第1章　绪论

1.1　BIM的起源与发展

1.1.1　BIM的由来与概念

随着全球社会生产力的高速发展,建设工程规模的不断扩大,技术复杂程度的逐渐提升,如何提高信息数字化技术在工程上的应用得到了广泛的关注。20世纪60年代中期,二维计算机辅助设计(computer aided design,CAD)应用软件的出现,将工程师从复杂繁琐的手工绘图工作中解放出来,极大地提高了绘图精度和工作效率。但是在当代,CAD技术(包括CAD三维建模)已经不能够满足工程建设人员对参数化设计、协同设计、方案模拟优化等一系列新技术的需求。为解决上述问题,作为目前最先进的计算机信息数字化辅助设计技术——建筑信息模型(building information model,BIM)技术应运而生,见图1.1。

BIM理念的启蒙,受到了1973年全球石油危机的影响,美国全行业需要考虑提高行业效益的问题,1975年“BIM之父”Charles Eastman教授在其研究的课题“Building Description System”中提出“a computer-based description of a building”,以便于实现建筑工程的可视化和量化分析,提高工程建设效率。1982年,Graphisoft公司提出虚拟建筑模型(virtual building model,VBM)理念,并于1984年推出了ArchiCAD软件。1986年,美国学者Robert Aish首先提出了Building Modeling的概念。1992年,Building Information Model这一术语开始出现,然而在随后的10年里,Building Information Model抑或是Building Information Modeling并没有流行开来。直到2002年,Autodesk发布了一篇标题为“Building Information Modeling”的白皮书,第一款BIM软件问世,其他厂商也纷纷加入。2003年,Jerry Laiserin把BIM这个术语宣传推广流行化、标准化,用BIM表述虚拟智能建模数字化建筑概念。如今,BIM的研究和应用已取得突破性进展。

对于BIM的概念,很多机构和个人都对其进行了定义,但目前业内对BIM仍没有统一的定义。美国国家标准对BIM的定义是:BIM是一个建设项目物理和功能特性的数字表达;BIM是一个共享的知识资源,是一个分享有关这个设施的信息,为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程;在项目的不同阶段,不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息,以支持和反映其各自职责的协同作业。英国BIM研究院对BIM的定义是:一项综合的数字化流程,从设计到施工建设再到运营,提供贯穿所有项目阶段的可协调且可靠的共享数据。McGraw Hill集团在2009年的一份BIM市场报告中将BIM定义为:BIM是利用数字模型对项目进行设计、施工和运营的过程。国际标准组织设施信息委员会将BIM定义为:BIM是利用开放的行业标准,对设施的物理和功能特性及相关的项目生命周期信息进行数字化形式的表现,从而为项目决策提供支持,有利于更好地实现项目的价值。

在综合了众多文献以及借鉴世界各国BIM标准的基础上,本书认为BIM概念具有广义和狭义两个层面:在广义层面上,BIM是在相互交互的政策、过程和技术三方面共同作用的前提下,形成的一种面向建设项目全生命周期的项目设计和项目数据的管理方法;在狭义层面上,BIM是以三维数字化信息技术为基础,集成了建设工程在设计、施工、运营管理各个阶段协调的、一致的、可计算信息的工程数据模型,核心在于协同设计与信息集成,BIM作为一个工程项目设施实体与功能特性数字化表达的共享知识资源,成为建设工程全生命周期各个阶段决策的基础。因此从这个角度来看,BIM不仅是工程技术上的革新,更是工程建设业务流程上的革新。

1.1.2　BIM的特点与优势

BIM技术特性可以细化为多个方面,包括富语义特性,面向生命周期,基于网络的实现,几何信息的存储,以及信息的完备性、关联性、一致性和可交互性等。

BIM作为完善的信息模型,具有单一工程数据源,可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享性问题,支持建设项目全生命周期阶段工程信息的创建、管理和共享。贯穿于规划设计、施工、运营三大建设阶段的BIM数字化信息技术的优势主要体现在以下几个方面:

(1)三维可视化设计。三维可视化功能是BIM的重要特征之一,BIM三维可视化将过去的二维CAD图纸以三维模型的形式展现给用户,这不仅使建设方能直观地感受到整个建筑,同时也使设计者很清楚地发现自身设计存在的错误和不合理的地方。2009年,McGraw Hill做了一项关于BIM价值的调研研究,该调查的结果反映了BIM的可视化给企业带来的价值,见图1.2。

对于建筑行业来说,可视化的真正运用在建筑业的作用是非常大的,例如经常拿到的施工图纸,各个构件的信息只是在图纸上采用线条绘制表达,但是其真正的构造形式就需要建筑业参与人员去自行想象。对于一般简单的结构来说,尚能轻松应对,但是近几年建筑业的建筑形式各异,复杂造型在不断地推出,光凭人脑想象已经不太现实。所以BIM提供了可视化的思路,将以往线条式的构件以三维立体实物模型的形式展示在人们的面前;同时BIM还能够将构件之间的互动性和反馈性进行可视化展现。因此BIM可视化的结果不仅可以用来进行效果图的展示及报表的生成,更重要的是,项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行,这种互动与反馈,大大地提高了决策的效率和正确性。

