施工企業BIM應用策略研究

劉宏剛 張海華 甘一鳴 劉 佳

(中鐵大橋局集團有限公司， 武漢 430050)

施工企業BIM應用策略研究

劉宏剛 張海華 甘一鳴 劉 佳

(中鐵大橋局集團有限公司， 武漢 430050)

BIM技術的出現為施工企業提高工程建設項目的信息化管理水平提供了重要機遇，但由于涉及面較廣、參與方較多、軟件平臺成熟度較低等因素，施工階段的BIM應用是整個工程建設產業鏈中難度最大的環節。文章根據行業現狀、背景及BIM技術發展趨勢，分析了施工企業BIM應用方向和目標，提出了施工企業BIM應用策略，內容包括：研究發展規律，制定長期戰略；堅持循序漸進，避免急于求成；立足業務需求，實現重點突破；加強基礎研究，合理配置資源；做好人才培養，打造專業平臺；拓展應用空間，實現管理效益等。結合工程實踐經驗，對現有BIM軟件平臺開發及應用中存在的問題提出了具體措施和方法，可供相關企業或軟件研發人員參考。

BIM技術； 土木工程； 高速鐵路； 施工； 應用

1 行業背景與BIM發展趨勢

1.1 行業背景

近年來，BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術的快速發展受到社會各界的廣泛關注，作為未來工程建設領域信息化的重要發展方向已日趨明朗。BIM是實現綠色、節能建筑的重要技術手段[1]，在推動土木工程產業技術升級和提高信息化管理水平過程中將發揮關鍵作用，各國政府、企業、行業組織與研究機構都把BIM技術作為核心競爭力的重要組成部分予以深入研究。在我國近幾年的高速鐵路建設中，已有渝(重慶)黔(貴州)鐵路、西(安)成(都)客運專線、石(家莊)濟(南)客運專線、滬(上海)通(南通)鐵路、連(云港)鎮(江)鐵路等工程項目開展BIM試點應用，對重、難點工程采用BIM技術進行設計和施工。

然而與制造業相比，土木工程行業的信息化水平已經嚴重落后。根據IDC(International Data Corporation，國際數據公司)的分析報告，在同樣的產值規模下，全球制造業在信息技術方面的投入是土木工程行業的5倍以上。斯坦福大學的一項研究表明，從上世紀60年代以來，美國工程建設行業的勞動生產效率呈下降趨勢，而在同一時期其他工業行業勞動生產率提高了一倍左右[2]。中科院國情分析研究小組的研究顯示，過去40年，中國工業與服務業的生產力指數提高了230%，而土木工程行業的勞動生產率指數不僅沒有提高，還下降了19.2%。

1.2 BIM發展趨勢

2002年Autodesk公司首次提出“BIM”這一行業術語時，國內外BIM應用大多是研究性質的，軟件廠商是這一技術的主要推動者。例如Autodesk公司的Revit系統產品，在2012年之前基本上采取免費贈送的方式向CAD產品用戶推廣，并積極與國內設計企業、科研院校、行業協會等加強合作，贊助試點項目BIM應用和各種交流會議，在中國市場進行深耕細作。2012年之后，隨著BIM軟件的不斷完善，在軟件廠商、行業組織、媒體的大力宣傳下，以及政府、業主的鼓勵和引領下，國內對BIM技術的研究和應用出現了井噴式增長。

2002～2015年以BIM和建筑信息模型為主題的技術文獻數量逐年變化情況如圖1所示。但“BIM”同時也屬于生物學術語，意為“B淋巴細胞瘤-2基因中的凋亡調節蛋白”(Bcl-2 interacting mediator of cell death)，關于BIM的早期文獻通常屬于這一類。例如，2003年發表的涉及BIM的6篇文獻中，有5篇是屬于生物和醫學方面的，最近幾年以BIM為主題的文獻中，其含義則大多指向建筑信息模型。

