何謂bim
bim 的理論基礎主要源于制造行業(yè)集cad 、cam 于一體的計算機集成制造系統(tǒng)cims(computer integrated manufacturing system )理念和基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理pdm 與step 標準的產(chǎn)品信息模型。bim 是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎,集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型,bim 是對工程項目設施實體與功能特性的數(shù)字化表達。一個完善的信息模型,能夠連接建筑項目生命期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源,是對工程對象的完整描述,可被建設項目各參與方普遍使用。bim 具有單一工程數(shù)據(jù)源,可解決分布式、異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題,支持建設項目生命期中動態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享。bim 一般具有以下特征。
模型信息的完備性。除了對工程對象進行3d 幾何信息和拓撲關(guān)系的描述,還包括完整的工程信息描述,如對象名稱、結(jié)構(gòu)類型、建筑材料、工程性能等設計信息;施工工序、進度、成本、質(zhì)量以及人力、機械、材料資源等施工信息;工程安全性能、材料耐久性能等維護信息;對象之間的工程邏輯關(guān)系等。
模型信息的關(guān)聯(lián)性。信息模型中的對象是可識別且相互關(guān)聯(lián)的,系統(tǒng)能夠?qū)δＰ偷男畔⑦M行統(tǒng)計和分析,并生成相應的圖形和文檔。如果模型中的某個對象發(fā)生變化,與之關(guān)聯(lián)的所有對象都會隨之更新,以保持模型的完整性和健壯性。
模型信息的一致性。在建筑生命期的不同階段模型信息是一致的,同一信息無需重復輸入,而且信息模型能夠自動演化,模型對象在不同階段可以簡單地進行修改和擴展而無需重新創(chuàng)建,避免了信息不一致的錯誤。
bim 的價值
具體而言,bim 的應用具有以下價值。
1、解決當前建筑領(lǐng)域信息化的瓶頸問題
建立單一工程數(shù)據(jù)源。工程項目各參與方使用的是單一信息源,確保信息的準確性和一致性。
實現(xiàn)項目各參與方之間的信息交流和共享。從根本上解決項目各參與方基于紙介質(zhì)方式進行信息交流形成的“信息斷層”和應用系統(tǒng)之間“信息孤島”問題。
推動現(xiàn)代cad 技術(shù)的應用。全面支持數(shù)字化的、采用不同設計方法的工程設計,盡可能采用自動化設計技術(shù),實現(xiàn)設計的集成化、網(wǎng)絡化和智能化。
促進建筑生命期管理,實現(xiàn)建筑生命期各階段的工程性能、質(zhì)量、安全、進度和成本的集成化管理,對建設項目生命期總成本、能源消耗、環(huán)境影響等進行分析、預測和控制。
2、基于bim 的工程設計
實現(xiàn)三維設計。能夠根據(jù)3d 模型自動生成各種圖形和文檔,而且始終與模型邏輯相關(guān),當模型發(fā)生變化時,與之關(guān)聯(lián)的圖形和文檔將自動更新;設計過程中所創(chuàng)建的對象存在著內(nèi)建的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系,當某個對象發(fā)生變化時,與之關(guān)聯(lián)的對象隨之變化。
實現(xiàn)不同專業(yè)設計之間的信息共享。各專業(yè)cad 系統(tǒng)可從信息模型中獲取所需的設計參數(shù)和相關(guān)信息,不需要重復錄入數(shù)據(jù),避免數(shù)據(jù)冗余、歧義和錯誤。
實現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同設計。某個專業(yè)設計的對象被修改,其他專業(yè)設計中的該對象會隨之更新。
實現(xiàn)虛擬設計和智能設計。實現(xiàn)設計碰撞檢測、能耗分析、成本預測等。
3、基于bim 的施工及管理
