施工企业BIM应用策略研究

刘宏刚 张海华 甘一鸣 刘 佳

(中铁大桥局集团有限公司， 武汉 430050)

施工企业BIM应用策略研究

刘宏刚 张海华 甘一鸣 刘 佳

(中铁大桥局集团有限公司， 武汉 430050)

BIM技术的出现为施工企业提高工程建设项目的信息化管理水平提供了重要机遇，但由于涉及面较广、参与方较多、软件平台成熟度较低等因素，施工阶段的BIM应用是整个工程建设产业链中难度最大的环节。文章根据行业现状、背景及BIM技术发展趋势，分析了施工企业BIM应用方向和目标，提出了施工企业BIM应用策略，内容包括：研究发展规律，制定长期战略；坚持循序渐进，避免急于求成；立足业务需求，实现重点突破；加强基础研究，合理配置资源；做好人才培养，打造专业平台；拓展应用空间，实现管理效益等。结合工程实践经验，对现有BIM软件平台开发及应用中存在的问题提出了具体措施和方法，可供相关企业或软件研发人员参考。

BIM技术； 土木工程； 高速铁路； 施工； 应用

1 行业背景与BIM发展趋势

1.1 行业背景

近年来，BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术的快速发展受到社会各界的广泛关注，作为未来工程建设领域信息化的重要发展方向已日趋明朗。BIM是实现绿色、节能建筑的重要技术手段[1]，在推动土木工程产业技术升级和提高信息化管理水平过程中将发挥关键作用，各国政府、企业、行业组织与研究机构都把BIM技术作为核心竞争力的重要组成部分予以深入研究。在我国近几年的高速铁路建设中，已有渝(重庆)黔(贵州)铁路、西(安)成(都)客运专线、石(家庄)济(南)客运专线、沪(上海)通(南通)铁路、连(云港)镇(江)铁路等工程项目开展BIM试点应用，对重、难点工程采用BIM技术进行设计和施工。

然而与制造业相比，土木工程行业的信息化水平已经严重落后。根据IDC(International Data Corporation，国际数据公司)的分析报告，在同样的产值规模下，全球制造业在信息技术方面的投入是土木工程行业的5倍以上。斯坦福大学的一项研究表明，从上世纪60年代以来，美国工程建设行业的劳动生产效率呈下降趋势，而在同一时期其他工业行业劳动生产率提高了一倍左右[2]。中科院国情分析研究小组的研究显示，过去40年，中国工业与服务业的生产力指数提高了230%，而土木工程行业的劳动生产率指数不仅没有提高，还下降了19.2%。

1.2 BIM发展趋势

2002年Autodesk公司首次提出“BIM”这一行业术语时，国内外BIM应用大多是研究性质的，软件厂商是这一技术的主要推动者。例如Autodesk公司的Revit系统产品，在2012年之前基本上采取免费赠送的方式向CAD产品用户推广，并积极与国内设计企业、科研院校、行业协会等加强合作，赞助试点项目BIM应用和各种交流会议，在中国市场进行深耕细作。2012年之后，随着BIM软件的不断完善，在软件厂商、行业组织、媒体的大力宣传下，以及政府、业主的鼓励和引领下，国内对BIM技术的研究和应用出现了井喷式增长。

2002～2015年以BIM和建筑信息模型为主题的技术文献数量逐年变化情况如图1所示。但“BIM”同时也属于生物学术语，意为“B淋巴细胞瘤-2基因中的凋亡调节蛋白”(Bcl-2 interacting mediator of cell death)，关于BIM的早期文献通常属于这一类。例如，2003年发表的涉及BIM的6篇文献中，有5篇是属于生物和医学方面的，最近几年以BIM为主题的文献中，其含义则大多指向建筑信息模型。

图1 国内BIM技术文献研究趋势

根据盖特纳模型(Gartner Hype cycle)，新技术的发展可分为5个阶段：技术萌芽期(Technology Trigger)，期望膨胀期(Peak of Inflated Expectations)，泡沫化谷底期(Trough of Disillusionment)，光明的爬升期(Slope of Enlightenment)，实质生产高峰期(Plateau of productivity)，如图2所示。由此我们可以对BIM技术的发展进行分析和预测。