圖1 國內BIM技術文獻研究趨勢

根據蓋特納模型(Gartner Hype cycle)，新技術的發展可分為5個階段：技術萌芽期(Technology Trigger)，期望膨脹期(Peak of Inflated Expectations)，泡沫化谷底期(Trough of Disillusionment)，光明的爬升期(Slope of Enlightenment)，實質生產高峰期(Plateau of productivity)，如圖2所示。由此我們可以對BIM技術的發展進行分析和預測。

圖2 BIM技術發展趨勢預測

得益于新媒體時代信息傳播的便利優勢，以及對BIM所描繪的綠色建筑、智慧城市的向往，社會各界對BIM技術的關注空間高漲，“全專業協同、全產業鏈應用、全生命周期管理”的理念已經深入人心，BLM(Building Lifecycle Management，建筑全生命周期管理)[3]、IPD(Integrated Project Delivery，集成項目交付)，BIM云、BIM大數據、互聯網+等概念也噴薄而出。然而近幾年BIM技術在施工階段大量應用之后，很多企業開始認識到BIM的理想與現實之間存在巨大反差。僅就BIM軟件來說，目前還存在著功能不夠完善、產品不夠配套、數據無法互用等問題。在標準方面，大部分BIM標準還尚未完成制定和頒布。

結合圖2可以判斷，目前國內BIM技術的發展正處于期望膨脹期頂峰，并即將進入下降期，國內企業在開展BIM應用時有必要予以分析研究，理性看待BIM價值和實施效果，科學制定BIM發展規劃和應用策略。

2 施工企業BIM應用方向和目標

與設計企業相比，施工企業的BIM應用更復雜、更困難，所用BIM軟件不僅涵蓋設計階段用到的建模、算量、碰撞檢查等功能，還包括施工組織模擬，進度、質量管理，物料跟蹤、現場監控等功能[4]，軟件的集成與數據共享難度更大。設計企業的BIM協同平臺形成之后可以持續使用和完善，便于在業務流程、崗位分工、協同等方面實現標準化[5]，而施工企業的技術、管理團隊及實施項目都是流動的，不便于經驗的積累和傳遞。

國內施工企業目前面臨著如下困境：

(1)項目復雜性不斷增加，高端建筑業和公共設施項目對工程質量和綠色、智能的要求不斷提高。

(2)項目業主對工期和造價的嚴格控制，設計文件中大量的錯漏碰缺和施工過程中頻繁的設計變更，增大了施工企業項目管理難度。

(3)施工技術和管理方法在過去幾十年未出現重大革新，對新的挑戰缺乏有效的應對手段。有研究指出，我國建筑產業技術進步在經濟增長中的作用約為25%～30%，而發達國家達到70%～80%。

(4)人工成本上升，勞務用工緊張； 工作環境艱苦，中青年技術人才流失嚴重；高素質、綜合型、專業型人才匱乏。

(5)全球化時代的開放格局使市場競爭加劇。

現代化、工業化和信息化是工程建設領域的三大發展目標。信息化包括技術信息化和管理信息化，對于施工企業的BIM應用來說，可分為技術分析和項目管理兩個應用方向，其具體應用點有不同細度或深度的劃分，國內土建企業在施工階段開展的BIM應用如表1所示。

實施信息化是提高企業管理水平的重要途徑，也是推動集約化、標準化、實現精益施工(Lean Construction)的必要條件。與ERP相比，BIM更適合土木工程行業的信息化需求，施工企業應抓住機遇，以提高技術和管理水平為目標開展BIM應用。

表1 施工階段常見的BIM應用點

3 工程案例

渝黔鐵路白沙沱長江大橋是國內高速鐵路建設中首批采用BIM技術設計和施工的試點項目之一，是目前世界上跨度最大、荷載最重的六線鐵路斜拉橋，也是第一座采用雙層鐵路布置形式的斜拉橋，上層橋面通行四線客線，下層橋面通行兩線貨線，如圖3所示。

圖3 渝黔鐵路白沙沱長江大橋主橋立面(m)

