BIM技術在建筑工程項目中的應用價值

  一、引言

  與快速進步的工程建設技術相比，我國的工程項目管理技術還處在一個相對落后的地步。進入信息化時代以來，信息技術已經(jīng)成為制造業(yè)、電子業(yè)等行業(yè)不斷創(chuàng)新、發(fā)展的強力助推劑。在過去的幾十年當中，航天、航空、電子業(yè)、汽車等其他產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率和競爭力，通過在新的信息技術和生產(chǎn)流程的幫助下已經(jīng)獲得了巨大的提高，而在全球GDP占巨大投入的工程建設行業(yè)的生產(chǎn)效率的增長卻沒能跟上其他行業(yè)的步伐，市場對其改進的工作效率和質量的壓力日益增大。

  在這種環(huán)境背景下BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）技術應運而生，通過應用BIM模式創(chuàng)新，充分整合并利用建筑工程項目全生命周期所涉及到的信息，不僅能夠縮短建筑工程所需時間、節(jié)約資源成本，同時還可以幫助所有工程參與者提高決策效率和設計質量。那么BIM技術真的有益于建筑行業(yè)么？BIM技術在工程項目中會有多大的應用價值呢？本文試從BIM技術在具體工程項目中的應用來分析其在建筑工程項目中的應用價值。

  二、BIM技術概況

  （一）BIM技術簡介

  BIM是Building Information Modeling的縮寫，中文意思為：建筑信息模型，也可理解為建筑數(shù)字模型。是近些年在建筑設計行業(yè)中新興的一種依托計算機輔助設備的工程數(shù)字化的設計方式，通過對整體虛擬建筑信息模型建立的方式實現(xiàn)全方位、全方面的土建設計及相關檢測、管網(wǎng)控制等配套工作。BIM的涉及領域日益廣泛，目前在設計、建造、管理等數(shù)字化管理工作中BIM技術逐漸被大量應用。

  BIM最初起源于上世紀70年代的美國，是由美國喬治亞理工大學建筑與計算機學院（Georgia Tech College of Architecture and Computing）的查克伊士曼博士（Chuck Eastman，Ph.D.）提出。其被定義為：“Building information modeling integrates all of the geometrics and capabilities，and piece behavior information into a single interrelated description of a building project over its lifecycle. It also includes process information dealing with construction schedules and fabrication processes.”其翻譯如下：“建筑信息模型是將一個建筑工程項目在整個生命周期內(nèi)的所有幾何特性、功能要求與構件的性能信息、綜合到一個單一的模型中。同時，這個單一模型的信息中還包括了施工進度、建造過程的過程控制信息。”隨著BIM的發(fā)展，對于BIM的定義與解釋也產(chǎn)生了其他版本。

  麥格勞—希爾建筑信息公司對建筑信息模型的定義為，創(chuàng)建并利用數(shù)字模型對項目進行設計、建造及運營管理的過程，即利用計算機三維軟件工具，創(chuàng)建包含建筑工程項目中完整數(shù)字模型，并在該模型中包含詳細工程信息，能夠將這些模型和信息應用于建筑工程的設計過程，施工管理，以及物業(yè)和運營管理等全建筑生命周期管理（BLM：Building Lifecycle Management）過程中。這是目前相對較全面且完善的有關BIM的定義。

  （二）全建筑生命周期（BLM）

  全建筑生命周期即BLM，全稱Building Lifecycle Management，是建筑工程項目從規(guī)劃設計到施工，再到運營維護，直至拆除為止的全過程。建筑工程項目具有技術含量高、施工周期長、風險高、涉及單位眾多等特點，因此全建筑生命周期的劃分就顯的十分重要。一般我們將全建筑生命周期劃分為四個階段，即規(guī)劃階段、設計階段、施工階段、運營階段。

  規(guī)劃設計是在建筑項目定位的基礎上，為使其功能、風格符合其定位，而對其進行比較具體的規(guī)劃及總體上的設計。工程施工是建筑安裝企業(yè)歸集對工程成本核算的專用科目，是在建設工程設計文件的要求下，對建設工程進行改建、新建、擴建的活動。運營則包含建筑物的操作、維護、修理、改善、更新以及物業(yè)管理等過程。

  作為一種先進的工具和工作方式，BIM技術不僅改變了建筑設計的手段和方法，而且在建筑行業(yè)領域做出了革命性的創(chuàng)舉，通過建立BIM信息平臺，建筑行業(yè)的協(xié)作方式被徹底改變。對于BIM在建筑的全生命周期有哪些應用的問題，美國bSa（building SMART alliance）聯(lián)盟對BIM在建筑的全生命周期的應用現(xiàn)狀做了比較詳盡的歸納。

