工程数字化BIM关键技术研究

赵杏英， 易思蓉， 宋迪， 陈沉， 杨冬营， 王振

（1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司；2. 浙江华东工程数字技术有限公司；3. 浙江省工程数字化技术研究中心；4. 西南交通大学土木工程学院；5. 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室）

1 引言

BIM（Building Information Modeling）作为产品时，译为建筑信息模型，是指用三维数字技术表达工程项目实体与特性的数据模型，它能够汇总集成工程项目的各类信息；作为过程时，译为建筑信息建模，是指建立、运用和管理建筑信息模型的过程[1]。工程数字化BIM不仅包括狭义的建筑信息模型和建筑信息建模，还涵盖与BIM系统相关的理论、技术、平台等。根据国务院颁布的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》（国发〔2012〕28号），工程数字化BIM产业作为新一代信息技术在建设领域的创新载体，应作为重点发展的战略性新兴产业[2]。

BIM技术引进我国已有十余年之久，已经得到市场的初步认可，但就整体市场而言，BIM渗透率仍然较低，我国BIM技术的应用还处于初级阶段[3]。我国企业多使用欧美市场上的BIM软件系统，难以将符合我国技术标准、规范要求的成熟建造技术软件化，构成国内建造业信息化的瓶颈，严重影响建造业的自主创新和后续发展能力[4]。为打破欧美发达国家对BIM领域核心技术的垄断，本文对BIM关键技术进行了深入挖掘，分析工程化数字BIM关键技术，概括国内相关技术发展的不足和应对措施，能够为国内BIM技术的发展提供思路，丰富具有自主知识产权的创新成果。

2 工程数字化BIM特点及关键技术

2.1 工程数字化BIM特点

工程数字化BIM独有特点也是其关键技术所在。与传统的建筑业相比，BIM的特点有几点[5-7]。

1）可视化：在BIM应用的整个过程都是可视的，以此实现构件间的互动与反馈。

2）协调性：BIM建筑信息模型能够将各专业碰撞问题生成为协调数据，以此解决一系列协调问题。

3）模拟性：BIM除能模拟建筑物模型外，还能在项目建设中根据实际情况对各个环节进行模拟。

4）优化性：BIM模型能够提供项目各种信息数据，对复杂程度较高的项目方案优化具有重要意义。

5）可出图性：BIM技术能够从三维模型中生成方便工程师查看的二维图纸，不仅提高了工作效率，还保证了出图质量。

6）一体化：BIM技术形成的三维模型数据库可以容纳项目全过程信息，能够助力实现贯穿工程项目全寿命周期的一体化管理。

7）参数化：参数保存了构件的所有信息，而构件组成了BIM中的图元。BIM模型修改的本质是对参数的更改。

8）信息完备性与全息化：信息完备性指BIM技术能够完整描述工程项目信息；全息化指BIM技术可进行贯穿项目全生命周期的信息一体化管理。

2.2 工程数字化BIM关键技术

工程数字化BIM在项目不同阶段关键技术需求不同，但都存在一个基础问题，即基于IFC数据交换的标准问题，它既关系到工程数字化BIM产品的全生命周期信息一体化，也关系到BIM应用的效益和可持续性。

1）基于IFC的BIM标准

IFC（Industry Foundation Classes）译为工业基础类，是由国际协同联盟（IAI）建立的一套能够应用于建筑项目全生命期内各个阶段及其间信息交换共享的数据标准[8]。IFC作为一类中间数据标准，可不依靠于任何具体的软件系统而对建筑物全生命周期所有产品数据进行描述[9]。

IFC的体系结构可划分为四个层次，由上往下分别为领域层、交互层、核心层以及资源层[10]。这些包含着模型信息描述模块的功能层次都遵守着同一个“重力准则”[11]，即每个功能层次只能引用同级或下层的信息描述，无法向上引用。这样下层信息资源不会受到上层信息资源变动的影响，确保了稳定的信息描述[12-13]。

