BIM技術在工程中的應用

羅茜汶 李思遠

（1.西安建筑科技大學安德學院，陜西 西安 710311；2.西北工業大學航空學院，陜西 西安 710072）

1 BIM技術研究要點的轉移和發展趨勢

按照2008年北京市《民用建筑信息模型設計標準》，BIM技術是我國創建并規范利用建筑數字化信息模型對民用建設工程民用項目的基礎設計、建設和施工運行管理全過程數據進行信息管理和設計優化的重要過程、方法和關鍵技術[1]。

BIM可以把三維復雜形態及其表達形式解析表現出來，進而充分展現一個項目不同發展階段的內涵[2]。

BIM信息處理工具與技術載體主要包括理論幾何學和結構、空間關系、地域性信息、建筑物組件數量及特性、預算成本、物料庫存及項目時間表，用作展示建筑物的整個生命周期。不但對傳統的2D技術進行延伸和革新，也能強化展示動態3D模型[2]。

自BIM技術被推出開始，它逐漸受到了各國學者的關注和研究，并在建筑各個領域里研究BIM的使用。

隨著時間的推移，國內外的工程師對BIM的研究與應用更加透徹，BIM在建筑領域的發展趨勢也越來越多樣化。但相對于其他知識領域而言，BIM發展時間較短，涉及領域廣[2]。

通過Web of science和中國知網的論文資源庫中查找關于BIM的論文，通過時間的劃分，發現BIM的發展具有以下規律。

BIM于2002年由Autodesk公司提出，在前10年中，BIM并沒有受到廣泛的重視和使用，因而在2002～2012年間，鮮少有BIM的論文發表。但是在2012～2018年間，許多關于BIM的論文都得到了發表，而且上升速度迅猛，證明這一全方位全過程把控建筑的軟件得到了建筑行業工程師的認可和使用[3]。BIM文獻的增長規律如圖1所示[3]。

圖1 2004～2014年BIM論文分布圖[3]

在2018年以前，對于BIM的研究多處于將BIM用于單一的工程建筑中，如工程造價、鋼結構以及施工階段的成本控制，對BIM可以將多專業聯系在一起的特點使用并不充分，尤其是在民用建筑領域中還停留在將Revit單一地當作一個工程軟件使用。

在2018年以后，我國許多關于BIM的論文發表都是針對在某個大型建筑工程中如何使用BIM技術，或在工程中的一個重要環節中對它的應用，而非在某個單一的技術和設計中對它的使用和改良。很明顯，這是一個研究跨度上的飛躍。

BIM的成功提出為有效解決當前建筑信息模型設計面臨的“信息孤島”和“信息斷層”設計問題等帶來了新的設計思路和解決方法。這對于了解我國目前建筑工程的造價現狀發展有很大的改進幫助，以下將以它在建筑工程造價管理領域中所帶來的一些改變來作為范例進行介紹。我國工程造價的方式大體上是經過三個過程的演變，最開始是手工繪圖計算，之后發展為造價工程師憑借個人經驗進行估價，最后發展為電腦繪圖計算。前兩個階段中，造價工程師的結果是很容易出現誤差的，而且在第二階段中工程估價的結果很大程度取決于造價師的個人經驗而非系統的理論。雖然經過前代工程師們幾十年的努力，造價計算方式得到了很大的改變，但整個工程造價行業水平與當前經濟、社會發展水平有較大差距。雖然當前的政府工程造價已經完全是在政府調整工程市場動態設計價格和政府公布工程造價核算指導性價格系數之后再開始進行相關工程造價的合理計算，但是依然不可避免地在工程造價當中存在著很明顯的工程計劃造價特色。造價工程師在工作時，他們取得的信息很難與其他部門的工程師進行溝通，有一部分原因是因為我國企業中的平級設定，使各部門之間不能得到有效的溝通。如果僅僅是為了提升信息交流的速度就改變企業的管理層級設定，這并不是一個合理的解決方案，很有可能在改變層級之后引發新的問題。而BIM就可以滿足這一項要求，它可以打破信息傳遞的壁壘，因為各項目組上傳的進度信息都可以被其他的項目參與者看到，整個項目組變成一個有機的整體，從而大大提升了交流的效率。

2 BIM的功能

BIM的研究是一個不斷發展的過程。當前，廣為國際認可的BIM一詞最早起源于1974年Chuck East man提出的“Building Description Syste m”[4]。進入21世紀，BIM建筑軟件應用研究和開發推廣應用，不斷得到新的行業突破性技術進展，全球三大建筑應用軟件系統開發商，都紛紛研發推出了自己的新型建筑應用軟件[5]。

手工繪圖已經成為歷史，CAD繪圖變成21世紀的主流?；贐IM技術的商業化軟件給出的是三維可視化建筑圖形。BIM也被人們稱為建筑業的第二次工業革命，如圖2所示。美國建筑師學會（AIA）一致認為，BIM設計是一種建筑模型設計技術[6]。

