俞利春,廖福權(quán),查健明
中國建筑第四工程局有限公司,江西 南昌 330000
近年來,隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷進(jìn)步,建筑行業(yè)在我國獲得了迅猛發(fā)展,人們不再僅僅追求建筑的外觀以及質(zhì)量,人們開始注重節(jié)省人力物力財力,用更高效的手段更少的資源打造更安全更美觀的建筑。尤其近些年來數(shù)字化技術(shù)高度發(fā)展,被應(yīng)用在各個領(lǐng)域,BIM技術(shù)在建筑行業(yè)由此衍生了。BIM技術(shù)是信息技術(shù)高速發(fā)展下的產(chǎn)物,能有效地推動建筑行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。BIM技術(shù)其主要是通過數(shù)字信息模擬所建設(shè)建筑物中的實操過程以實現(xiàn)對建設(shè)工作的推動作用,可見BIM技術(shù)能讓時代的發(fā)展與建筑行業(yè)緊密的結(jié)合,有效地推動了建筑行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。本文主要是講述BIM的發(fā)展歷程和特點,BIM技術(shù)在國內(nèi)和國外的應(yīng)用現(xiàn)狀和BIM技術(shù)在建筑設(shè)計的應(yīng)用過程中出現(xiàn)的一些問題,以及BIM技術(shù)在未來建筑業(yè)應(yīng)用前景。
BIM中文的全名是建筑信息模型。早在1970年,Charles Eastman教授已經(jīng)提出建筑信息模型的概念,從而開啟了BIM的源頭[1]。
1999年,Charles Eastman教授出版了《建筑產(chǎn)品模型:支撐設(shè)計和施工的計算機(jī)環(huán)境》??梢哉f,這為建筑信息建模打開了大門,該書中他解釋了20多年來散布在各種期刊、會議論文集和互聯(lián)網(wǎng)上的研究工作,介紹了建模的概念,并提出了開發(fā)用于土木工程和建筑施工、建筑設(shè)計的數(shù)字化表達(dá)方法的新的概念、技術(shù)和方法[2]。
2002年,歐特克建筑業(yè)戰(zhàn)略與關(guān)系副總裁兼美國建筑學(xué)會會員Phil Bernstein開始使用BIM來介紹公司的建筑,工程學(xué)和建筑工程的功能設(shè)計概念,相關(guān)軟件。后來,建筑行業(yè)分析師Jerry Laiserin開始推廣BIM的概念,幫助在行業(yè)中推廣BIM的概念,并提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化的信息交換格式,這促使Graphisoft、Bentley和Autodesk公司的3D繪圖軟件開發(fā)商率先引進(jìn)BIM概念和技術(shù)并融入自己的自家產(chǎn)品中,使異構(gòu)軟件的BIM信息可以在彼此之間傳播。
建筑信息建模的概念,隨著信息技術(shù)在建筑行業(yè)中的廣泛應(yīng)用而產(chǎn)生和發(fā)展,該概念的提出者常常從多個方向理解相關(guān)問題。因此,建筑物信息模型的概念通常出現(xiàn)以不同的名稱,比如:集成建筑物模型(Generic Building Model/ GBM)、單個建筑物模型(Single Building Model/ SBM)和虛擬建筑物模型(Virtual Building Model/ VBM,Graphisoft))等等。近年來,隨著各方意見逐漸趨同,BIM它已被廣泛接受。
在過去的這三十年中,BIM技術(shù)從引進(jìn)到逐步使工程建筑行業(yè)普遍接受的這一發(fā)展過程使建筑從業(yè)者重新思考建設(shè)項目信息共享和創(chuàng)新方法在生成和管理建筑數(shù)據(jù)這一周期過程的方式。BIM技術(shù)最初由幾個較小的開拓性國家主導(dǎo),如芬蘭、挪威和新加坡,其次是一些早期的美國從業(yè)者。經(jīng)過長時間的發(fā)展,BIM已經(jīng)逐漸成為國外一些國家建筑領(lǐng)域的主流。
美國率先應(yīng)用BIM技術(shù),美國總務(wù)管理局(GSA)在2003年啟動了國家3D-4D-BIM計劃,并明確規(guī)定BIM技術(shù)應(yīng)用于所有公共建筑服務(wù)項目。該項目的目標(biāo)是:首先,實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新,為客戶提供更高效、更經(jīng)濟(jì)、更安全以及更美觀的聯(lián)邦建筑;第二,支持和推動開放標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。根據(jù)該計劃,BIM技術(shù)將應(yīng)用在整個項目生命周期中,包括決策支持,4D進(jìn)度控制以及建筑設(shè)備分析,能源分析,激光掃描,流量和安全驗證和空間規(guī)劃驗證。
