BIM概述

BIM概述1BIM产生和发展的背景1）建筑行业的快速发展随着各国经济的快速发展,城市化进程的不断加快,使得建筑行业在推动社会经济发展中起着至关重要的作用。各类工程的规模不断扩大，形态功能越来越多样化，项目参与方日益增多使得跨领域、跨专业的参与方之间的信息交流、传递成为了至关重要的因素。2）建筑行业生产效率低建筑业生产效率低是各国普遍存在的问题。2004年美国斯坦福大学进行了一项关于美国建筑行业生产率的调查研究，其调查结果显示：从1964年至2003年近40年间，将建筑行业和非农业的生产效率进行对比，后者的生产效率几乎提高了一倍，而前者的效率不升反降，下降了接近20%[1]。在整个设计流程中，专业间信息系统相对孤立，设计师对工程建设的理解及表达形式也有所差异，信息在专业间传递的过程中容易出现错漏现象[2]，建筑、结构、机电等专业的碰撞冲突问题在所难免。再者各专业设计师自身的专业角度以及CAD二维图纸的局限性等原因，导致图纸错误查找困难，并且在找出错误后各专业间的信息交互困难，沟通协调效率低下，依然不能保证彻底解决问题。同时这种传递方式极有可能导致后期施工的错误，一旦如此设计方必须根据施工方反应的问题再度修改图纸，无疑增加了工作量，甚至在多次返工后依然无法保证工程的设计、施工质量。不难看出，建筑行业生产效率低下的主要原因是：一是在建筑整个全生命周期阶段中，从策划到设计，从设计到施工，再从施工到后期运营，整个链条的参与方之间的信息不能有效的传递，各种生产环节之间缺乏有效的协同工作，资源浪费严重；二是重复工作不断，特别是项目初期建筑、结构、机电设计之间的反复修改工作，造成生产成本上升。这也是目前全球土木建筑业存在两个亟待解决的问题[3]。3）计算机技术的发展自计算机和其他通讯设备的出现与普及后，整个社会对于信息的依赖程度逐步的提高，信息量、信息的传播速度、信息的处理速度以及信息的应用程度飞速增长，信息时代已经来临。信息化、自动化与制造技术的相互渗透使得新的知识与科学技术很快就应用于生产实际中。但信息技术在建筑行业中的应用远不如它在其它行业中的应用的情况那样让人满意。2BIM技术的起源基于建筑行业在长达数十年间不断涌现出的诸如碰撞冲突、屡次返工、进度质量不达标等顽固问题，造成了大量的人力、经济损失，也导致建筑业生产效率长期处于较低水平，建筑从业者们痛定思痛后也在不断发掘解决这一系列问题的有效措施。新兴的BIM技术，贯穿工程项目的设计、建造、运营和管理等生命周期阶段，是一种螺旋式的智能化的设计过程[4]，同时BIM技术所需要的各类软件，可以为建筑各阶段的不同专业搭建三维协同可视化平台，为上述问题的解决提供了一条新的途径。BIM信息模型中除了集成建筑、结构、暖通、机电等专业的详尽信息之外，还包含了建筑材料、场地、机械设备、人员乃至天气等诸多信息。具有可视化、协调性、模拟性、优化性以及可出图性的特点，可以对工程进行参数化建模，施工前三维技术交底，以三维模型代替传统二维图纸，并根据现场情况进行施工模拟，及时发现各类碰撞冲突以及不合理的工序问题，可以极大减少工程损失，提高工作效率。当建筑行业相关信息的载体从传统的二维图纸变化为三维的BIM信息模型时，工程中各阶段、各专业的信息就从独立的、非结构化的零散数据转换为可以重复利用、在各参与方中传递的结构化信息。2010年英国标准协会（BritishStandardsInstitution，BSI）的一篇报告中指出了二维CAD图纸与BIM模型传递信息的差异[5],其中便提到了CAD二维图纸是由几何图块作为图形构成的基础骨架，而这些几何数据并不能被设计流程的上下游所重复利用。三维BIM信息模型，将各专业间独立的信息整合归一，使之结构化，在可视化的协同设计平台上，参与者们在项目的各个阶段重复利用着各类信息，效率得到了极大的提高。上述两种建筑信息载体也经历了各自的发展历程：60年代人们从手工绘图中解放出来，甩掉沉重的绘图板，转换为以CAD为主的绘图方式。