BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、BIM 技術(shù)的研究與應(yīng)用項目承擔(dān)單位 : 中國建筑科學(xué)研究院課題承擔(dān)單位 : 清華大學(xué)子課題承擔(dān)單位 :清華大學(xué) 子課題負(fù)責(zé)人 : 張建平文/ 清華大學(xué)張建平 作者簡介 張建平，清華大學(xué)土木工程系教授、博士生 導(dǎo)師，主要從事土木工程 CAD/CAE 4D-CAD建設(shè)領(lǐng)域信息化、智能信息處理技 術(shù)、數(shù)字減災(zāi)及智能決策技術(shù)、BIM及建筑生命期管理等方面的研究，近幾年主持 了包括國家“十五”、“十一五”科技支撐計劃課題、國家自然科學(xué)基金項目、北 京市科委項目、國際合作以及奧運工程等在內(nèi)的幾十項研究項目。在建筑工程領(lǐng)域，如果將 CAD技術(shù)的應(yīng)用視為建筑工程設(shè)計的第一次變革，建 筑信息模型 (BIM，

2、Building Information Molding ) 的出現(xiàn)將引發(fā)整個 A/E/C(Architecture/ Engineering/Construction )領(lǐng)域的第二次革命。 BIM 研究的目的是從根本上解決項目規(guī)劃、設(shè)計、施工、維護管理各階段及應(yīng)用系統(tǒng)之間的 信息斷層，實現(xiàn)全過程的工程信息管理乃至建筑生命期管理 (Building Lifecycle Management, BLM)。然而，由于建筑業(yè)本身所固有的特性，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的分散性、 工程對象的唯一性、工程信息的復(fù)雜性等，使得 BIM 的實現(xiàn)異常復(fù)雜且艱難。國 際協(xié)同工作聯(lián)盟 (IAI ) 推出的 IFC(Industr

3、y Foundation Classes ) 為 BIM 的實現(xiàn)提供了建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)與交 換的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著 BIM 概念的成熟，推動 BIM 技術(shù)的發(fā)展。 BIM 已成為當(dāng)前建設(shè) 領(lǐng)域信息技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點。 一、何謂 BIMBIM的理論基礎(chǔ)主要源于制造行業(yè)集 CAD、CAM于一體的計算機集成制造系統(tǒng) CIMS(Computer Integrated Manufacturing System ) 理念和基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 PDM與STEP標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品信息模型。BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工 程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型， BIM 是對工程項目設(shè)施實體與功能特性的數(shù) 字化表達(dá)。一

4、個完善的信息模型，能夠連接建筑項目生命期不同階段的數(shù)據(jù)、過程 和資源，是對工程對象的完整描述，可被建設(shè)項目各參與方普遍使用。 BIM 具有單 一工程數(shù)據(jù)源，可解決分布式、異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題，支持 建設(shè)項目生命期中動態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享。 BIM 一般具有以下特征。模型信息的完備性。除了對工程對象進行 3D 幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系的描述，還 包括完整的工程信息描述，如對象名稱、結(jié)構(gòu)類型、建筑材料、工程性能等設(shè)計信 息; 施工工序、進度、成本、質(zhì)量以及人力、機械、材料資源等施工信息; 工程安全性能、材料耐久性能等維護信息 ; 對象之間的工程邏輯關(guān)系等。模型信息的關(guān)聯(lián)性。信息

5、模型中的對象是可識別且相互關(guān)聯(lián)的，系統(tǒng)能夠?qū)δ?型的信息進行統(tǒng)計和分析，并生成相應(yīng)的圖形和文檔。如果模型中的某個對象發(fā)生 變化，與之關(guān)聯(lián)的所有對象都會隨之更新，以保持模型的完整性和健壯性。模型信息的一致性。在建筑生命期的不同階段模型信息是一致的，同一信息無 需重復(fù)輸入，而且信息模型能夠自動演化，模型對象在不同階段可以簡單地進行修 改和擴展而無需重新創(chuàng)建，避免了信息不一致的錯誤。二、BIM 的價值具體而言， BIM 的應(yīng)用具有以下價值。1、解決當(dāng)前建筑領(lǐng)域信息化的瓶頸問題 建立單一工程數(shù)據(jù)源。工程項目各參與方使用的是單一信息源，確保信息的準(zhǔn) 確性和一致性。實現(xiàn)項目各參與方之間的信息交流和共享。從

