第2章　BIM技术与精益建造分析

2.1　BIM技术分析

2.1.1　BIM基本概念

BIM（building information modeling）是当前国内外研究学者和建筑业界人士关注的热点。BIM思想产生于20世纪70年代^［71］。之后，乔治亚理工学院的Charles Eastman^［72］及Jerry Laiserin^［73］对BIM的概念进行了补充和详细界定。根据维基百科的释义，BIM技术是一种建立、管理建设项目物理和功能特点的数字化、可视化表现过程。在实施过程中多种形式的模型信息为共享数据信息资源平台，贯穿于建设项目的决策、设计、施工、运营维护的全生命周期的全员的全过程的决策支持和支撑、协同作业和管理。随着项目建设阶段的进展，BIM模型信息不断深化、不断细化、不断接近实际，形成紧密对接的信息链。

BIM即虚拟建筑或者建筑仿真，是近十年来在CAD技术基础上发展起来的一种多维（三维、四维、五维、n维）模型信息集成技术，可以使建筑物的所有参与方都能够在数字虚拟的真实建筑物模型中操作信息（几何、物理和功能信息）和在信息中操作模型，见图2-1。BIM的最大特点是数据信息的高度整合，其中模型是基础，信息是灵魂，软件是工具，协作是重点，管理是关键。以支持建筑全生命周期项目（building lifecycle management，BLM）决策、设计、施工、运营的技术、方法^［74］，见图2-2。基于BIM的建筑业信息化，横向打通了技术信息化和管理信息化之间的信息传递，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^［75-77］，提高工作效率和质量，减少错误和风险，提升建设行业效率和利润。

BIM是一种技术、一种方法、一个机制和机遇，以BIM为平台集成工程建设信息的收集、管理、交换、更新、储存等流程，为工程建设全生命期不同阶段、不同参与主体、不同应用软件之间提供准确、实时、充分的信息交流和共享，提高工程建设行业生产力水平。

2.1.2　BIM技术应用方法

（1）项目决策阶段

在项目决策阶段，利用BIM技术可以进行可视化规划景观模拟及规划微环境模拟分析及评估。包括建筑物空间结构的日照关系、风环境、热工、空间景观的可视度和噪声分析等。

①项目三维景观分析　根据项目规划平面图、功能分区、户型等参数，应用BIM软件，建立可视化3D模型，全方位、多角度模拟建筑设计效果，比较全面地评估任意位置的景观可视度，并对项目建筑位置、户型等进行分析调整，如图2-3、图2-4所示。

区别传统三维技术（如3Dmax）所传达的只有“视觉信息”，项目规划BIM模型用建筑工程专业语言来表达，而且容纳更多信息量如面积、材料、重量、受力等。

②项目环境日照分析　根据项目所在地区气象数据参数，如气温、相对湿度、总辐射、风速、风向、降雨量等，计算获取设计方案的日照结果、太阳辐射强度和面积、容积率、建筑最佳朝向等，并针对某一天日照的阴影情况，优化和调整楼宇之间的位置、高度和体形，如图2-5～图2-8所示。

③项目风环境分析　通过对风环境空气龄、风速和风压模拟分析，得出空气流动形态，通过调整建筑设计的朝向、造型、自然通风组织等，提高空气质量，如图2-9、图2-10所示。

④项目环境噪声分析　考虑项目周边已存在的较大噪声源进行分析模拟（图2-11、图2-12），对受噪声影响比较大的部位，采取隔声措施，改善项目噪声环境。

⑤项目环境温度分析　项目环境温度分析，包括项目小区区域内、室内的温度分析和空气流动。通过BIM模拟分析热环境，进而设计出合理的建筑舒适环境，如图2-13、图2-14所示。

（2）设计阶段

在设计阶段，利用BIM技术可以进行三维协同设计、BIM管线综合、结构力学分析、设计概预算信息统计等。

①三维协同设计　基于BIM平台，建筑、结构、安装等专业基于同一模型进行工作，实现三维集成协同设计，及早发现各专业设计中错、碰、漏、撞的问题，进而优化设计，保证设计成果的一致性，如图2-15～图2-17所示。

