建筑设计中BIM管控与应用体系研究——以某体育场为例

黄 骞

( 福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

党的十九大报告中，习近平总书记在“贯彻新发展理念，建设现代化经济体系”部分强调了工业化及信息化的发展。

然而，先进技术的推广和运用，需要辅以配套的控制和管理手段。在建筑业中，BIM作为促进建筑业信息化发展的重要工具，要注重BIM在建筑业中推广和应用的双重效率。基于此，本文以某体育场为例，分析影响BIM发展的障碍因素，并提出相应对策。

2014年7月，住建部《关于建筑业发展和改革的若干意见》提出，将BIM等信息技术应用于建筑设计、施工和运维全过程。2015年6月，住建部《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》指出，到2020年末，90%的新立项目需要集中采用BIM。2016年8月，住建部建筑业“十三五”发展规划《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》指出，探索基于BIM的数字化成果交付、审查和存档管理，并将BIM应用于“一带一路”重点工程中。在BIM技术已日趋完善的条件下，积极创新BIM的管理手段，有助于推动和促进BIM在建筑业中的扩散及应用效率，实现BIM应用的系统化和规范化。

1 理论回顾与应用现状

BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)或者建筑信息管理(Building Information Management)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息[1]。BIM具有信息关联性、信息完备性、信息一致性、模拟性、优化性、可视化、协调性等特点。项目信息不仅包含三维几何形状信息，还包含大量如建筑构件的材料、重量、价格和进度等非几何形状信息。通过对这些数据的挖掘、使用和维护，可以使建筑物在全生命期内得到最有效的管理和使用[2-3]。

国外对于BIM的研究与应用较早，目前处于比较成熟阶段。国际上BIM应用已成为设计和建筑施工企业承接项目的必要能力，是建筑企业生存的必须技能[4]，BIM应用于建筑生命周期各阶段时，也正逐步取代传统的设计、建造和管理模式。但是，我国BIM技术目前一般应用于示范性与规模较大的建筑物，普及程度低且局限于建筑物某一阶段的应用，与国际存在较大差距[5]。

应用现状对比研究表明(表1)，发达国家和地区BIM应用已经逐步普及化，标准及软硬件的研究较为领先，且国外注重长期发展，行业市场化、专业化、标准化、规范化程度高，项目规划有成熟环境和机制，项目方案很少变动，体现出一以贯之的BIM作风[6]。但中国尤其是大陆地区，目前侧重短期利益，工程项目管理形式粗放、赶进度和临场变阵，与BIM有较明显的冲突。此外，国内甲方的地位远比国外强势，对BIM应用的驱动效应更明显，但其需求频繁变更，导致设计单位工作成本增加，施工单位的变更利润等“灰色收入”缩减，某种程度上也同时削弱了BIM应用动力。综之，目前建筑业主要是通过利用BIM的优越性，来达到对项目进度、成本和质量等控制目的，而较少研究新技术在项目中的定位，及如何通过项目组织结构的改变或流程再造将BIM融入到现有组织结构之中，使先进的技术拥有与之配套的先进管理手段来发挥其最大的效益。但随着IPD模式在国内工程领域普及，BIM在建筑各方的应用将有望得到有效改善[7-8]。

针对当前信息技术处于我国建筑行业应用初级阶段、BIM管控研究较为薄弱、技术管理和控制未形成体系等问题，笔者考虑利用建筑设计的龙头作用，使设计阶段BIM管控和应用率先达到成熟水平，以推动BIM在项目全生命期的应用。基此，本文通过以大型公共体育场建筑设计过程中BIM应用为例，探讨建筑设计中BIM设计应用重要性，并对建筑设计中BIM管控及应用方法进行分析，提出一套建筑设计BIM管控及应用体系框架，以期为其他建筑工程BIM设计应用提供借鉴，促进BIM扩散及应用。

2 BIM管控与应用体系框架构建

2.1 工程及BIM设计应用概况

项目建设地点位于“21世纪海上丝绸之路”的重要起点——福建省某市，该体育场将成为未来该市的标志性建筑，将提升带动该市体育文化事业发展，提高“一带一路”重要起点的经济活力。

项目建筑设计，BIM模型汇总了各设计工种的相关信息，以三维形式存储的数据,通过计算机图形或动画形式来高效检验设计的准确性。建筑、结构和设备等专业可以借助BIM，以高效、整合的进程完成设计工作，其高度精确的设计有助于承建商和其他专业人员实现顺利合作，大大减少施工现场需要处理的问题，并为最终保证在紧张建设周期内和合理造价内实现高品质建筑的目标铺平道路[9-11]。