2）三维图形支撑平台

三维图形支撑平台作为BIM建模以及BIM相关产品的底层支撑平台[14]，能满足BIM应用在渲染速度质量、显示速度、模型建造和编辑效率等各方面的需求[15]。三维图形支撑平台的核心关键技术包括[8]：图形数据库技术、大模型数据显示技术、大场景数据高效组织与渲染技术以及参数化模型描述技术。其中，图形数据库技术支持数据缓存与动态加载、几何数据与空间索引以及数据模型协同编辑，参数化模型描述技术多为基于约束的模板实例建模。

3 国内在BIM关键技术方面的不足

3.1 可视化建模方面的不足

因为需要对大量二维数据和三维数据进行加工创建，所以BIM在数据采集处理技术方面要求很高[16]。但与国外相比，国内建设项目信息化水平还相对落后。至今有相当一部分的企业项目数据采集使用人工查询、手动上传系统的落后方式，这种方式不仅精细度低，还要耗费大量时间，不利于后续模型交互对接工作。

3.2 基于BIM的协同性问题

目前，国内大部分中小型设计院对BIM的使用相对较少，而大型设计院在BIM协同设计方面略有尝试和进展[17]，但大部分应用还是在一些大型公共建设及重点项目上，对常规项目的应用仍然较少。

BIM应用过程中缺少协同设计，尤其在国内项目运作中[18]，项目不同阶段、专业及参与方信息缺少统筹管理，BIM相关软件涉及不同专业，而项目协同设计与否，对能够充分实现BIM的价值至关重要[19]。

另外BIM设计需要从相对独立的本专业设计到多个专业的协同设计，各个专业的软件掌握和应用程度参差不齐，影响了专业间的协调与合作。

3.3 国产BIM软件发展不够成熟

与国外成熟前沿的BIM技术软件相比，国内对这类软件的研究仍处于起步阶段。从国内BIM关键技术发展程度来说，除了在算量软件这类BIM核心建模软件上已有一定的优势外，对BIM核心建模软件的开发还有较大缺失。我国BIM软件研发处于空白状态的高达8种，仅有几款自主开发但尚不能在各方面均满足相关功能需求的软件。但软件的开发研究工作是一个漫长发展的过程，很难在朝夕之间得到突破。

3.4 可出图性方面的不足

BIM技术的终极理念是希望将设计阶段建立的三维模型，通过相关软件的处理直接生成施工阶段的模型，保证设计阶段BIM模型的有效利用，以此实现面向项目全生命期的建筑信息模型的建立。但是因为缺乏设计阶段到施工阶段模型数据信息对接的有效接口，这样的BIM理念在国内现阶段还无法真正实现[20]。在目前大多数项目BIM建设中，因为施工阶段对模型数据信息的要求与设计阶段不尽相同，都需利用设计阶段的二维图纸重新建模，需要投入大量的人力物力，重复高强度的建模工作，将施工阶段BIM应用推广带入了难以化解的困境。除了施工阶段BIM应用面临如此困境外，运营维护阶段同样无法避免这样的现实困难。

3.5 一体化性

现阶段项目实际建设过程中在其设计、施工以及运维阶段都缺乏有效的集成管理，各阶段间信息沟通并不流畅。因此即使BIM理念能够贯穿项目全生命周期，对项目设计、施工和后期运营管理集成都有重大意义，也无法实现项目信息化的横向贯穿。在对国内广泛使用且处于行业前沿的各种功能软件深入研究发现[21]，各类软件虽在实际运用中少有交互，但实际各软件之间均存在相互沟通的可能。而BIM在项目运维阶段尚未得到充分运用发展，导致运维阶段在项目全寿命周期仍处于孤岛状态，要想真正实现BIM理念全生命周期应用，不仅仅要解决诸多技术问题，更应注重统筹管理。

