BIM技术国内外研究历程及在工程项目管理中的应用

俞利春，廖福权，查健明

中国建筑第四工程局有限公司，江西 南昌 330000

0 引言

近年来，随着科学技术和社会经济的发展不断进步，建筑行业在我国获得了迅猛发展，人们不再仅仅追求建筑的外观以及质量，人们开始注重节省人力物力财力，用更高效的手段更少的资源打造更安全更美观的建筑。尤其近些年来数字化技术高度发展，被应用在各个领域，BIM技术在建筑行业由此衍生了。BIM技术是信息技术高速发展下的产物，能有效地推动建筑行业的进步与发展。BIM技术其主要是通过数字信息模拟所建设建筑物中的实操过程以实现对建设工作的推动作用，可见BIM技术能让时代的发展与建筑行业紧密的结合，有效地推动了建筑行业的发展与进步。本文主要是讲述BIM的发展历程和特点，BIM技术在国内和国外的应用现状和BIM技术在建筑设计的应用过程中出现的一些问题，以及BIM技术在未来建筑业应用前景。

1 BIM的起源

BIM中文的全名是建筑信息模型。早在1970年，Charles Eastman教授已经提出建筑信息模型的概念，从而开启了BIM的源头［1］。

1999年，Charles Eastman教授出版了《建筑产品模型：支撑设计和施工的计算机环境》。可以说，这为建筑信息建模打开了大门，该书中他解释了20多年来散布在各种期刊、会议论文集和互联网上的研究工作，介绍了建模的概念，并提出了开发用于土木工程和建筑施工、建筑设计的数字化表达方法的新的概念、技术和方法［2］。

2002年，欧特克建筑业战略与关系副总裁兼美国建筑学会会员Phil Bernstein开始使用BIM来介绍公司的建筑，工程学和建筑工程的功能设计概念，相关软件。后来，建筑行业分析师Jerry Laiserin开始推广BIM的概念，帮助在行业中推广BIM的概念，并提出了一种标准化的信息交换格式，这促使Graphisoft、Bentley和Autodesk公司的3D绘图软件开发商率先引进BIM概念和技术并融入自己的自家产品中，使异构软件的BIM信息可以在彼此之间传播。

建筑信息建模的概念，随着信息技术在建筑行业中的广泛应用而产生和发展，该概念的提出者常常从多个方向理解相关问题。因此，建筑物信息模型的概念通常出现以不同的名称，比如：集成建筑物模型（Generic Building Model/ GBM）、单个建筑物模型（Single Building Model/ SBM）和虚拟建筑物模型（Virtual Building Model/ VBM，Graphisoft））等等。近年来，随着各方意见逐渐趋同，BIM它已被广泛接受。

2 BIM在国外的发展历程

在过去的这三十年中，BIM技术从引进到逐步使工程建筑行业普遍接受的这一发展过程使建筑从业者重新思考建设项目信息共享和创新方法在生成和管理建筑数据这一周期过程的方式。BIM技术最初由几个较小的开拓性国家主导，如芬兰、挪威和新加坡，其次是一些早期的美国从业者。经过长时间的发展，BIM已经逐渐成为国外一些国家建筑领域的主流。

2.1 美国BIM发展概述

美国率先应用BIM技术，美国总务管理局（GSA）在2003年启动了国家3D-4D-BIM计划，并明确规定BIM技术应用于所有公共建筑服务项目。该项目的目标是：首先，实现技术创新，为客户提供更高效、更经济、更安全以及更美观的联邦建筑；第二，支持和推动开放标准的应用。根据该计划，BIM技术将应用在整个项目生命周期中，包括决策支持，4D进度控制以及建筑设备分析，能源分析，激光扫描，流量和安全验证和空间规划验证。

2.2 英国BIM发展概述

英国政府在2011年发布了“BIM报告”和“政府建筑行业战略”。为实现节省20%采购成本的政府建设战略目标，英国政府规定，从2016年4月开始，所有英国建设项目必须使用BIM技术，并达到BIM应用的第二级。国家统计局2016年第六次全国BIM调查报告显示，英国BIM的采用率达到54%，高于2015年的48%。与此同时，超过80%的受访者声称将来会采用BIM。该报告还指出，英国政府在2014-2015年为现有计划节省了8.55亿英镑，从根本上促进了对新计划的投资。

