BIM技术原理及应用：2.1.2章节的BIM定义

(1)BIM的概念

BIM真正开始流行是在2000年之后,得益于软件开发企业的大力推广。BIM开始引起业内人士的关注,很多组织都对BIM的含义进行过诠释,这其中既有著名的软件公司(Autodesk、Bentley和Graphisoft)和建筑企业(DPR建筑公司、Magraw-Hill建筑信息公司),也有行业协会(美国建筑师协会AIA、美国总承包商协会AGC)、政府部门(美国总务管理局GSA)和科研机构(美国建筑科学研究院NIBS、佐治亚理工大学建筑学院)。

Autodesk公司是全球最大的建筑软件开发商,也是对BIM研究最为深入的组织之一。自2000年后,Autodesk公司一直致力于在全球范围内推广BIM。其发布的《Autodesk BIM白皮书》对BIM进行了如下定义(Autodesk 2002):BIM是一种用于设计、施工、管理的方法,运用这种方法可以及时并持久地获得质量高、可靠性好、集成度高、协作充分的项目信息(Building Information Modeling is an approach to building design,construction,and management.It supports the continuous and immediate availability of project design scope,schedule,and cost information that is high quality,reliable,integrated,and fully coordinated)。

美国建筑科学研究院联合设施信息委员会等国际著名的建筑协会一起编制了国家建筑信息模型标准NBIMS(NIBS 2008),其中对BIM进行了如下定义:建筑信息模型(Building Information Model)是对设施的物理特征和功能特性的数字化表示,它可以作为信息的共享源从项目的初期阶段为项目提供全寿命周期的信息服务,这种信息的共享可以为项目决策提供可靠的保证(A Building Information Model is a digital representation of physical and functional characteristics of a facility.As such it serves as a shared knowledge resource for information about a facility forming a reliable basis for decisions during its life-cycle from inception onward),这一定义是目前对Building Information Model较为权威的阐释,在行业内得到了广泛认可。

国际标准组织——设施信息委员会(FIC 2008)对BIM进行了定义:BIM是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息的可计算或可运算的形式表现,从而为决策提供支持,以便更好地实施项目的价值(A Building Information Model(BIM)is a computable representation of the physical and functional characteristics of a facility and its related project/life-cycle information using open industry standards to inform business decision making for realizing better value)。

根据维基百科的定义(en.wikipedia.org 2009),建筑信息模型(Building Information Modeling)是指在建筑设施的全寿命周期创建和管理建筑信息的过程,这一过程需要在设计与施工的全过程应用三维、实时、动态的模型软件来提高建设生产效率,而创建的模型(Building Information Model)涵盖了几何信息、空间信息、地理信息、各种建筑组件的性质信息及工料信息(Building Information Modeling(BIM)is the process of generating and managing building data during its life cycle.Typically it uses three-dimensional,real-time,dynamic building modeling software to increase productivity in building design and construction.The process produces the Building Information Model,which encompasses building geometry,spatial relationships,geographic information,and quantities and properties of building components)。

美国的佐治亚理工大学Georgia Tech的Chuck Eastman教授被誉为“BIM之父”,根据他与另外三位BIM研究专家在《BIM手册》中对BIM的定义:Building Information Model是对建筑设施的数字化、智能化表示(Building information model is a digital,machinereadable record of a building),Building Information Modeling是应用这种模型进行建筑物性能模拟、规划、施工、运营的活动,建筑信息模型不是一个对象,而是一种活动(Building information modeling is a process facilitated by digital,machine-readable record of a building,its performance,its planning,its construction and later its operation,therefore,BIM describes an activity,not an object)。

在我国已颁布的《建筑信息模型应用统一标准》(GB/T 51212-2016)和《建筑信息模型施工应用标准》(GB/T 51235-2017)中将BIM定义为:建筑信息模型building information modeling,building information model(BIM),在建设工程及设施全生命期内,对其物理和功能特性进行数字化表达,并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称。

