BIM技術在土木工程專業(yè)中課程架構(gòu)的研究

許莉 張挺

摘? 要：BIM作為建筑信息模型的數(shù)據(jù)處理平臺，涵蓋了實際工程的全壽命周期，因而無法用單一的軟件，簡言駭之，而在實際教學中，也無法通過對某個軟件的演示來完整地詮釋它。文章通過對BIM誕生背景、內(nèi)涵與基本概念、數(shù)據(jù)模型格式等進行系統(tǒng)闡釋，并對比分析了BIM與傳統(tǒng)CAD技術之間的關系，使讀者更好地了解BIM在土木工程領域的不可或缺的作用。BIM課程架構(gòu)從理論教學與案例教學的角度出發(fā)，前者著重講述BIM中的多維數(shù)據(jù)信息模型、協(xié)同工作技術、數(shù)據(jù)信息集成技術與可視化技術等，后者則通過BIM對實踐應用，如針對BIM不同階段的設計軟件、BIM工程案例等進行系統(tǒng)講解，并輔以BIM講座以達到預期的教學效果。

關鍵詞：土木工程專業(yè);BIM技術;知識體系;課程架構(gòu)

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）05-0089-03

Abstract： As the data processing platform of building information model， BIM covers the whole life cycle of actual engineering， so it can't be used in single software. In fact， in actual teaching， it can't be completely explained by the demonstration of certain software. The article systematically interprets the background， connotation and basic concepts of BIM， data model format and compares the relationship between BIM and traditional CAD technology， so that readers can better understand the indispensable BIM in the field of civil engineering effect. From the perspective of theoretical teaching and case teaching， the BIM curriculum focuses on the multidimensional data information model， collaborative work technology， data information integration technology and visualization technology in BIM. The latter applies practical application through BIM， such as different for BIM. Stage design software， BIM engineering cases， etc. will be systematically explained， supplemented by BIM lectures to achieve the desired teaching results.

Keywords： civil engineering; BIM technology; knowledge hierarchy; curriculum framework

引言

自BIM技術誕生以來，因其具有體現(xiàn)工程全壽命階段設計的巨大優(yōu)勢而在土木工程領域得到迅猛發(fā)展。如今BIM技術的推廣和應用已在相關領域進行地如火如荼，而高等學校在這方面的教育和投入則顯得不溫不火，更缺乏能全面體現(xiàn)BIM思想的成熟教材，工程實際與理論教學存在的巨大落差和教育脫軌，迫使土木工程專業(yè)本科生培養(yǎng)中的計算機輔助設計教學必須快速實現(xiàn)新的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變需從傳統(tǒng)的CAD教學逐步轉(zhuǎn)入以BIM技術理論為依托的融入式教學。而需要特別指出的是，BIM技術并非對CAD技術的更新和完善，它完全摒棄了傳統(tǒng)的二維設計方法，轉(zhuǎn)而面向一種全新的三維全壽命設計理念。因而，如何更有效地實現(xiàn)BIM課程的教學體系轉(zhuǎn)換是當前計算機輔助設計教學亟待解決的問題。

一、BIM基本概念

（一）BIM出現(xiàn)背景

上個世紀末以來，隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，信息技術已滲透到設計、施工、運營等各個建筑生命期的不同階段。但是，由于信息來自多個參與方，造成分散的多個數(shù)據(jù)源，使得大量的工程數(shù)據(jù)信息傳遞工作量大，無法直接交流。同時，各參與方之間的信息交流手段落后，比如：建筑設計通過二維圖紙表達，施工進度通過橫道圖表達，在施工和管理過程中的數(shù)據(jù)通過手工編制人工報表。這將造成不同階段數(shù)據(jù)信息傳輸和共享困難，從而導致發(fā)生信息斷層的現(xiàn)象。為解決上述問題，BIM適時而出，它為工程項目從設計到運營全壽命周期提供連貫一致的信息，從而提高工作效率和質(zhì)量，并且能綜合把控工程投入使用的運營利潤及施工周期，實現(xiàn)全工程的工程信息集成和管理。

（二）BIM內(nèi)涵

BIM（Building Information Modelling），即建筑信息模型，最早是由美國喬治亞技術學院查克·伊斯曼博士在二十世紀七十年代提出的，其對BIM的定義闡釋如下：建筑信息模型是融合了模型的空間幾何信息、功能應用以及單元性能的集成體，體現(xiàn)了它在工程項目全壽命周期的價值與不可限量的潛力。因此，可以說建筑信息模型是一種涵蓋了諸如建筑、工程、施工、運營等多維數(shù)據(jù)的信息云載體[1，2]。