图2 BIM技术发展趋势预测

得益于新媒体时代信息传播的便利优势，以及对BIM所描绘的绿色建筑、智慧城市的向往，社会各界对BIM技术的关注空间高涨，“全专业协同、全产业链应用、全生命周期管理”的理念已经深入人心，BLM(Building Lifecycle Management，建筑全生命周期管理)[3]、IPD(Integrated Project Delivery，集成项目交付)，BIM云、BIM大数据、互联网+等概念也喷薄而出。然而近几年BIM技术在施工阶段大量应用之后，很多企业开始认识到BIM的理想与现实之间存在巨大反差。仅就BIM软件来说，目前还存在着功能不够完善、产品不够配套、数据无法互用等问题。在标准方面，大部分BIM标准还尚未完成制定和颁布。

结合图2可以判断，目前国内BIM技术的发展正处于期望膨胀期顶峰，并即将进入下降期，国内企业在开展BIM应用时有必要予以分析研究，理性看待BIM价值和实施效果，科学制定BIM发展规划和应用策略。

2 施工企业BIM应用方向和目标

与设计企业相比，施工企业的BIM应用更复杂、更困难，所用BIM软件不仅涵盖设计阶段用到的建模、算量、碰撞检查等功能，还包括施工组织模拟，进度、质量管理，物料跟踪、现场监控等功能[4]，软件的集成与数据共享难度更大。设计企业的BIM协同平台形成之后可以持续使用和完善，便于在业务流程、岗位分工、协同等方面实现标准化[5]，而施工企业的技术、管理团队及实施项目都是流动的，不便于经验的积累和传递。

国内施工企业目前面临着如下困境：

(1)项目复杂性不断增加，高端建筑业和公共设施项目对工程质量和绿色、智能的要求不断提高。

(2)项目业主对工期和造价的严格控制，设计文件中大量的错漏碰缺和施工过程中频繁的设计变更，增大了施工企业项目管理难度。

(3)施工技术和管理方法在过去几十年未出现重大革新，对新的挑战缺乏有效的应对手段。有研究指出，我国建筑产业技术进步在经济增长中的作用约为25%～30%，而发达国家达到70%～80%。

(4)人工成本上升，劳务用工紧张； 工作环境艰苦，中青年技术人才流失严重；高素质、综合型、专业型人才匮乏。

(5)全球化时代的开放格局使市场竞争加剧。

现代化、工业化和信息化是工程建设领域的三大发展目标。信息化包括技术信息化和管理信息化，对于施工企业的BIM应用来说，可分为技术分析和项目管理两个应用方向，其具体应用点有不同细度或深度的划分，国内土建企业在施工阶段开展的BIM应用如表1所示。

实施信息化是提高企业管理水平的重要途径，也是推动集约化、标准化、实现精益施工(Lean Construction)的必要条件。与ERP相比，BIM更适合土木工程行业的信息化需求，施工企业应抓住机遇，以提高技术和管理水平为目标开展BIM应用。

表1 施工阶段常见的BIM应用点

3 工程案例

渝黔铁路白沙沱长江大桥是国内高速铁路建设中首批采用BIM技术设计和施工的试点项目之一，是目前世界上跨度最大、荷载最重的六线铁路斜拉桥，也是第一座采用双层铁路布置形式的斜拉桥，上层桥面通行四线客线，下层桥面通行两线货线，如图3所示。

图3 渝黔铁路白沙沱长江大桥主桥立面(m)

该桥重庆侧边跨主梁须跨越3条铁路线，为保证钢梁施工和列车运行安全，提出了在支架上拼装钢梁，采用同步顶推技术完成跨线段钢梁施工的方案，以减少跨既有线施工时间，降低安全风险。钢梁拼装及跨线顶推方案如图4所示。

由于顶推工序复杂、架梁吊机的作业空间受到主塔的限制等因素，技术人员采用BIM技术对钢梁构件的存放、运输、吊装，以及吊机的运动轨迹、钢梁的顶推过程等进行了全面模拟(如图5所示)，以检验方案的可行性，根据模拟中发现的问题对方案进行优化处理，制定出详细的作业流程和施工步骤，保证了施工方案的顺利实施。

除采用BIM技术进行施工方案模拟、可视化交底、设计校核、3D协调等应用外，还应用BIM平台对施工进度、成本、安全、质量进行管理。利用二维码等物联网技术进行物料追踪管理，并开发了移动端应用，手机扫描二维码可对物料状进行查询和编辑。虽然这些应用还有很多需要完善的地方，但仍属于有益的尝试。

图4 边跨钢梁拼装与跨线施工方案总布置图

图5 边跨钢梁拼装与跨线施工模拟

4 施工企业BIM应用策略

4.1 研究发展规律，制定长期战略

BIM对建筑业的重要性毋容置疑，然而由于媒体的过度宣传，使人们对BIM的憧憬产生了幻觉，把未来的美好前景当成了今天的现实。事实上在施工领域的BIM应用，现阶段即使愿意投入资源也难以达到预期的效果，但如果因此认为BIM华而不实对其全盘否定，则有可能错失BIM发展良机。