(2)三维参数化设计。三维参数化设计是将建筑构件的几何造型尺寸及其他各种真实属性通过参数的形式进行模拟,并进行相关数据统计和计算。在建筑信息模型中,一方面,许多构件具有较大的重复性,通过几何参数的改变即可快速生成新构件,可大大地提高模型及构件的重用性,减少了重复建模带来的时间成本问题;另一方面,建筑构件并不只是一个虚拟的视觉构件,而是可以模拟除几何形状以外的一些非几何属性,如材料的耐火等级、材料的传热系数、构件的造价、采购信息、重量、受力状况等。参数定义属性的意义在于可以进行各种统计和分析,例如常见的门窗表统计,在建筑信息模型中是完全自动化的,而参数化更为强大的功能是可以进行结构、经济、节能、疏散等方面的统计和计算,甚至可以进行建造过程的模拟、最终实现虚拟建造。

(3)关联性设计。关联性设计是参数化设计的衍生。当建筑模型中所有构件都是由参数加以控制时,如果将这些参数相互关联起来,那么就实现了关联性设计。换言之,当建筑师修改某个构件,建筑模型、模型视图以及统计数据将进行自动更新,而且这种更新是相互关联的。例如在实际工程中遇到修改层高的情况,在建筑信息模型中,只要修改每层的标高的数值,那么所有的墙、柱、窗门都会自动发生变化,因为这些构件的参数都与标高相关联,而且这种改变是三维的,并且是准确与同步的。设计师不再需要去修改平面、立面及剖面图纸,一处修改处处更新,实现了计算与绘图的融合。关联性设计不仅提高了设计师的工作效率,而且解决了长期以来图纸之间的错漏碰撞的问题,其意义是不言而喻的。

(4)协同化设计。运用基于BIM的设计方式,设计团队可以更准时、更高质量、更高效地完成项目任务,可以优化各专业团队的工作流程,提高各个设计专业(建筑、结构、MEP等专业)成果质量。同时,BIM软件能够将多专业模型连接,快速、准确地进行碰撞检查,确保多专业之间协作能更有效地进行。这样在多专业协同设计的过程中,设计人员将更多的精力投入到各自专业的设计上,提高工程设计质量。协同化设计的最终目的是使建筑设计各专业内和专业间配合更加紧密,信息传递更加准确有效,减少重复性劳动,最终实现设计效率的提升。

(5)碰撞检查。BIM最基本的价值在于其可以实现三维可视化,利用BIM的可视化功能可以在施工前进行碰撞检查,从而在施工前发现问题,进而及时改正,减少建筑施工中的返工。在设计过程中各专业项目信息常出现“不兼容”现象。如管道与结构冲突,各个房间出现冷热不均,预留的洞口没留或尺寸不对等情况。通过碰撞检查,及时发现冲突部位,将设计错误在成为现实问题之前发现并锁定,见图1.3。在BIM数据模型环境中对项目进行碰撞检查,目的就是在建筑工程的早期发现项目中存在的潜在问题,从而避免不必要的返工,既节约成本又节省时间。

(6)提高可施工性。BIM设计可为客户提供多种高质量施工设计产品,包括零件装配图、三维模型、漫游视频文件。平面图、剖面图以及三维导视图共同组成工程施工详图。对于读图的施工人员,通过三维BIM模型,将大大提高读图效率和准确度。

(7)自动统计。BIM自动统计功能的运用可以提高施工预算的准确性,对构件的预制加工提供支持,有效地提高设备参数的准确性和施工协调管理水平。利用已经搭建完成的BIM模型,直接自动统计生成主要材料设备的工程量,并生成报表,见图1.4。同时工程量统计结果可导入工程造价软件以及工程辅助管理软件,有效地提高了概预算分析和工程管理的效率。

(8)性能分析。现代建设工程的复杂程度大多超过参与人员本身的能力极限,BIM及配套的各种优化工具提供了对复杂项目进行优化的可能。通过性能分析,实现方案的优化。例如,利用四维施工模拟相关软件,根据施工组织安排进度计划安排,在已经搭建好的模拟的基础上加上时间维度,分专业制作可视化进度计划,即四维施工模拟,见图1.5。

另外利用BIM技术可实现耗能与可持续发展设计与分析、结构安全分析等功能,为提高建筑物的性能提供了技术手段。

(9)三维设计交付。通过三维设计成果,可以轻松生成设计方案的三维视图、效果图、漫游、全景视图和项目图表等,为设计工作提供帮助。在竣工验收阶段,利用BIM竣工模型(As-built Model)作为设备管理与维护的数据库,方便设备管理与维护。总之,三维设计交付,在数据的完整、一致、关联、通用、可重用、轻量化等方面具有巨大优势,保证了数据资源的完整性,供使用者在全生命周期的不同阶段使用。