2.3 日本BIM发展概述

尽管2009年经常被描述为日本BIM技术应用的第一年，但Yasui Architects＆Engineers公司自2007年以来一直全面参与BIM设计。2010年，日本国土交通省正式宣布实施BIM技术，目前已在日本范围内扩大了在全国范围内使用的BIM技术，并已升至政府推动的水平。

3 BIM在国外工程项目施工及管理中的应用

3.1 英国高铁二号线(HS2)

英国高铁二号线(HS2)是英国正在建设的高速铁路，建成后将直接连接伦敦，伯明翰，东米德兰兹，利兹和曼彻斯特。该项目估计耗资560亿英镑，比2010年初期预测的327亿英镑增长71%。HS2是一个复杂的技术系统，涉及电力，通信，土方工程，结构，轨道，控制系统，噪声缓解等等。鉴于其国家范围及其对城市和农村的影响，该项目还拥有比大多数更多的利益相关者。如此庞大而复杂的项目，按时和按预算交付是一项重大挑战。建筑信息模型（BIM）被视为交付工作的核心，允许项目通过与详细视觉模型相关联的数据进行收集和通信［3］。HS2由High Speed Two（HS2）Ltd开发，该公司是由英国政府设立的担保有限公司。High Speed Two Ltd致力于使用建筑信息模型（BIM）进行电子存储和数字数据的使用，采用最低BIM二级标准，以实现清晰一致的数据管理方法。这有助于在整个HS2计划中提供协作，并优化制造和装配机会的设计。这种数据驱动方法涉及使用通用数据环境来存储图形和非图形数据，允许直接从中心位置绘制数据，以开发2D和3D计划，以及准确和高度详细的任务和材料名单。对于高速铁路项目规模的基础设施项目，BIM技术的应用具有以下几方面优势：

（1）从事该项目的每个人，包括设计师，承包商和供应商，都有清晰的数据和规范。

（2）EIR提供的清晰指示意味着正确的数据可以在需要时准确获得，并且所有工具和材料都可以在合适的时间由合适的人员使用。

（3）利用公共数据环境中的所有可用数据，所有必要的信息都可以做出良好的设计决策，从而允许更多的设计创新和优化的建筑材料选择。对于HS2规模的项目，这可以转化为显着节省，减少碳足迹，以及更好，更友好的设计。

4 BIM在国内的发展历程

2004年左右，基于BIM技术的工程软件进入我国，国家“十五”科技支撑计划对该技术的研究给予了大力支持。2008年，国内有关科研单位起草了工业基础平台规范（国家指导技术文件），其内容和技术与国际工业基础类别（IFC）数据模型标准相一致。住建部在2011年5月20日发布的《2011～2015年建筑业信息化发展纲要》中将BIM技术首次纳入信息化标准建设的重要内容，并明确指出：推进BIM技术从设计阶段向施工阶段的应用延伸，在施工阶段开展BIM技术的研究与应用，降低信息传递过程中的衰减；研究大型复杂项目的建设4D项目管理信息系统的基础上BIM技术的应用，建设项目实现有效的可视化管理。住建部于2012年1月发布《关于印发2012年工程建设标准规范制订修订计划的通知》，公布中国的BIM标准制定工作正式启动，这其中包含了五项和BIM相关的标准：《建筑工程信息模型应用统一标准》、《建筑工程设计信息模型交付标准》、《制造工业工程设计信息模型应用标准》、《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》。2013年，我国发布了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，确定了BIM技术具体的发展推进目标。2014年7月1日，住房和城乡建设部发布了建市［2014］ 92号文件《住房，城乡建设部关于促进建筑业发展和改革的若干意见》。重点推广工程设计中的建筑信息模型（BIM）等信息技术应用在施工和运维的全过程，提高整体效益，推广隔震技术的建设项目。搜索并执行用白色图片替换蓝图并以数字方式查看图纸的工作。同时，国内各省市响应了住房和城乡建设部关于BIM技术的呼吁，有效推动了建筑业的发展和改革，并发布了有关BIM技术的政策要点。住房和城乡建设部于2016年8月23日再次发布了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》，BIM技术成为“十三五”期间的建筑业领域率先推广的五个主要的信息技术。住房和城乡建设部2016年12月2日发布的《建筑信息模型应用统一标准》（GB/ T51212-2016）将从2017年7月1日起开始实施。2018年，“两会”提出将BIM技术课程教学成体系纳入专业教育评估工作。