自1975年Chuck Eastman首次提出“Building Description System”设想以来，BIM已走过40年发展历程，结合BIM的最终理想，我们可以将BIM的发展过程分为四个阶段，其关键词分别为：概念、技术、应用、价值，与盖特纳模型的对应关系如图6所示。毫无疑问，BIM技术的开发工作还远未完成，目前仅在建筑行业的设计阶段得到了有效应用，而施工阶段的应用还缺乏必要的技术条件，主要原因是平台类软件的成熟度远低于工具类软件，而项目管理是施工阶段的BIM应用重点。从行业来看，面向土木行业的BIM软件尚未开发成功，目前主要借用房屋建筑行业的BIM软件，虽然已有很多企业通过二次开发或定制研发进行了试点应用，但这种应用在短期内还无法取得经济效益，甚至有部分企业认为BIM的最大亮点是在投标过程中向业主展示技术实力和企业形象，使BIM应用流于形式，停留在宣传层面，是不可能持久的。

图6 BIM技术发展阶段预测

根据对BIM发展阶段的分析，我们可以预测BIM技术研发工作有望在下一个10年取得重大进展，初步具备支持BIM技术全产业链应用和建筑实体全生命周期管理的潜力，而在20年之后，将能够在整个工程建设行业真正实现BIM应用价值。施工企业可以根据BIM发展进程及所处行业特点，结合自身实际需求有针对性地制定BIM应用发展规划、分阶段目标和实施方案，改进传统管理方法，建立适合BIM应用的工程管理模式。

4.2 坚持循序渐进，避免急于求成

从BIM技术的发展起源来看，北欧、日本等国的BIM应用先于美国。北欧国家冬天漫长多雪，这使得建筑构件的预制化非常重要，因此促进了包含丰富数据、基于模型的BIM技术的发展，并导致这些国家及早地进行了BIM的部署，成为全球最先采用基于BIM模型进行建筑设计的国家之一[6]。而日本的制造业较为发达，设备厂家将虚拟装配技术延伸到现场安装环节，促进了BIM技术在机电专业的应用，得益于其相对封闭的企业文化和高度融合的内部市场，在整个产业链的专业协同与数据交换方面拥有了成熟的接口，实施BIM能够带来工作效率和经济效益的显著提升，因而成为企业从自身需要出发做出的选择。

目前国外的BIM应用主要集中在规划和设计阶段，属于典型的效益驱动模式。而由于国情的不同，中国建筑市场的BIM应用更多是由政府和业主推动，要求在施工阶段开展BIM应用。2015年7月，住建部发布《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，明确要求：“到2020年末，建筑行业甲级勘察、设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用。到2020年末，以下新立项项目勘察设计、施工、运营维护中，集成应用BIM的项目比率达到90%：以国有资金投资为主的大中型建筑；申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区”。相对于国内土木工程行业的BIM应用基础来说，这是一个极为宏伟的目标，相关企业在具体实施中如不采取适当的策略很容易造成资金浪费和效益损失。

美国USACE(United States Army Corps of Engineers，美国陆军工程兵)是最积极推动BIM应用的联邦机构之一，在其为期15年的BIM应用路线图中设计了一个“新项目BIM应用决策模型”，规定必须同时满足“项目包含复杂构件或部件、大型项目、BIM重复利用程度高”才考虑全面综合的BIM应用，如果前述三个条件不能同时满足的话，需要具备“项目需要高强度运维管理、项目重要性程度高、其他因素支持、主办方BIM能力支持”等条件方可考虑全面综合BIM应用，否则只考虑在特定专业或功能上应用BIM甚至暂时不用BIM，而所有这些决策的基本前提是经济上可行。这种务实理性的科学态度值得借鉴。

4.3 立足业务需求，实现重点突破

在针对某一具体工程项目进行BIM策划时，首先要分析需求、明确目标，在解决“如何应用BIM”之前，先要回答“为何应用BIM”的问题，这对于制订详细计划和评价实施效果非常重要。其次要注意BIM应用点与价值点的区别，很多企业能够轻易选择应用点，但却找不到价值点。能够带来效益的应用就是最好的应用，不必贪大求全。

