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BIM技术的研究与应用

  在建筑工程领域,如果将CAD技术的应用视为建筑工程设计的第一次变革,建筑信息模型(BIM,BuildingInformationMolding)的出现将引发整个A/E/C(Architecture/Engineering/Construction)领域的第二次革命。BIM研究的目的是从根本上解决项目规划、设计、施工以及维护管理各阶段以及应用系统之间的信息断层,实现全过程的工程信息管理乃至建筑生命期管理(Buildinglifecyclemanagement,BLM)。然而,由于建筑业本身所固有的特性,如产业结构的分散性、工程对象的惟一性、工程信息的复杂性等,使得BIM的实现异常复杂而艰难。国际协同工作联盟(IAI)推出的IFC(IndustryFoundationClasses)为BIM的实现提供了建筑产品数据表达与交换的标准,标志着BIM概念的成熟,推动BIM技术的发展。BIM已成为当前建设领域信息技术的研究和应用热点。

 

  1、何谓BIM

  BIM的理论基础主要源于制造行业集CAD、CAM于一体的计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)理念和基于产品数据管理PDM与STEP标准的产品信息模型。BIM是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型,BIM是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达[8]。一个完善的信息模型,能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源,是对工程对象的完整描述,可被建设项目各参与方普遍使用。BIM具有单一工程数据源,可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题,支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享。BIM一般具有以下特征:

 

   (1)模型信息的完备性:除了对工程对象进行3D几何信息和拓扑关系的描述,还包括完整的工程信息描述,如对象名称、结构类型、建筑材料、工程性能等设计信息;施工工序、进度、成本、质量以及人力、机械、材料资源等施工信息;工程安全性能、材料耐久性能等维护信息;对象之间的工程逻辑关系等。

  (2)模型信息的关联性:信息模型中的对象是可识别且相互关联的,系统能够对模型的信息进行统计和分析,并生成相应的图形和文档。如果模型中的某个对象发生变化,与之关联的所有对象都会随之更新,以保持模型的完整性和健壮性。

  (3)模型信息的一致性:在建筑生命期的不同阶段模型信息是一致的,同一信息无需重复输入。而且信息模型能够自动演化,模型对象在不同阶段可以简单地进行修改和扩展,而无需重新创建,从而减少了信息不一致的错误。

 

  2、BIM的价值

  具体而言,BIM的应用具有以下价值。

  (1)解决当前建筑领域信息化的瓶颈问题

  1)建立单一工程数据源:工程项目各参与方使用的是单一信息源,确保信息的准确性和一致性;

  2)实现项目各参与方之间的信息交流和共享:从根本上解决项目各参与方基于纸介质方式进行信息交流形成的“信息断层”和应用系统之间“信息孤岛”问题。

  3)推动现代CAD技术的应用:全面支持数字化的、采用不同设计方法的工程设计,尽可能采用自动化设计技术,实现设计的集成化、网络化和智能化。

  4)促进建筑生命期管理:实现建筑生命期各阶段的工程性能、质量、安全、进度和成本的集成化管理。对建设项目生命期总成本、能源消耗、环境影响等进行分析、预测和控制。

  

  (2)基于BIM的工程设计

  1)实现三维设计:能够根据3D模型自动生成各种图形和文档,而且始终与模型逻辑相关。当模型发生变化时,与之关联的图形和文档将自动更新。设计过程中所创建的对象存在着内建的逻辑关联关系。当某个对象发生变化时,与之关联的对象能随之变化。

  2)实现不同专业设计之间的信息共享:各专业CAD系统可从信息模型中获取所需的设计参数和相关信息,不需要重复录入数据,减少数据冗余、歧义和错误。

  实现各专业之间的协同设计:某个专业设计的对象被修改,其他专业设计中的该对象都会随之更新。

  3)实现虚拟设计和智能设计:实现设计碰撞检测,能耗分析,成本预测等。

 

  (3)基于BIM的施工及管理

  1)实现集成项目交付IPD(IntegratedProjectDelivery)管理:把项目主要参与方在设计阶段就集合在一起,着眼于项目的全生命期,利用BIM技术进行虚拟设计、建造、维护及管理。