②BIM管线综合　给排水、暖通、电气照明等机电设备专业设计中要重点考虑管线设备的安装顺序和安装空间。基于BIM平台，通过碰撞检测功能进行各专业管线碰撞检测，提高设计的质量和效率，如图2-18、图2-19所示。

③结构力学分析　在结构设计完成之后，基于BIM结构模型，进行结构建模和计算、规范校核，如图2-20～图2-23所示。

④设计概预算信息统计　基于BIM结构模型，生成工程量清单和概算造价，进行结构用料信息的显示和查询。以利于评价施工图设计的技术经济水平，并为工程资金准备、招投标提供依据，如图2-24、图2-25所示。

（3）施工阶段

在施工阶段，利用BIM技术可以进行施工方案模拟、进度控制、成本控制、安全管理、设计变更管理、施工过程工程资料记录，形成BIM竣工模型。

①施工方案模拟　在工程的关键控制点、特殊施工环节实施前，运用BIM系统三维模型进行虚拟指导施工模拟，展示工艺流程和操作方法，给施工技术人员、管理人员、操作人员进行可视化的三维模型技术交底，如图2-26、图2-27所示。

②施工进度控制　根据资源限制和总工期需求，考虑施工方案、流水段划分、施工工艺，进行WBS工程结构分解，编制建设项目和单项工程基于层、段、组合类型的施工进度计划，对接项目BIM模型，建立4D可视化模型和施工进度计划，如图2-28所示。

③施工成本控制　基于BIM技术的5D施工成本模拟，可以随时查看任意部位进度、资源、成本、资金的情况，进行多角度进度管理模拟以及成本、资源的多角度分析。提供项目进度控制、计量支付、变更控制、采购租赁、物资供应、成本计划、成本核算，如图2-29所示。

④施工安全管理　对项目重点控制的安全部位，如脚手架工程、高架大跨模板支撑系统工程、深基坑处理工程等，利用BIM模型进行安全施工模拟、安全操作交底，如图2-30、图2-31所示。

⑤工程变更管理　基于BIM模型，对设计变更部分满足工程量统计分析，满足工程量查询、统计、对比分析应用，如图2-32、图2-33所示。

⑥施工过程资料记录，形成BIM竣工模型　跟踪、记录施工过程，及时更新BIM信息，形成BIM竣工模型，如图2-34所示。

（4）运营维护阶段

在工程建设运营维护阶段，现代物业必将建立在BIM信息建成的基础之上，利用BIM技术主要可以进行可视化的设备维护管理、设备应急管理、物业租赁管理等。

①设备维护管理　基于BIM的设备维护，包括对照明、消防等各系统和设备空间定位、内部空间设施可视化、运营维护数据累积与分析、设备运行监控、隐蔽工程管理，如图2-35所示。

②设备应急管理　遇到设备故障等突发状况时如火灾、水管爆裂、气管爆裂等，及时获取设备相关信息，进行报警、协助处理，如图2-36所示。

③租赁管理　BIM模型数据库存储与物业租赁管理相关的出租物业面积、客户信息、租赁合同、租金、租期等信息，并更新维护，提高物业租赁管理水平。

在项目运营维护阶段，物业管理的运营效果、租赁分析、结构设备环境、防灾监控、安全保卫等系列工作，皆可基于BIM与远程监控技术，实现无线、实时监控、快捷应急反应。

2.1.3　BIM技术特点分析

（1）可视化

可视化是BIM技术最突出的特点和优势。可视化BIM模型中包含了项目的几何、物理和功能等完整信息，可以获取需要的几何、材料、光源、视角等信息，生成报表，可视化的工作资源集中到提高可视化效果上来，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化、全真虚拟化的状态下进行。

