文／趙璨、趙中宇、駱思羽 中國中建設(shè)計研究院有限公司 北京 100037

1、BIM 正向設(shè)計

1.1 意義

BIM 正向設(shè)計的提出是建筑行業(yè)發(fā)展、建筑設(shè)計轉(zhuǎn)型、建筑技術(shù)升級的綜合體現(xiàn)，也是跨行業(yè)的信息軟件技術(shù)、實時表現(xiàn)技術(shù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)與專業(yè)設(shè)計技術(shù)的高度融合的起點。BIM 正向設(shè)計技術(shù)是走向“節(jié)約型”設(shè)計的有效途徑，走向企業(yè)數(shù)字化的重要支撐，成為了勘察設(shè)計企業(yè)進軍市場的必備能力。通過本課題的研究，切實做到以科技支撐企業(yè)發(fā)展為基礎(chǔ)，大力推廣并帶動我院BIM正向設(shè)計技術(shù)普及應(yīng)用。提升我院建筑工程BIM 技術(shù)正向設(shè)計應(yīng)用能力，提高我院建筑工程設(shè)計協(xié)同工作效率和設(shè)計質(zhì)量，減少我院建筑工程設(shè)計變更、設(shè)計周期、人工成本，促進我院建筑工程設(shè)計信息化、數(shù)字化、平臺化發(fā)展。

1.2 目標

（1）建立建筑工程基于BIM 的全專業(yè)正向設(shè)計標準體系；逐步形成我院BIM 技術(shù) “一流程多標準” 的應(yīng)用模式；

（2）是研究建筑工程設(shè)計階段全專業(yè)BIM 軟件及協(xié)同平臺的集成解決方案，使各軟件功能和平臺數(shù)據(jù)互通共享，在BIM 正向設(shè)計中，能快速高效的完成設(shè)計工作；為我院設(shè)計標準化、信息數(shù)據(jù)化、管理平臺化提供支撐；

（3）開展建筑工程BIM 正向設(shè)計項目示范，形成全專業(yè)的正向設(shè)計成果，并進行經(jīng)驗交流和推廣。

2、現(xiàn)實問題分析

2.1 技術(shù)難點和解決途徑

（1）探索和實踐符合我院建筑工程BIM 正向設(shè)計標準體系

結(jié)合我院現(xiàn)有設(shè)計流程、標準，管理體系等進行綜合考慮，解決我院BIM 正向設(shè)計標準、二三維工作流程協(xié)調(diào)，設(shè)計師建模規(guī)范，正向設(shè)計成果交付等問題，引導BIM正向設(shè)計應(yīng)用，提升BIM 應(yīng)用效果、規(guī)范BIM 應(yīng)用行為。

（2）BIM 正向設(shè)計軟件平臺功能應(yīng)用效率和數(shù)據(jù)互通研究

重點解決各專業(yè)軟件和平臺對設(shè)計師使用熟練性，應(yīng)用功能可操作性，信息傳遞準確性，數(shù)據(jù)共享、成果表達等問題。提高協(xié)同工作質(zhì)量，減少設(shè)計變更，促進設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量的提升。