从上述定义可以看出,Building Information Model和Building Information Modeling虽然都可以缩写为BIM,但却有着不同的含义,前者是一个静态的概念,而后者是一个动态的概念,因此,本文在对BIM的含义的分析也从静态与动态两个方面加以理解:静态的建筑信息模型(Building Information Model)可以从Building、Information、Model三个方面去解释。Building代表的是BIM的行业属性,BIM服务的对象是建筑业而非其他行业,其他行业也有产品数据模型,如制造业的Product Data Model。Information是BIM的灵魂,BIM的核心是在不同的项目阶段为不同的组织提供各种与建筑产品相关的信息,包括几何信息、物理信息、功能信息、价格信息等。Model是BIM的信息创建和存储形式,建筑设施的信息可以表达成多种方式,如图纸、文本文件、excel表格等,而BIM中的信息是以模型的形式创建和存储的,而这个模型具有三维、数字化、面向对象等特征。由于建筑物的方案、设计、施工、交付是一个过程,因此,Building Information Model的应用也是一个过程,应用模型来进行设计、建造、运营、管理的过程可以被认为是Building Information Modeling,而随着建设过程的推进,Building Information Model中的信息也在不断地被补充和完善。例如,方案设计阶段的BIM模型需要有房间功能和系统功能信息,扩充设计阶段的BIM模型需要有空间布置、房间数量、房间功能、系统信息、产品尺寸等信息,施工阶段的BIM模型需要有竣工资料、产品数据、序列号、标记号、产品保用书、备件、供应商等信息,因此,BIM模型中的信息在不断地被补充和完善,而不是静止不变的,“BIM”根据其应用背景不同可有不同的含义,当表达静态模型的含义时,可以理解为是Building Information Model的缩写,当特指模型应用过程时,可以理解为是Building Information Modeling的缩写。

(2)BIM概念的扩展

随着BIM应用范围的日益广泛和应用层次的逐渐深入,BIM的内涵也在不断发生变化^[1]。Autodesk(2007)提出,BIM不仅仅是一种建筑软件的应用,它代表了一种新的思维方式和工作方式,它的应用是对传统的以图纸为信息交流媒介的生产范式的颠覆;Finith(2007)在其著作《广义BIM与狭义BIM》中指出,BIM的内涵具有狭义和广义之分,狭义的BIM主要指对BIM软件的应用,广义的BIM考虑了组织与环境的复杂性及关联性对信息管理的影响,目的是为了帮助项目在适当的时间、地点获取必要的信息。麦格劳—希尔建筑信息公司(2007)在其出版的BIM专著《建筑信息模型——利用4D CAD和模拟来规划和管理项目》(Building Information Modeling—Planning and Managing Construction Projects with 4D CAD and Simulations)中对BIM的内涵做出了这样的界定:BIM不仅仅是一种工具,而且也是通过建立模型来加强交流的过程,作为一种工具,它可以使项目各参与方共同创建、分析、共享和集成模型,作为一个过程,它加强了项目组织之间的协作,并使他们从模型的应用过程中受益(BIM is not just about a model,but about the understanding which is communicated through the modeling process.As a tool,BIM enables team members to create,analyze,share and integrate models,as a process,BIM enable team members collaboratively benefit from model use)。美国建筑科学研究院在《国家建筑信息模型标准》(NBIMS)中对广义BIM的含义作了阐释(NIBS 2008):BIM包含了三层含义,第一层是作为产品的BIM,即指设施的数字化表示;第二层含义是指作为协同过程的BIM;第三层是作为设施全寿命周期管理工具的BIM。Chuck Eastman教授(2008)在著作《BIM Handbook》中指出BIM并不能简单地被理解为一种工具,它体现了建筑业广泛变革的人类活动,这种变革既包括了工具的变革,也包含了生产过程的变革。由此可见,随着BIM理论的不断发展,广义的BIM已经超越了最初的产品模型的界限,正被认同为一种应用模型来进行建设和管理的思想和方法,这种新的思想和方法将引发整个建筑生产过程的变革。

国际BIM最权威组织是bSI(building SMART International),在《The BIM Evolution Continues with OPEN BIM》的论文中表达出准确的观点^[2],被业内人士所广泛接受和认可。相关观点如下:

BIM是一个缩写,代表三个独立但相互联系的功能:

Building Information Modeling是一个在建筑物生命周期内设计、建造和运营中产生和利用建筑数据的业务过程。BIM让所有利益相关者有机会通过技术平台之间的互用性同时获得同样的信息。

Building Information Model是设备的物理和功能特性的数字化表达。因此,它作为设施信息共享的知识资源,在其生命周期中从开始起就为决策形成了可靠的依据。

Buildling Information Management是对在整个资产生命周期中,利用数字原型中的信息实现信息共享的业务流程的组织与控制。其优点包括集中的、可视化的通信,多个选择的早期探索,可持续发展的、高效的设计,学科整合,现场控制,竣工文档等——使资产的生命周期过程与模型从概念到最终退出都得到有效发展。

从以上可以看出,BIM的含义比起它问世时已大大拓展,它既是Building Information Modeling,同时也是Building Information Model和Building Information Management。

结合前面有关BIM的各种定义,连同NBIMS-US和bSI这两段的论述,可以认为,BIM的含义应当包括三个方面:

①BIM是设施所有信息的数字化表达,是一个可以作为设施虚拟替代物的信息化电子模型,是共享信息的资源,即Building Information Model,称为BIM模型。