英國政府在2011年發(fā)布了“BIM報告”和“政府建筑行業(yè)戰(zhàn)略”。為實現(xiàn)節(jié)省20%采購成本的政府建設(shè)戰(zhàn)略目標(biāo),英國政府規(guī)定,從2016年4月開始,所有英國建設(shè)項目必須使用BIM技術(shù),并達(dá)到BIM應(yīng)用的第二級。國家統(tǒng)計局2016年第六次全國BIM調(diào)查報告顯示,英國BIM的采用率達(dá)到54%,高于2015年的48%。與此同時,超過80%的受訪者聲稱將來會采用BIM。該報告還指出,英國政府在2014-2015年為現(xiàn)有計劃節(jié)省了8.55億英鎊,從根本上促進(jìn)了對新計劃的投資。
盡管2009年經(jīng)常被描述為日本BIM技術(shù)應(yīng)用的第一年,但Yasui Architects&Engineers公司自2007年以來一直全面參與BIM設(shè)計。2010年,日本國土交通省正式宣布實施BIM技術(shù),目前已在日本范圍內(nèi)擴(kuò)大了在全國范圍內(nèi)使用的BIM技術(shù),并已升至政府推動的水平。
英國高鐵二號線(HS2)是英國正在建設(shè)的高速鐵路,建成后將直接連接倫敦,伯明翰,東米德蘭茲,利茲和曼徹斯特。該項目估計耗資560億英鎊,比2010年初期預(yù)測的327億英鎊增長71%。HS2是一個復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng),涉及電力,通信,土方工程,結(jié)構(gòu),軌道,控制系統(tǒng),噪聲緩解等等。鑒于其國家范圍及其對城市和農(nóng)村的影響,該項目還擁有比大多數(shù)更多的利益相關(guān)者。如此龐大而復(fù)雜的項目,按時和按預(yù)算交付是一項重大挑戰(zhàn)。建筑信息模型(BIM)被視為交付工作的核心,允許項目通過與詳細(xì)視覺模型相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和通信[3]。HS2由High Speed Two(HS2)Ltd開發(fā),該公司是由英國政府設(shè)立的擔(dān)保有限公司。High Speed Two Ltd致力于使用建筑信息模型(BIM)進(jìn)行電子存儲和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的使用,采用最低BIM二級標(biāo)準(zhǔn),以實現(xiàn)清晰一致的數(shù)據(jù)管理方法。這有助于在整個HS2計劃中提供協(xié)作,并優(yōu)化制造和裝配機(jī)會的設(shè)計。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動方法涉及使用通用數(shù)據(jù)環(huán)境來存儲圖形和非圖形數(shù)據(jù),允許直接從中心位置繪制數(shù)據(jù),以開發(fā)2D和3D計劃,以及準(zhǔn)確和高度詳細(xì)的任務(wù)和材料名單。對于高速鐵路項目規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施項目,BIM技術(shù)的應(yīng)用具有以下幾方面優(yōu)勢:
(1)從事該項目的每個人,包括設(shè)計師,承包商和供應(yīng)商,都有清晰的數(shù)據(jù)和規(guī)范。
(2)EIR提供的清晰指示意味著正確的數(shù)據(jù)可以在需要時準(zhǔn)確獲得,并且所有工具和材料都可以在合適的時間由合適的人員使用。
(3)利用公共數(shù)據(jù)環(huán)境中的所有可用數(shù)據(jù),所有必要的信息都可以做出良好的設(shè)計決策,從而允許更多的設(shè)計創(chuàng)新和優(yōu)化的建筑材料選擇。對于HS2規(guī)模的項目,這可以轉(zhuǎn)化為顯著節(jié)省,減少碳足跡,以及更好,更友好的設(shè)計。
2004年左右,基于BIM技術(shù)的工程軟件進(jìn)入我國,國家“十五”科技支撐計劃對該技術(shù)的研究給予了大力支持。2008年,國內(nèi)有關(guān)科研單位起草了工業(yè)基礎(chǔ)平臺規(guī)范(國家指導(dǎo)技術(shù)文件),其內(nèi)容和技術(shù)與國際工業(yè)基礎(chǔ)類別(IFC)數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)相一致。住建部在2011年5月20日發(fā)布的《2011~2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中將BIM技術(shù)首次納入信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的重要內(nèi)容,并明確指出:推進(jìn)BIM技術(shù)從設(shè)計階段向施工階段的應(yīng)用延伸,在施工階段開展BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用,降低信息傳遞過程中的衰減;研究大型復(fù)雜項目的建設(shè)4D項目管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上BIM技術(shù)的應(yīng)用,建設(shè)項目實現(xiàn)有效的可視化管理。