建筑行业普遍认同BIM在机电安装中的应用价值，不仅因为能够通过虚拟装配检查和优化安装方案的可行性，事先确定安装空间和预留孔洞的设置、确保安装顺利，而且能够将BIM信息延伸应用到运维管理，这种针对具体需求开展的BIM应用比较能够取得成功。施工阶段在技术分析中所用到的BIM软件大多属工具类软件，成熟度高且选择余地较大，实施起来也相对容易。

有的企业首次接触BIM就忙着制定标准、流程、管理制度，这不是个好主意。标准是在有了成熟应用之后进行的经验总结，流程也需要在实践摸索中才能逐步完善，国内关于BIM技术和应用方面的绝大部分标准都还没有出台，但这并不妨碍开展BIM应用。

应用点的选择应先易后难，从单项应用到综合应用，从独立应用到集成应用，从试点应用到全面应用。先在个别应用点实现单项突破，再通过建立BIM试点项目的方式，逐步扩展到多阶段、多专业的集成应用，不断积累和总结实施经验，最终建立起适合企业自身需要的BIM技术解决方案。

4.4 加强基础研究，合理配置资源

BIM技术的应用高度依赖IT资源，特别是各种BIM软件，是开展BIM应用的重要工具，同时也是最主要的成本支出。不同BIM软件对硬件的需求是不同的，而不同企业对BIM软件的需求也是不同的，在确定BIM软件硬件配置方案时，必须先了解其业务需求及发展方向、BIM应用重点、团队规模、工作方式等，并对BIM环境下的IT技术、工程技术、管理模式等问题加强基础性研究。

全面的BIM应用需要多种软件工具，在确定软件组合方案时要充分考虑数据异构问题。BIM核心建模软件及大部分工具类软件由少数国际软件巨头所垄断，为巩固竞争优势，这些软件企业正在加快产品布局及企业之间的兼并联合。以美国Trimble公司为例，近年来陆续收购了加拿大Applanix公司、德国NPHO公司、法国Ashtech公司、芬兰Tekla公司，软件产品涵盖Accubid、MeridianSystems、Plancal、QuickPen、SketchUp、Tekla、VicoSoftware和WinEst等品牌软件和外业解决方案。由于软件购置和人员培训成本较高，企业用户一旦选定软件组合，BIM应用的成败就会与特定软件厂商的命运结合在一起，因此应充分调研论证。

BIM软件对运行环境的要求较高，但由于IT硬件的更新速度较快，配置时不宜过度超前，同时，需充分了解所选BIM软硬件之间的适应性问题。很多用户曾反映BIM软件在服务器上的运行效果不如图形工作站，采用虚拟化方式大多以失败告终，其主要原因是现有的大部分BIM软件不支持多线程运算，而多核处理器并行运算是服务器的主流配置方式，同时为了避免长时间持续运行时芯片过热，所配置的CPU单核运算速率通常较低，在运行BIM软件时并无速度优势，面向图形设计的虚拟化软件还不够完善，而在模型创建阶段采取虚拟化方式进行协同设计时，需万兆以上局域网支持才能获得较高的响应速度。

在一些特别大型或复杂的项目中，当BIM数据呈几何级增长时，计算机的反应速度会迅速下降，可以采取以下措施予以缓解：

(1)明确BIM应用目标，设置合理的期望值，“三维”并不意味着项目中的每个零件都需要建模。

(2)针对不同需求，创建不同细度等级的BIM模型。

(3)针对不同BIM软件选择适当的硬件。

(4)合理划分BIM文件的结构，建立多文件协同方式。

(5)建立良好的操作习惯，减少人为因素的影响。

(6)了解硬件知识，学会对不同硬件(比如固态硬盘与机械硬盘)的正确使用与保养。

4.5 做好人才培养，打造专业平台

目前土木工程行业开展BIM应用的最大技术障碍仍然是软件问题，国内BIM应用较好的企业有一个共同特点，那就是二次开发能力比较强，成立了由专业IT人员组成的研发队伍针对本企业的应用需求对现有BIM软件功能进行改进或集成，这正是现阶段BIM软件不完善造成的。

从狭义上讲，BIM是对建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达，美国建筑师学会将其定义为一种“结合工程专案信息数据库的模型技术”，而Graphisoft公司认为BIM是一个“包含了图形及非图形文件的单一知识库”。因此，数据库与可视化是BIM的两大核心技术，而国产软件在这两方面的技术基础都比较薄弱，优势技术主要体现在本土化定制以及对数据转换接口的研究。