1.1.3　BIM国内外应用研究现状

BIM起源于美国,并得到了北美、欧洲、日本、韩国、新加坡等发达地区和国家的广泛认同和采用。BIM正在被欧美国家积极推广和应用,并得到了政府和相关行业的大力支持。

1.1.3.1　国外应用现状

1.北美地区

美国:BIM应用始于美国,美国总务管理局(GSA)于2003年推出了国家3D-4D-BIM计划,并陆续发布了一系列BIM指南。美国联邦机构美国陆军工程兵团(USACE)在2006年制定并发布了一份15年(2006—2020)的BIM发展路线图。美国建筑科学研究院于2007年发布美国国家标准(NBIMS),旗下的Building SMART联盟负责BIM应用研究工作。2009年,美国威斯康星州成为第一个要求州内新建大型公共建筑项目使用BIM技术的州政府,同年,德克萨斯州设施委员会也对州政府投资的设计和施工项目提出应用BIM技术的要求。根据McGraw Hill的调研,工程建设行业应用BIM的比例从2007年的28%增长至2009年的49%,直至2012年的71%。其中74%的承包商已经在实施BIM了,超过了建筑师(70%)及机电工程师(67%)。

2.欧洲地区

(1)英国。与大多数国家相比,英国政府要求强制使用BIM。英国政府内阁办公室在2011年5月发布了“Government Construction Strategy(政府建设战略)”文件,其中有整个章节介绍BIM的发展规划。该章节中明确要求,到2016年,政府要求全面实现协同3D-BIM,并将全部的文件以信息化管理。英国的设计公司在BIM实施方面已经相当领先了,因为伦敦是全球众多领先设计企业的总部,如Foster and Partners、Arup Sports,同时也是很多领先设计企业的欧洲总部,如HOK、SOM。在这些背景下,一个政府发布的强制使用BIM的文件可以得到有效的执行。

(2)北欧。北欧国家包括挪威、丹麦、瑞典和芬兰,是一些主要的建筑业信息技术的软件厂商所在地,如Tekla和Solibri,而且对发源于邻近国家匈牙利的ArchiCAD的应用率也很高。因此,这些国家是全球最先采用基于模型的设计的国家,也在推动建筑信息技术的互用性和开放标准。北欧国家冬季漫长多雪,这使得建筑的预制化非常重要,这也促进了包含丰富数据、基于模型的BIM技术的发展,使这些国家及早地进行了BIM的部署。

除了当地气候的要求以及先进建筑信息技术软件的推动,BIM技术的发展主要是企业的自觉行为。如Senate Properties是一家芬兰国有企业,也是荷兰最大的物业资产管理公司。2007年,Senate Properties发布了一份建筑设计的BIM要求(Senate Properties’BIM Requirements for Architectural Design,2007)。自2007年10月1日起,Senate Properties的项目仅强制要求建筑设计部分使用BIM,其他设计部分可根据项目情况自行决定是否采用BIM技术,但目标是将全面使用BIM。

3.亚洲地区

(1)日本。2009年被认为是日本的BIM元年。大量的日本设计公司、施工企业开始应用BIM,而日本国土交通省也在2010年3月选择一项政府建设项目作为试点,探索BIM在设计可视化、信息整合方面的价值及实施流程。

2010年秋,日经BP社调研了517位设计院、施工企业及相关建筑行业从业人士,了解他们对于BIM的认知度与应用情况。结果显示,BIM的知晓度从2007年的30.2%提升至2010年的76.4%。2008年的调研显示,采用BIM的最主要原因是BIM绝佳的展示效果,而2010年人们采用BIM主要用于提升工作效率。仅有7%的业主要求施工企业应用BIM,这也表明日本企业应用BIM更多是企业的自身选择与需求,见图1.6。日本33%的施工企业已经应用BIM了,在这些企业当中,近90%是在2009年之前开始实施的。

日本软件业较为发达,在建筑信息技术方面也拥有较多的国产软件,日本BIM相关软件厂商认识到,BIM需要多个软件来互相配合,而数据集成是基本前提,因此多家日本BIM软件商在IAI日本分会的支持下,以福井计算机株式会社为主导,成立了日本国国产解决方案软件联盟。

此外,日本建筑学会于2012年7月发布了日本BIM指南,从BIM团队建设、BIM数据处理、BIM设计流程、应用BIM进行预算、模拟等方面为日本的设计院和施工企业应用BIM提供了指导。