2.2 國內(nèi)環(huán)境制約

我國目前面臨的現(xiàn)實問題，包括軟件技術(shù)、信息化建設(shè)和分配制度等方面的限制。有人指出，我國BIM 技術(shù)的發(fā)展受軟件標準、應(yīng)用方式等因素的影響。有人運用BIM 技術(shù)進行了軌道結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計，結(jié)果表明，目前的地基平臺的專業(yè)水平較低，正方向的效率較低，需要根據(jù)國內(nèi)的設(shè)計慣例進行二次開發(fā)，以提升效率。有人對水結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計進行了深入的分析，指出了目前應(yīng)重點解決的問題是如何實現(xiàn)模型的輕量化以及如何實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體計算。PRUSKOVA 和 KAISER 指出，BIM 正向設(shè)計的最大阻礙在于缺少適當?shù)募夹g(shù)手段，既要有相應(yīng)的應(yīng)用，又要有精確的資料分享與合作。我國正向設(shè)計的實際情況表明，我國自主開發(fā)的軟體設(shè)計水平遠遠達不到要求，必須加強開發(fā)工作。目前，廣聯(lián)達、鴻業(yè)科技、PKPM、盈建科、廣廈科技等BIM 公司都在積極運營。而且，正向設(shè)計的大部分思想都是基于二維的設(shè)計過程，只使用了一個簡易的二維模型來表示，而沒有尋找適合 BIM 的工程操作方式和規(guī)范的方法，最后難以達到預期的結(jié)果。BIM 正向設(shè)計的發(fā)展有賴于施工企業(yè)的信息化水平，但由于國內(nèi)建筑業(yè)總體的信息化程度較差，其信息化程度只有0.3%，而國外的建設(shè)企業(yè)的信息化程度卻高達10 個百分點，這也是造成建筑業(yè)企業(yè)經(jīng)營利潤較差的主要因素。建筑信息化與工業(yè)化相互促進、相互支撐，對建筑設(shè)計、施工、運營等技術(shù)的發(fā)展起到了很大的推動作用。要掌握建設(shè)單位的信息化發(fā)展動向，必須從信息技術(shù)的發(fā)展和運用方式兩個角度來進行。BIM 技術(shù)中的正向設(shè)計是一個重要環(huán)節(jié)，它所產(chǎn)生的結(jié)果往往會造成“孤島”現(xiàn)象，從而影響到 BIM 技術(shù)的最大利用。而在積極推動下，配送系統(tǒng)也成為制約其發(fā)展的一個主要因素。以大型公共建筑工程為案例，利用Shapely 值法構(gòu)建了一個收益分布模式，分析了BIM 技術(shù)在新的環(huán)境下對各個成員的作用及收益的分布，并采用了一個校正的方法，使各方的收益分布更加公平、更加合理。BIM 的正向設(shè)計已經(jīng)逐步突破了傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)分布體系，對BIM 技術(shù)的應(yīng)用進行了科學的研究和探討，以重構(gòu)企業(yè)的供應(yīng)鏈中的收益分配模式。目前，國內(nèi)的積極設(shè)計以設(shè)計院為主，開發(fā)商和建筑單位是其最大的受益者，但是由于系統(tǒng)的軟件和人員的不斷更新，使得制造費用大大提高，但是在積極的設(shè)計中，它并不能起到重要的作用。這就造成了“正面設(shè)計”的設(shè)計理念缺失，從而形成了一個惡性循環(huán)。