基础薄弱、人才匮乏使国内企业开展BIM应用困难重重，国外BIM软件在中国市场的本土化进程尚未完成，而具有本土化优势的国产平台类软件则存在着集成度低、可靠性差等缺陷，有些技术成果尚未实现产业化，主要以科研课题的形式为企业用户进行定制研发，成本畸高且通用性较差，一次研发活动仅能用于一个特定项目，造成企业成本负担较重，同时也导致软件系统在日常应用中高度依赖研发团队的实时维护。另外，在BIM应用中为了便于宣传和展示，通常还要结合GIS、点云扫描、场景建模、视频剪辑等技术对BIM模型进行后期处理，这些情况都需要企业加强内部BIM人才的培养。

项目管理是施工企业信息化建设的优先方向，也是BIM应用的重点，但软件功能的集成是一项艰巨的挑战，不可能一蹴而就。发达国家的经验表明，BIM应用能否取得预期效果与其BIM软件产业发展水平及实施BIM的企业所处行业内部的融合程度有直接关系。BIM软件及相关标准的发展和完善注定是一个长期的过程，只有通过科学合理的规划，充分利用内部外部两种资源，打造出专业的项目管理平台并由专业团队进行应用和维护，才能最终取得成功。

4.6 拓展应用空间，实现管理效益

BIM为实现建筑产品的精益施工、精细化管理、全生命周期管理等先进理念提供了可能性。同时，越来越多的技术被融合到BIM概念中来，比如物联网技术、移动端应用、视频监控等，这些技术的加入拓展了BIM的应用空间，但也增大了系统集成的难度，可以在实践中根据需要逐步拓展项目管理的覆盖面。

美国精益施工学会的研究发现，当计划完成度达到75%～90%时，生产效率和利润都会有明显增长，在没有采用精益施工前，只有1/3的任务能够按承诺的计划完成，而信息不够清晰和明确是首要原因。能否保证每个任务按要求完成的关键在于具体执行任务最基层的团队负责人，也就是精益施工里所说的末位计划员，BIM技术中的可视化交底非常有利于他们准确理解方案、计划的意图和技术要点，显著提高工作效率，并减少执行错误。

在建设项目管理机构的组织形式上，基于 BIM的信息化技术有利于减少管理层次、扩大管理幅度，实现扁平化组织结构，使建设各方的信息沟通更直接、更准确。BIM技术为扁平化组织结构提供了一个可视化的决策平台，各参与方的信息管理人员组成信息管理团队，在此平台上对各自负责的工程信息进行处理，形成多位一体的信息管理格局[7]，各方根据管理权限便捷地获得所需的工程项目信息，简化了信息沟通流程，避免了工程信息的重复输入，同时也提高了BIM的使用效率和应用价值，如图7所示。

图7 建设项目信息传递方式的转变

5 结束语

BIM的价值取决于BIM信息被使用的价值[8]，但由于技术、人才、标准、环境等方面的制约，BIM在项目管理中的应用潜力还远未发挥出来，各种功能尚未有效集成，BIM信息在整个产业链内及项目管理的各个环节还未实现自由流通，信息利用率和交换效率较低，信息的准确性、一致性、完备性还有待提高，施工企业在开展BIM应用时难以达到预期的效果，使BIM技术的进一步推广受到制约。

国产BIM软件企业和研究机构可针对这些问题开展研究，充分发挥BIM的信息集成优势和跨平台管理能力，通过提高软件性能和改善用户体验，支持BIM模型在设计、制造、安装施工及运维管理等全产业链的流转和共享，利用自身的本土化优势，通过合作共赢实现BIM在国内建筑和土木工程施工领域的应用价值。

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Research on BIM Application Strategy of Construction Enterprises

LIU Honggang ZHANG Haihua GAN Yiming LIU Jia

(China ZhongTie Major Bridge Engineering Group Co.,Ltd., Wuhan 430050， China)

The appearance of BIM technology provides an important opportunity for construction enterprises to improve the informationization management. Due to such factors as covering?a wide?range of aspects, more participants and lower maturity of the software platform, application of BIM during construction phase is the most difficult part in the whole engineering construction. According to the industry status, background and BIM technology development trends, the direction and goals of the construction industry BIM application is analyzed and BIM application strategies are put forward, including: insisting on step by step to avoid anxious; based on business needs to achieve breakthrough in key areas; strengthening the basic research and allocating the resources reasonable;to do a good personnel training and create a professional platform; expanding the application space to achieve the efficient management. Combined with engineering practice, specific measures and methods for the problems existed in BIM software platform development and application are put forward, which can be referenced by relevant researchers.

BIM technology；civil engineering；high speed railway; construction；application

2015-03-15

刘宏刚(1975-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)04—0001—07

TU17

A