(2)韩国。韩国在运用BIM技术上十分领先。多个政府部门都致力于制定BIM的标准,例如韩国虚拟建造研究院、韩国调达厅、韩国公共采购服务中心和韩国国土交通海洋部。

韩国公共采购服务中心(Public Procurement Service,PPS)是韩国所有政府采购服务的执行部门。2010年4月,PPS发布了BIM路线图,见图1.7,内容包括:2010年,在1~2个大型工程项目应用BIM;2011年,在3~4个大型工程项目应用BIM;2012—2015年,超过500亿韩元大型工程项目都采用4D BIM技术(3D+成本管理);2016年前,全部公共工程应用BIM技术。2010年12月,PPS发布了《设施管理BIM应用指南》,针对设计、施工图设计、施工等阶段中的BIM应用进行指导,并于2012年4月对其进行了更新。

2010年1月,韩国国土交通海洋部发布了《建筑领域BIM应用指南》。该指南为开发商、建筑师和工程师在申请四大行政部门、16个都市以及6个公共机构的项目时,提供采用BIM技术必须注意的方法及要素的指导。指南应该能在公共项目中系统地实施BIM,同时也为企业建立实用的BIM实施标准。目前,土木领域的BIM应用指南也已立项,暂定名为《土木领域3D设计指南》。

韩国主要的建筑公司已经都在积极采用BIM技术,如现代建设、三星建设、空间综合建筑事务所、大宇建设、GS建设、Daelim建设等公司。其中,Daelim建设公司将BIM技术应用到桥梁的施工管理中,BMIS公司利用BIM软件的Digital Project对建筑设计阶段以及施工阶段的一体化研究和实施等。

(3)新加坡。新加坡负责建筑业管理的国家机构是建筑管理署(Building and Construction Authority,BCA)。2011年,BCA发布了新加坡BIM发展路线规划(BCA’s Building Information Modelling Roadmap),规划明确推动整个建筑业在2015年前广泛使用BIM技术。为了实现这一目标,BCA分析了面临的挑战,并制定了相关策略,见图1.8。清除障碍的主要策略,包括制定BIM交付模板以减少从CAD到BIM的转化难度,2010年BCA发布了建筑和结构的模板,2011年4月发布了M&E的模板;另外,与buildingSMART新加坡分会合作,制定了建筑与设计对象库,并明确在2012年以前合作确定发布项目协作指南。

为了鼓励早期的BIM应用者,BCA于2010年成立了一个600万新币的BIM基金项目,任何企业都可以申请。基金分为企业层级和项目协作层级,公司层级最多可申请20000新元,用以补贴培训、软件、硬件及人工成本;项目协作层级需要至少2家公司的BIM协作,每家公司、每个主要专业最多可申请35000新元,用以补贴培训、咨询、软件及硬件和人力成本。而且申请的企业必须派员工参加BCA学院组织的BIM建模/管理技能课程。

在创造需求方面,新加坡决定政府部门必须带头在所有新建项目中明确提出BIM需求。2011年,BCA与一些政府部门合作确立了示范项目。BCA强制要求提交建筑BIM模型(2013年起)、结构与机电BIM模型(2014年起),并且最终在2015年前实现所有建筑面积大于5000m2的项目都必须提交BIM模型的目标。

在建立BIM能力与产量方面,BCA鼓励新加坡的大学开设BIM的课程,为毕业学生组织密集的BIM培训课程,为行业专业人士建立了BIM专业学位。

4.大洋洲地区

(1)澳大利亚。在2009年公布了其国家的数字模型指引。该指引指出,由于将BIM真正地应用于建筑业是需要做出不少修改和适应的,所以将会是一项重大的挑战。眼见及此,澳洲政府通过制定数字模型指引,致力于推广BIM在建筑各阶段的运用,从项目规划到设施管理,都运用BIM的模拟技术,改善建筑项目的实施与协作,从而发挥最大的生产力。

(2)新西兰。新西兰建筑行业在BIM应用方面遥遥领先于该地区其他国家。美国和英国都在BIM理论发展、推广利用建模和流程标准的BIM应用方面取得了显著的进展,新西兰“汲取并调整”了欧美成果并进行了本土化应用。新西兰商业、创新和就业部(MBIE)雷厉风行,在有了发布BIM政策的意向后,迅速出台指导方针,并在全国范围内开展试点培育计划;同时主要政府客户要求在重大方案或大型项目中使用BIM。这些措施并举,使得新西兰在纵向和横向同时推进了BIM的发展和应用。

1.1.3.2　BIM国内应用现状

(1)香港。香港的BIM发展主要靠行业自身的推动。早在2009年香港便成立了香港BIM学会。2010年,香港BIM学会主席梁志旋表示,香港的BIM技术应用已经完成从概念到实用的转变,处于全面推广的最初阶段。香港房屋署自2006年起,已率先试用建筑信息模型;同时为了成功地推行BIM,该机构自行订立BIM标准、用户指南、组建资料库等设计指引和参考。这些资料有效地为模型建立、管理档案,以及用户之间的沟通创造了良好的环境。2009年11月,香港房屋署发布了BIM应用标准。香港房屋署副署长冯宜萱女士提出,在2014年到2015年,BIM技术将覆盖香港房屋署的所有项目。