實際上將BIM翻譯為建筑信息模型對于初學者來說不是特別恰當，會讓其誤以為BIM只是用來實現(xiàn)三維建模，亦或是對傳統(tǒng)CAD技術的更新和完善，而僅停留在工程項目的設計階段。BIM是以建筑模型為載體而承載多維數(shù)據(jù)信息的大型數(shù)據(jù)庫，涵蓋了工程項目全壽命周期所需的不同階段的信息，包括項目規(guī)劃、建筑設計、工程施工、運維管理等，而且這些信息是互通的，負責不同階段的項目人員可以隨時訪問BIM數(shù)據(jù)庫，獲取他們所需的相關信息，協(xié)同工作，并及時反饋，因此BIM也可以視為集合了項目各個階段實施情況的共享協(xié)作信息平臺，為項目全壽命周期的高效率運作提供了新的可能。從這個角度上來說，將BIM稱之為“工程信息模型及其應用”似乎更加準確。可以從三個角度來解讀BIM：

1. BIM是集成了N維數(shù)據(jù)的信息模型。BIM使用了可視化的建筑模型作為信息載體，使得傳統(tǒng)的信息表達變得更加智能而易于理解和接受，而這個載體承載的不僅僅是簡單的三維幾何參數(shù)信息，而是項目工程全壽命周期各個階段的所有數(shù)據(jù)信息。將BIM視為承載N維數(shù)據(jù)的信息模型，是因為此模型所搭載的數(shù)據(jù)信息的維度取決于使用者，或者說是使用目的。若是簡單的三維展示，那么此時的BIM模型就是三維幾何參數(shù)模型，它搭載的是項目各個構(gòu)件單元的空間幾何參數(shù)信息，若在此基礎上融合了時間這一因素，則可發(fā)展成為四維（4D）模型，若用戶意圖在初期設計階段對成本進行簡單估算，亦或是在投標階段進行工程量計算，則可發(fā)展為融入成本計算的5D模型，繼而還可以發(fā)展成為結(jié)合其他方面的N維模型。

2. BIM是促進協(xié)同工作與可視化分析的重要工具。協(xié)同設計的范圍應擴展至整個工程全壽命周期，涵蓋項目規(guī)劃、建筑設計、施工建造、運營管理至工程服役結(jié)束整個周期。從這個角度來講，協(xié)同設計的要求也意味著其順利開展不僅需要設計單位的參與，同時開發(fā)商、施工企業(yè)、后期運維管理單位等都必須參與進來，因而是一項跨時間和跨地域的聯(lián)合活動，這種運作方式允許不同階段不同專業(yè)的相關人員可以得到第一手資料，并通過各種交流媒介，如設計企業(yè)內(nèi)部搭建虛擬交流平臺，按照統(tǒng)一的用戶界面，遵循統(tǒng)一的標準（如現(xiàn)階段的IFC格式標準），提出各自的建議和看法，形成良性的反饋鏈，進而促進信息數(shù)據(jù)的高效率傳遞、優(yōu)化和改善。協(xié)同工作的運作方式如圖1所示。

BIM也開啟了可視化應用的大門。可視化可理解為利用計算機成像技術將各種抽象的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為具體的圖形圖像，基于該原理，由于BIM自身具有較高的可視化程度，可以直接利用BIM模型實現(xiàn)可視化為后續(xù)的各種分析提供了保證，因而BIM是一種極佳的人機交互工具。BIM的出現(xiàn)為可視化應用提供了新的可能，例如可以用BIM技術實現(xiàn)施工上的四維模擬、緊急情況的疏散演練、日照分析、節(jié)能分析等。北京CBD核心區(qū)的“中國尊”便利用了BIM技術針對建筑的安全性進行理論分析模擬，例如對一層大堂及標準辦公層進行突發(fā)狀況的煙氣和人員疏散模擬等。

3. BIM是一種信息整合與信息共享的平臺。傳統(tǒng)的建筑模式是各環(huán)節(jié)進行明確分工，使得不同階段不同專業(yè)的生產(chǎn)品質(zhì)與效率得到了極大的提升。然而分工的同時卻忽略了整合，這使得工程管理效率愈來愈低。必須認識到的是，分工細致化帶來便利的同時也拉大了各專業(yè)間溝通的鴻溝，后果便是竣工后的產(chǎn)品不盡人意，有各種各樣的瑕疵。BIM的價值在于對細致化分工造成的信息孤島進行高效整合，利用建筑構(gòu)件以行業(yè)認可的標準進行可視化表達，使各司其職的員工不僅對自己負責的作業(yè)了如指掌，也可以方便地查看別人的作業(yè)內(nèi)容。因此，BIM的出現(xiàn)將從根本上改變行業(yè)各專業(yè)間的合作生產(chǎn)方式，由傳統(tǒng)的分散孤立生產(chǎn)轉(zhuǎn)入?yún)f(xié)同運作、集成發(fā)展的新型工作模式，這不僅為工程實施帶來效率上的實質(zhì)性提高，也極大地降低了項目運作過程中的利益損失。