實現(xiàn)集成項目交付ipd(integrated project delivery )管理。把項目主要參與方在設計階段就集合在一起,著眼于項目的全生命期,利用bim 技術(shù)進行虛擬設計、建造、維護及管理。
實現(xiàn)動態(tài)、集成和可視化的4d 施工管理。將建筑物及施工現(xiàn)場3d 模型與施工進度相鏈接,并與施工資源和場地布置信息集成一體,建立4d 施工信息模型。實現(xiàn)建設項目施工階段工程進度、人力、材料、設備、成本和場地布置的動態(tài)集成管理及施工過程的可視化模擬。
實現(xiàn)項目各參與方協(xié)同工作。項目各參與方信息共享,基于網(wǎng)絡實現(xiàn)文檔、圖檔和視檔的提交、審核、審批及利用。項目各參與方通過網(wǎng)絡協(xié)同工作,進行工程洽商、協(xié)調(diào),實現(xiàn)施工質(zhì)量、安全、成本和進度的管理和監(jiān)控。
實現(xiàn)虛擬施工。在計算機上執(zhí)行建造過程,虛擬模型可在實際建造之前對工程項目的功能及可建造性等潛在問題進行預測,包括施工方法實驗、施工過程模擬及施工方案優(yōu)化等。
4、基于bim 的建筑運營維護管理
綜合應用gis 技術(shù),將bim 與維護管理計劃相鏈接,實現(xiàn)建筑物業(yè)管理與樓宇設備的實時監(jiān)控相集成的智能化和可視化管理。
基于bim 進行運營階段的能耗分析和節(jié)能控制。
結(jié)合運營階段的環(huán)境影響和災害破壞,針對結(jié)構(gòu)損傷、材料劣化及災害破壞,進行建筑結(jié)構(gòu)安全性、耐久性分析與預測。
bim 的研究
對于bim 國內(nèi)外一些知名大學率先展開了卓有成效的基礎性研究。1996 年美國斯坦福大學提出的
4d 模型,將建筑構(gòu)件的3d 模型與施工進度的各種工作相鏈接,動態(tài)地模擬這些構(gòu)件的變化過程;新加坡南洋理工大學提出了一個基于ifc 的網(wǎng)絡工作平臺,采用網(wǎng)絡及xml 技術(shù)進行信息交換,支持建筑設計到結(jié)構(gòu)分析的模型轉(zhuǎn)換;英國索爾福德大學提出的基于ifc 信息模型的4d 計劃管理工具,實現(xiàn)了施工計劃模擬、概預算以及施工項目假設分析。筆者及清華大學研究組于2002 年研發(fā)的4d 施工管理擴展模型,將建筑物及其施工現(xiàn)場3d 模型與施工進度相鏈接,并與施工資源和場地布置信息集成一體,2006 年開發(fā)了基于ifc 和bim 的4d 建筑施工管理系統(tǒng)和物業(yè)智能管理系統(tǒng)。
隨著對信息建模研究的不斷深入,一些著名軟件開發(fā)商也提出了名稱各異的信息模型概念。匈牙利graphisoft 公司提出虛擬建筑(virtual building, vb )的概念,并應用于建筑設計軟件archicad 中;美國bentley 公司基于全信息建筑模型(single building model,sbm),推
1、基于ifc 的bim 基本架構(gòu)基于ifc 的bim 基本架構(gòu)是一個包括數(shù)據(jù)層、模型層、應用層的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)體系,其基本思路是隨著工程項目的進展和需要分階段創(chuàng)建bim ,即從項目規(guī)劃到設計、施工、運營不同階段,針對不同的應用建立相應的子信息模型。各子信息模型能夠自動演化,可以通過對上一階段模型進行數(shù)據(jù)提取、擴展和集成,形成本階段信息模型,也可針對某一應用集成模型數(shù)據(jù),生成應用子信息模型,隨著工程進展最終形成面向建筑生命期的完整信息模型。
2、面向設計與施工的bim 建模系統(tǒng)引入建筑業(yè)國際標準ifc ,將建筑3d 模型與設計、施工及管理信息集成一體,實現(xiàn)了3d 模型參數(shù)化創(chuàng)建與顯
示,建筑構(gòu)件和體量、材料、進度、成本、質(zhì)量、安全等信息關(guān)聯(lián)、查看、編輯和擴展,模型的ifc 格式導入與導出等功能。本系統(tǒng)適用于各種建筑設計與施工階段的bim建模與編輯,為bim 創(chuàng)建提供了工具。
2、面向設計與施工的bim 建模系統(tǒng)引入建筑業(yè)國際標準ifc ,,將建筑3d 模型與設計、施工及管理信息集成一體,實現(xiàn)了3d 模型參數(shù)化創(chuàng)建與顯示,建筑構(gòu)件和體量、材料、進度、成本、質(zhì)量、安全等信息關(guān)聯(lián)、查看、編輯和擴展,模型的ifc 格式導入與導出等功能。本系統(tǒng)適用于各種建筑設計與施工階段的bim建模與編輯,為bim 創(chuàng)建提供了工具。
