BIM技术在工程中的应用

罗茜汶 李思远

（1.西安建筑科技大学安德学院，陕西 西安 710311；2.西北工业大学航空学院，陕西 西安 710072）

1 BIM技术研究要点的转移和发展趋势

按照2008年北京市《民用建筑信息模型设计标准》，BIM技术是我国创建并规范利用建筑数字化信息模型对民用建设工程民用项目的基础设计、建设和施工运行管理全过程数据进行信息管理和设计优化的重要过程、方法和关键技术[1]。

BIM可以把三维复杂形态及其表达形式解析表现出来，进而充分展现一个项目不同发展阶段的内涵[2]。

BIM信息处理工具与技术载体主要包括理论几何学和结构、空间关系、地域性信息、建筑物组件数量及特性、预算成本、物料库存及项目时间表，用作展示建筑物的整个生命周期。不但对传统的2D技术进行延伸和革新，也能强化展示动态3D模型[2]。

自BIM技术被推出开始，它逐渐受到了各国学者的关注和研究，并在建筑各个领域里研究BIM的使用。

随着时间的推移，国内外的工程师对BIM的研究与应用更加透彻，BIM在建筑领域的发展趋势也越来越多样化。但相对于其他知识领域而言，BIM发展时间较短，涉及领域广[2]。

通过Web of science和中国知网的论文资源库中查找关于BIM的论文，通过时间的划分，发现BIM的发展具有以下规律。

BIM于2002年由Autodesk公司提出，在前10年中，BIM并没有受到广泛的重视和使用，因而在2002～2012年间，鲜少有BIM的论文发表。但是在2012～2018年间，许多关于BIM的论文都得到了发表，而且上升速度迅猛，证明这一全方位全过程把控建筑的软件得到了建筑行业工程师的认可和使用[3]。BIM文献的增长规律如图1所示[3]。

图1 2004～2014年BIM论文分布图[3]

在2018年以前，对于BIM的研究多处于将BIM用于单一的工程建筑中，如工程造价、钢结构以及施工阶段的成本控制，对BIM可以将多专业联系在一起的特点使用并不充分，尤其是在民用建筑领域中还停留在将Revit单一地当作一个工程软件使用。

在2018年以后，我国许多关于BIM的论文发表都是针对在某个大型建筑工程中如何使用BIM技术，或在工程中的一个重要环节中对它的应用，而非在某个单一的技术和设计中对它的使用和改良。很明显，这是一个研究跨度上的飞跃。

BIM的成功提出为有效解决当前建筑信息模型设计面临的“信息孤岛”和“信息断层”设计问题等带来了新的设计思路和解决方法。这对于了解我国目前建筑工程的造价现状发展有很大的改进帮助，以下将以它在建筑工程造价管理领域中所带来的一些改变来作为范例进行介绍。我国工程造价的方式大体上是经过三个过程的演变，最开始是手工绘图计算，之后发展为造价工程师凭借个人经验进行估价，最后发展为电脑绘图计算。前两个阶段中，造价工程师的结果是很容易出现误差的，而且在第二阶段中工程估价的结果很大程度取决于造价师的个人经验而非系统的理论。虽然经过前代工程师们几十年的努力，造价计算方式得到了很大的改变，但整个工程造价行业水平与当前经济、社会发展水平有较大差距。虽然当前的政府工程造价已经完全是在政府调整工程市场动态设计价格和政府公布工程造价核算指导性价格系数之后再开始进行相关工程造价的合理计算，但是依然不可避免地在工程造价当中存在着很明显的工程计划造价特色。造价工程师在工作时，他们取得的信息很难与其他部门的工程师进行沟通，有一部分原因是因为我国企业中的平级设定，使各部门之间不能得到有效的沟通。如果仅仅是为了提升信息交流的速度就改变企业的管理层级设定，这并不是一个合理的解决方案，很有可能在改变层级之后引发新的问题。而BIM就可以满足这一项要求，它可以打破信息传递的壁垒，因为各项目组上传的进度信息都可以被其他的项目参与者看到，整个项目组变成一个有机的整体，从而大大提升了交流的效率。

2 BIM的功能

BIM的研究是一个不断发展的过程。当前，广为国际认可的BIM一词最早起源于1974年Chuck East man提出的“Building Description Syste m”[4]。进入21世纪，BIM建筑软件应用研究和开发推广应用，不断得到新的行业突破性技术进展，全球三大建筑应用软件系统开发商，都纷纷研发推出了自己的新型建筑应用软件[5]。

手工绘图已经成为历史，CAD绘图变成21世纪的主流。基于BIM技术的商业化软件给出的是三维可视化建筑图形。BIM也被人们称为建筑业的第二次工业革命，如图2所示。美国建筑师学会（AIA）一致认为，BIM设计是一种建筑模型设计技术[6]。