（2）协调与协同性

传统的信息管理模式中（图2-37所示折线图形），信息浪费和冗余，信息不断流失，信息交换效率低下，无法从全局的角度进行优化，严重影响了信息的有效性。基于BIM技术的信息管理模式（图中无折线图形），将建设全生命期、全方位信息连续打通和无缝连接，整合了离散的信息流程，避免了信息的歧义和不一致，减少了信息总量、信息共享和协同工作，及时纠正各种错、漏、碰、缺，为目标式的信息管理模式^［78］。

基于BIM技术的信息管理模式，实现有工程项目管理中的屏障，集成工程项目各阶段、各关键指标、各组织、各专业、各项目的信息融合，形成更加广泛的集成，协调工程项目系统目标、外部资源、内部资源的信息流网络^［79-82］，如图2-38所示。

基于BIM中央数据库的信息流枢纽，通过网络交互平台，各阶段、各关键指标、各组织、各专业、各项目当前的供应信息共享，据此解决各专业碰撞问题，进行专业协调，实现信息集成和高水平协同作业。

（3）模拟性

模拟性可以模拟设计的建设项目模型，并且可以模拟在真实环境中无法操作的事物。如在设计阶段，BIM可以进行实验模拟，如建筑节能分析、应急预案模拟、日照和采光分析、结构力学分析等；在招投标和施工阶段可以进行3D施工方案模拟、4D施工进度控制模拟、5D成本控制模拟、施工安全模拟等；后期运营阶段可以模拟日常紧急情况处理模拟等。

（4）优化性

随着工程项目的深入和进展，BIM信息模型逐步深化、逐步细化，不断优化。通过信息集成管理对项目目标主动控制，动态优化，进而提高工程设计、施工和维护管理的质量、工作效率和科学管理水平，体现信息对工程项目服务的动态优化性。如Patrick MacLeamy提出的BIM曲线^［83-84］（项目决策时机的现实与理想），如图2-39所示。图中，曲线1表明，在工程项目开发过程中，对整个项目投资的影响，越在前期对成本的影响越高，越到后期对成本的影响就越小。曲线2表明，工程项目成本实际的花费，越往后花钱越多。综合来看曲线1和曲线2看到，越在前期，项目花的钱越少，但是对项目成本影响的可能却越大。曲线3表明，传统的设计流程把大量的时间花在施工图设计阶段（CD），错过了影响整个造价的最佳时期。曲线4是基于BIM的设计过程，通过BIM技术实现把驼峰尽量往前移，把曲线3的驼峰从施工图设计阶段移到曲线4的驼峰方案设计阶段和初步设计阶段，尽量把工程当中遇到的问题在施工前解决掉，起到动态优化、主动控制的目的。

（5）出图性

BIM通过对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化以后，可以实现多元化的信息输出方式。如从安装管线综合3D BIM模型中生成2D各专业碰撞图、结构预留洞图，也可以生成文档数据信息报告，如碰撞检查报告、预加工材料表、工程量表、预算分析表等。

2.1.4　BIM应用价值

在工程建设全生命周期中，利用BIM技术，实现三维渲染，宣传展示。设计碰撞检验，减少错误；设计高效，减少资源浪费与损失。虚拟施工，有效协同；冲突调用，决策支持；进度控制，减少返工；跟踪造价，减少浪费；多算对比，有效管控；精细建造，效率提升。运维实现三维可视化管理、集成化管理、智能化管理。

据Autodesk公司统计，三维可视化可提高企业竞争力66%，减少50%～70%的信息请求，缩短5%～10%的施工周期，减少20%～25%的各专业协调时间^［85］。

美国的一项研究显示，因BIM应用提高了成本核算的准确性而使业主保留了比传统建设模式下更低的不可预见费^［86］，如图2-40所示。

在山景城医院综合办公楼项目上，BIM的应用使得整个项目的返工只有0.2%，各系统之间达到零冲突，现场因信息不明确而发出的问询单（request for information）只有2份，建筑信息模型已被认为是大幅提高建筑业生产效率最有效的工具之一^［87］。