3.6 模拟性

首先，从本质上来说，BIM技术的本质是构建信息流以消除信息不对称，所以在使用过程中，项目各方BIM模型的统一是前提条件。但在现实应用过程中，存在很多信息（模型）不统一的情况[22]。重复建模、一模一用等在应用各阶段“各自为战”的情况十分普遍。国内几乎所有专业软件仅适用于全寿命周期中的某个或某几个阶段，且缺乏完整的信息交互渠道，如果没有在各应用阶段无缝衔接交互操作的能力，BIM技术带来的效益可能会被各阶段间交互成本抵消，不仅没有做到消除信息不对称，反而可能制造了信息不对称的情况，完全违背了BIM技术的初衷，不仅造成了大量人力物力财力的浪费，还无法完全发挥信息模型的价值。

4 国内突破关键技术的对策

BIM作为信息交流平台，能集成建筑全过程各阶段各方信息，支持多方、多人协作，实现及时沟通、紧密协作、有效管理，其应用与推广将对行业的进步、转型以及升级均产生难以估量的影响。

4.1 加强BIM标准体系构建的相关策略

4.1.1 制定基于IFC的数据转换标准

目前，作为BIM数据标准的IFC标准在世界上已经发展成熟[23]，但现阶段我国在这方面只是引入了IFC标准的平台部分，对国外标准的研究还比较薄弱[24]。结合我国建设工程的实际，对标准的拓展工作更是少之又少。因此不仅高校和科研机构应支持这方面研究工作，国家有关部门也应给予高度重视。

4.1.2 促进建设项目全生命周期中及各参与方对于BIM 标准体系的构建

能否切实发挥BIM技术协同作业的优势是其能否取得应有的效益和价值最为关键的问题之一。应基于多方合作，为了共同的利益在项目全生命周期过程中积极协同合作、共同决策、知识共享、信息共享。根据国家、市场、行业、企业内部等的要求制订所有项目参与主体可共同遵循的BIM标准，并贯穿整个项目全生命周期[25]。

4.1.3 加强对标准的实施与环境创造

BIM标准体系涉及很多层次，不仅需要国家标准进行支持，还需要企业标准进行有效配合，从而形成一整套基准线。相关人员还要以此基准线为基础，对企业标准来科学指导，一方面可以促进标准体系顺利实施，另一方面能够使其在建筑工程中得到有效体现。

加大对BIM技术的应用以及推广，创造良好的应用环境，这样既可以增强参与主体对BIM标准体系的认同感，还可以对体系实施情况进行有效监督。在这个过程中，政府要发布政策进行支持，使市场以及企业都积极遵循BIM标准的相关内容，一方面可以使信息更加透明，另一方面能够促进建筑产业得到快速发展，从而达到信息化标准。

4.2 发展BIM+现代信息技术，研发国产BIM软件

虽然发达国家技术成熟的BIM软件已进入国内市场并得到广泛使用，但不能仅仅依靠它们。因为这些国外的软件技术无法完美契合我国设计规范要求，并且从更深层次的发展规划来说，形成我国自主知识产权的BIM应用软件对免受国外技术约束、制造国内新的经济增长点具有非常重要的意义[26-27]。

随着BIM技术在行业应用的不断推进，BIM技术已从单一的BIM软件应用转向多软件集成应用方向，从桌面应用转向云端和移动客户端轻量化方向，从单项应用转向综合应用方向发展，并呈现出BIM+的新特点，使BIM应用在工程建设行业不断向纵深发展，给行业的工作方式和工作思路带来了革命性的改变。BIM+现代技术可从BIM+GIS、BIM+云计算、BIM+VR、BIM+AR以及BIM+人工智能等几方面进行突破。

5 结语

从近年来国内针对BIM发展出台的相关政策来看，政府对其发展非常重视。我国工程化数字BIM发展采用了政策推进市场的模式，虽然国内BIM发展尚存一些亟待解决的问题，与国外实践也有较大差距，但国内对BIM政策支持更有力，行业发展还有非常大的潜力和空间。此外，中国在建设工程体量上走在世界前列，加之国家在信息化水平的努力追赶超越，相信BIM技术在不久的将来也会取得突破性进展。