2.3 產(chǎn)業(yè)鏈不成熟

BIM 并非單一的應(yīng)用程序，它將專業(yè)信息、平臺、軟件的綜合運用于一體，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、信息交流和跨行業(yè)協(xié)作。正向設(shè)計是BIM 技術(shù)的一個重要組成部分，它直接關(guān)系到BIM 技術(shù)的成熟性。本階段著重介紹了BIM+ PM 與BIM+數(shù)碼處理兩種技術(shù)的整合，而體現(xiàn) BIM+數(shù)字化處理對正向設(shè)計的作用更大。傳統(tǒng)的工程交付方式是CM-at-Risk、DB（design-build）、DBB （design-bid-build）等，由于業(yè)主方、設(shè)計方和施工方的利益和風險分布不平衡，導致工程造價高、工期長。因此，90年代，歐美等發(fā)達國家就在工程中采用綜合工程交付（IPD）進行工程建設(shè)，并獲得了很好的效果，從而有效地解決了傳統(tǒng)的高費用、高周期的問題。BIM 技術(shù)的迅速發(fā)展使其信息化、集成化、協(xié)同化的特性成為IPD 技術(shù)的有力支撐。然而，與美國相比，在國內(nèi)開展的IPD 協(xié)作工作中，BIM 技術(shù)的運用仍然十分局限。目前我國開展IPD 技術(shù)面臨的困難是BIM 技術(shù)、政策法規(guī)以及與我國的相關(guān)協(xié)議。2017年，有人對PPP項目實施IPD 模型的應(yīng)用進行了分析，并提出了兩個可行的模型，指出了存在的問題。綜上所述，BIM+ IPD技術(shù)在國內(nèi)的推廣尚處在初級水平，任重而道遠。2019年度，美國學者NGUYEN 和AKHAVIAN 將IPD、精益施工與BIM 集成為一種信息架構(gòu)，也就是ILB 模型，利用扎根原理對72 座美國實際工程進行了深入的研究，從而使工程管理的知識庫更加完整。目前，工程建設(shè)仍停留在以傳統(tǒng)的方式進行，制約著BIM 技術(shù)的推廣，而正向的工程建設(shè)也在不斷地進行著。BIM 技術(shù)與DM 加工一體化是指通過生產(chǎn)裝置對BIM 模型中的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化加工，其應(yīng)用范圍包括預制混凝土構(gòu)件、管線預制加工、鋼構(gòu)件加工等領(lǐng)域，而在我國，則是以組裝方式進行應(yīng)用。在國內(nèi)，裝配施工+BIM 的技術(shù)整合尚處在起步狀態(tài)，尚存在技術(shù)標準不完善，裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計傳統(tǒng)觀念，BIM 技術(shù)與裝配設(shè)計的結(jié)合不緊密，軟硬件配置不能適應(yīng)實際需要等問題。與常規(guī)施工方法比較，現(xiàn)有的組裝施工成本較高，施工時間較長，其主要因素是由于組件制造廠商沒有完全利用其生產(chǎn)能力，不具備降低成本的規(guī)模效應(yīng)，設(shè)計與施工的實際操作水平也較差。這與BIM+組裝技術(shù)能夠減少工程造價、減少工期之間的優(yōu)勢并不沖突，其實施的先決條件是：技術(shù)整合要達到成熟和完美。由于中國龐大的異質(zhì)性市場，BIM 技術(shù)與組裝技術(shù)的發(fā)展受到了諸多因素的制約，這些因素并非彼此獨立，它們之間的聯(lián)系形成了一個錯綜復雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。TAN 等采用層次關(guān)系模式（ISM)，對中國BIM 及組裝施工的障礙進行了剖析，將其劃分為3 個層次，并分別給出了各層次的應(yīng)對措施。第1 層次的回應(yīng)應(yīng)該是基于本國的學術(shù)研究、標準制定和以本國為導向的軟件發(fā)展；第2 層次應(yīng)該構(gòu)建一個適應(yīng) BIM 技術(shù)的生態(tài)體系，包括完善的工作流程、完善的管理體系、強化個人技術(shù)訓練等；第3 層次應(yīng)該強化 BIM 技術(shù)在組裝工程中的運用。BIM+數(shù)字化技術(shù)在國內(nèi)和國外的推廣都受到了很大的障礙，如果不能有效地加以克服，將會給企業(yè)帶來更多的利益。

2.4 協(xié)同與集成

BIM 正向設(shè)計協(xié)同工作標準體系建設(shè)研究包括：建筑工程BIM 正向設(shè)計全流程的策劃實施；全專業(yè)的BIM建模制圖標準；專業(yè)BIM 提資協(xié)同標準；BIM 模型的檢查標準；BIM 設(shè)計校審標準；BIM 設(shè)計成果交付標準；BIM 正向設(shè)計評價標準；企業(yè)BIM 資源管理標準等體系建設(shè)，以及相關(guān)的BIM 軟件和應(yīng)用方法利用工作集合的優(yōu)點，可以設(shè)定工作集合的權(quán)限，各個領(lǐng)域的工程師都可以設(shè)定自己的工作集合，比如暖通的工作集合可以分為通風、暖氣和空氣調(diào)節(jié)等，暖通工程師可以建立三個工作集合，指定工作集中的擁有者，并將工作集中的可編輯設(shè)為“否”，以便其他人很難對你的工作進行修改。