該橋重慶側邊跨主梁須跨越3條鐵路線，為保證鋼梁施工和列車運行安全，提出了在支架上拼裝鋼梁，采用同步頂推技術完成跨線段鋼梁施工的方案，以減少跨既有線施工時間，降低安全風險。鋼梁拼裝及跨線頂推方案如圖4所示。

由于頂推工序復雜、架梁吊機的作業空間受到主塔的限制等因素，技術人員采用BIM技術對鋼梁構件的存放、運輸、吊裝，以及吊機的運動軌跡、鋼梁的頂推過程等進行了全面模擬(如圖5所示)，以檢驗方案的可行性，根據模擬中發現的問題對方案進行優化處理，制定出詳細的作業流程和施工步驟，保證了施工方案的順利實施。

除采用BIM技術進行施工方案模擬、可視化交底、設計校核、3D協調等應用外，還應用BIM平臺對施工進度、成本、安全、質量進行管理。利用二維碼等物聯網技術進行物料追蹤管理，并開發了移動端應用，手機掃描二維碼可對物料狀進行查詢和編輯。雖然這些應用還有很多需要完善的地方，但仍屬于有益的嘗試。

圖4 邊跨鋼梁拼裝與跨線施工方案總布置圖

圖5 邊跨鋼梁拼裝與跨線施工模擬

4 施工企業BIM應用策略

4.1 研究發展規律，制定長期戰略

BIM對建筑業的重要性毋容置疑，然而由于媒體的過度宣傳，使人們對BIM的憧憬產生了幻覺，把未來的美好前景當成了今天的現實。事實上在施工領域的BIM應用，現階段即使愿意投入資源也難以達到預期的效果，但如果因此認為BIM華而不實對其全盤否定，則有可能錯失BIM發展良機。

自1975年Chuck Eastman首次提出“Building Description System”設想以來，BIM已走過40年發展歷程，結合BIM的最終理想，我們可以將BIM的發展過程分為四個階段，其關鍵詞分別為：概念、技術、應用、價值，與蓋特納模型的對應關系如圖6所示。毫無疑問，BIM技術的開發工作還遠未完成，目前僅在建筑行業的設計階段得到了有效應用，而施工階段的應用還缺乏必要的技術條件，主要原因是平臺類軟件的成熟度遠低于工具類軟件，而項目管理是施工階段的BIM應用重點。從行業來看，面向土木行業的BIM軟件尚未開發成功，目前主要借用房屋建筑行業的BIM軟件，雖然已有很多企業通過二次開發或定制研發進行了試點應用，但這種應用在短期內還無法取得經濟效益，甚至有部分企業認為BIM的最大亮點是在投標過程中向業主展示技術實力和企業形象，使BIM應用流于形式，停留在宣傳層面，是不可能持久的。

圖6 BIM技術發展階段預測

根據對BIM發展階段的分析，我們可以預測BIM技術研發工作有望在下一個10年取得重大進展，初步具備支持BIM技術全產業鏈應用和建筑實體全生命周期管理的潛力，而在20年之后，將能夠在整個工程建設行業真正實現BIM應用價值。施工企業可以根據BIM發展進程及所處行業特點，結合自身實際需求有針對性地制定BIM應用發展規劃、分階段目標和實施方案，改進傳統管理方法，建立適合BIM應用的工程管理模式。

4.2 堅持循序漸進，避免急于求成

從BIM技術的發展起源來看，北歐、日本等國的BIM應用先于美國。北歐國家冬天漫長多雪，這使得建筑構件的預制化非常重要，因此促進了包含豐富數據、基于模型的BIM技術的發展，并導致這些國家及早地進行了BIM的部署，成為全球最先采用基于BIM模型進行建筑設計的國家之一[6]。而日本的制造業較為發達，設備廠家將虛擬裝配技術延伸到現場安裝環節，促進了BIM技術在機電專業的應用，得益于其相對封閉的企業文化和高度融合的內部市場，在整個產業鏈的專業協同與數據交換方面擁有了成熟的接口，實施BIM能夠帶來工作效率和經濟效益的顯著提升，因而成為企業從自身需要出發做出的選擇。