(2)台湾。早在2007年,台湾大学与Autodesk签订了产学合作协议,重点研究建筑信息模型(BIM)及动态工程模型设计。2009年,台湾大学土木工程系成立了“工程信息仿真与管理研究中心(Research Center for Building&Infrastructure Information Modeling and Management,简称BIM研究中心)”,建立技术研发、教育训练、产业服务与应用推广的服务平台,促进BIM相关技术与应用的经验交流、成果分享、人才培训与产学研合作。此外,台湾交通大学、台湾科技大学、高雄应用科技大学、淡江大学等对BIM进行了广泛的研究,极大地推动了台湾对于BIM的认知与应用。台湾的政府层级对于建筑产业界BIM的推动并没有强制的政策和奖励措施,但对于其拥有者为政府单位,工程发包监督都受政府的公共工程委员会管辖,则要求在设计阶段与施工阶段运用BIM技术。另外,台北市政府又牵头邀请产官学各界的专家学者齐聚一堂,召开座谈研讨会,从不同方面就台北市政府的研究专案说明、推动环境与策略、应用经验分享、工程法律与产权等课题提出专题报告并进行研讨,极大地推动了BIM在台湾的发展。

(3)大陆。近年来BIM在国内建筑业形成一股热潮,除了前期软件厂商的大声呼吁外,政府相关单位、各行业协会与专家、设计单位、施工企业、科研院校等也开始重视并推广BIM。“十一五”国家科技支撑计划重点项目“现代建筑设计与施工关键技术研究”中,已明确提出将深入研究BIM技术,完善协同工作平台以提高工作效率、生产水平与质量。2011年6月,住房和城乡建设部颁布了《2011—2015年建筑业息化发展纲要》,明确表示将“加快建筑信息模型(BIM)、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用,推动信息化标准建设,促进具有自主知识产权然间的产业化,一批信息技术应用达到国际先进水平的建筑企业”列入总体目标,在政策层面正式推动BIM的发展。2011年,清华大学BIM课题组联合中国建筑设计单位、施工企业以及BIM软件供应商,发布了第一个与国际标准接轨并符合中国国情的开放的中国建筑信息模型标准CBIMS(Chinese Building Information Modeling Standard)框架。与此同时出现了一批商业化的BIM应用软件,如广联达公司的BIM造价估算、BIM算量、BIM5D,鲁班BIM View、BIM Works鲁班进度计划等。在国家重大工程中,BIM的研究也逐渐深入。从最初的北京奥运会“水立方”“鸟巢”工程,到上海世界博览会的国家电网企业馆,再到上海中心大厦,BIM的应用为项目的成功实施带来了巨大的保障,缩短项目周期,节约更多成本,为项目设计、施工、运营提供了便利。同时绿色、环保、节能、可持续的理念持续深入,显著地提高了项目的整体效益。在产业界,前期主要是设计院、施工单位、咨询单位等对BIM进行一些尝试。最近几年,业主对BIM的认知度也在不断提升,SOHO已将BIM作为SOHO未来三大核心竞争力之一;万达、龙湖等大型房产商也在积极探索应用BIM。国内大中小型设计院、大型建筑企业也竞相发展企业内部的BIM应用,中国电建集团下属企业如昆明勘测设计研究院、华东勘测设计研究院、成都勘测设计研究院等已经开始推广使用BIM技术应用。目前,大中型设计企业基本上拥有了专门的BIM团队,有一定的BIM实施经验;施工企业起步略晚于设计企业,但也有很多大型施工企业开始应用BIM,并积累了一定的成功案例;运维阶段BIM的应用还处在探索研究阶段。

2015年7月,住房和城乡建设部发布了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》,强调了BIM在建筑领域应用的重要意义,提出了推进建筑信息模型应用的指导思想与基本原则,同时明确提出“十三五”期间推进BIM应用的发展目标。这一时期内,各地也纷纷出台关于推广建筑信息模型(BIM)的指导意见,如北京、上海、广东、山东、四川等。

1.1.3.3　BIM总体研究现状

目前国内外关于BIM的研究主要集中在以下四个方面:

(1)相关标准及其扩展研究。目前国际上关于BIM数据标准——IFC标准的研究已日趋成熟,在此基础上,研究者们又进行了扩展。如创建了用于分析钢结构桥梁设计的信息模型和用于结构分析的信息模型;在已开发的物业管理框架的基础上,通过扩展IFC标准,构建物业管理信息模型等。其他相关标准如视图标准定义(MVD)等,也在不断地补充和完善,许多国家和地区也都纷纷加入了buildingSMART联盟,共同推动BIM理论走向成熟。