该体育建筑设计中，主体结构设计无疑是非常重要的一环，膜面积和膜结构的设计也尤为关键。因此，首先通过BIM手段介入的参数化设计，在设计前期为结构设计提供了三维可视化的呈现，便于结构设计方案的比选与优化。如图1所示，通过利用BIM技术辅助结构计算和分析，该复杂项目结构的振型和刚度均匀变形等迅速得到合理性验证；通过现实性模拟，明确了荷载传递路径及内力图形。如图2所示，该体育场的膜设计融入了“浪花”“屋瓴”和“织画”的概念，实体意境较难表现。通过利用BIM技术对膜形状和各组块的面积进行反复准确计算，将膜板块面积控制在表2所示的最合理范围，最大程度地表现出概念效果的同时，也便于现场拼接和安装。

但是，从该体育场设计阶段BIM应用的现实情况分析，BIM作为新的技术管理手段需要被各方了解和接纳，并付诸实施。BIM实际应用过程中，各参建方从单纯依靠二维图纸进行任务沟通，上升到基于协调统一的BIM数字化模型及其集成化工作模式上来，期间必须辅以相应发达程度的管理手段以发挥BIM真正的价值。可见，随着BIM的研究和推广，必须加强配套的BIM管控及应用体系研究[12-13]。

图1 BIM辅助结构计算分析图

图2 膜效果及板块计算图

表2 BIM辅助膜板块最优面积控制

2.2 管控与应用体系分析

通过深度剖析该体育场案例，可将BIM管控体系分为组织架构、数据架构、设计流程及模型应用控制等4个部分。组织架构和数据架构，主要从组织层面对传统组织加固重构，为BIM设计提供一个最适用的组织环境。BIM设计流程主要从两个角度分析：第一，从项目全阶段角度分析，设计阶段BIM的全局性优化作用；第二，从设计阶段角度，分析BIM与设计各参与方间的联系及管理关系。模型应用控制，主要对已完成BIM模型的储存、修改和调用等进行管理。

2.2.1组织架构

BIM作为一项新的技术手段，根据现状分析[14-16]，由于BIM的应用，在一定程度上已经对管理组织的架构产生了一定冲击和改变。图3为该项目的BIM 组织架构，与传统组织架构最大的区别在于新增BIM经理及其下辖组织。BIM经理与传统项目组织的项目经理类似，主要负责BIM组织与传统组织之间的信息协调；BIM技术负责人，主要对BIM核心技术进行控制；BIM协调员作为一线员工，主要对土建和机电等信息进行处理，完成BIM模型构建。通过对BIM的管理，在保证现有组织工作效率同时，确保BIM技术应用的专业性。

2.2.2数据架构

如上所述，BIM协调员主要处理传统信息和建模，和传统组织类似，BIM协调技术人员也需要进行分工合作，对土建、机电和专项设计等信息进行分别处理及应用，建立不同类型的子模型。如图4中的土建模型和机电模型共同构成主体BIM模型，各专项设计模型组合成专项工作BIM模型，进而共同组成BIM模型平台。BIM模型平台属于一个虚拟实体系统，包含实体的所有数据信息，子模型则属于各子系统，子系统之间通过恰当的接口连接和交互，详细设计过程中存在的单专业、多专业间碰撞协调和可建设性分析等问题。

图3 BIM组织架构图

图4 BIM数据架构图

2.2.3设计流程

BIM设计流程，主要用于规范BIM模型的设计。如图5所示，该项目中BIM设计流程与传统设计流程平行设置，主要利用BIM技术优化传统方案设计和初步设计。设计阶段的BIM应用在工程项目全生命期可以发挥龙头作用，在项目最初阶段将外部信息、业主单位建设需求、审批单位意见、施工单位对设计变更的要求等所有数据信息进行整合，期间所有的变更节点信息统一存档，便于读取信息数据，有利于工程项目全生命期的BIM应用。

图5 BIM设计流程图

图6 BIM应用流程图

在确定设计阶段BIM在项目全生命期的作用后，需要进行详细的BIM设计。由图6所示的该项目BIM应用流程中，可以看到，在接收二维设计图纸时，BIM设计提供AutoCAD DWG格式文档，方便后期模型协作建立；在接收图纸后，对各专业图纸进行整理、归档。运用Autodesk Revit软件系列平台，实事求是地将图纸以三维形式真实呈现出来；按设计文件施工的建筑成品将与BIM模型完全一致。通过利用BIM可视化、协同设计、优化设计等技术，以设计人员和业主为主导，在BIM模型中直观地对设计阶段的建筑建成效果进行控制，及早发现设计问题，以避免将问题带入施工阶段造成巨大损失。