住建部于2012年1月發(fā)布《關(guān)于印發(fā)2012年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂修訂計劃的通知》,公布中國的BIM標(biāo)準(zhǔn)制定工作正式啟動,這其中包含了五項和BIM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn):《建筑工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑工程設(shè)計信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》、《制造工業(yè)工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑工程設(shè)計信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑工程信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)》。2013年,我國發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》,確定了BIM技術(shù)具體的發(fā)展推進(jìn)目標(biāo)。2014年7月1日,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了建市[2014] 92號文件《住房,城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》。重點推廣工程設(shè)計中的建筑信息模型(BIM)等信息技術(shù)應(yīng)用在施工和運維的全過程,提高整體效益,推廣隔震技術(shù)的建設(shè)項目。搜索并執(zhí)行用白色圖片替換藍(lán)圖并以數(shù)字方式查看圖紙的工作。同時,國內(nèi)各省市響應(yīng)了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于BIM技術(shù)的呼吁,有效推動了建筑業(yè)的發(fā)展和改革,并發(fā)布了有關(guān)BIM技術(shù)的政策要點。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2016年8月23日再次發(fā)布了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》,BIM技術(shù)成為“十三五”期間的建筑業(yè)領(lǐng)域率先推廣的五個主要的信息技術(shù)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2016年12月2日發(fā)布的《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/ T51212-2016)將從2017年7月1日起開始實施。2018年,“兩會”提出將BIM技術(shù)課程教學(xué)成體系納入專業(yè)教育評估工作。
綜上所述,自BIM技術(shù)進(jìn)入我國本土以來,政府和相關(guān)科研單位高度重視該技術(shù),不懈努力的開展相關(guān)研究,不斷出臺相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn),旨在發(fā)展好、利用好BIM這一尖銳利器,使其應(yīng)用到建筑行業(yè)的利益得到最大化。
在國家重大工程項目上,國家牽頭引導(dǎo)一些資金實力和技術(shù)實力較為雄厚的設(shè)計單位使用BIM技術(shù)。如上海中心大廈等多個超高層結(jié)構(gòu)、復(fù)旦大學(xué)正大體育館、國家游泳中心等多個大跨度空間結(jié)構(gòu)均實現(xiàn)BIM技術(shù)的成功應(yīng)用,這里只詳細(xì)介紹上海中心大廈。
上海中心大廈(圖1所示)位于上海浦東的陸家嘴地區(qū),是中國上海的超高層地標(biāo)摩天大樓,該建筑在六年內(nèi)完工,主樓118層,結(jié)構(gòu)高度580米,總高度632米。大廈在建筑設(shè)計上突破了傳統(tǒng)的層疊式功能結(jié)構(gòu)高層建筑理念,在空中設(shè)置九個垂直社區(qū),每一個社區(qū)分段中設(shè)置三個空中花園,營造了一個可容納30000多人工作和活動的垂直城市的空間。