圖2 建筑業信息革命過程

BIM沒有統一的數學定義，它們只是一個涵蓋了城市建設項目主體物理數學特性和建設功能物理特性的一個數字模型。目前較為完整的描述是來自美國對于BIM標準的具體定義：BIM 是設施物理和功能特性的數字表達，是一個共享的知識資源，為該設施從概念設計到拆除的全壽命周期中所有決策提供可靠依據的過程。在項目不同階段，不同利益相關方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自職責的協同工作[7-8]。它分別具有提高可視化、協調性、模擬性、優化性及提高可出色繪圖性等六大特點。

通俗地來說，BIM之所以可以被人們正確理解，是因為在一臺計算機中可以建立一個建筑物的三維幾何模型，模型結構屬性中包含關于建筑物的三維幾何與非三維幾何模型信息，是一個基于建筑物的信息模型數據庫，如圖3所示。

圖3 BIM在建筑中的應用

近些年，BIM主要應用于土木工程、建筑電氣、市政建設、工程管理等領域。本文著重論述BIM在結構設計和市政建設中的應用。

3 BIM在建筑結構設計中的應用

我國的建筑經歷了從裝配式混凝土結構到現澆結構的轉變，其中裝配式混凝土結構的抗震性非常差，難以適應人們對日益增長的物質生活的需求。因而在20世紀80年代末，我國經歷了裝配式混凝土的發展低潮，之后受到人們青睞的是現澆結構體系?，F澆結構可以滿足設計上的個性化和復雜化要求，但是現澆結構也表現出了很多問題，比如建筑廢料多、施工噪聲污染大，還有一個不可忽視的問題是難以招募到青年建筑工人。年輕的建筑工人更傾向于工作環境良好，安全系數高的工作環境。在現澆結構體系中，還不能完全步入工業化，建筑工人在現澆結構體系中依然扮演著非常重要的角色。

我國近10年開始了鋼結構在民用建筑中的使用，小區高層，城市體育館的建設中大量使用鋼結構，鋼結構建筑的穩定性高，而且施工環境相較于現澆結構體系也表現得非常優良，因為鋼結構建筑中的構建如梁、柱、板等都由工廠生產，生產后直接在使用現場進行拼裝即可。

雖然在鋼結構建筑中仍有保溫性差和防腐等問題急需解決，但是無疑的鋼結構建筑在未來的有很大的發展空間。鋼結構首先在建筑設計體系方面的技術要求相較于現澆結構設計體系更為嚴格，BIM在建筑鋼結構中已經起到了很重要的主導作用。通過對BIM設計技術的廣泛使用，可以有效降低鋼結構設計工程師在進行鋼結構工程設計中的技術難度系數，如圖4所示。

圖4 BIM在施工中的作用

而且在鋼結構建筑建設的過程中會產生大量的預制構件，大大增加了管理的難度和成本，這時可以使用BIM技術，因為BIM技術是項目的全周期管理，在使用相對應的軟件時，可以根據構件的不同性能建立不同的數據庫，部品管理數據庫的開發、建立和應用有助于進一步加強整個通用裝配式大型鋼結構工程建筑制造體系作業的精細化、標準化、模塊化流程管理，如圖5所示。

圖5 鋼結構骨架模擬

BIM技術應用于鋼結構建筑的建設上是我國邁入建筑工業化很重要的一步，從中也可以反映出BIM技術在我國建筑業發展中的重要性。

4 BIM在市政建設中的作用

研究BIM在市政工程中的作用時，首先，就需要充分明確市政工程和一般民用普通住宅的根本區別。城市公共市政工程主要包括建設城市道路、橋梁、排水、污水處理、城市防洪、園林等各類城市市政公用公共事業建設工程[9]。這和民用建筑是兩種不同的概念。

在橋梁和道路的設計和建設過程中可能會出現多種問題，比如，在設計時不能夠全面考慮在建成后它們可能遇到的問題，BIM技術就可以彌補這點不足。因為BIM可以通過設計圖紙建立三維數據模型，取代了傳統的二維模型設計，完全彌補了其存在的不足。

BIM技術在市政建設中還具有較高的協調性和多領域協調工作的優點，使用BIM技術之后，可以避免傳統的二維圖紙的單調和細節性的不足，而且它對于模型的設計和分析能力更高，大大減少了設計人員用于進行檢查和糾錯的時間。

在市政工程施工時，會經常遇到地下管道錯綜復雜的情況，由于對這些管道的排布情況不清楚，很容易在施工的時候對管道造成損害，甚至發生嚴重的事故。BIM技術的使用可以明晰地下管道的排布，可以代替市政道路中依靠人工解決的管網交叉問題。還為市政建設中的各部門提供了一個交流平臺，能夠方便各部門的人員進行數據和進度的交流，大大提升工作效率。

5 結語

BIM在工程中的應用還會遇到一些不可避免的阻礙，首先是設計人員設計理念的轉變，這意味著他們需要學習新的軟件和新的工作模式，這對一個從事單一事業多年的工作者而言并非易事。其次，在應用BIM的過程中，會增加該階段的工作量，在工作的過程中會有很多新的數據要處理，而且在三維建模后，還需要繪圖出二維圖紙[8]。

BIM技術無疑是非常適合我國建筑業的轉型，在技術上能夠快速改進原有技術的不足，打破單一的工作模式，提供一個既可以方便部門間交流又不破壞原有秩序的新的途徑。