使管線綜合的設(shè)計能力和工作效率得到提高，加強(qiáng)多專業(yè)的協(xié)同工作。

2.1.3建筑性能分析

BIM技術(shù)為建筑性能分析的普及應(yīng)用提供了可能?！癇IM軟件-數(shù)據(jù)格式-專業(yè)分析軟件”組成BIM在工程建設(shè)領(lǐng)域綜合運(yùn)用的基本模型。利用BIM模型，從不同角度出發(fā)，通過三維模型數(shù)據(jù)、價格數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)和其他各種數(shù)據(jù)庫的支持，能從各方面對建筑項目進(jìn)行綠色評估分析，包括小區(qū)熱環(huán)境模擬、室外風(fēng)環(huán)境模擬、建筑環(huán)境噪聲模擬、自然采光模擬、室內(nèi)自然通風(fēng)模擬等分析。

2.1.4參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計方法可應(yīng)用在方案設(shè)計的各個階段，借助參數(shù)化軟件建立邏輯模型，設(shè)計團(tuán)隊可迭代式操作和定義項目的復(fù)雜幾何模型，為多專業(yè)設(shè)計協(xié)同提供良好基礎(chǔ)。參數(shù)化設(shè)計平臺在定義高性能造型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。數(shù)字化設(shè)計平臺的使用，能從幾何角度對建筑平面和三維空間生成進(jìn)行確切的定義與展現(xiàn)。

2.1.5深化設(shè)計

目前，工程項目復(fù)雜程度越來越高，有些設(shè)計工作用傳統(tǒng)的CAD基本上無法完成，如復(fù)雜三維形體設(shè)計往往需要制造安裝企業(yè)進(jìn)行專業(yè)深化設(shè)計。然而基于BIM模型進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、機(jī)電等深化設(shè)計，能得到準(zhǔn)確的信息作為參考，而且通過統(tǒng)一的可視化平臺，每個參與者可對細(xì)節(jié)位置進(jìn)行溝通，在深化設(shè)計過程中及時發(fā)現(xiàn)施工圖上的設(shè)計盲點。通過創(chuàng)建工廠級幕墻BIM模型，在深化設(shè)計階段，利用BIM可保證建筑設(shè)計向幕墻細(xì)部設(shè)計過渡時的建筑信息的完整性和有效性，正確表達(dá)建筑師的設(shè)計意圖。進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計時，利用BIM模型免除了制造模型的創(chuàng)建時間，可提高制造質(zhì)量，保證構(gòu)件精細(xì)化工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝的質(zhì)量和效率，具有直觀、方便、準(zhǔn)確、高效的特點。

2.2BIM在施工中的應(yīng)用

2.2.1可視化預(yù)演

使用BIM技術(shù)能對施工現(xiàn)場平面布置、重要施工環(huán)節(jié)及選用新技術(shù)、新工藝、新方案的部位等進(jìn)行可視化預(yù)演與分析，從而提高施工方案的可行性和復(fù)雜建設(shè)體系的可建性。通過BIM信息化三維技術(shù)對施工組織進(jìn)行模擬，可非常直觀地了解整個施工過程的時間節(jié)點和工序，提高施工效率和施工方案的可行性。

2.2.2施工進(jìn)度跟蹤

將Revit構(gòu)建的模型結(jié)合施工進(jìn)度計劃，在Navisworks中進(jìn)行4D模擬，可分析施工進(jìn)度計劃中存在的問題。經(jīng)過4D模擬把時間與空間信息整合到一個可視化4D模型中，可反映工程建設(shè)施工的全過程。運(yùn)用BIM技術(shù)、4D模擬、3D激光掃描技術(shù)、GPS、GIS、無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可動態(tài)跟蹤現(xiàn)場施工進(jìn)度，并與施工進(jìn)度計劃作比較；可自動地每天、每周、每月對施工進(jìn)度情況作匯報，并根據(jù)現(xiàn)場情況實時調(diào)整，從而獲得最佳的施工方案，提高質(zhì)量控制和安全控制的效率，也為后期運(yùn)營維護(hù)提供全面、準(zhǔn)確的BIM數(shù)據(jù)庫。

2.2.3預(yù)制件加工及跟蹤管理

從采購、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝使用的整個過程中，使用無線移動終端、網(wǎng)絡(luò)、身份識別等技術(shù)，把在工廠預(yù)制、預(yù)加工的部件與BIM模型集成，可直觀有效地管理所有部件，避免任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。

2.2.4大型機(jī)械運(yùn)行空間分析

運(yùn)用BIM軟件，通過對各大型機(jī)械進(jìn)行參數(shù)化建模，可以3D的視角來觀察機(jī)械的狀態(tài)并方便地作出調(diào)整以接近臨界狀態(tài)，從而對大型機(jī)械運(yùn)行進(jìn)行空間分析。這樣既可避免大型機(jī)械運(yùn)行期間互相干擾，又可在遇到惡劣天氣時選擇安全的待機(jī)姿態(tài)。

2.2.5碰撞檢查

利用BIM技術(shù)，可使各專業(yè)集成到一個統(tǒng)一的平臺，實行三維碰撞檢查；可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤和不合理之處，檢查深化設(shè)計結(jié)果，及時更正，避免因深化設(shè)計失誤而造成返工；可對梁、板、柱、墻、設(shè)備、管線等結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞檢查，避免出現(xiàn)沖突，從而保證各專業(yè)（如結(jié)構(gòu)、建筑、設(shè)備等）的協(xié)同工作。

2.2.6BIM的5D應(yīng)用

BIM技術(shù)為工程行業(yè)帶來了新手段，即4D/5D 等3D以上的多維應(yīng)用，3D+進(jìn)度=4D，3D+進(jìn)度+造價=5D。使用BIM模型結(jié)合施工計劃和成本管理，能實現(xiàn)建筑業(yè)的“零庫存”施工。使用BIM模型提供的數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)對資金計劃、材料計劃、人工計劃等的合理安排。利用BIM模型，可把設(shè)計變更對造價的影響反饋給設(shè)計人員，使其清晰地了解設(shè)計方案變化對成本的影響。

3　結(jié)語

以前，人類獨創(chuàng)了用二維的施工圖來表達(dá)三維建筑物的方法，使設(shè)計、施工兩個領(lǐng)域長期分離，帶來了建筑業(yè)近百年來前所未有的繁榮和發(fā)展。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)項目的復(fù)雜程度越來越大，行業(yè)之間的競爭也越來越大，給業(yè)主帶來了縮短建設(shè)周期和控制成本的壓力，建筑業(yè)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。事實證明，人類的偉大發(fā)明即2D表達(dá)和設(shè)計、施工的分離是出現(xiàn)上述問題的根源，設(shè)計施工一體化是必然選擇。

通過多年的努力，科研人員研究了EPC、精益制造等技術(shù)方法來解決設(shè)計與施工明確分離帶來的問題。但如果沒有BIM技術(shù)，這些方法的價值的體現(xiàn)將會受到一定限制，只有把BIM技術(shù)和這些方法結(jié)合起來，充分利用BIM的優(yōu)勢，才能有效解決上述問題，實現(xiàn)工程行業(yè)更大的繁榮與發(fā)展。為實現(xiàn)BIM技術(shù)在中國建筑行業(yè)技術(shù)和管理水平提高中的綜合價值，必須有一套自己的BIM開發(fā)與應(yīng)用系統(tǒng)。要全面實現(xiàn)BIM技術(shù)對中國建筑業(yè)的價值，還需整個行業(yè)所有利益相關(guān)方的共同努力。

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