6、根本上解決項目各參與方基于紙 介質(zhì)方式進行信息交流形成的“信息斷層”和應(yīng)用系統(tǒng)之間“信息孤島”問題。推動現(xiàn)代CAD技術(shù)的應(yīng)用。全面支持?jǐn)?shù)字化的、采用不同設(shè)計方法的工程設(shè) 計，盡可能采用自動化設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計的集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化促進建筑生命期管理，實現(xiàn)建筑生命期各階段的工程性能、質(zhì)量、安全、進度 和成本的集成化管理，對建設(shè)項目生命期總成本、能源消耗、環(huán)境影響等進行分 析、預(yù)測和控制。2、基于 BIM 的工程設(shè)計實現(xiàn)三維設(shè)計。能夠根據(jù) 3D 模型自動生成各種圖形和文檔，而且始終與模型 邏輯相關(guān)，當(dāng)模型發(fā)生變化時，與之關(guān)聯(lián)的圖形和文檔將自動更新 ; 設(shè)計過程中所 創(chuàng)建的對象存在著內(nèi)建的邏輯關(guān)聯(lián)

7、關(guān)系，當(dāng)某個對象發(fā)生變化時，與之關(guān)聯(lián)的對象 隨之變化。實現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)計之間的信息共享。各專業(yè)CAD系統(tǒng)可從信息模型中獲取所需的設(shè)計參數(shù)和相關(guān)信息，不需要重復(fù)錄入數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)冗余、歧義和錯誤。實現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計。某個專業(yè)設(shè)計的對象被修改，其他專業(yè)設(shè)計中的 該對象會隨之更新。實現(xiàn)虛擬設(shè)計和智能設(shè)計。實現(xiàn)設(shè)計碰撞檢測、能耗分析、成本預(yù)測等。3、基于 BIM 的施工及管理實現(xiàn)集成項目交付 IPD(Integrated Project Delivery ) 管理。把項目主要參 與方在設(shè)計階段就集合在一起，著眼于項目的全生命期，利用 BIM 技術(shù)進行虛擬 設(shè)計、建造、維護及管理。實現(xiàn)動態(tài)、集成和可

8、視化的 4D 施工管理。將建筑物及施工現(xiàn)場 3D 模型與施 工進度相鏈接，并與施工資源和場地布置信息集成一體，建立 4D 施工信息模型。 實現(xiàn)建設(shè)項目施工階段工程進度、人力、材料、設(shè)備、成本和場地布置的動態(tài)集成 管理及施工過程的可視化模擬。實現(xiàn)項目各參與方協(xié)同工作。項目各參與方信息共享，基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)文檔、圖 檔和視檔的提交、審核、審批及利用。項目各參與方通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，進行工程 洽商、協(xié)調(diào)，實現(xiàn)施工質(zhì)量、安全、成本和進度的管理和監(jiān)控。實現(xiàn)虛擬施工。在計算機上執(zhí)行建造過程，虛擬模型可在實際建造之前對工程 項目的功能及可建造性等潛在問題進行預(yù)測，包括施工方法實驗、施工過程模擬及 施工方案優(yōu)化等。