二、BIM課程理論教學架構(gòu)

從服務本科教學的角度出發(fā)，任課教師需對BIM有著全面深刻的理解，教學物資應本著深入淺出、因地制宜、貼合實際的原則，以期達到理想的教學效果。而BIM課程教學架構(gòu)可解構(gòu)為理論講解和實際操作兩部分[3]。

課堂教學和上機操作結(jié)合的教學方法，能夠讓學生正確理解BIM的基本概念、原理和方法，掌握應用商業(yè)軟件進行BIM建筑、結(jié)構(gòu)和機電建模技術、BIM在規(guī)劃設計、施工管理和運維管理的應用技術、BIM系統(tǒng)開發(fā)技術，并了解BIM的發(fā)展趨勢和方向。就BIM理論部分的講解而言，可就BIM基本概念和現(xiàn)階段應用領域等方面進行，以下的教學綱要可作為教學參考。

（一）BIM基本概念

1. 結(jié)合中國建筑業(yè)發(fā)展概況和信息技術的發(fā)展水平，以及土建行業(yè)信息化發(fā)展過程存在的主要問題，以此引出BIM誕生的背景;

2. 講解BIM的定義、基本概念和國內(nèi)外發(fā)展歷程，并對比傳統(tǒng)二維CAD技術，探討當前的BIM技術與其二者之間的異同點和優(yōu)缺點。

（二）BIM主要應用領域

1. 講解BIM作為承載N維數(shù)據(jù)信息的載體的原理和運作方式;

2. 講解BIM實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)信息傳遞的支撐手段和信息標準，如IFC格式標準等[4]。

3. 講解協(xié)同工作與可視化分析處理的定義和原理;

4. 講解協(xié)同工作在建筑業(yè)信息化的發(fā)展蛻變、幾種不同的工作模式以及實際土建行業(yè)各企業(yè)、各單位內(nèi)部之間以及外部之間實現(xiàn)協(xié)同工作的方法和手段;

5. 講解可視化分析的定義和工作原理及應用的必要性;

6. 講解可視化分析與協(xié)同工作之間的聯(lián)系，例舉實際工程案例實現(xiàn)可視化分析的事例;

7. 講解BIM是如何實現(xiàn)協(xié)同工作與可視化分析的過程;

8. 講解可視化分析與協(xié)同工作之間的聯(lián)系，例舉實際工程案例實現(xiàn)可視化分析的事例。

9. 講解信息整合與信息共享的概念、組織模式與發(fā)展歷程;

10. 講解BIM支撐信息整合與信息共享的手段，以及在工程項目全壽命周期運作的重要性和應用案例。

三、BIM課程案例教學架構(gòu)

著眼于國內(nèi)外BIM的應用導向，從服務于學生實際應用的角度出發(fā)，以例舉支持BIM不同階段不同專業(yè)的軟件，并進行教學操作演示，結(jié)合實際工程案例及學術講座向?qū)W生介紹如何運用BIM技術為工程項目帶來實質(zhì)上的便利性。

1. 例舉支持BIM各階段的實用軟件，并對其中幾項常用軟件進行操作演示。國外的BIM軟件有：Autodesk公司BIM系列軟件，Revit設計、碰撞檢測、施工規(guī)劃和制造軟件，Navisworks設計評審解決方案軟件、Ecotect建筑生態(tài)與環(huán)境模擬分析軟件、Civil 3D測量、設計、分析與制圖軟件等;Open BIM聯(lián)盟的BIM系列軟件：SketchUp直接面向設計方案創(chuàng)作過程的設計軟件、ArchiCAD制圖軟件、Tekla Structures鋼結(jié)構(gòu)軟件、MagiCAD系列軟件等;Bentley的BIM系列軟件：MicroStation參數(shù)化建模和設計系統(tǒng)軟件、AECOsim Building Designer軟件、AECOsim Energy simulator耗能計算與分析模塊軟件、Facility Manager軟件、Navigator三維設計校審系統(tǒng);國外的BIM軟件有：PKPM系列軟件、北京盈建科軟件、天正軟件、鴻業(yè)軟件、探索者軟件、廣聯(lián)達系列軟件、魯班系列軟件等。