(2)n D模型的研究。运用nD技术辅助工程项目管理是非常必要和可行的,通过BIM技术建立nD系统模型来实现工程项目集成化管理是解决问题的关键。学者们研究了nD模型的发展,以及实现n D模型的技术,并提出了n D模型未来发展的蓝图。其中英国的索尔福德大学开发的nD模型集成了进度、成本、建筑节能、性能分析等各个方面的信息。

(3)基于BIM的项目协同管理。项目设计阶段BIM的应用主要集中在多专业协同设计。协同设计过程中的支撑技术,特别是支持远程协同设计的3D虚拟技术、图形用户接口技术、客户端-服务器及P2P网络技术,共同建立了异步协作平台,主要用于BIM模型的建立。同时基于BIM的存储和交换机制,以模型为基础的同步协作模式也随之出现。数据交换与共享作为项目管理的核心至关重要,一些研究者也开始研究BIM作为项目协同中心的详细细节。出现了如基于IFC的模型服务器以支持BIM数据交换;基于IFC的4D项目管理系统,通过B/S网络结构实现了建筑、进度、概算数据的交互与共享。欧洲InPro项目详细研究了BIM协同中心的架构、关键技术和功能特性。此外还出现了一些商用和开源的BIM数据服务器,如Graphisoft ArchiCad BIM Server、EuroSTEP Share-A-Space Model Server、EDM server、Open BIM server及Onuma BIMstroms等。

(4)基于BIM技术集成扩展。国内外的许多研究学者已经开始研究BIM与其他高科技技术的结合。通过整合BIM与先进的数据获取技术,如3D激光扫描和RFID技术,来研究实时建设项目信息管理;通过BIM数据仓库的数据挖掘,用大数据来实现项目的知识管理;通过BIM和GIS集成,研究宏微观条件下建筑信息的集成问题;通过整合云技术,引入云计算,云存储,解决BIM高成本问题,引领BIM向SaaS转型等。这些都为以BIM为核心的项目信息化管理的发展提供了更好的支持。

1.1.4　BIM技术标准现状

1.1.4.1　国际BIM标准

1.北美BIM标准

美国建筑科学研究院(National Institute of Building Sciences)分别于2007年、2012年和2015年发布了美国国家BIM标准第一版[United States National Building Information Modeling Standard TM(NBIMS)Version 1-Part 1(V1P1):Overview,Principles and Methodologies]、美国国家BIM标准第二版[National BIM Standard-United States(NBIMS-USTM)Version2]和美国国家BIM标准第三版[National BIM Standard-United States(NBIMS-USTM)Version 3],旨在制定公开通用的BIM标准为建筑工程整个生命周期的工作提供统一操作指导。其他一些国家,包括北美、欧洲和亚洲部分地区,基本上都采用了美国国家BIM标准可用的部分作为其发展本国BIM标准的基础。

2011年,加拿大BIM委员会(Canada BIM Council)曾考虑将美国BIM标准(NBIMS)第二版引入加拿大建筑业。加拿大BIM委员会的副主席、技术委员会主席Allan Partridge先生说:“由buildingSMART联盟组织开发的NBIMS标准,亦能成为其他国家(包括加拿大)的BIM实施标准的基础。”2014年,加拿大BIM学会发布了BIM合同语言文本指南,2015年,加拿大BIM学会和buildingSMART Canada开始联合开发加拿大BIM实践手册(Canadian Practice Manual for BIM),手册共包含三卷,致力于反映BIM在国际上的最佳实践以及在加拿大的应用,是一个全面的指南。

2.欧洲BIM标准

2006年丹麦NAEC部门推出了Digital Construction标准,该标准最初是旨在促进工程建设程序改革的BIM模板,后结合案例工程修改,正式成为国家标准。

同年,德国的智能建筑联盟(Building Smart GS)也推出了自己的BIM检验标准及认证指标——“User Handbook Data Exchange BIM/IFC”。

2007年,芬兰的Senate Properties部门发布了BIM Requirements 2007标准。

挪威于2007年发布了信息交付手册(Information Delivery Manual),2009年发布了BIM手册1.1版本(BIM Manual 1.1),并于2011年发布了BIM手册1.2版本(BIM Manual 1.2)。

英国于2009年发布了“AEC(UK)BIM Standard”;2010年进一步发布了基于Revit平台的BIM实施标准——“AEC(UK)BIM Standard for Autodesk Revit”;2011年又发布了基于Bentley平台的BIM实施标准——“AEC(UK)BIM Standard for Bentley Building”。

3.澳大利亚BIM标准

澳大利亚CRC Construction Innovation于2009年发布了“National Guidelines for Digital Modeling”,2012年又发布了一份国家BIM行动方案(National Building Information Modeling Initiative)。

4.亚洲BIM标准

日本建筑学会(JIA)于2012年7月发布了日本BIM指南,从BIM团队建设、BIM数据处理、BIM设计流程、应用BIM进行预算、模拟等方面为日本的设计院和施工企业应用BIM提供了指导。