9、4、基于 BIM 的建筑運營維護管理綜合應(yīng)用 GIS 技術(shù)，將 BIM 與維護管理計劃相鏈接，實現(xiàn)建筑物業(yè)管理與樓 宇設(shè)備的實時監(jiān)控相集成的智能化和可視化管理。基于 BIM 進行運營階段的能耗分析和節(jié)能控制。結(jié)合運營階段的環(huán)境影響和災(zāi)害破壞，針對結(jié)構(gòu)損傷、材料劣化及災(zāi)害破壞， 進行建筑結(jié)構(gòu)安全性、耐久性分析與預(yù)測。三、BIM 的研究對于 BIM 國內(nèi)外一些知名大學(xué)率先展開了卓有成效的基礎(chǔ)性研究。 1996 年美 國斯坦福大學(xué)提出的 4D 模型，將建筑構(gòu)件的 3D 模型與施工進度的各種工作相鏈 接，動態(tài)地模擬這些構(gòu)件的變化過程 ; 新加坡南洋理工大學(xué)提出了一個基于 IFC 的 網(wǎng)絡(luò)工作平臺，采用

10、網(wǎng)絡(luò)及 XML 技術(shù)進行信息交換，支持建筑設(shè)計到結(jié)構(gòu)分析的 模型轉(zhuǎn)換 ;英國索爾福德大學(xué)提出的基于 IFC 信息模型的 4D 計劃管理工具，實現(xiàn) 了施工計劃模擬、概預(yù)算以及施工項目假設(shè)分析。筆者及清華大學(xué)研究組于 2002 年研發(fā)的 4D 施工管理擴展模型，將建筑物及其施工現(xiàn)場 3D 模型與施工進度相鏈 接，并與施工資源和場地布置信息集成一體， 2006 年開發(fā)了基于 IFC 和 BIM 的 4D 建筑施工管理系統(tǒng)和物業(yè)智能管理系統(tǒng)。隨著對信息建模研究的不斷深入，一些著名軟件開發(fā)商也提出了名稱各異的信 息模型概念。匈牙利 Graphisoft 公司提出虛擬建筑 (Virtual Buildin

11、g, VB ) 的 概念，并應(yīng)用于建筑設(shè)計軟件 ArchiCAD 中; 美國 Bentley 公司基于全信息建筑模 型(Single Building Model, SBM)推1、基于 IFC 的 BIM 基本架構(gòu)基于 IFC 的 BIM 基本架構(gòu)是一個包括數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，其基本思路是隨著工程項目的進展和需要分階段 創(chuàng)建 BIM ，即從項目規(guī)劃到設(shè)計、施工、運營不同階段，針對不同的應(yīng)用建立相 應(yīng)的子信息模型。各子信息模型能夠自動演化，可以通過對上一階段模型進行數(shù)據(jù) 提取、擴展和集成，形成本階段信息模型，也可針對某一應(yīng)用集成模型數(shù)據(jù)，生成 應(yīng)用子信息模型，隨著工程進展最終形

12、成面向建筑生命期的完整信息模型。2、面向設(shè)計與施工的 BIM 建模系統(tǒng)引入建筑業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn) IFC , 將建筑 3D 模型與設(shè)計、 施工及管理信息集成一體，實現(xiàn)了 3D 模型參數(shù)化創(chuàng)建與顯 示，建筑構(gòu)件和體量、材料、進度、成本、質(zhì)量、安全等信息關(guān)聯(lián)、查看、編 輯和擴展，模型的 IFC 格式導(dǎo)入與導(dǎo)出等功能。本系統(tǒng)適用于各種建筑設(shè)計與施 工階段的 BIM 建模與編輯，為 BIM 創(chuàng)建提供了工具。2、面向設(shè)計與施工的 BIM 建模系統(tǒng)引入建筑業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn) IFC ， ，將建筑 3D 模型與設(shè)計、施工及管理信息集成一體，實現(xiàn)了 3D 模型參數(shù)化創(chuàng)建與顯示，建筑 構(gòu)件和體量、材料、進度、成本、質(zhì)量、安全等