3、基于ifc 的bim 數(shù)據(jù)集成與管理平臺
可基于bim 工程數(shù)據(jù)庫進行信息存儲、管理和高效的訪問,并基于子信息模型技術(shù)實現(xiàn)建設過程中bim 數(shù)據(jù)積累、管理和共享。平臺提供了bim 數(shù)據(jù)存儲、維護、管理以及三維幾何模型和材料、進度等工程信息的瀏覽與查詢功能,實現(xiàn)多用戶的權(quán)限控制和并發(fā)訪問。該平臺為基于bim 的aec/fm 系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)支持,是面向建筑生命期工程信息管理的平臺支撐。
4. 建筑施工ifc 數(shù)據(jù)描述標準結(jié)合我國建筑施工信息管理的特點和相關(guān)國家及行業(yè)標準,在ifc標準研究的基礎上,編制了建筑施工ifc 數(shù)據(jù)描述標準。標準基于ifc原有架構(gòu),應用ifc 實體擴展和屬性集擴展機制,針對建筑施工的成本管理、進度管理、質(zhì)量管理、安全管理及綠色施工的五個方面進行了ifc 實體和屬性集擴展,共擴展ifc 實體91 個、ifc 屬性集126 條,形成了構(gòu)建建筑施工信息模型的ifc數(shù)據(jù)描述和體系結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)工程設計、施工與運營維護的信息共享和交流,開發(fā)新一代建筑施工管理系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)標準,填補了建筑施工統(tǒng)一數(shù)據(jù)描述標準的空白。
5、基于bim 技術(shù)的建筑施工優(yōu)化控制和管理系統(tǒng)
該系統(tǒng)研究基于ifc 標準定義了施工管理領(lǐng)域涉及的人力、機械、材料等資源信息模型,通過建立將資源信息模型與施工計劃、成本和施工場地信息模型進行關(guān)聯(lián)的信息集成機制,構(gòu)建基于ifc 的施工優(yōu)化信息模型。綜合應用離散事件模擬、蒙特卡羅隨機模擬和粒群優(yōu)化算法的理論和方法,分析施工資源與施工工期之間的動態(tài)關(guān)系以及不與施工工期之間的動態(tài)關(guān)系以及不確定性事件對工程工期的影響,實現(xiàn)了合理工期條件下的施工資源和場地的優(yōu)化,以及在一定資源和場地條件下對施工工序進行優(yōu)化,并將4d 施工管理系統(tǒng)(4d-gcpsu))與基于離散事件模擬的施工優(yōu)化系統(tǒng)(sdesa ))進行集成,實現(xiàn)4d 施工過程優(yōu)化以及施工操作的可視化模擬。該系統(tǒng)在北京奧運會國家體育場、廣州珠江新城西塔等多個大型工程示范應用,有效的輔助設計施工人員進行施工進度安排與優(yōu)化,場地布置和施工操作優(yōu)化,明顯提高了關(guān)鍵工序的施工效率和精度,提高了信息化管理水平。
6、基于bim 的建筑工程4d 施工管理及安全分析系統(tǒng)該系統(tǒng)研究發(fā)展4d 模型理論,綜合應用bim 技術(shù),建立4d 施工信息模型,實現(xiàn)了施工進度、資源、成本、場地的4d 集成化動態(tài)管理和4d 可視化模擬。該系統(tǒng)引入ifc 標準,開發(fā)ifc 文件解析器和ifc 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口,建立建筑施工安全管理和結(jié)構(gòu)分析的ifc 數(shù)據(jù)描述,實現(xiàn)設計與施工信息的交流與共享。通過直接獲取結(jié)構(gòu)設計信息,自動生成4d 施工安全信息模型,實現(xiàn)了施工過程時變結(jié)構(gòu)和支撐體系的安全分析,進度、資源、成本的沖突分析和預測,以及相應的預警機制和決策支持。通過建立施工場地設施時變空間模型,實現(xiàn)了施工設施與設施、設施與建筑構(gòu)件在施工過程中的動態(tài)碰撞檢測。
該系統(tǒng)在北京奧運會國家體育場、青島海灣大橋、廣州珠江新城西塔、上海金融交易廣場等多個大型工程示范應用,提高了施工效率,保障施工過程結(jié)構(gòu)安全,減少了施工沖突,提高了信息化管理水平,取得顯著成效。