综上所述，自BIM技术进入我国本土以来，政府和相关科研单位高度重视该技术，不懈努力的开展相关研究，不断出台相关政策和标准，旨在发展好、利用好BIM这一尖锐利器，使其应用到建筑行业的利益得到最大化。

5 BIM在国内工程项目施工及管理中的应用

在国家重大工程项目上，国家牵头引导一些资金实力和技术实力较为雄厚的设计单位使用BIM技术。如上海中心大厦等多个超高层结构、复旦大学正大体育馆、国家游泳中心等多个大跨度空间结构均实现BIM技术的成功应用，这里只详细介绍上海中心大厦。

上海中心大厦（图1所示）位于上海浦东的陆家嘴地区，是中国上海的超高层地标摩天大楼，该建筑在六年内完工，主楼118层，结构高度580米，总高度632米。大厦在建筑设计上突破了传统的层叠式功能结构高层建筑理念，在空中设置九个垂直社区，每一个社区分段中设置三个空中花园，营造了一个可容纳30000多人工作和活动的垂直城市的空间。

在大厦项目建设过程中，团队提出建立基于BIM的工程信息管理系统，从建设工程项目的建筑设计、施工管理及运营等建筑全生命周期出发，基于现代信息技术，突破传统建筑模式，成功研发了基于三维建模和数值分析的全过程数字建造技术方法，率先建立了集结构建造虚拟仿真、可视化智能控制、结构健康监测、协同管理平台、运维管理系统于一体的超高层数字化建造技术体系。通过与设计方，施工方和专家项目合作，进行数字化设计，数字化施工全过程，并在工程和施工的各个主要方面进行有效的数字化运维，从而显显著提高了工程建造成效，极大地提高了工程建造水平。并且，上海中心大厦项目以其超高层数字化建筑技术获得了中国勘察设计协会“创新杯”建筑信息模型（BIM）设计大赛特等奖。

上海中心大厦建设项目全面规划和实施BIM技术过程中，（1）开发了结构混凝土成型模架装备标准模块化集成的设计施工技术，模架装备重复周转使用率达90%以上；（2）发明了模架装备桁架层施工新技术，开发了模架装备钢板剪力墙层自动滑移安装技术，复杂结构模架装备柔性变换技术取得重大突破，改变了传统分体技术方法；（3）开发的超高空模架装备远程可视化智能监控系统，极大地提升了风险管控能力；（4）发明了基于超高、分段、逆作工艺的悬挂曲面玻璃幕墙支撑结构安装技术，实现了复杂工况竖向预变性控制的幕墙支撑精确安装技术；（5）发明了模块化装拆式计算机自动控制的钢结构智能升降操作平台系统，解决了柔性悬挂钢结构支撑体系悬、扭、空的安装作业难题；（6）基于硬碰撞和精确安装的软碰撞控制，已经实现了14余万平方米的2万多块不同大小曲面外幕墙的精确安装。

6 当前BIM在工程应用中存在的问题

BIM在国外近些年已经得到了广泛的应用，不可否认，国外的BIM技术远远领先于国内，国内在实际应用及推广都存在着大大小小的一些问题。

6.1 BIM标准不完善

由于国内BIM技术的起步比较晚，从2018年1月1日开始，我国才正式使用《建筑信息模型施工应用标准》来作为国家标准。在前几年中，BIM技术存在许多不同的标准，但都没有形成一个统一。在工程应用中从项目初期到项目结束，不同阶段对应着不同交付标准，致使BIM技术应用较为混乱。

6.2 国内BIM技术不成熟

BIM技术是基于计算机技术发展而来，虽说国内近几年计算机技术得到高速发展，但是与建筑行业的结合发展还在初期，BIM技术是对整个项目各个阶段数据进行整合，以实现更为直观、更高效、更一体化、更节省资源的技术手段，但是这些涉及的方面太广，数据太多，对BIM技术的发展形成了一定阻碍。