13、信息關(guān)聯(lián)、查看、編輯和擴展，模 型的 IFC 格式導(dǎo)入與導(dǎo)出等功能。本系統(tǒng)適用于各種建筑設(shè)計與施工階段的 BIM 建模與編輯，為 BIM 創(chuàng)建提供了工具。3、基于 IFC 的 BIM 數(shù)據(jù)集成與管理平臺 可基于 BIM 工程數(shù)據(jù)庫進行信息存儲、管理和高效的訪問，并基于子信息模型 技術(shù)實現(xiàn)建設(shè)過程中 BIM 數(shù)據(jù)積累、管理和共享。平臺提供了 BIM 數(shù)據(jù)存儲、維 護、管理以及三維幾何模型和材料、進度等工程信息的瀏覽與查詢功能，實現(xiàn)多用 戶的權(quán)限控制和并發(fā)訪問。該平臺為基于BIM的AEC/FM系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)支持，是面向建筑生命期工程信息管理的平臺支撐。4. 建筑施工 IFC 數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合我國

14、建筑施工信息管理的特點和相關(guān)國家 及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在 IFC 標(biāo)準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)上，編制了建筑施工 IFC 數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)基于 IFC 原有架構(gòu)，應(yīng)用 IFC 實體擴展和屬性集擴展機制，針對建筑施工的成 本管理、進度管理、質(zhì)量管理、安全管理及綠色施工的五個方面進行了 IFC 實體 和屬性集擴展，共擴展 IFC 實體 91 個、 IFC 屬性集 126 條，形成了構(gòu)建建筑施 工信息模型的 IFC 數(shù)據(jù)描述和體系結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)工程設(shè)計、施工與運營維護的信息 共享和交流，開發(fā)新一代建筑施工管理系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，填補了建筑施工統(tǒng)一 數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)的空白。5、基于 BIM 技術(shù)的建筑施工優(yōu)化控制和管理系統(tǒng)該系

15、統(tǒng)研究基于 IFC 標(biāo)準(zhǔn)定義了施工管理領(lǐng)域涉及的人力、機械、材料等資源 信息模型，通過建立將資源信息模型與施工計劃、成本和施工場地信息模型進行關(guān) 聯(lián)的信息集成機制，構(gòu)建基于 IFC 的施工優(yōu)化信息模型。綜合應(yīng)用離散事件模 擬、蒙特卡羅隨機模擬和粒群優(yōu)化算法的理論和方法，分析施工資源與施工工期之 間的動態(tài)關(guān)系以及不與施工工期之間的動態(tài)關(guān)系以及不確定性事件對工程工期的影 響，實現(xiàn)了合理工期條件下的施工資源和場地的優(yōu)化，以及在一定資源和場地條件 下對施工工序進行優(yōu)化，并將 4D 施工管理系統(tǒng) (4D-GCPSU) )與基于離散事件模擬 的施工優(yōu)化系統(tǒng) (SDESA ) ) 進行集成，實現(xiàn) 4D 施工

16、過程優(yōu)化以及施工操作的可視 化模擬。該系統(tǒng)在北京奧運會國家體育場、廣州珠江新城西塔等多個大型工程示范 應(yīng)用，有效的輔助設(shè)計施工人員進行施工進度安排與優(yōu)化，場地布置和施工操作優(yōu) 化，明顯提高了關(guān)鍵工序的施工效率和精度，提高了信息化管理水平。6、基于 BIM 的建筑工程 4D 施工管理及安全分析系統(tǒng)該系統(tǒng)研究發(fā)展 4D 模型 理論，綜合應(yīng)用 BIM 技術(shù)，建立 4D 施工信息模型，實現(xiàn)了施工進度、資源、成 本、場地的 4D 集成化動態(tài)管理和 4D 可視化模擬。該系統(tǒng)引入 IFC 標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā) IFC 文件解析器和 IFC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，建立建筑施工安全管理和結(jié)構(gòu)分析的 IFC 數(shù)據(jù)描述，實現(xiàn)設(shè)計與施

