BIM技术在建筑工程项目中的应用价值

  一、引言

  与快速进步的工程建设技术相比，我国的工程项目管理技术还处在一个相对落后的地步。进入信息化时代以来，信息技术已经成为制造业、电子业等行业不断创新、发展的强力助推剂。在过去的几十年当中，航天、航空、电子业、汽车等其他产业的生产效率和竞争力，通过在新的信息技术和生产流程的帮助下已经获得了巨大的提高，而在全球GDP占巨大投入的工程建设行业的生产效率的增长却没能跟上其他行业的步伐，市场对其改进的工作效率和质量的压力日益增大。

  在这种环境背景下BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）技术应运而生，通过应用BIM模式创新，充分整合并利用建筑工程项目全生命周期所涉及到的信息，不仅能够缩短建筑工程所需时间、节约资源成本，同时还可以帮助所有工程参与者提高决策效率和设计质量。那么BIM技术真的有益于建筑行业么？BIM技术在工程项目中会有多大的应用价值呢？本文试从BIM技术在具体工程项目中的应用来分析其在建筑工程项目中的应用价值。

  二、BIM技术概况

  （一）BIM技术简介

  BIM是Building Information Modeling的缩写，中文意思为：建筑信息模型，也可理解为建筑数字模型。是近些年在建筑设计行业中新兴的一种依托计算机辅助设备的工程数字化的设计方式，通过对整体虚拟建筑信息模型建立的方式实现全方位、全方面的土建设计及相关检测、管网控制等配套工作。BIM的涉及领域日益广泛，目前在设计、建造、管理等数字化管理工作中BIM技术逐渐被大量应用。

  BIM最初起源于上世纪70年代的美国，是由美国乔治亚理工大学建筑与计算机学院（Georgia Tech College of Architecture and Computing）的查克伊士曼博士（Chuck Eastman，Ph.D.）提出。其被定义为：“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.”其翻译如下：“建筑信息模型是将一个建筑工程项目在整个生命周期内的所有几何特性、功能要求与构件的性能信息、综合到一个单一的模型中。同时，这个单一模型的信息中还包括了施工进度、建造过程的过程控制信息。”随着BIM的发展，对于BIM的定义与解释也产生了其他版本。

  麦格劳—希尔建筑信息公司对建筑信息模型的定义为，创建并利用数字模型对项目进行设计、建造及运营管理的过程，即利用计算机三维软件工具，创建包含建筑工程项目中完整数字模型，并在该模型中包含详细工程信息，能够将这些模型和信息应用于建筑工程的设计过程，施工管理，以及物业和运营管理等全建筑生命周期管理（BLM：Building Lifecycle Management）过程中。这是目前相对较全面且完善的有关BIM的定义。

  （二）全建筑生命周期（BLM）

  全建筑生命周期即BLM，全称Building Lifecycle Management，是建筑工程项目从规划设计到施工，再到运营维护，直至拆除为止的全过程。建筑工程项目具有技术含量高、施工周期长、风险高、涉及单位众多等特点，因此全建筑生命周期的划分就显的十分重要。一般我们将全建筑生命周期划分为四个阶段，即规划阶段、设计阶段、施工阶段、运营阶段。

  规划设计是在建筑项目定位的基础上，为使其功能、风格符合其定位，而对其进行比较具体的规划及总体上的设计。工程施工是建筑安装企业归集对工程成本核算的专用科目，是在建设工程设计文件的要求下，对建设工程进行改建、新建、扩建的活动。运营则包含建筑物的操作、维护、修理、改善、更新以及物业管理等过程。

  作为一种先进的工具和工作方式，BIM技术不仅改变了建筑设计的手段和方法，而且在建筑行业领域做出了革命性的创举，通过建立BIM信息平台，建筑行业的协作方式被彻底改变。对于BIM在建筑的全生命周期有哪些应用的问题，美国bSa（building SMART alliance）联盟对BIM在建筑的全生命周期的应用现状做了比较详尽的归纳。