  2)实现动态、集成和可视化的4D施工管理:将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度相链接,并与施工资源和场地布置信息集成一体,建立4D施工信息模型。实现建设项目施工阶段工程进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的动态集成管理以及施工过程的可视化模拟。

  3)实现项目各参与方协同工作:项目各参与方信息共享,基于网络实现文档、图档和视档的提交、审核、审批及利用。项目各参与方通过网络协同工作,进行工程洽商、协调,实现施工质量、安全、成本和进度的管理和监控。

  4)实现虚拟施工:在计算机上执行建造过程,虚拟模型可在实际建造之前,用于对工程项目的功能及可建造性等潜在问题进行预测。包括施工方法实验、施工过程模拟以及施工方案优化等。

 

  (4)基于BIM的建筑运营维护管理

  1)综合应用GIS技术,将BIM与维护管理计划相链接,实现建筑物业管理与楼宇设备的实时监控相集成的智能化和可视化管理。

  2)基于BIM进行运营阶段的能耗分析和节能控制。

  3)结合运营阶段的环境影响和灾害破坏,针对结构损伤、材料劣化以及灾害破坏,进行建筑结构安全性、耐久性分析与预测。

  3、BIM的研究

  对于BIM国内外一些知名大学率先展开了卓有成效的基础性研究。1996年美国斯坦福大学提出的4D模型,将建筑构件的3D模型与施工进度的各种工作相链接,动态地模拟这些构件的变化过程[1][2]。新加坡南洋理工大学提出了一个基于IFC的网络工作平台,采用网络及XML技术进行信息交换,支持建筑设计到结构分析的模型转换[3]。英国索尔福德大学提出的基于IFC信息模型的4D计划管理工具,实现了施工计划模拟、概预算以及施工项目假设分析[4]。本文作者及清华大学研究组于2002年研发的4D施工管理扩展模型,将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度相链接,并与施工资源和场地布置信息集成一体[5]。2006年开发了基于IFC和BIM的4D建筑施工管理系统和物业智能管理系统[6][7]。

 

  随着对信息建模研究的不断深入,一些著名软件开发商也提出了名称各异的信息模型概念。匈牙利Graphisoft公司提出虚拟建筑(VirtualBuilding,VB)的概念,并应用于建筑设计软件ArchiCAD中。美国Bentley公司基于全信息建筑模型(SingleBuildingModel,SBM),推出了MicroStationArchitecture。美国Autodesk公司于2002年首次提出BIM解决方案,推出了相应的Revit和Civil3D软件。然而,这些应用软件仅仅是应用BIM的概念,针对建筑或某个专业设计建立构件对象的3D模型,并附加相关的工程属性和构件对象之间的相互关系,实现该设计过程中的数据共享。而如何建立面向建筑生命期的BIM,实现全过程的数据共享和交换,还存在大量亟待解决的理论和技术问题。

 

  本文作者及研究组承担的“十一五”科技支撑项目“建筑设计与施工一体化信息共享技术研究”课题,通过对BIM和IFC进行系统地研究,建立了基于IFC的BIM体系架构,开发了面向设计与施工的BIM建模系统、BIM数据集成管理平台及BIM数据库,为BIM的建立和应用探索了理论、方法和开发技术。

  (1)基于IFC的BIM基本架构

基于IFC的BIM基本架构是一个包括数据层、模型层、应用层的网络结构体系。其基本思路是随着工程项目的进展和需要分阶段创建BIM,即从项目规划到设计、施工、运营不同阶段,针对不同的应用建立相应的子信息模型。各子信息模型能够自动演化,可以通过对上一阶段模型进行数据提取、扩展和集成,形成本阶段信息模型,也可针对某一应用集成模型数据,生成应用子信息模型,随着工程进展最终形成面向建筑生命期的完整信息模型。

  (2)面向设计与施工的BIM建模系统

引入建筑业国际标准IFC,将建筑3D模型与设计、施工及管理信息集成一体。实现了3D模型参数化创建与显示,建筑构件和体量、材料、进度、成本、质量、安全等信息关联、查看、编辑和扩展,模型的IFC格式导入与导出等功能。本系统适用于各种建筑设计与施工阶段的BIM建模与编辑,为BIM创建提供了工具。