新加坡建设局(BCA)于2012年5月和2013年8月分别发布了新加坡BIM指南1.0版(Singapore BIM Guide Version 1.0)和2.0版(Singapore BIM Guide Version 2.0)。新加坡BIM指南是一本参考性指南,由BIM说明书和BIM建模及协作流程一同构成,概括了团队成员在项目不同阶段使用建筑信息模型(BIM)时承担的角色和职责。该指南可作为制定BIM执行计划的参考指南。

在韩国,多家政府机构制定了BIM应用标准。韩国公共采购服务中心于2010年4月发布了《设施管理BIM应用指南》和BIM应用路线图;韩国国土交通海洋部也于2010年1月发布了《建筑领域BIM应用指南》;2010年3月,韩国虚拟建造研究院制定了《BIM应用设计指南——三维建筑设计指南》;2010年12月,韩国调达厅颁布了《韩国设施产业BIM应用基本指南书——建筑BIM指南》。

1.1.4.2　国内BIM标准

1.中国建筑信息模型标准框架(CBIMS)

2011年12月,由清华大学BIM课题组主编的《中国建筑模型标准框架研究》(CBIMS)第一版正式发布。框架主要包括技术标准和实施标准两部分。2012年又发布了《设计企业BIM实施标准指南》。

2.国家BIM标准

2012年1月,住房和城乡建设部印发建标〔2012〕5号文件,将五本BIM标准列为国家标准制定项目。五本标准分为三个层次:第一层为最高标准,建筑工程信息模型应用统一标准;第二层为基础数据标准,建筑工程设计信息模型分类和编码标准,建筑工程信息模型存储标准;第三层为执行标准,建筑工程设计信息模型交付标准,制造业工程设计信息模型交付标准。2014年12月30日,中国铁路BIM联盟在北京召开会议,以联盟名义发布铁路工程实体结构分解指南(EBS)1.0版和铁路工程信息模型分类与编码标准(IFD)1.0版。

3.地方BIM标准

2009年,香港房屋署发布了“建筑信息模拟(BIM)应用标准”;2014年,北京市质量技术监督局和北京市规划委员会共同发布了DB11/T 1069—2014《民用建筑信息模型设计标准》;2015年5月4日,深圳市建筑工务署发布了政府公共工程BIM实施纲要及标准——《深圳市建筑工务署政府公共工程BIM应用实施纲要》和《深圳市建筑工务署BIM实施管理标准》;2015年5月14日,上海城乡建设和管理委员会发布了《上海市建筑信息模型技术应用指南(2015版)》;2015年8月24日,四川省住房和城乡建设厅发布了工程建设地方标准——DBJ51/T 047—2015《四川省建筑工程设计信息模型交付标准》。

1.1.4.3　BIM标准体系

目前BIM标准体系主要包含三类基础标准,即建筑信息组织标准、信息交付手册标准和数据模型表示标准。其中建筑信息组织标准用于分类编码标准和过程标准的编制,信息交付手册标准用于过程标准的编制,数据模型表示标准用于数据模型标准的编制。各标准间的关系见图1.9。

建筑信息组织标准规定用于组织建筑信息的框架。主要体现为国际标准化组织颁布的两个标准,即ISO 12006.2“建筑施工-施工工程信息组织第2部分:信息分类框架”和ISO 12006.3“建筑施工-施工工程信息组织第3部分:面向对象的信息框架”。

建筑信息分类编码标准的编制可追溯到20世纪60年代。1963年,美国施工规范协会开发了Master Format标准,在北美地区一直以来都有较大的影响。1989年,美国建筑师协会和美国政府总务管理局联合开发了UniFormat标准,采用了与Master Format标准不同的分类角度。ISO 12006.2颁布后,美国和加拿大共同开发了OmniClass标准,力求涵盖建设项目全方位信息。英国建设项目信息学会参考ISO 12006.2与ISO/PSA 12006.3开发了UniClasses分类标准,作为英国的国家BIM参考标准。我国现行的建筑专业分类编码标准分别是JG/T 151—2003《建筑产品分类和编码》和GB 50500—2013《建设工程清单计价规范》。2014年,我国又发布了《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》征求意见稿。

信息交付手册(IDM)标准用于规定有关过程、通过每个过程各参与方交付的信息内容以及各参与方可获得的信息内容。作为基础标准,ISO 29481.1“建筑信息模型-信息交付手册第1部分:方法论和格式”规定了BIM信息交付手册标准的编制方法和格式。信息交付手册标准的整体架构主要包含过程图、信息交换需求、功能部件、业务规则和验证试验5部分内容。