  BIM在工程项目全建筑生命周期各阶段的主要应用为：规划阶段主要用于现状建模、成本预算、阶段规划、场地分析、空间规划等；设计阶段主要用于对规划阶段设计方案进行论证，包括方案设计、工程分析、可持续性评估、规范验证等；施工阶段则主要起到与设计阶段三维协调的作用，包括场地使用规划、雇工系统设计、数字化加工、材料场地跟踪、三维控制和计划等；在运营阶段主要用于对施工阶段进行记录建模，具体包括制定维护计划、进行建筑系统分析、资产管理、空间管理/跟踪、灾害计划等。

  三、BIM在全建筑生命周期的应用

  （一）BIM在项目规划阶段的应用

  是否能够帮助业主把握好产品和市场之间的关系是项目规划阶段至关重要的一点，BIM则恰好能够为项目各方在项目策划阶段能够做出使市场收益最大化的工作。同时在规划阶段，BIM技术对于建设项目在技术和经济上可行性论证提供了帮助，提高了论证结果的准确性和可靠性。在项目规划阶段，业主需要确定出建设项目方案是否既具有技术与经济可行性又能满足类型、质量、功能等要求。但是，只有花费大量的时间、金钱与精力，才能得到可靠性高的论证结果。BIM技术可以为广大业主提供概要模型，针对建设项目方案进行分析、模拟，从而为整个项目的建设降低成本、缩短工期并提高质量。

  实例：天津团泊新城综合体育馆。“天津团泊新城综合体育馆”项目，项目定位为建设天津市11个新城中独具魅力和特色的典范卫星城，重点服务区域为：天津市中心城区及京津冀地区以及辐射环渤海地区。新城的产业定位为：体育产业为主，在其带动下发展生态旅游、创意产业、房地产开发、职业培训基地、休闲度假等配套产业，最终发展成具有鲜明特色的体育生态魅力之城。

  在项目的规划阶段，建筑设计师充分考虑到该项目的定位及产业定位，极力营造一个朴实且与环境紧密结合的建筑。该体育馆由一个巨型的环带环绕而成，其游泳馆的顶部选用的是采光屋顶，并且它们又组成统一的整体构筑物，而这样一个巨型环带的场馆正是借助BIM技术才得以实现的，这便充分体现了BIM技术在项目的策划阶段给建筑工程项目带来的巨大应用价值。

  （二）设计阶段

  与传统CAD时代相比，在建设项目设计阶段存在的诸如ZD图纸冗繁、错误率高、变更频繁、协作沟通困难等缺点都将被BIM所解决，BIM所带来的价值优势是巨大的。

  在项目的设计阶段，让建筑设计从二维真正走向三维的正是BIM技术，对于建筑设计方法而言这不得不说是一次重大变革。通过BIM技术的使用，建筑师们不在困惑于如何用传统的二维图纸表达复杂的三维形态这一难题，深刻的对复杂三维形态的可实施性进行了拓展。而BIM的重要特性之一—可视化，使得设计师对于自己的设计思想既能够做到“所见即所得”，而且能够让业主捅破技术壁垒的“窗户纸”，随时了解到自己的投资可以收获什么样的成果。

  实例：北京某地铁站BIM应用项目。该地铁站由站台与站厅两层组成，有4个出入口，其中两个出入口通过地下通道与地铁站相连。其中地下建筑面积约为2.5×104m2。由于工期紧业主采取了平行发包方式，土建、机电等参建单位多达数十家。另外由于该项目地处繁华地段，施工场地东侧紧邻一所小学，而南北两侧均为高层居民楼，东侧为一正在建造的商场。众多因素导致本项目施工场地狭小，而且建造初期由于部分拆迁尚在进行中，出入施工场地仅有一条道路，因此对施工技术和管理水平提出了很高的要求。由于工期紧张，业主方要求施工阶段不能出现过多或较大的变更。