英国机场管理局利用BIM削减希思罗5号航站楼10%的建造费用。恒基北京世界金融中心通过BIM应用，在施工图纸中发现了7753个冲突，估算这些冲突如果在施工时才发现，会给项目除了造成超过1000万元人民币及3个月的浪费外，还大大影响项目质量和发展商品牌^［88］。

《中国工程建设BIM应用研究报告（2011）》调查问卷也显示BIM技术的巨大应用价值^［89］，如图2-41所示。2010年在欧洲进行的调研（运用BIM技术带来的价值）^［90］，如图2-42所示。

建筑生命关键指标与Building SMART联盟总结BIM的25种应用关系^［91］，如图2-43所示。

从图2-43中可见，在工程建设的全生命周期中，建设关键指标有造型、功能、性能、造价、质量、安全、工期、效率等，BIM技术应用范围贯穿于全过程，多个BIM技术应用交叉服务于多个关键指标，从而形成紧密联结的基于BIM技术应用的建设生命期关键指标体系，进而提高项目效率和水平。

2.1.5　BIM应用现状探讨

美国是率先开展建筑信息化研究的国家，BIM技术与应用处于世界前列。随着全球化的进程，日本、英国、中国等国家的BIM技术应用都得以快速发展。

（1）美国BIM应用现状

美国工程建设中已基本普及使用BIM技术，统计表明，早在2009年美国建筑企业三百强中80%以上均使用了BIM技术。国家也成立了多种BIM协会，制定了相应的BIM实施标准。麦格劳-希尔建筑（McGraw-Hill Construction）公司调查BIM在北美的业务价值，在多年的趋势分析和用户评分（2007—2012）^［92］中指出，2012年建筑业使用BIM技术的占71%，其中有74%的承包人使用，高于设计阶段的建筑师使用比例70%和高于安装工程师使用比例67%，BIM技术的应用价值得到大大的认同。美国BIM应用范围广泛，已建立BIM衡量标准测量过程改进程度，利用BIM技术进行信息商务的完全智能化操作控制，并已应用于项目运营维护阶段的资产管理和设施管理。

美国总务署（General Service Administration，GSA）负责联邦所有建设项目的建造和运营管理。目前，大型建设项目均必须使用BIM技术，要求在初步设计阶段必须提高BIM信息模型。在施工的过程中鼓励使用ND-BIM模型技术，并为项目承包人设立了相应的奖金支持。现在GSA正在研究开发建设项目更广泛的BIM全生命周期的BIM应用整体解决方案，如空间规划模拟检验等。

美国陆军工程兵团（The U.S.Army Corps of Engineers，USACE）负责为美国军队提供项目管理和施工管理服务。2006年USACE发布了15年规划的BIM应用六大战略大纲^［93］，支持MILCON路线图实现转换，承诺未来军事建设项目全部使用BIM技术，于2020年实现利用美国BIM标准使项目生命周期任务自动化。

Building SMART联盟（building SMART alliance，bSa）是美国建筑科学研究院信息资源与技术领域的一个专业联盟。bSa大力推广BIM应用和研究，竭力提高建设项目全生命周期共享信息的准确性和及时性，提高建设信息化水平。bSa下属的国家BIM标准项目委员会NBIMS-US制定研究IFC标准和BIM标准（NBIMS）。2007年发布了BIM标准第一版，2012年更新完善发布了BIM标准第二版，更加规范了BIM技术的实施应用。同时Building SMART出版有BIM杂志，建设有丰富的BIM网站，供各类建筑业人士学习、参照。