过程标准除包含上述信息交付手册(IDM)标准外,还包括模型试图定义(MVD)标准和国字典框架(IFD)。IDM标准中,信息交换需求是用自然语言定义的。对于计算机而言,只有将这些自然语言基于数据模型标准“翻译”成机器能读懂的语言才具有实际应用价值。模型试图定义(MVD)就是对应于这些信息交换需求的、机器能读懂的“语言”。IFD库实际上是一个统一的建设术语字典,以满足多国家、多语言的国际化环境。

数据模型表示标准规定用以交换的建筑信息的内容及其结构,是建筑工程软件交换和共享信息的基础。用于表示数据模型标准的主要有Express语言和XML。目前国际上获得广泛认可的数据模型标准包括IFC标准、CIS/2标准和gb XML标准。2007年,中国建筑标准设计研究院编制了行业标准JG/T 198—2007《建筑对象数字化定义》。该标准部分采用了IFC标准的平台部分,规定了建筑对象数字化定义的一般要求,资源层,核心层及交互层。2008年,由中国建筑科学研究和中国标准化研究院等单位编制了GB/T 25507—2010《工业基础类平台规范》。该标准等同采用IFC标准,在技术内容上与IFC标准完全保持一致。

1.1.5　BIM应用软件

BIM的应用离不开软件的支持。当前BIM软件的使用者主要是个人、企业和政府机构,用于规划、设计、建设、运营和维护不同的基础设施。由于BIM涉及建筑工程的整个生命周期,因此问题的解决不是一个软件或一类软件的事。目前常见的BIM软件类型见图1.10。

1.BIM核心建模软件

BIM核心建模软件英文通常叫“BIM Authoring Tools”,是BIM的基础,换句话说,正是因为有了这些软件才有了BIM,也是从事BIM专业的人员首先要接触的软件。常用的BIM核心建模软件主要有建筑、结构、机电管道和暖通消防四大类,见图1.11。

2.BIM概念设计软件

BIM概念设计软件用在设计初期,主要用于快速生成项目建议方案,项目利益相关方从而可快速地进行评估与决策。BIM概念设计软件能帮助用户创建出真实再现自然和建筑环境的模型,在一个模型中可评估多种项目概念设计方案,并将方案的整体规划以形象逼真的视觉效果传达给相关决策者,为初步方案和概念的决定提供可视化的数据分析。目前主要的BIM概念设计软件有Autodesk InfraWorks、Sketch Up、Vectorworks Designer、Affinity等。

3.BIM分析软件

BIM分析软件是其协调性、模拟性和优化性的基础。目前常见的BIM分析软件主要有以下六大类别:BIM结构分析软件、BIM机电分析软件、BIM模型检查和碰撞检查分析软件、BIM可持续分析软件、BIM造价分析软件和BIM模拟分析软件。BIM分析软件汇总见表1.1。

4.BIM施工管理软件

BIM施工管理软件是BIM技术与施工管理技术结合的成果,基于BIM施工管理软件,可以更方便地实现施工进度计划、工程造价、施工质量安全、施工资料等的管理,从而实现施工管理的信息化、可视化、集成化和智能化。国外这方面的产品有Autodesk Navisworks、RIB iTWO、Vico Office、EcoDomus PM、GALA Construction Software,国内产品有PKPM BIM施工综合管理平台、广联达5D BIM、理正P-BIM施工集成软件等。

5.BIM文件共享与协同软件

BIM文件共享与协同软件主要是整合权限控制、版本控制、Web和云技术等,提供文件管理与共享,3D模型的整合浏览与显示,云端协同,智能移动端支持等功能。常见的国外产品有Autodesk BIM 360、Autodesk BIM360 Glue、Graphisoft BIMcloud、Bentley Project Wise等,国内的产品有北京互联立方、北京鹏宇成等。除此之外还有一些专门的BIM模型服务器,如BIM Collaboration Hub、BIMserver、Constructivity Model Serv-er、EDMserver等。

6.BIM运营管理软件

BIM应用于运营管理的根本目的还是在于对空间和资产设施及运营维护计划的管理。国外的ArchiBUS是运营管理领域的全球领导者,其他的产品有ACTIVe3D Facility Server、Dalux FM、EcoDomus FM、TRIRIGA Facilities等。

7.BIM模型查看软件

BIM模型查看软件主要是为了对各专业模型及总模型等进行直观、流畅的三维展示,便于进行施工技术交底和协调沟通等工作。国内产品有鲁班、广联达等,国外产品有Constructivity Model Viewer、DDS-CAD Viewer、FZK Viewer、Solibri Model Viewer等。

8.BIM开发工具

尽管BIM软件产品已经十分繁多,但是对于建设工程全生命周期而言,面对不同应用方、不同专业、不同项目阶段等,当前仍然不能满足所有的需求。BIM开发工具可以帮助建筑工程人员根据自己专业的需求,开发定制专属的BIM应用,以提高工作效率。常见的BIM开发工具有IFC Engine DLL、IFC SDK、IFC Toolbox、IFCsvr ActiveX Component、IfcOpenShell等。