目前國外的BIM應用主要集中在規劃和設計階段，屬于典型的效益驅動模式。而由于國情的不同，中國建筑市場的BIM應用更多是由政府和業主推動，要求在施工階段開展BIM應用。2015年7月，住建部發布《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，明確要求：“到2020年末，建筑行業甲級勘察、設計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業應掌握并實現BIM與企業管理系統和其他信息技術的一體化集成應用。到2020年末，以下新立項項目勘察設計、施工、運營維護中，集成應用BIM的項目比率達到90%：以國有資金投資為主的大中型建筑；申報綠色建筑的公共建筑和綠色生態示范小區”。相對于國內土木工程行業的BIM應用基礎來說，這是一個極為宏偉的目標，相關企業在具體實施中如不采取適當的策略很容易造成資金浪費和效益損失。

美國USACE(United States Army Corps of Engineers，美國陸軍工程兵)是最積極推動BIM應用的聯邦機構之一，在其為期15年的BIM應用路線圖中設計了一個“新項目BIM應用決策模型”，規定必須同時滿足“項目包含復雜構件或部件、大型項目、BIM重復利用程度高”才考慮全面綜合的BIM應用，如果前述三個條件不能同時滿足的話，需要具備“項目需要高強度運維管理、項目重要性程度高、其他因素支持、主辦方BIM能力支持”等條件方可考慮全面綜合BIM應用，否則只考慮在特定專業或功能上應用BIM甚至暫時不用BIM，而所有這些決策的基本前提是經濟上可行。這種務實理性的科學態度值得借鑒。

4.3 立足業務需求，實現重點突破

在針對某一具體工程項目進行BIM策劃時，首先要分析需求、明確目標，在解決“如何應用BIM”之前，先要回答“為何應用BIM”的問題，這對于制訂詳細計劃和評價實施效果非常重要。其次要注意BIM應用點與價值點的區別，很多企業能夠輕易選擇應用點，但卻找不到價值點。能夠帶來效益的應用就是最好的應用，不必貪大求全。

建筑行業普遍認同BIM在機電安裝中的應用價值，不僅因為能夠通過虛擬裝配檢查和優化安裝方案的可行性，事先確定安裝空間和預留孔洞的設置、確保安裝順利，而且能夠將BIM信息延伸應用到運維管理，這種針對具體需求開展的BIM應用比較能夠取得成功。施工階段在技術分析中所用到的BIM軟件大多屬工具類軟件，成熟度高且選擇余地較大，實施起來也相對容易。

有的企業首次接觸BIM就忙著制定標準、流程、管理制度，這不是個好主意。標準是在有了成熟應用之后進行的經驗總結，流程也需要在實踐摸索中才能逐步完善，國內關于BIM技術和應用方面的絕大部分標準都還沒有出臺，但這并不妨礙開展BIM應用。

應用點的選擇應先易后難，從單項應用到綜合應用，從獨立應用到集成應用，從試點應用到全面應用。先在個別應用點實現單項突破，再通過建立BIM試點項目的方式，逐步擴展到多階段、多專業的集成應用，不斷積累和總結實施經驗，最終建立起適合企業自身需要的BIM技術解決方案。

4.4 加強基礎研究，合理配置資源

BIM技術的應用高度依賴IT資源，特別是各種BIM軟件，是開展BIM應用的重要工具，同時也是最主要的成本支出。不同BIM軟件對硬件的需求是不同的，而不同企業對BIM軟件的需求也是不同的，在確定BIM軟件硬件配置方案時，必須先了解其業務需求及發展方向、BIM應用重點、團隊規模、工作方式等，并對BIM環境下的IT技術、工程技術、管理模式等問題加強基礎性研究。