  为了达到既能提高决策的准确度又能提高决策效率的目的，业主方决定在项目设计初始阶段即使用BIM，通过BIM技术的使用来减少设计变更，在BIM模型的帮助下指导本项目施工。在项目初期，业主对BIM工作组订立了具体目标，即与常规设计相比须减少50%以上的设计变更以及缩短工期1个月。BIM 在该项目中主要应用内容包括两个方面：建立基于BIM技术的地铁站点工程全专业模型，对整体工程进行各专业间碰撞检查；对整体工程进行虚拟仿真及4D施工模拟。

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  在BIM技术的大力支持下，本地铁项目共检测出了875处碰撞点，经过施工经验丰富的班组长细心筛查，在施工之前对其中影响较大的297处设计图纸问题进行了修改，从而可以避免在施工过程中出现这些设计错误，进而减少了施工过程中潜在的大量变更处理。同时，运用BIM技术实施4D施工模拟，突破了传统项目管理和施工模式的固有模式，通过施工模拟对地铁站建造过程中对材料的准确需求量进行了精确计算，从而解决了施工现场大量施工材料堆放场地及保管的问题。

  工程完工后，最终统计结果表明，项目最终完成的目标较常规设计相比减少设计变更达86%，缩短工期34天，很好地证明了BIM技术在建筑工程项目设计阶段中的应用价值。

  （三）施工阶段

  正是由于BIM模型将反映完整的项目设计情况，因此BIM模型中构件模型可以与施工现场中的真实构件一一对应。我们可以通过BIM模型发现项目在施工现场中出现的错、漏、碰、缺的设计失误，从而达到提高设计质量，减少施工现场的变更，最终缩短工期、降低项目成本的预期目标。

  对于传统CAD时代存在于建设项目施工阶段的ZD图纸可施工性低、施工质量不能保证、工期进度拖延、工作效率低等劣势，BIM技术针对这些缺陷体现出了巨大的价值优势：施工前改正设计错误与漏洞；4D施工模拟、优化施工方案；使精益化施工成为可能。

  在项目的施工阶段，施工单位通过对BIM建模和进度计划的数据集成，实现了BIM在时间维度基础上的4D应用。正因为BIM技术4D应用的实施，施工单位既能按天、周、月看到项目的施工进度，又可以根据现场实时状况进行实时调整，在对不同的施工方案进行优劣对比分析后得到最优的施工方案；同时也可以对项目的重难点部分按时、分，甚至精确到秒进行可建性模拟，例如对土建工程的施工顺序、材料的运输堆放安排、建筑机械的行进路线和操作空间、设备管线的安装顺序等施工安装方案的优化。

  实例：世博会国家电网馆。世博会国家电网馆占地4000m2，地上总建筑面积6000m2，建筑高度20m。项目作为世博之心的国家电网馆，同时也是一个大型的变电站，为整个世博浦西园区输送电力。

  与世博园其他项目相比，国家电网馆项目的施工难度相对较大，施工周期也更加紧迫，因此最关键的就是能够对现场施工资源进行有效地调配并制定合理的施工进度。而钢结构部分又是难点中的难点，由于建筑的结构要求与立面表皮肌理充分结合，形成斜交叉的结构体系，使得施工难度大大增加，因此设计师与钢结构施工方在安装钢结构的环节上通力合作，通过把BIM模型与施工组织进度计划相结合，使用Navisworks软件对钢结构的安装进行了4D施工模拟，使得原有安装方案得到了优化和改善，各方对施工进度的把握控制也大大提高，完全体现了BIM技术在建筑工程项目施工阶段的巨大应用价值。