  BIM在工程項目全建筑生命周期各階段的主要應用為：規(guī)劃階段主要用于現(xiàn)狀建模、成本預算、階段規(guī)劃、場地分析、空間規(guī)劃等；設計階段主要用于對規(guī)劃階段設計方案進行論證，包括方案設計、工程分析、可持續(xù)性評估、規(guī)范驗證等；施工階段則主要起到與設計階段三維協(xié)調(diào)的作用，包括場地使用規(guī)劃、雇工系統(tǒng)設計、數(shù)字化加工、材料場地跟蹤、三維控制和計劃等；在運營階段主要用于對施工階段進行記錄建模，具體包括制定維護計劃、進行建筑系統(tǒng)分析、資產(chǎn)管理、空間管理/跟蹤、災害計劃等。

  三、BIM在全建筑生命周期的應用

  （一）BIM在項目規(guī)劃階段的應用

  是否能夠幫助業(yè)主把握好產(chǎn)品和市場之間的關系是項目規(guī)劃階段至關重要的一點，BIM則恰好能夠為項目各方在項目策劃階段能夠做出使市場收益最大化的工作。同時在規(guī)劃階段，BIM技術對于建設項目在技術和經(jīng)濟上可行性論證提供了幫助，提高了論證結果的準確性和可靠性。在項目規(guī)劃階段，業(yè)主需要確定出建設項目方案是否既具有技術與經(jīng)濟可行性又能滿足類型、質量、功能等要求。但是，只有花費大量的時間、金錢與精力，才能得到可靠性高的論證結果。BIM技術可以為廣大業(yè)主提供概要模型，針對建設項目方案進行分析、模擬，從而為整個項目的建設降低成本、縮短工期并提高質量。

  實例：天津團泊新城綜合體育館。“天津團泊新城綜合體育館”項目，項目定位為建設天津市11個新城中獨具魅力和特色的典范衛(wèi)星城，重點服務區(qū)域為：天津市中心城區(qū)及京津冀地區(qū)以及輻射環(huán)渤海地區(qū)。新城的產(chǎn)業(yè)定位為：體育產(chǎn)業(yè)為主，在其帶動下發(fā)展生態(tài)旅游、創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)、房地產(chǎn)開發(fā)、職業(yè)培訓基地、休閑度假等配套產(chǎn)業(yè)，最終發(fā)展成具有鮮明特色的體育生態(tài)魅力之城。

  在項目的規(guī)劃階段，建筑設計師充分考慮到該項目的定位及產(chǎn)業(yè)定位，極力營造一個樸實且與環(huán)境緊密結合的建筑。該體育館由一個巨型的環(huán)帶環(huán)繞而成，其游泳館的頂部選用的是采光屋頂，并且它們又組成統(tǒng)一的整體構筑物，而這樣一個巨型環(huán)帶的場館正是借助BIM技術才得以實現(xiàn)的，這便充分體現(xiàn)了BIM技術在項目的策劃階段給建筑工程項目帶來的巨大應用價值。

  （二）設計階段

  與傳統(tǒng)CAD時代相比，在建設項目設計階段存在的諸如ZD圖紙冗繁、錯誤率高、變更頻繁、協(xié)作溝通困難等缺點都將被BIM所解決，BIM所帶來的價值優(yōu)勢是巨大的。

  在項目的設計階段，讓建筑設計從二維真正走向三維的正是BIM技術，對于建筑設計方法而言這不得不說是一次重大變革。通過BIM技術的使用，建筑師們不在困惑于如何用傳統(tǒng)的二維圖紙表達復雜的三維形態(tài)這一難題，深刻的對復雜三維形態(tài)的可實施性進行了拓展。而BIM的重要特性之一—可視化，使得設計師對于自己的設計思想既能夠做到“所見即所得”，而且能夠讓業(yè)主捅破技術壁壘的“窗戶紙”，隨時了解到自己的投資可以收獲什么樣的成果。

  實例：北京某地鐵站BIM應用項目。該地鐵站由站臺與站廳兩層組成，有4個出入口，其中兩個出入口通過地下通道與地鐵站相連。其中地下建筑面積約為2.5×104m2。由于工期緊業(yè)主采取了平行發(fā)包方式，土建、機電等參建單位多達數(shù)十家。另外由于該項目地處繁華地段，施工場地東側緊鄰一所小學，而南北兩側均為高層居民樓，東側為一正在建造的商場。眾多因素導致本項目施工場地狹小，而且建造初期由于部分拆遷尚在進行中，出入施工場地僅有一條道路，因此對施工技術和管理水平提出了很高的要求。由于工期緊張，業(yè)主方要求施工階段不能出現(xiàn)過多或較大的變更。