  (3)基于IFC的BIM数据集成与管理平台

可基于BIM工程数据库进行信息存储、管理和高效的访问,并基于子信息模型技术实现建设过程中BIM数据积累、管理和共享过程。平台提供了BIM数据存储、维护、管理以及三维几何模型和材料、进度等工程信息浏览与查询功能,实现多用户的权限控制和并发访问。该平台为基于BIM的AEC/FM系统提供底层数据支持,是面向建筑生命期工程信息管理的平台支撑。

 

  4、BIM的应用

  BIM是一种全新的理念,它涉及到从规划、设计理论到施工、维护技术的一系列创新和变革,是建筑业信息化的发展趋势。BIM的研究对于实现建筑生命期管理,提高建筑行业设计、施工、运营的科学技术水平,促进建筑业全面信息化和现代化,具有巨大的应用价值和广阔的应用前景。

 

  目前,BIM的应用在欧美发达国家正在迅速推进。如美国已推出国家BIM标准,行业规定房屋建筑设计必须应用BIM技术,推行集成项目交付IPD管理模式。同时行业的大力推进,使和BIM工程师、BIM经理和BIM咨询公司等新型的职业和商机应运而生。与欧美发达国家相比,我国BIM应用起步并不晚,但由于建筑企业和项目管理模式及水平的限制,致使其推广应用会更为艰难。然而,国家政府的重视,行业发展的需求,将极大地促进BIM更深层次的研究和广泛的推广应用。目前,我国BIM应用的主要推力表现在以下几方面。

  (1)国家支持的BIM研究成果应用

  我国BIM技术的基础性研究得到国家的大力支持,并取得了卓有成效的研究成果。如清华大学完成的国家“十五”科技攻关计划课题研究成果“基于IFC的建筑工程4D施工管理系统”,成功应用于国家体育场、青岛海湾大桥、广州西塔等多个大型、复杂工程,专家评价属国内首创,填补了国内空白,达到了国际先进水平,并荣获2009年华夏建设科学技术一等奖。清华大学和中国建筑科学研究院承担的国家“十一五”科技支撑项目课题“建筑设计与施工一体化信息共享技术研究”,着重BIM的基础性研究,已经完成了基于IFC的BIM体系架构建立,开发了面向设计与施工的BIM建模系统、BIM数据集成管理平台及BIM数据库。他们承担的另一国家“十一五”科技支撑项目课题“基于BIM技术的下一代建筑工程应用软件研究”,侧重于BIM应用软件的研究,即将推出基于BIM技术的建筑设计、建筑成本预测、建筑节能设计、建筑施工优化、建筑工程安全分析以及建筑工程耐久性评估等一系列应用软件。这些成果目前正在实际工程中示范应用,其进一步推广将大力推进BIM的应用进程。

  (2)行业BIM标准的制定

  IFC(IndustryFoundationClasses)是BIM的数据表达与交换的标准。“十五”期间,我国建筑业已经开始了推广应用IFC标准的工作。2007年推出了的《建筑对象数字化定义》行业标准,《工业基础类平台规范》即将出版。“十一五”科技支撑项目成果“建筑施工管理IFC数据描述标准”已经完成,中国BIM标准也正在编制中。这些相关标准的制定是BIM应用的基础和保障。

 

  目前,我国正在进行着世界最大规模的基本建设。工程项目的规模日益扩大,结构形式愈加复杂,尤其是超大型工程项目层出不穷,使企业和项目都面临着巨大的投资风险、技术风险和管理风险。然而,当前的管理模式和信息化手段都无法适应现代化建设的需要。应用BIM技术,从根本上解决建筑生命期各阶段和各专业系统间信息断层问题,从设计、施工技术到管理全面提高信息化水平和应用效果,已成为建设企业的迫切需求。国家体育场、青岛海湾大桥、广州西塔等工程项目成功实现4D施工动态集成管理。上海中心项目工程总承包招标,明确要求应用BIM技术。上海金融交易广场和广联达信息大厦项目都已规划面向建筑生命期的BIM应用整体方案,并在方案设计阶段就引入了BIM技术。这些大型工程项目的首当其冲,引起了设计、施工企业的广泛关注,势必对我国建筑业BIM技术的广泛应用起到重要的示范作用。

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