  （四）运营阶段

  BIM在建筑工程项目的运营阶段也起到非常重要的作用。建设项目中所有系统的信息对于业主实时掌握建筑物的使用情况，及时有效的对建筑物进行维修、管理起着至关重要的作用。那么是否有能够将建设项目中所有系统的信息提供给业主的平台呢？BIM的参数模型给出了明确的答案。在BIM参数模型中，项目施工阶段做出的修改将全部实时更新并形成最终的BIM竣工模型，该竣工模型将作为各种设备管理的数据库为系统的维护提供依据。

  建筑物的结构设施（如墙、楼板、屋顶等）和设备设施（如设备、管道等）在建筑物使用寿命期间，都需要不断得到维护。BIM模型则恰恰可以充分发挥数据记录和空间定位的优势，通过结合运营维护管理系统，制定合理的维护计划，依次分配专人做专项维护工作，从而使建筑物在使用过程中出现突发状况的概率大为降低。

  实例：申都大厦改建工程。申都大厦改建工程是原建于1975年的3层车间，在1995年被改造设计成办公楼，是属于耐火等级为二级多层公共建筑。其地下室耐火等级为一级，主体结构采用钢筋混凝土框架结构，局部采用钢框架结构。申都大厦采用钢结构加固措施进行改造，通过改造，框架抗震等级提升至三级。建筑呈L形平面，L形两边长分别为南向、东向；基地东侧为主入口面，结合市政广场、绿化等，统一设计。

  该项目通过软件Plug—in方式将模型导入到运营管理软件中，利用BIM技术帮助业主进行运营管理，充分实现了BIM的最大价值。

  申都大厦改建工程在改建时突出空间管理和设备维护检修这两大管理主体，对日后运营要求进行了充分的考虑，进一步完善了对初步知识体系的梳理，从而形成了BIM的作业流程和信息标准。其主要工作包括：模型导入；设备资产查看；生产运维图形报表；利用FM插件编辑BIM模型；调用运维系统的空间类型；将空间数据导入运维数据库；调用运维系统人员数据库在BIM模型中分配座位；调用BIM模型数据导入运维数据库；将BIM空间数据导入运维数据库；运维图形报表与模型数据双向互动。

  通过BIM信息标准的建立和作业流程的实施，将使得大厦在改建完成后的运营过程更加的系统、高效、可控，极大的降低了建筑在使用过程中可能出现的突发状况，从而实现了项目各方的利益最大化，再次体现出BIM技术对于建筑工程项目的重要应用价值。

  四、结论

  BIM是信息化技术在建筑业的直接应用，服务于建设项目的设计、建造、运营维护等整个生命周期。BIM为项目各参与方提供交流顺畅、协同工作的平台，其对于避免失误、提高工程质量、节约成本、缩短工期等做出极大的贡献，其巨大的优势作用让行业对其愈加重视。应用BIM技术在各个专业设计进行碰撞检查，不但能彻底消除硬、软碰撞，完善工程设计，进而大大降低在施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性，并且可以做到既优化空间又便于使用和维修。

  在BIM技术的帮助下，我们不仅可以实现项目设计阶段的协同设计，施工阶段的建造全程一体化和运营阶段对建筑物的智能化维护和设施管理，同时从根本上将业主、施工单位与运营方之间的隔阂和界限打破，从而真正实现BIM在建造全生命周期的应用价值。

  通过以上实际工程案例的分析，我们很容易从中发现BIM在建筑工程项目全建筑生命周期中的各个阶段所发挥的重要作用，有力的证明了BIM对于建筑工程项目的重要应用价值。

  BIM技术在欧美等发达国家已经普遍开展与应用，但在我国，应用BIM技术的项目还不多，还处于探索阶段，国内还没有统一的BIM应用标准。相信随着BIM在越来越多的工程项目中的应用，会有越来越多的业内人士发现BIM的价值，从而不断推广普及BIM技术，让更多的项目从中受益，使建筑在全生命周期各阶段都能做到可视化、参数化、智能化和最大效益化，让BIM技术成为建筑业可持续发展的强力助推器。

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