2. 講解BIM在規(guī)劃和設計階段的應用

該階段BIM應用相對成熟，能實現(xiàn)三維設計，實現(xiàn)信息共享和協(xié)調(diào)設計、優(yōu)化和智能設計以及基于BIM的性能設計，并將設計的結(jié)果可視化展示。工程案例如上海金虹橋國際中心，占地3.55萬平方米，建筑總面積26萬平方米。該項目初期根據(jù)設計圖紙，并結(jié)合現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)，建立BIM模型以進行各構(gòu)件的碰撞檢查，以及時發(fā)現(xiàn)錯誤并更新設計圖紙，優(yōu)化設計。在實際操作中，發(fā)現(xiàn)設備層由于各種管線交叉密布、錯綜復雜，構(gòu)件之間的碰撞問題尤為突出：15層設備層檢查出存在7處影響較大的碰撞點，標準層4處，地下室16處。

3. 講解BIM在施工階段的應用

BIM在施工階段的應用主要有施工模擬及安全分析、招投標成本預算以及施工質(zhì)量監(jiān)管。施工模擬及安全分析能實現(xiàn)施工過程優(yōu)化，能進行施工方案比選，能實現(xiàn)施工進度規(guī)劃和施工安全管理[5]。

4. 講解BIM在運維階段的應用

在建筑生命期中，設計和施工的費用占總費用的15%，而運維的費用占到總費用的60%，因此提高運維管理的技術手段和效率十分必要。BIM常應用在設備設施管理、系統(tǒng)邏輯、維護維修管理等。工程案例如上海浦東國際機場T1航站樓運維方面的BIM應用。該項目成功運用BIM技術實現(xiàn)運維信息三維可視化、運維信息共享以及運維管理決策。管理者或用戶可對不同區(qū)域的不同構(gòu)件通過三維模型輸出可視化的運維信息，亦可通過BIM信息共享實現(xiàn)日常的設備維護、管理、租賃等。

5. 在學生對BIM理論和實際操作有了一定認識的基礎上，邀請土木行業(yè)BIM技術的著名學者進行相關學術講座，作為BIM課程的其中一個重要環(huán)節(jié)。

四、結(jié)束語

在進行BIM技術的實際教學和開展相關講座的過程中，發(fā)現(xiàn)大部分本科生對于BIM的定義、內(nèi)涵以及在土木所發(fā)揮的引領作用渾然不知。BIM在土木行業(yè)的飛速發(fā)展及廣泛應用，是時代發(fā)展的必然趨勢，土木工程專業(yè)教學必須與時代接軌，而通過優(yōu)化BIM的實際教學，使學生更好地了解和掌握BIM技術，已顯得至關重要。

BIM是集多維數(shù)據(jù)信息模型、協(xié)同工作技術、數(shù)據(jù)信息集成技術與可視化技術等多功能為一體的綜合技術的象征，這也意味著傳統(tǒng)的計算機輔助設計教學已遠遠不能滿足現(xiàn)代三維全壽命周期的設計要求，因而選用某種軟件進行示范性地教學是無法完整地詮釋BIM技術。

BIM教學可從理論講解與實際案例兩個角度出發(fā)，既讓學生對BIM的理論基礎有著本質(zhì)上的認知，又在此基礎上通過枚舉支持BIM不同階段不同專業(yè)的軟件，并結(jié)合相應的具體案例和學術講座，闡釋BIM在實際土木行業(yè)中的應用價值，二者相輔相成、相得益彰，可使學生對BIM技術有一個全面的認識和了解，為其以后的三維設計工作奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]H Edward Goldberg. BIM and the Building Information Model（ AEC in focus column）[J].CADalyst，2007，21（1）：56-58.

[2]Tamera L. Mc Cuen，Patrick C Suermann， and Matthew J 84Krogulecki. Evaluating Award-winning BIM Projects Using the National Building Information Model Standard Capability Maturity Model[J].Journal of Management in Engineering，2012，27（2）： 224-230.

[3]劉照球，李云貴.土木工程專業(yè)BIM技術知識體系和課程架構(gòu)[J].建筑技術，2013，44（10）：913-916.

[4]劉照球.基于IFC標準建筑結(jié)構(gòu)信息模型研究[D].同濟大學， 2010.

[5]劉照球，萬福磊，李云貴.BIM內(nèi)涵及其在設計與施工中的價值分析[J].建筑科學，2014，30（7）：80-85.