3、發(fā)展路徑

3.1 完善制圖標準

在當前的測繪工作中，圖紙不可或缺，于是就把BIM資料轉(zhuǎn)換成圖形，因此，出現(xiàn)了正向設(shè)計。與美國類似，國內(nèi)對2 級的軟件開發(fā)和建筑領(lǐng)域有IFC、IFD 和IDM3種標準。美國與中國的制圖設(shè)計差異很大，而BIM 的設(shè)計更符合美國的設(shè)計體制。目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一平面圖制圖規(guī)范，依然使用例如0901 《民用建筑工程建筑施工圖設(shè)計深度圖樣》、09G103 《民用建筑工程結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計深度》等。BIM 作為一個承載著大量數(shù)據(jù)的立體建模工具，具有很好的應(yīng)用前景，可以極大地降低對平面圖形的依賴性。今后建筑工程將采用無紙作業(yè)，通過使用手機觀察模型，提取相關(guān)信息，對建筑工程進行引導施工。平面設(shè)計傳遞的方法與表達都是平面的，在BIM 中，通過移動電子設(shè)備、云平臺等實現(xiàn)了BIM 的信息傳遞，其表達方式多種多樣，包括二維、三維、動態(tài)仿真等。BIM 技術(shù)的發(fā)展必須要有相應(yīng)的規(guī)范來克服其局限性。此外，BIM技術(shù)是一個面向全生命周期的、包含設(shè)計與經(jīng)營的技術(shù)平臺，由于BIM 技術(shù)規(guī)范的制定時間較短，因此BIM 在實際應(yīng)用中會遇到很多問題和困擾，這就需要對 BIM 進行持續(xù)的改進。

3.2 設(shè)計施工一體化

推動BIM 在技術(shù)鏈條、產(chǎn)業(yè)鏈中的深入化，是實現(xiàn)BIM 技術(shù)與工程建設(shè)充分結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。如何創(chuàng)新工程模式，提高工程建設(shè)的質(zhì)量與效益，已成為當前建設(shè)領(lǐng)域亟待解決的問題。由于各成員的利益目的不統(tǒng)一，使用過程中的零散問題，使得DBB、DB、CM-at-Risk 等常規(guī)的傳遞方式妨礙了彼此的合作，從而提高了建筑費用和工程的時間。同時，由于我國工程建設(shè)的日益復雜化，這一缺陷也日益凸顯。按照美國建筑師學會的界定，IPD 模型是一個將人員、平臺、架構(gòu)和設(shè)施有機結(jié)合起來的組織形式，讓每個成員都能最大程度地利用自己的才能來優(yōu)化建造，減少浪費，最大化整個工程的效益。IPD 和 BIM 技術(shù)都是在工程建設(shè)之前進行設(shè)計和仿真，在工程建設(shè)之前，雙方在共同努力下，共同承擔責任、風險和收益。目前BIM 技術(shù)在實際中的應(yīng)用尚未達到預期的要求，因此，BIM 技術(shù)的發(fā)展還有待于更深入的研究。此外，我國的建筑業(yè)在交付方式上仍停留在傳統(tǒng)的交付方式上，缺少相關(guān)的理論架構(gòu)與實際操作。IPD 模式在工程實踐中的運用并不是一件簡單的事情，它必須要有一套能夠支撐IPD 運作的技術(shù)平臺。在推進工程建設(shè)的過程中，設(shè)計與建設(shè)的結(jié)合是推進工程建設(shè)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而技術(shù)與經(jīng)營方式的革新則是工程建設(shè)取得成功的基礎(chǔ)。

3.3 正向設(shè)計的過渡

我國目前所提倡的正面設(shè)計還是以圖示作為信息的媒介，其原因在于BIM 技術(shù)還處在起步期，還沒有完全發(fā)展起來，各種理論與執(zhí)行方法存在著諸多不確定因素，技術(shù)發(fā)展與項目管理都還沒有完全完善。以圖紙為媒介，與BIM 的設(shè)計意圖不符，存在著很大的時效性?！?019上海市建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展報告》指出，建設(shè)信息化建設(shè)要實現(xiàn)的四個方面：要強化“1+X”的建設(shè)模式；制定城市BIM 收費標準；強化BIM 技術(shù)實施的全流程監(jiān)管；推動工程設(shè)計審核與完工交付工作從二維過渡到三維。最后一條主要是解決正向工程中的指導性問題，并建議在 BIM 技術(shù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個智能化施工項目的審批系統(tǒng)，并完善相應(yīng)的工作體系和工作程序，在施工期以“審?！睘橹鳎浴鞍茨！彬炇眨诮回浧诓捎谩翱⒐つＰ汀?。BIM 在今后的發(fā)展過程中，將會按照 BIM 的基本需求，加強與 BIM 相關(guān)的信息流的傳輸，并對原有的管理思想進行優(yōu)化，并利用5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)對BIM 的可操作性，以及人工智能與云計算對BIM的提升。以資訊模型取代圖樣，現(xiàn)行“正向設(shè)計”也將告結(jié)束，而遵循BIM 固有規(guī)則的設(shè)計方式將會有更大的優(yōu)越性。