在大廈項目建設(shè)過程中,團(tuán)隊提出建立基于BIM的工程信息管理系統(tǒng),從建設(shè)工程項目的建筑設(shè)計、施工管理及運營等建筑全生命周期出發(fā),基于現(xiàn)代信息技術(shù),突破傳統(tǒng)建筑模式,成功研發(fā)了基于三維建模和數(shù)值分析的全過程數(shù)字建造技術(shù)方法,率先建立了集結(jié)構(gòu)建造虛擬仿真、可視化智能控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、協(xié)同管理平臺、運維管理系統(tǒng)于一體的超高層數(shù)字化建造技術(shù)體系。通過與設(shè)計方,施工方和專家項目合作,進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計,數(shù)字化施工全過程,并在工程和施工的各個主要方面進(jìn)行有效的數(shù)字化運維,從而顯顯著提高了工程建造成效,極大地提高了工程建造水平。并且,上海中心大廈項目以其超高層數(shù)字化建筑技術(shù)獲得了中國勘察設(shè)計協(xié)會“創(chuàng)新杯”建筑信息模型(BIM)設(shè)計大賽特等獎。
上海中心大廈建設(shè)項目全面規(guī)劃和實施BIM技術(shù)過程中,(1)開發(fā)了結(jié)構(gòu)混凝土成型模架裝備標(biāo)準(zhǔn)模塊化集成的設(shè)計施工技術(shù),模架裝備重復(fù)周轉(zhuǎn)使用率達(dá)90%以上;(2)發(fā)明了模架裝備桁架層施工新技術(shù),開發(fā)了模架裝備鋼板剪力墻層自動滑移安裝技術(shù),復(fù)雜結(jié)構(gòu)模架裝備柔性變換技術(shù)取得重大突破,改變了傳統(tǒng)分體技術(shù)方法;(3)開發(fā)的超高空模架裝備遠(yuǎn)程可視化智能監(jiān)控系統(tǒng),極大地提升了風(fēng)險管控能力;(4)發(fā)明了基于超高、分段、逆作工藝的懸掛曲面玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)安裝技術(shù),實現(xiàn)了復(fù)雜工況豎向預(yù)變性控制的幕墻支撐精確安裝技術(shù);(5)發(fā)明了模塊化裝拆式計算機(jī)自動控制的鋼結(jié)構(gòu)智能升降操作平臺系統(tǒng),解決了柔性懸掛鋼結(jié)構(gòu)支撐體系懸、扭、空的安裝作業(yè)難題;(6)基于硬碰撞和精確安裝的軟碰撞控制,已經(jīng)實現(xiàn)了14余萬平方米的2萬多塊不同大小曲面外幕墻的精確安裝。
BIM在國外近些年已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,不可否認(rèn),國外的BIM技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國內(nèi),國內(nèi)在實際應(yīng)用及推廣都存在著大大小小的一些問題。
由于國內(nèi)BIM技術(shù)的起步比較晚,從2018年1月1日開始,我國才正式使用《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》來作為國家標(biāo)準(zhǔn)。在前幾年中,BIM技術(shù)存在許多不同的標(biāo)準(zhǔn),但都沒有形成一個統(tǒng)一。在工程應(yīng)用中從項目初期到項目結(jié)束,不同階段對應(yīng)著不同交付標(biāo)準(zhǔn),致使BIM技術(shù)應(yīng)用較為混亂。
BIM技術(shù)是基于計算機(jī)技術(shù)發(fā)展而來,雖說國內(nèi)近幾年計算機(jī)技術(shù)得到高速發(fā)展,但是與建筑行業(yè)的結(jié)合發(fā)展還在初期,BIM技術(shù)是對整個項目各個階段數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,以實現(xiàn)更為直觀、更高效、更一體化、更節(jié)省資源的技術(shù)手段,但是這些涉及的方面太廣,數(shù)據(jù)太多,對BIM技術(shù)的發(fā)展形成了一定阻礙。
最能接受新技術(shù)的便是大學(xué)生以及剛工作的青年,然而國內(nèi)開展BIM課程的高校很少,許多大學(xué)生并不能在校期間接受BIM相關(guān)課程,而且目前BIM軟件市場比較混亂,并不能形成一個高度統(tǒng)一。BIM技術(shù)的發(fā)展更需要一些交叉學(xué)科的人才,例如土木工程與計算機(jī)專業(yè)的交叉,而目前高校有這種交叉專業(yè)的也是少之又少。
BIM技術(shù)目前在國內(nèi)外工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用較少,現(xiàn)階段BIM技術(shù)是我國在工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用的重點推廣的方向。在BIM技術(shù)平臺上,施工單位對工程施工進(jìn)行項目各種專業(yè)承包商選擇、各材料供應(yīng)及采購、工程分包單位的選擇、機(jī)械及設(shè)備計劃的安排、勞動力進(jìn)場的安排等滿足工程施工合同要求。BIM技術(shù)可以大大降低建筑企業(yè)的成本,降低管理成本,合理分配各種資源,減少不必要的浪費。BIM技術(shù)使施工人員可以輕松理解設(shè)計意圖。如果存在施工質(zhì)量問題,請及時反饋有關(guān)BIM技術(shù)信息模型的信息,設(shè)計人員根據(jù)施工情況及時調(diào)整設(shè)計,在日常安全管理中,可以執(zhí)行可視化標(biāo)準(zhǔn)管理,并協(xié)助進(jìn)行精細(xì)化管理。目前,BIM技術(shù)在國內(nèi)外工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用很少?,F(xiàn)階段,BIM技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用是我國重點推廣的對象。在未來的施工領(lǐng)域中BIM技術(shù)的具體發(fā)展應(yīng)用有以下幾點[4-5]:
(1)施工過程輔助與精細(xì)化管理。在安全管理方面,通過BIM技術(shù)而言,它可以實現(xiàn)可視化,管理復(fù)雜的三維模型的三維展示和動態(tài)管理,通過不斷調(diào)整和更新實現(xiàn)動態(tài)化管理;在規(guī)劃布置中,能夠更充分的考慮各個階段的布置,充分利用空間、避免相互的影響;安全交底中利用三維模型能夠更清楚更直觀的進(jìn)行可視化交底;結(jié)合現(xiàn)場工程項目,將工程施工范圍內(nèi)所有既有環(huán)境真實的創(chuàng)建,從各角度辨識危險源,讓危險源辨識工作更加直觀[6]。在質(zhì)量管理方面,BIM技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在事前控制和事中控制。BIM中的虛擬施工技術(shù),我們能模擬出工程項目的施工過程,可以通過在計算機(jī)環(huán)境中對工程項目的建造過程進(jìn)行預(yù)演,可以找到可能的重量控制點和質(zhì)量風(fēng)險點。
(2)智慧工地。通過BIM技術(shù)可以對工人進(jìn)行實名制管理,動態(tài)監(jiān)控每天現(xiàn)場人員、工種、施工部位;依托三維模型和施工現(xiàn)場布置智慧工地的大屏,整合顯示關(guān)鍵的管理和控制信息,整合各種專業(yè)系統(tǒng),整合決策指標(biāo)和專業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù),來建立統(tǒng)一的決策分析展示服務(wù)平臺,通過不同的權(quán)限分配為項目現(xiàn)場管理團(tuán)隊提供過程監(jiān)控的應(yīng)用程序服務(wù),提供智能決策和統(tǒng)一數(shù)據(jù)對接,以進(jìn)行各個級別的統(tǒng)一管理。
(3)裝配式施工過程管理。對于裝配式建筑,通過吊裝模擬,能夠?qū)Φ跹b方案進(jìn)行核實檢驗,同時把控吊裝過程中的安全質(zhì)量重難點。
(4)3D打印。通過BIM技術(shù)與3D打印的結(jié)合,客戶可以根據(jù)自己的一些想法很大程度上影響建筑設(shè)計。未來會建造出更多的奇特造型的建筑物并且不會受成本限制。3D實時打印的建筑模型即便是我們普通的老百姓也可以看懂看透建筑造型。部件拼裝等新的施工方法將減少大量的人工并節(jié)省人工成本;大大縮短了施工時間,還將節(jié)省大量的人工成本;將廢舊材料用作建筑材料將大大降低材料成本。
BIM技術(shù)作為信息化時代高度發(fā)展的產(chǎn)物,憑借其協(xié)調(diào)性好、有較強(qiáng)的可視化、模擬程度高、有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)管理能力和信息共享等優(yōu)勢,在土木工程領(lǐng)域中得到了推廣性使用。我國引進(jìn)BIM技術(shù)主要經(jīng)歷了五個階段,它們分別為基本概念引入階段、理論研究與早期摸索階段、高速發(fā)展與推廣及深度應(yīng)用階段。在基本概念引入時期,主要用于研究IFC標(biāo)準(zhǔn);在早期探索和理論研究的時期,主要針對于國外標(biāo)準(zhǔn)、軟件以及技術(shù)學(xué)習(xí)研究BIM;在高速發(fā)展與推廣以及深度應(yīng)用時期,主要是進(jìn)行廣泛地工程實踐、對國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制作及圍繞“BIM+”的深度應(yīng)用。我國 BIM技術(shù)正處于高速發(fā)展與推廣與深度應(yīng)用時期。本文通過分析現(xiàn)階段我國BIM技術(shù)應(yīng)用的范圍、BIM技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀、BIM技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的案例、在現(xiàn)階段發(fā)展BIM所面臨的挑戰(zhàn)、推廣BIM技術(shù)所面臨的問題等方面總結(jié)歸納出從國家層面和企業(yè)層面在我國現(xiàn)階段推廣BIM技術(shù)的具體建議,從而推動BIM在國內(nèi)建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,給建筑設(shè)計帶來新的活力,促進(jìn)我國建筑設(shè)計的進(jìn)步。