  為了達到既能提高決策的準確度又能提高決策效率的目的，業(yè)主方?jīng)Q定在項目設計初始階段即使用BIM，通過BIM技術的使用來減少設計變更，在BIM模型的幫助下指導本項目施工。在項目初期，業(yè)主對BIM工作組訂立了具體目標，即與常規(guī)設計相比須減少50%以上的設計變更以及縮短工期1個月。BIM 在該項目中主要應用內(nèi)容包括兩個方面：建立基于BIM技術的地鐵站點工程全專業(yè)模型，對整體工程進行各專業(yè)間碰撞檢查；對整體工程進行虛擬仿真及4D施工模擬。

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  在BIM技術的大力支持下，本地鐵項目共檢測出了875處碰撞點，經(jīng)過施工經(jīng)驗豐富的班組長細心篩查，在施工之前對其中影響較大的297處設計圖紙問題進行了修改，從而可以避免在施工過程中出現(xiàn)這些設計錯誤，進而減少了施工過程中潛在的大量變更處理。同時，運用BIM技術實施4D施工模擬，突破了傳統(tǒng)項目管理和施工模式的固有模式，通過施工模擬對地鐵站建造過程中對材料的準確需求量進行了精確計算，從而解決了施工現(xiàn)場大量施工材料堆放場地及保管的問題。

  工程完工后，最終統(tǒng)計結果表明，項目最終完成的目標較常規(guī)設計相比減少設計變更達86%，縮短工期34天，很好地證明了BIM技術在建筑工程項目設計階段中的應用價值。

  （三）施工階段

  正是由于BIM模型將反映完整的項目設計情況，因此BIM模型中構件模型可以與施工現(xiàn)場中的真實構件一一對應。我們可以通過BIM模型發(fā)現(xiàn)項目在施工現(xiàn)場中出現(xiàn)的錯、漏、碰、缺的設計失誤，從而達到提高設計質量，減少施工現(xiàn)場的變更，最終縮短工期、降低項目成本的預期目標。

  對于傳統(tǒng)CAD時代存在于建設項目施工階段的ZD圖紙可施工性低、施工質量不能保證、工期進度拖延、工作效率低等劣勢，BIM技術針對這些缺陷體現(xiàn)出了巨大的價值優(yōu)勢：施工前改正設計錯誤與漏洞；4D施工模擬、優(yōu)化施工方案；使精益化施工成為可能。

  在項目的施工階段，施工單位通過對BIM建模和進度計劃的數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)了BIM在時間維度基礎上的4D應用。正因為BIM技術4D應用的實施，施工單位既能按天、周、月看到項目的施工進度，又可以根據(jù)現(xiàn)場實時狀況進行實時調(diào)整，在對不同的施工方案進行優(yōu)劣對比分析后得到最優(yōu)的施工方案；同時也可以對項目的重難點部分按時、分，甚至精確到秒進行可建性模擬，例如對土建工程的施工順序、材料的運輸堆放安排、建筑機械的行進路線和操作空間、設備管線的安裝順序等施工安裝方案的優(yōu)化。

  實例：世博會國家電網(wǎng)館。世博會國家電網(wǎng)館占地4000m2，地上總建筑面積6000m2，建筑高度20m。項目作為世博之心的國家電網(wǎng)館，同時也是一個大型的變電站，為整個世博浦西園區(qū)輸送電力。

  與世博園其他項目相比，國家電網(wǎng)館項目的施工難度相對較大，施工周期也更加緊迫，因此最關鍵的就是能夠對現(xiàn)場施工資源進行有效地調(diào)配并制定合理的施工進度。而鋼結構部分又是難點中的難點，由于建筑的結構要求與立面表皮肌理充分結合，形成斜交叉的結構體系，使得施工難度大大增加，因此設計師與鋼結構施工方在安裝鋼結構的環(huán)節(jié)上通力合作，通過把BIM模型與施工組織進度計劃相結合，使用Navisworks軟件對鋼結構的安裝進行了4D施工模擬，使得原有安裝方案得到了優(yōu)化和改善，各方對施工進度的把握控制也大大提高，完全體現(xiàn)了BIM技術在建筑工程項目施工階段的巨大應用價值。