4、主要經(jīng)濟社會指標

BIM 正向設(shè)計技術(shù)是建筑行業(yè)走向數(shù)字化的重要支撐，是設(shè)計企業(yè)提升市場競爭的必備能力。在建筑設(shè)計中實現(xiàn)正向設(shè)計，可為當下的BIM 應(yīng)用節(jié)省部分環(huán)節(jié)、降低勞動力和信息交換成本。讓設(shè)計師充分利用信息化平臺表達自己的設(shè)計理念。通過準確而詳實的模型能夠順利打破傳統(tǒng)行業(yè)間信息傳遞的壁壘，實現(xiàn)信息之間的多向交流。

截止2021年，全國有上海、浙江、安徽、廣東、重慶等19 個省市相繼出臺BIM 計費標準，設(shè)計階段BIM技術(shù)應(yīng)用的取費標準單價在15-24 元/m2，雄安、深圳等地已經(jīng)賦予BIM 信息模型相應(yīng)的法律地位，BIM 模型已逐漸成為項目不可或缺的信息數(shù)據(jù)和技術(shù)應(yīng)用。BIM 正向設(shè)計的實施可更高效的對傳統(tǒng)施工圖設(shè)計和設(shè)計總包類項目產(chǎn)生更多的附加價值，并在EPC 項目、施工總包類項目、智慧運維項目、智慧城市項目等項目后期形成延伸價值。

通過本課題研發(fā)，將傳統(tǒng)設(shè)計模式改變成為以信息數(shù)據(jù)為驅(qū)動的項目協(xié)同管理的模式。通過模型將設(shè)計數(shù)字化、信息化，通過協(xié)同平臺取代或部分取代傳統(tǒng)模式下低效的協(xié)同方式，減輕了工作人員的負擔，提高工作效率，減少工作錯誤，降低項目成本。

探索BIM 正向設(shè)計技術(shù)應(yīng)用對我院增強企業(yè)核心競爭力有著深層次影響，對進一步對接國內(nèi)外市場，意義重大。其成果對建筑工程設(shè)計、設(shè)計總包類項目、EPC 類項目；雄安、深圳等BIM 要求較高的地區(qū)；中海、龍湖等要求BIM 正向設(shè)計能力的大型房企中形成較大競爭優(yōu)勢，對我院各生產(chǎn)單位有廣泛的推廣作用，促進生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。

結(jié)語：

BIM 正向設(shè)計是探索BIM 技術(shù)的一種有效途徑，它極大地推動了BIM 技術(shù)的推廣和應(yīng)用。然而，根據(jù)目前國內(nèi)外的經(jīng)驗，BIM 技術(shù)尚處在起步階段，其整個生命周期的運用還存在著許多問題，而以出圖為主導的正向設(shè)計更是有一定的時效性。目前，國內(nèi)的正向設(shè)計還面臨著：（1）缺少有針對性的技術(shù)規(guī)范和數(shù)據(jù)標準。目前，以出圖為指導的前向設(shè)計規(guī)范并不完全符合當前的要求，從而限制了生產(chǎn)的工作；（2）受內(nèi)外部環(huán)境影響。BIM 系統(tǒng)缺少獨立的開發(fā)平臺，二次開發(fā)水平不高；我國建筑業(yè)的信息化水平較差，制造業(yè)的信息化水平較高；目前的施工企業(yè)分布制度限制了BIM 的積極作用；（3）BIM 技術(shù)鏈條及產(chǎn)業(yè)鏈在我國尚不健全?，F(xiàn)行工程的實施方式與前向的規(guī)劃不相適應(yīng)，從而降低了工程實施的有效性；目前，BIM 技術(shù)尚不完善，限制了BIM 技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用。本文就前向設(shè)計中遇到的問題，給出了相應(yīng)的對策，并從理論上探討了面向前向設(shè)計的思路。在此基礎(chǔ)上，基于云計算的工程信息傳輸技術(shù)，在智能互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，進行了各種管理、審核和施工驗收。