6.3 国内BIM技术普及不广泛

最能接受新技术的便是大学生以及刚工作的青年，然而国内开展BIM课程的高校很少，许多大学生并不能在校期间接受BIM相关课程，而且目前BIM软件市场比较混乱，并不能形成一个高度统一。BIM技术的发展更需要一些交叉学科的人才，例如土木工程与计算机专业的交叉，而目前高校有这种交叉专业的也是少之又少。

7 BIM在工程应用中的前景

BIM技术目前在国内外工程建设领域的应用较少，现阶段BIM技术是我国在工程建设领域应用的重点推广的方向。在BIM技术平台上，施工单位对工程施工进行项目各种专业承包商选择、各材料供应及采购、工程分包单位的选择、机械及设备计划的安排、劳动力进场的安排等满足工程施工合同要求。BIM技术可以大大降低建筑企业的成本，降低管理成本，合理分配各种资源，减少不必要的浪费。BIM技术使施工人员可以轻松理解设计意图。如果存在施工质量问题，请及时反馈有关BIM技术信息模型的信息，设计人员根据施工情况及时调整设计，在日常安全管理中，可以执行可视化标准管理，并协助进行精细化管理。目前，BIM技术在国内外工程建设领域的应用很少。现阶段，BIM技术在工程建设领域的应用是我国重点推广的对象。在未来的施工领域中BIM技术的具体发展应用有以下几点［4-5］：

（1）施工过程辅助与精细化管理。在安全管理方面，通过BIM技术而言，它可以实现可视化，管理复杂的三维模型的三维展示和动态管理，通过不断调整和更新实现动态化管理；在规划布置中，能够更充分的考虑各个阶段的布置，充分利用空间、避免相互的影响；安全交底中利用三维模型能够更清楚更直观的进行可视化交底；结合现场工程项目，将工程施工范围内所有既有环境真实的创建，从各角度辨识危险源，让危险源辨识工作更加直观［6］。在质量管理方面，BIM技术的应用主要体现在事前控制和事中控制。BIM中的虚拟施工技术，我们能模拟出工程项目的施工过程，可以通过在计算机环境中对工程项目的建造过程进行预演，可以找到可能的重量控制点和质量风险点。

（2）智慧工地。通过BIM技术可以对工人进行实名制管理，动态监控每天现场人员、工种、施工部位；依托三维模型和施工现场布置智慧工地的大屏，整合显示关键的管理和控制信息，整合各种专业系统，整合决策指标和专业应用数据，来建立统一的决策分析展示服务平台，通过不同的权限分配为项目现场管理团队提供过程监控的应用程序服务，提供智能决策和统一数据对接，以进行各个级别的统一管理。

（3）装配式施工过程管理。对于装配式建筑，通过吊装模拟，能够对吊装方案进行核实检验，同时把控吊装过程中的安全质量重难点。

（4）3D打印。通过BIM技术与3D打印的结合，客户可以根据自己的一些想法很大程度上影响建筑设计。未来会建造出更多的奇特造型的建筑物并且不会受成本限制。3D实时打印的建筑模型即便是我们普通的老百姓也可以看懂看透建筑造型。部件拼装等新的施工方法将减少大量的人工并节省人工成本；大大缩短了施工时间，还将节省大量的人工成本；将废旧材料用作建筑材料将大大降低材料成本。

8 结论

BIM技术作为信息化时代高度发展的产物，凭借其协调性好、有较强的可视化、模拟程度高、有较强的数据管理能力和信息共享等优势，在土木工程领域中得到了推广性使用。我国引进BIM技术主要经历了五个阶段，它们分别为基本概念引入阶段、理论研究与早期摸索阶段、高速发展与推广及深度应用阶段。在基本概念引入时期，主要用于研究IFC标准；在早期探索和理论研究的时期，主要针对于国外标准、软件以及技术学习研究BIM；在高速发展与推广以及深度应用时期，主要是进行广泛地工程实践、对国内的标准进行制作及围绕“BIM+”的深度应用。我国 BIM技术正处于高速发展与推广与深度应用时期。本文通过分析现阶段我国BIM技术应用的范围、BIM技术在国内外应用的现状、BIM技术在国内应用的案例、在现阶段发展BIM所面临的挑战、推广BIM技术所面临的问题等方面总结归纳出从国家层面和企业层面在我国现阶段推广BIM技术的具体建议，从而推动BIM在国内建筑领域的广泛应用，给建筑设计带来新的活力，促进我国建筑设计的进步。