图2 建筑业信息革命过程

BIM没有统一的数学定义，它们只是一个涵盖了城市建设项目主体物理数学特性和建设功能物理特性的一个数字模型。目前较为完整的描述是来自美国对于BIM标准的具体定义：BIM 是设施物理和功能特性的数字表达，是一个共享的知识资源，为该设施从概念设计到拆除的全寿命周期中所有决策提供可靠依据的过程。在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责的协同工作[7-8]。它分别具有提高可视化、协调性、模拟性、优化性及提高可出色绘图性等六大特点。

通俗地来说，BIM之所以可以被人们正确理解，是因为在一台计算机中可以建立一个建筑物的三维几何模型，模型结构属性中包含关于建筑物的三维几何与非三维几何模型信息，是一个基于建筑物的信息模型数据库，如图3所示。

图3 BIM在建筑中的应用

近些年，BIM主要应用于土木工程、建筑电气、市政建设、工程管理等领域。本文着重论述BIM在结构设计和市政建设中的应用。

3 BIM在建筑结构设计中的应用

我国的建筑经历了从装配式混凝土结构到现浇结构的转变，其中装配式混凝土结构的抗震性非常差，难以适应人们对日益增长的物质生活的需求。因而在20世纪80年代末，我国经历了装配式混凝土的发展低潮，之后受到人们青睐的是现浇结构体系。现浇结构可以满足设计上的个性化和复杂化要求，但是现浇结构也表现出了很多问题，比如建筑废料多、施工噪声污染大，还有一个不可忽视的问题是难以招募到青年建筑工人。年轻的建筑工人更倾向于工作环境良好，安全系数高的工作环境。在现浇结构体系中，还不能完全步入工业化，建筑工人在现浇结构体系中依然扮演着非常重要的角色。

我国近10年开始了钢结构在民用建筑中的使用，小区高层，城市体育馆的建设中大量使用钢结构，钢结构建筑的稳定性高，而且施工环境相较于现浇结构体系也表现得非常优良，因为钢结构建筑中的构建如梁、柱、板等都由工厂生产，生产后直接在使用现场进行拼装即可。

虽然在钢结构建筑中仍有保温性差和防腐等问题急需解决，但是无疑的钢结构建筑在未来的有很大的发展空间。钢结构首先在建筑设计体系方面的技术要求相较于现浇结构设计体系更为严格，BIM在建筑钢结构中已经起到了很重要的主导作用。通过对BIM设计技术的广泛使用，可以有效降低钢结构设计工程师在进行钢结构工程设计中的技术难度系数，如图4所示。

图4 BIM在施工中的作用

而且在钢结构建筑建设的过程中会产生大量的预制构件，大大增加了管理的难度和成本，这时可以使用BIM技术，因为BIM技术是项目的全周期管理，在使用相对应的软件时，可以根据构件的不同性能建立不同的数据库，部品管理数据库的开发、建立和应用有助于进一步加强整个通用装配式大型钢结构工程建筑制造体系作业的精细化、标准化、模块化流程管理，如图5所示。

图5 钢结构骨架模拟

BIM技术应用于钢结构建筑的建设上是我国迈入建筑工业化很重要的一步，从中也可以反映出BIM技术在我国建筑业发展中的重要性。

4 BIM在市政建设中的作用

研究BIM在市政工程中的作用时，首先，就需要充分明确市政工程和一般民用普通住宅的根本区别。城市公共市政工程主要包括建设城市道路、桥梁、排水、污水处理、城市防洪、园林等各类城市市政公用公共事业建设工程[9]。这和民用建筑是两种不同的概念。

在桥梁和道路的设计和建设过程中可能会出现多种问题，比如，在设计时不能够全面考虑在建成后它们可能遇到的问题，BIM技术就可以弥补这点不足。因为BIM可以通过设计图纸建立三维数据模型，取代了传统的二维模型设计，完全弥补了其存在的不足。

BIM技术在市政建设中还具有较高的协调性和多领域协调工作的优点，使用BIM技术之后，可以避免传统的二维图纸的单调和细节性的不足，而且它对于模型的设计和分析能力更高，大大减少了设计人员用于进行检查和纠错的时间。

在市政工程施工时，会经常遇到地下管道错综复杂的情况，由于对这些管道的排布情况不清楚，很容易在施工的时候对管道造成损害，甚至发生严重的事故。BIM技术的使用可以明晰地下管道的排布，可以代替市政道路中依靠人工解决的管网交叉问题。还为市政建设中的各部门提供了一个交流平台，能够方便各部门的人员进行数据和进度的交流，大大提升工作效率。

5 结语

BIM在工程中的应用还会遇到一些不可避免的阻碍，首先是设计人员设计理念的转变，这意味着他们需要学习新的软件和新的工作模式，这对一个从事单一事业多年的工作者而言并非易事。其次，在应用BIM的过程中，会增加该阶段的工作量，在工作的过程中会有很多新的数据要处理，而且在三维建模后，还需要绘图出二维图纸[8]。

BIM技术无疑是非常适合我国建筑业的转型，在技术上能够快速改进原有技术的不足，打破单一的工作模式，提供一个既可以方便部门间交流又不破坏原有秩序的新的途径。