2.2.4应用控制

BIM模型应用控制，主要包括模型管理、储存和修改、调用及族库管理。

(1)模型管理

BIM建模完毕后，需要制定模型使用制度，帮助各专业协调、有序地使用BIM模型。

(2)模型储存及修改

模型成果存放在固定的一台服务器中，由专人负责。如有图纸变更需要修改模型时，必须经总协调人同意，通过模型负责人调用模型，并注明模型修改部位及时间；模型修改完毕后，及时将模型存储于服务器中，并注明修改版本。

(3)模型调用

调用分析模型时，经过总协调管理人同意后，由模型管理人提取模型，任何人不得随意调用和传播模型。

(4)模型族库管理

根据该项目的结构类型及图纸，建模前建立与该项目相关的单独族构件，使用时合理管理。

3 BIM在设计阶段应用障碍和策略分析

通过对该体育场设计阶段的BIM应用研究，总结应用过程中存在的不足及障碍，再通过对各障碍因素进行分析，结合现状及BIM发展趋势研究，给出相应的解决策略。

3.1 障碍分析

(1)法律界限模糊

关于整个数据完整性的保护责任和信息数据共享及保密要求等，目前都还没有明确的标准界限。因此，BIM应用过程，各参与方之间责任难以界定，容易产生纠纷。

(2)管理模式转变困难

项目设计人员和BIM 建模人员两者平行设置，处于分离状态。然而BIM技术已经改变了传统工程项目建设的流程，过程由离散逐渐趋于集中，由单一转为更加复杂化，这个转变更加强调了协同的重要性。但如何转变目前的工程项目管理模式来营造协同工作环境，并能够有效地保证工作效率，依然是一个亟待解决的难题。

(3)短期成本高

BIM技术辅助设计，需要引进或培训BIM专业人才，并购买相关软件及应用升级，人员培训费、人工费、软件及软件升级等费用增加，会增加设计单位的经济压力，规模较小的公司无力承担。

(4)设计人员思路转变困难

由传统设计方法转变为基于BIM的新设计方法，意味着需要从二维图纸向三维模拟仿真空间转变，由粗放式设计向集中式设计转变，同时还涉及到专业与非专业之间的协调，使设计人员难以适应，或可能产生抵触心理[17]。

(5)族库不完善

目前，软件公司所提供的族库丰富度欠缺，导致设计人员建模效率偏低，可能影响到整个项目进度，同时降低了BIM应用的意义。

3.2 策略分析

(1)明确法律责任边界

政府应制定相关政策条款，明确相关单位各自的法律责任，明确法律边界。

(2)建立BIM 专业团队

在目前的工作流程中增设BIM专业组织，并通过BIM团队讨论研究形成适应于惯例的建模标准。此外，BIM团队组织与传统组织之间应进行紧密的协调作业，以保证工作效率最大化。

(3)提高业主对BIM应用的积极性

通过向业主宣传BIM的优点和益处，大力宣传业主是BIM应用的最大受益方，鼓励更多的业主购买BIM软件和组织人员参加BIM培训。

(4)免费课程和强制性学习

通过向设计员工开放BIM设计相关的免费课程，并通过强制性手段和绩效激励方式，让员工主动学习。

(5)开发更完善的族库

软件开发公司应致力开发丰富的软件族库，使设计人员能够将更多的工作效能应用于工程项目设计中，最大化发挥BIM价值。

4 结语

随着新型建筑工业化的逐步深入，BIM技术迎来了快速发展期，但我国BIM技术应用处在初级阶段仍是事实。

本文以某体育场为例，成功将BIM应用于体育场建模、结构分析和工程量计算，彰显了BIM技术在工程设计阶段的强大优势。通过对案例中BIM管控体系进行分步骤分析研究，证明了该管控体系与BIM技术的高效应用相对契合，有利于发挥BIM技术优势，能够为其他项目在BIM设计阶段的应用提供可借鉴的管理控制经验，有助于实现BIM在工程项目全生命期的推广应用。

通过总结案例中BIM应用的障碍因素，提供了我国BIM发展需要解决的主要现实问题及相关对策，可助力同行对BIM技术运用的推进。