17、工信息的交流與共享。通過直接獲取結(jié)構(gòu)設(shè)計信息，自動 生成 4D 施工安全信息模型，實現(xiàn)了施工過程時變結(jié)構(gòu)和支撐體系的安全分析，進 度、資源、成本的沖突分析和預(yù)測，以及相應(yīng)的預(yù)警機制和決策支持。通過建立施 工場地設(shè)施時變空間模型，實現(xiàn)了施工設(shè)施與設(shè)施、設(shè)施與建筑構(gòu)件在施工過程中 的動態(tài)碰撞檢測。該系統(tǒng)在北京奧運會國家體育場、青島海灣大橋、廣州珠江新城西塔、上海金 融交易廣場等多個大型工程示范應(yīng)用，提高了施工效率，保障施工過程結(jié)構(gòu)安全， 減少了施工沖突，提高了信息化管理水平，取得顯著成效。四、BIM 的應(yīng)用BIM 是一種全新的理念，它涉及到從規(guī)劃、設(shè)計理論到施工、維護技術(shù)的一系 列創(chuàng)新和變革，是建

18、筑業(yè)信息化的發(fā)展趨勢。 BIM 的研究對于實現(xiàn)建筑生命期管 理，提高建筑行業(yè)設(shè)計、施工、運營的科學(xué)技術(shù)水平，促進建筑業(yè)全面信息化和現(xiàn) 代化，具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。目前， BIM 的應(yīng)用在歐美發(fā)達(dá)國家正在迅速推進，如美國已推出國家 BIM 標(biāo) 準(zhǔn)，規(guī)定房屋建筑設(shè)計必須應(yīng)用 BIM 技術(shù)，推行集成項目交付 IPD 管理模式。同 時該行業(yè)的大力推進，使得 BIM 工程師、 BIM經(jīng)理、 BIM 咨詢公司等新型職業(yè)和商機應(yīng)運而生。與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國 BIM 應(yīng)用起步并不晚，但由于建筑企業(yè)和項目管理模式及水平的限制，致使其推廣 應(yīng)用更為艱難。不過，國家的重視及行業(yè)發(fā)展的需求，將極大促

19、進BIM 更深層次的研究和廣泛的推廣應(yīng)用。目前，我國 BIM 應(yīng)用的主要推力表現(xiàn)在以下三方面。1、國家支持的 BIM 研究成果應(yīng)用我國 BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)性研究得到國家的大力支持，并取得了卓有成效的研究成 果。如筆者完成的國家“十五”科技攻關(guān)計劃課題研究成果“基于 IFC 的建筑工 程 4D 施工管理系統(tǒng)”，成功應(yīng)用于國家體育場、青島海灣大橋、廣州西塔等多個 大型、復(fù)雜工程，專家評價屬國內(nèi)首創(chuàng)，填補了國內(nèi)空白，達(dá)到國際先進水平，榮 獲 2009 年“華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)一等獎”。清華大學(xué)和中國建筑科學(xué)研究院承擔(dān)的 國家“十一五”科技支撐項目課題“建筑設(shè)計與施工一體化信息共享技術(shù)研究”， 著重 BIM 的基礎(chǔ)性研究，已經(jīng)完成了基于 IFC 的 BIM 體系架構(gòu)建立，開發(fā)了面向 設(shè)計與施工的 BIM 建模系統(tǒng)、 BIM 數(shù)據(jù)集成管理平臺及 BIM 數(shù)據(jù)庫。清華大學(xué)承 擔(dān)的另一國家“十一五”科技支撐項目課題“基于 BIM 技術(shù)的下一代建筑工程應(yīng)用軟件研 究”，側(cè)重于 BIM 應(yīng)用軟件的研究，即將推出基于 BIM 技術(shù)的建筑設(shè)計、建筑成 本預(yù)測、建筑節(jié)能設(shè)計、建筑施工優(yōu)化、建筑工程安全分析以及建筑工程耐久性評 估等一系列應(yīng)用軟件。這些軟件正在實際工程中示范應(yīng)用，其進一步推廣將大力推 進 BIM 的應(yīng)用進程。2、行業(yè) BIM 標(biāo)準(zhǔn)的制