全面的BIM應用需要多種軟件工具，在確定軟件組合方案時要充分考慮數據異構問題。BIM核心建模軟件及大部分工具類軟件由少數國際軟件巨頭所壟斷，為鞏固競爭優勢，這些軟件企業正在加快產品布局及企業之間的兼并聯合。以美國Trimble公司為例，近年來陸續收購了加拿大Applanix公司、德國NPHO公司、法國Ashtech公司、芬蘭Tekla公司，軟件產品涵蓋Accubid、MeridianSystems、Plancal、QuickPen、SketchUp、Tekla、VicoSoftware和WinEst等品牌軟件和外業解決方案。由于軟件購置和人員培訓成本較高，企業用戶一旦選定軟件組合，BIM應用的成敗就會與特定軟件廠商的命運結合在一起，因此應充分調研論證。

BIM軟件對運行環境的要求較高，但由于IT硬件的更新速度較快，配置時不宜過度超前，同時，需充分了解所選BIM軟硬件之間的適應性問題。很多用戶曾反映BIM軟件在服務器上的運行效果不如圖形工作站，采用虛擬化方式大多以失敗告終，其主要原因是現有的大部分BIM軟件不支持多線程運算，而多核處理器并行運算是服務器的主流配置方式，同時為了避免長時間持續運行時芯片過熱，所配置的CPU單核運算速率通常較低，在運行BIM軟件時并無速度優勢，面向圖形設計的虛擬化軟件還不夠完善，而在模型創建階段采取虛擬化方式進行協同設計時，需萬兆以上局域網支持才能獲得較高的響應速度。

在一些特別大型或復雜的項目中，當BIM數據呈幾何級增長時，計算機的反應速度會迅速下降，可以采取以下措施予以緩解：

(1)明確BIM應用目標，設置合理的期望值，“三維”并不意味著項目中的每個零件都需要建模。

(2)針對不同需求，創建不同細度等級的BIM模型。

(3)針對不同BIM軟件選擇適當的硬件。

(4)合理劃分BIM文件的結構，建立多文件協同方式。

(5)建立良好的操作習慣，減少人為因素的影響。

(6)了解硬件知識，學會對不同硬件(比如固態硬盤與機械硬盤)的正確使用與保養。

4.5 做好人才培養，打造專業平臺

目前土木工程行業開展BIM應用的最大技術障礙仍然是軟件問題，國內BIM應用較好的企業有一個共同特點，那就是二次開發能力比較強，成立了由專業IT人員組成的研發隊伍針對本企業的應用需求對現有BIM軟件功能進行改進或集成，這正是現階段BIM軟件不完善造成的。

從狹義上講，BIM是對建筑工程物理特征和功能特性信息的數字化承載和可視化表達，美國建筑師學會將其定義為一種“結合工程專案信息數據庫的模型技術”，而Graphisoft公司認為BIM是一個“包含了圖形及非圖形文件的單一知識庫”。因此，數據庫與可視化是BIM的兩大核心技術，而國產軟件在這兩方面的技術基礎都比較薄弱，優勢技術主要體現在本土化定制以及對數據轉換接口的研究。

基礎薄弱、人才匱乏使國內企業開展BIM應用困難重重，國外BIM軟件在中國市場的本土化進程尚未完成，而具有本土化優勢的國產平臺類軟件則存在著集成度低、可靠性差等缺陷，有些技術成果尚未實現產業化，主要以科研課題的形式為企業用戶進行定制研發，成本畸高且通用性較差，一次研發活動僅能用于一個特定項目，造成企業成本負擔較重，同時也導致軟件系統在日常應用中高度依賴研發團隊的實時維護。另外，在BIM應用中為了便于宣傳和展示，通常還要結合GIS、點云掃描、場景建模、視頻剪輯等技術對BIM模型進行后期處理，這些情況都需要企業加強內部BIM人才的培養。