（2）英国BIM应用现状

英国政府采取强制措施要求推广使用BIM技术。2011年英国政府颁布政府建设工程规划战略文件^［94］，其中要求到2016年，所有基础设施项目必须使用多维的BIM模型，达到的一个目标是要对整个英国建筑业节约20%，并且要求项目建设过程文件全部要采用信息化管理，极大提高文件处理能力。截至现在，英国建筑业BIM标准委员会颁发了BIM实施标准，并制定有适合Revit系列BIM软件的标准、适用于Bentley系列BIM软件的标准，现在正在制定ArchiACD、Vectorworks等系列BIM软件的标准，为英国建筑业从CAD 2D管理过渡到ND BIM提出了针对性的可实施方案和准则。

（3）日本BIM应用现状

2009年日本开始推广BIM技术，很多设计企业、施工企业应用BIM技术，同时日本国土交通部门选择政府建设项目进行BIM技术试点，探索了BIM技术在设计阶段协同优化、施工可视化交底、信息共享和链接等方面的应用价值^［95］。

在日本，专业软件发展很快，多家国产软件公司联合成立了日本国产解决方案软件联盟。日本建筑学会在2012年发布了BIM应用指南，包括BIM团队建设、BIM数据处理、BIM设计流程、BIM工程造价、BIM进度管理、BIM施工模拟等多方面的内容，为建设项目相关参与单位应用BIM技术提供了可靠支持。

（4）中国BIM应用现状

2010年中国商业地产和2011年中国工程建设BIM应用研究报告中统计分析，2010年我国BIM认知程度为60%，2011年增长为87%，其中有39%的单位应用了BIM软件进行设计协同综合和施工模拟分析，以设计企业为主^［96］。

我国住房和城乡建设部（以下简称住建部）在2011～2015年建筑业信息化发展纲要中明确指出：要在施工阶段大力开展BIM技术推广应用，链接BIM设计阶段信息，减少信息孤岛，提高信息协同共享，着力探索基于BIM平台的4D/5D项目信息管理，实现建设项目可视化、形象化、高水平的管理和可控性，提高我们建设信息化管理水平。

目前，在我国BIM应用标准还非常缺乏，如建模标准、关联属性标准、信息使用标准等。住建部2012年启动BIM标准制定工作，包括有BIM应用统一标准、存储标准、交付标准、信息分类编码标准等。研究学者们大都认为，我国目前建筑业体制、建筑标准规范的不同是BIM技术应用的关键障碍^［97-98］，因此适合我国国情和体制、标准和规范的BIM技术应用是急需解决的关键问题。

目前，我国大中型设计单位大多已经建立了BIM技术团队，积累了BIM应用经验，大中型施工企业开始进行BIM的实施应用。BIM的运用整体体现出专项应用多、集成应用少，多体现在三维可视化交底、碰撞检查、深化设计、施工进度模拟、工序模拟、预制加工、工程量计算等方面。其中，基于BIM的碰撞检查、深化设计应用最多，效益明显；施工进度模拟应用也较多，主要用于形象进度展示；BIM与施工项目管理结合较少，作为施工项目管理各业各部管理内容庞杂、综合应用难度很大，BIM与进度管理、成本管理、合同管理、资料管理等项目现场管理业务的结合应用还较少。

2.1.6　BIM软件

（1）核心BIM建模软件

经梳理分析，核心BIM建模软件见表2-1。

（2）BIM软件现状

各类BIM软件类型及主要产品见表2-2。

从表2-2中看出，在BIM的软件类型中国外软件产品丰富，专业分工精细，国产软件大部分还处于空白阶段，尤其是核心建模软件和运营维护软件。而设计阶段PKPM、施工阶段鲁班、广联达等是在原设计、造价软件的基础上研发而成。因此，开发适合中国建筑行业特点的国内BIM软件至关重要。

（3）BIM软件信息互用

BIM软件间的有机结合和综合应用，存在信息流动关系^{［99，100］}，如图2-44所示。

从图2-44中可见，工程建设全生命期中各BIM专业软件和信息流是共享、互通的，形成全过程紧密联结的信息大数据库，极大地提高了信息交换和使用率，提高了项目质量和效率。