如今，正逐步从二维CAD绘图转换为三维可视化BIM。人们认为CAD技术的出现是建筑业的第一次革命，而BIM模型为一种包含建筑全生命周期中各阶段信息的载体，实现了建筑从二维到三维的跨越，因此BIM也被称为是建筑业的第二次革命，它的出现与发展必然推动着三维全生命周期设计取代传统二维设计及施工的进程，拉开建筑业信息化发展的新序幕，如图1-1。图1-1建筑业信息革命过程BIM这个词的产生发展经历了一个比较复杂的过程，BIM有两种解释：BuildingInformationModel和BuildingInformationModeling,它们的意义差别较大[6],阐述如下：20世纪70年代，美国乔治亚理工大学建筑与计算机学院CharlesEastman（Chuck）博士发表了以“建筑描述系统（BuildingDescriptionSystem）”的课题，他阐述了现今BIM理念，此处BIM对应解释为“BuildingInformationModel”，因此CharlesEastman被称为“BIM之父”。在20世纪80年代后，欧洲（以芬兰学者为首）称这种方法为“ProductInformationModels”。目前通俗的术语BIM（BuildingInformationModeling）是欧特克公司（Autodesk）副总裁PhilG.Bernrstein在2002年年初收购RTC公司（RevitTechnologyCorproation）后所给出的。2009年，美国麦克劳-希尔建筑信息公司（McGraw-HillConstruction）在一份名为“BIM的商业价值（TheBusinessValueofBIM）”的调研报告中对BIM作了如下定义：“BIMisdefinedas:Theprocessofcreatingandusingdigitalmodelfordesign,constructionand/oroperationsofprojects.”[7]，可大致翻译为:BIM是创建、应用数字化模型对项目进行设计、施工和运营的过程。BIM这个术语在工程行业被广泛推广的推手是JerryLaiserin[8]，他在2002年12月16日的“TheLaiserinletterTM”第15期上，发表了一篇名为“ComparingPommesandNarajas（苹果和橙子的比较）”的文章，“Pommes”“Narajas”在法语中分别译为“苹果”和“橙子”。他用两个不相似的东西之间的对比来说明CAD与BIM间的区别。文中赋予BIM（BuildingInformationModeling）的内涵是：用数字形式展现建造过程与设备管理，并以数字形式完成建造过程与设施管理中的信息交互”[12]。从此之后，BIM在工程界引发了业界人士的广泛关注与讨论，人们逐渐开始深入研究BIM并积极使用，所以其历史也可称得上错综复杂，在JerryLaiserin的文章发表后，与建筑信息模型相关的各类词汇基本统一为BIM，JerryLaiserin也被人们尊称为“BIM教父”。3BIM技术概述3.1BIM的基本定义BIM全称是“BuildingInformationModeling”，译为建筑信息模型。目前较为完整的是美国国家BIM标准（NationalBuildingInformationModelingStandard，NBIMS）的定义：“BIM是设施物理和功能特性的数字表达；BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全寿命周期中的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”[9]。从这段话中可以提取的关键词如下：（1）数字表达：BIM技术的信息是参数化集成的产品；（2）共享信息：工程中BIM参与者通过开放式的信息共享与传递进行配合；（3）全寿命周期：是从概念设计到拆除的全过程；（4）协同工作：是不同阶段、不同参与方需要及时沟通交流、协作以取得各方利益的操作。