bim 的應用
bim 是一種全新的理念,它涉及到從規(guī)劃、設計理論到施工、維護技術(shù)的一系列創(chuàng)新和變革,是建筑業(yè)信息化的發(fā)展趨勢。bim 的研究對于實現(xiàn)建筑生命期管理,提高建筑行業(yè)設計、施工、運營的科學技術(shù)水平,促進建筑業(yè)全面信息化和現(xiàn)代化,具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。
目前,bim 的應用在歐美發(fā)達國家正在迅速推進,如美國已推出國家bim 標準,規(guī)定房屋建筑設計必須應用bim 技術(shù),推行集成項目交付ipd 管理模式。同時該行業(yè)的大力推進,使得bim 工程師、bim
經(jīng)理、bim 咨詢公司等新型職業(yè)和商機應運而生。與歐美發(fā)達國家相比,我國bim 應用起步并不晚,但由于建筑企業(yè)和項目管理模式及水平的限制,致使其推廣應用更為艱難。不過,國家的重視及行業(yè)發(fā)展的需求,將極大促進bim 更深層次的研究和廣泛的推廣應用。目前,我國bim 應用的主要推力表現(xiàn)在以下三方面。
1、國家支持的bim 研究成果應用
我國bim 技術(shù)的基礎性研究得到國家的大力支持,并取得了卓有成效的研究成果。如筆者完成的國家“十五”科技攻關(guān)計劃課題研究成果“基于ifc 的建筑工程4d 施工管理系統(tǒng)”,成功應用于國家體育場、青島海灣大橋、廣州西塔等多個大型、復雜工程,專家評價屬國內(nèi)首創(chuàng),填補了國內(nèi)空白,達到國際先進水平,榮獲2009 年“華夏建設科學技術(shù)一等獎”。清華大學和中國建筑科學研究院承擔的國家“十一五”科技支撐項目課題“建筑設計與施工一體化信息共享技術(shù)研究”,著重bim 的基礎性研究,已經(jīng)完成了基于ifc 的bim 體系架構(gòu)建立,開發(fā)了面向設計與施工的bim 建模系統(tǒng)、bim 數(shù)據(jù)集成管理平臺及bim 數(shù)據(jù)庫。清華大學承擔的另一國家
“十一五”科技支撐項目課題“基于bim 技術(shù)的下一代建筑工程應用軟件研究”,側(cè)重于bim 應用軟件的研究,即將推出基于bim 技術(shù)的建筑設計、建筑成本預測、建筑節(jié)能設計、建筑施工優(yōu)化、建筑工程安全分析以及建筑工程耐久性評估等一系列應用軟件。這些軟件正在實際工程中示范應用,其進一步推廣將大力推進bim 的應用進程。
2、行業(yè)bim 標準的制定
ifc (industry foundation classes )是bim 的數(shù)據(jù)表達與交換的標準。“十五”期間,我國建筑業(yè)已經(jīng)開始推廣應用ifc 標準工作。2007 年推出行業(yè)標準《建筑對象數(shù)字化定義》,《工業(yè)基礎類平臺規(guī)范》也即將出版。清華大學承擔的
“十一五”科技支撐項目成果“建筑施工ifc 數(shù)據(jù)描述標準”已經(jīng)完成,中國bim 標準也正在編制中,這些相關(guān)標準的制定是bim 應用的基礎和保障。
3、建筑業(yè)信息化應用的實際需求
目前,我國正在進行著世界最大規(guī)模的基本建設,工程項目規(guī)模日益擴大,結(jié)構(gòu)形式愈加復雜,尤其是超大型工程項目層出不窮,使企業(yè)和項目都面臨著巨大的投資風險、技術(shù)風險和管理風險。然而,當前的管理模式和信息化手段都無法適應現(xiàn)代化建設的需要。應用bim 技術(shù),從根本上解決建筑生命期各階段和各專業(yè)系統(tǒng)間信息斷層問題,從設計、施工技術(shù)到管理全面提高信息化水平和應用效果,已成為建設企業(yè)的迫切需求。國家體育場、青島海灣大橋、廣州西塔等工程項目成功實現(xiàn)4d 施工動態(tài)集成管理,并獲2009 年、2010 年華夏建設科學技術(shù)一等獎。上海中心項目工程總承包招標,明確要求應用bim 技術(shù)。上海金融交易廣場和廣聯(lián)達信息大廈項目都已規(guī)劃面向建筑生命期的bim 應用整體方案,并在方案設計階段就引入了bim 技術(shù)。這些大型工程項目對bim 的應用與推廣,引起了設計、施工企業(yè)的關(guān)注,勢必對我國建筑業(yè)bim 技術(shù)的廣泛應用起到重要示范作用