  （四）運營階段

  BIM在建筑工程項目的運營階段也起到非常重要的作用。建設項目中所有系統(tǒng)的信息對于業(yè)主實時掌握建筑物的使用情況，及時有效的對建筑物進行維修、管理起著至關重要的作用。那么是否有能夠將建設項目中所有系統(tǒng)的信息提供給業(yè)主的平臺呢？BIM的參數(shù)模型給出了明確的答案。在BIM參數(shù)模型中，項目施工階段做出的修改將全部實時更新并形成最終的BIM竣工模型，該竣工模型將作為各種設備管理的數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)的維護提供依據(jù)。

  建筑物的結構設施（如墻、樓板、屋頂?shù)龋┖驮O備設施（如設備、管道等）在建筑物使用壽命期間，都需要不斷得到維護。BIM模型則恰恰可以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)記錄和空間定位的優(yōu)勢，通過結合運營維護管理系統(tǒng)，制定合理的維護計劃，依次分配專人做專項維護工作，從而使建筑物在使用過程中出現(xiàn)突發(fā)狀況的概率大為降低。

  實例：申都大廈改建工程。申都大廈改建工程是原建于1975年的3層車間，在1995年被改造設計成辦公樓，是屬于耐火等級為二級多層公共建筑。其地下室耐火等級為一級，主體結構采用鋼筋混凝土框架結構，局部采用鋼框架結構。申都大廈采用鋼結構加固措施進行改造，通過改造，框架抗震等級提升至三級。建筑呈L形平面，L形兩邊長分別為南向、東向；基地東側為主入口面，結合市政廣場、綠化等，統(tǒng)一設計。

  該項目通過軟件Plug—in方式將模型導入到運營管理軟件中，利用BIM技術幫助業(yè)主進行運營管理，充分實現(xiàn)了BIM的最大價值。

  申都大廈改建工程在改建時突出空間管理和設備維護檢修這兩大管理主體，對日后運營要求進行了充分的考慮，進一步完善了對初步知識體系的梳理，從而形成了BIM的作業(yè)流程和信息標準。其主要工作包括：模型導入；設備資產(chǎn)查看；生產(chǎn)運維圖形報表；利用FM插件編輯BIM模型；調(diào)用運維系統(tǒng)的空間類型；將空間數(shù)據(jù)導入運維數(shù)據(jù)庫；調(diào)用運維系統(tǒng)人員數(shù)據(jù)庫在BIM模型中分配座位；調(diào)用BIM模型數(shù)據(jù)導入運維數(shù)據(jù)庫；將BIM空間數(shù)據(jù)導入運維數(shù)據(jù)庫；運維圖形報表與模型數(shù)據(jù)雙向互動。

  通過BIM信息標準的建立和作業(yè)流程的實施，將使得大廈在改建完成后的運營過程更加的系統(tǒng)、高效、可控，極大的降低了建筑在使用過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況，從而實現(xiàn)了項目各方的利益最大化，再次體現(xiàn)出BIM技術對于建筑工程項目的重要應用價值。

  四、結論

  BIM是信息化技術在建筑業(yè)的直接應用，服務于建設項目的設計、建造、運營維護等整個生命周期。BIM為項目各參與方提供交流順暢、協(xié)同工作的平臺，其對于避免失誤、提高工程質量、節(jié)約成本、縮短工期等做出極大的貢獻，其巨大的優(yōu)勢作用讓行業(yè)對其愈加重視。應用BIM技術在各個專業(yè)設計進行碰撞檢查，不但能徹底消除硬、軟碰撞，完善工程設計，進而大大降低在施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性，并且可以做到既優(yōu)化空間又便于使用和維修。

  在BIM技術的幫助下，我們不僅可以實現(xiàn)項目設計階段的協(xié)同設計，施工階段的建造全程一體化和運營階段對建筑物的智能化維護和設施管理，同時從根本上將業(yè)主、施工單位與運營方之間的隔閡和界限打破，從而真正實現(xiàn)BIM在建造全生命周期的應用價值。

  通過以上實際工程案例的分析，我們很容易從中發(fā)現(xiàn)BIM在建筑工程項目全建筑生命周期中的各個階段所發(fā)揮的重要作用，有力的證明了BIM對于建筑工程項目的重要應用價值。

  BIM技術在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)普遍開展與應用，但在我國，應用BIM技術的項目還不多，還處于探索階段，國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的BIM應用標準。相信隨著BIM在越來越多的工程項目中的應用，會有越來越多的業(yè)內(nèi)人士發(fā)現(xiàn)BIM的價值，從而不斷推廣普及BIM技術，讓更多的項目從中受益，使建筑在全生命周期各階段都能做到可視化、參數(shù)化、智能化和最大效益化，讓BIM技術成為建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的強力助推器。

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