項目管理是施工企業信息化建設的優先方向，也是BIM應用的重點，但軟件功能的集成是一項艱巨的挑戰，不可能一蹴而就。發達國家的經驗表明，BIM應用能否取得預期效果與其BIM軟件產業發展水平及實施BIM的企業所處行業內部的融合程度有直接關系。BIM軟件及相關標準的發展和完善注定是一個長期的過程，只有通過科學合理的規劃，充分利用內部外部兩種資源，打造出專業的項目管理平臺并由專業團隊進行應用和維護，才能最終取得成功。

4.6 拓展應用空間，實現管理效益

BIM為實現建筑產品的精益施工、精細化管理、全生命周期管理等先進理念提供了可能性。同時，越來越多的技術被融合到BIM概念中來，比如物聯網技術、移動端應用、視頻監控等，這些技術的加入拓展了BIM的應用空間，但也增大了系統集成的難度，可以在實踐中根據需要逐步拓展項目管理的覆蓋面。

美國精益施工學會的研究發現，當計劃完成度達到75%～90%時，生產效率和利潤都會有明顯增長，在沒有采用精益施工前，只有1/3的任務能夠按承諾的計劃完成，而信息不夠清晰和明確是首要原因。能否保證每個任務按要求完成的關鍵在于具體執行任務最基層的團隊負責人，也就是精益施工里所說的末位計劃員，BIM技術中的可視化交底非常有利于他們準確理解方案、計劃的意圖和技術要點，顯著提高工作效率，并減少執行錯誤。

在建設項目管理機構的組織形式上，基于 BIM的信息化技術有利于減少管理層次、擴大管理幅度，實現扁平化組織結構，使建設各方的信息溝通更直接、更準確。BIM技術為扁平化組織結構提供了一個可視化的決策平臺，各參與方的信息管理人員組成信息管理團隊，在此平臺上對各自負責的工程信息進行處理，形成多位一體的信息管理格局[7]，各方根據管理權限便捷地獲得所需的工程項目信息，簡化了信息溝通流程，避免了工程信息的重復輸入，同時也提高了BIM的使用效率和應用價值，如圖7所示。

圖7 建設項目信息傳遞方式的轉變

5 結束語

BIM的價值取決于BIM信息被使用的價值[8]，但由于技術、人才、標準、環境等方面的制約，BIM在項目管理中的應用潛力還遠未發揮出來，各種功能尚未有效集成，BIM信息在整個產業鏈內及項目管理的各個環節還未實現自由流通，信息利用率和交換效率較低，信息的準確性、一致性、完備性還有待提高，施工企業在開展BIM應用時難以達到預期的效果，使BIM技術的進一步推廣受到制約。

國產BIM軟件企業和研究機構可針對這些問題開展研究，充分發揮BIM的信息集成優勢和跨平臺管理能力，通過提高軟件性能和改善用戶體驗，支持BIM模型在設計、制造、安裝施工及運維管理等全產業鏈的流轉和共享，利用自身的本土化優勢，通過合作共贏實現BIM在國內建筑和土木工程施工領域的應用價值。

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Research on BIM Application Strategy of Construction Enterprises

LIU Honggang ZHANG Haihua GAN Yiming LIU Jia

(China ZhongTie Major Bridge Engineering Group Co.,Ltd., Wuhan 430050， China)

The appearance of BIM technology provides an important opportunity for construction enterprises to improve the informationization management. Due to such factors as covering?a wide?range of aspects, more participants and lower maturity of the software platform, application of BIM during construction phase is the most difficult part in the whole engineering construction. According to the industry status, background and BIM technology development trends, the direction and goals of the construction industry BIM application is analyzed and BIM application strategies are put forward, including: insisting on step by step to avoid anxious; based on business needs to achieve breakthrough in key areas; strengthening the basic research and allocating the resources reasonable;to do a good personnel training and create a professional platform; expanding the application space to achieve the efficient management. Combined with engineering practice, specific measures and methods for the problems existed in BIM software platform development and application are put forward, which can be referenced by relevant researchers.

BIM technology；civil engineering；high speed railway; construction；application

2015-03-15

劉宏剛(1975-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)04—0001—07

TU17

A