通俗的来说，BIM可以理解为利用三维可视化仿真软件将建筑物的三维模型建立在计算机中，这个三维模型中包含着建筑物的各类几何信息（几何尺寸、标高等）与非几何信息（建筑材料、采购信息、耐火等级、日照强度、钢筋类别等），是一个建筑信息数据库。项目的各个参与方在协同平台上建立BIM模型，根据所需提取模型中的信息，及时交流与传递，从项目可行性规划开始，到初步设计，再到施工与后期运营维护等不同阶段均可进行有效的管理，显著提高效率减少风险与浪费，这便是BIM技术在建筑全生命周期的基本应用。3.2BIM的主要特征1）可视化的三维模型随着建筑行业的不断发展，各式各样的新兴建筑设计理念给房屋带来了更多的观赏性，复杂结构也层出不穷，提升建筑格调的同时也给传统二维设计模式带来了巨大的麻烦。可视化这个词语，往往让人们联想到了各类工程前期、竣工时的展示效果图，这的确是属于可视化的范畴，但BIM的可视化远不止效果图这么简单。可视化就是“所见即所得”,BIM通过建模软件将传统二维图纸所表达的工程对象以全方位的三维模型展示出来，模型严格遵守工程对象的一切指标和属性。建模过程中，由于构件之间的互动性和反馈性的可视化，使得工程设计的诸多问题与缺陷提前暴露出来。除去以效果图形式展现的可视化结果外，最为重要的是可视化覆盖了设计、施工、运营的各个阶段，各参与方的协调、交流、沟通、决策均在可视化的状态中进行。BIM可视化能力的价值占BIM价值的半壁江山[12]。2）面向工程对象的参数化建模作为BIM技术中重要的特征之一，参数化建模是利用一定规则确定几何参数和约束，完成面向各类工程对象的模型搭建，模型中每一个构件所含有的基本元素是数字化的对象，例如建筑结构中的梁、柱、板、墙、门、窗、楼梯等等。在表现其各自物理特性和功能属性的同时，还具有智能的互通能力，例如建筑中梁柱、梁板的搭接部分可以自动完成扣减，实现功能与几何关系的统一。参数化使得BIM在与CAD技术对比中脱颖而出，每一个对象均是包含了标识自身所有属性特征的完整参数，从最为直观的外观，到对象的几何数据，再到内部的材料、造价、供应商、强度等非几何信息。参数化建模的简便之处在于关联性的修改。例如一项工程中，梁高不符合受力要求，需要修改所有相关梁的几何信息，此时只需要将代表梁高的参数更正即可使相关构件统一更正，大大减少了重复性的工作。3）覆盖全程的各专业协作协作对于整个工程行业都是不可或缺的重点内容。一个建筑流程中，业主与设计方的协作是为了使设计符合业主的需求，各设计方之间的协作是为了解决不同专业间的矛盾问题，设计方与施工方的协作是为了解决实际施工条件与设计理念的冲突。传统的工作模式往往是在出现了问题之后，相关人员才开展会议进行协调并商讨问题的解决办法，随后再做出更改和补救，这种被动式的协作通常浪费大量人力、财力。基于BIM的可视化技术，提供给各参与方一个直观、清晰、同步沟通协作的信息共享平台。业主、设计方、施工方在同一平台上，各参与方通过BIM模型有机的整合在一起共同完成项目。由于BIM的协作特点，某个专业的设计发生变更时，BIM相关软件可以将信息即时传递给其他参与者，平台数据也会实时更新。这样，其他专业的设计人员可以根据更新的信息修改本专业的设计方案。例如，结构专业的设计师在结构分析计算后发现需要在某处添加一根结构柱以符合建筑承载力的要求，在平台上更新自己的设计方案，建筑设计师收到信息更新后会根据这根柱子影响建筑设计的情况来决定是否同意结构设计师的修改要求。在协商解决建筑功能、美观等问题的前提下，机电设计师即可根据添加结构柱后生成的碰撞数据，对排风管道位置进行修改，避免实际施工中的冲突。4）全面的信息输出模式基于国际IFC标准的BIM数据库，包含各式各样的工程相关信息，可以根据项目各阶段所需随时导出。例如，从BIM三维参数化模型中可以提取工程二维图纸：结构施工图，建筑功能分区图、综合管线图、ME