②BIM是在开放标准和互用性基础之上建立、完善和利用设施的信息化电子模型的行为过程,设施有关的各方可以根据各自职责对模型插入、提取、更新和修改信息,以支持设施的各种需要,即Building Information Modeling,称为BIM建模。

③BIM是一个透明的、可重复的、可核查的、可持续的协同工作环境,在这个环境中,各参与方在设施全生命周期中都可以及时联络,共享项目信息,并通过分析信息,做出决策和改善设施的交付过程,使项目得到有效的管理,也就是Building Information Management,称为建筑信息管理。

在以上的观点中,BIM模型是基础,因为它提供了共享信息的资源,有了资源才有发展到BIM建模和建筑信息管理的基础;而建筑信息管理则是实现BIM建模的保证,如果没有一个实现有效工作和管理的环境,各参与方的沟通联络以及各自负责对模型的维护、更新工作将得不到保证。BIM建模是最重要的部分,它是一个不断应用信息完善模型、在设施全生命周期中不断应用信息的行为过程,最能体现BIM的核心价值。但是不管怎样,在BIM中最核心的东西就是“信息”,正是这些信息把三个部分有机地串联在一起,形成一个BIM的整体。如果没有了信息,也就不会有BIM^[3]。

(3)BIM的衡量标准

尽管BIM的概念已经表达了BIM工具应具有的特征,但仅凭概念仍难以准确掌握,不少人将BIM和传统的三维建模工具(如3D Max、3D CAD)等同起来。为了能更好地认识和区分BIM工具和传统的三维建模工具的差别,有些组织和研究人员提出了BIM的衡量标准。

Chuck Eastman等(2008)提出BIM应具备以下四个特征。

①采用智能化(计算机可以识别的)与数字化的方式来表示建筑构件;

②构件中内含的信息可以表达构件的属性和行为,支持数字化分析工作;

③模型中所有的信息可以达到一致关联;

④模型的数据库将作为建设过程中产品信息的唯一来源。

2006年,美国资深BIM应用单位M.A.Mortenson公司提出了的BIM衡量标准。该公司是美国最早将BIM应用于实践的承包商,曾在建造世界著名的迪士尼音乐厅项目中成功应用BIM技术。该公司将BIM理解为对建筑设施的智能化模拟,并认为成熟的BIM需具备以下六个特征。(www.xing528.com)

①数字化:可以对设计和施工过程进行模拟;

②多维化:模型须是三维的,可以更好表达复杂的建设情景;

③可量化:模型中的数据需是定量的、可计量维度的、可查询的;

④全面性:模型应能反映设计意图、体现建筑效果、可以考察设施的可建造性、能反映设施的时间和财务信息;

⑤可获得性:项目中的不同参与方可通过协同工作来获得所需的数据;

⑥可持久性:模型中的信息可以用于项目的各个阶段。

国内BIM专家何关培先生认为,可以称之为BIM工具的软件应包括以下五个特征。

①可视化:具有“所见即所得”的功能;

②协调:可以利用软件发现和解决不同系统中存在的冲突和障碍;

③模拟:能够对现实中的建设任务进行虚拟演示和分析;

④优化:在模拟分析的基础上可以对建设任务提出改进的方向;

⑤出图:根据创建的模型自动生成图纸。

美国《国家建筑信息模型标准》指出:BIM的概念、含义及工具都处在不断发展的过程中,随着其技术水平的提高和应用的深入,业界对BIM的认识正在逐渐提高,同时对BIM的衡量标准也会逐渐提高。因此,BIM是一个不断发展变化的概念。该报告提出了用11个指标来衡量BIM的成熟度,即:数据的丰富性、全寿命周期视角、变更管理、多专业的协作、业务流程、实时性、信息交流的方式、图形化的信息、空间定位能力、信息的精确性、协同能力。在这11项指标中,信息的可视化、精确性、数据的丰富性、有效传递性及协同性五项指标是对当前BIM工具的要求,而全寿命周期视角、业务流程变革、数据采集的实时性和空间定位能力等要求则不作为当前阶段BIM应用的基本要求,而是在将来需要实现的目标。

上述BIM界定标准虽然存在一定的差异,但造成差异的原因在于评价角度不同。本书认为,在当前阶段,凡是具有多维化、参数化、智能化基本特征的建筑生产工具都可以认为是BIM工具,BIM工具不是针对某一参与方和某一阶段的某一种工具,它包括服务于整个建设生产周期的所有软件,如设计、分析、模拟、造价等。当然,随着时间的推移,对BIM工具的技术和功能要求也会越来越高,BIM工具的界定标准也会不断提高,现在被认为达到BIM工具基本要求的设计、分析软件在将来可能就无法满足对BIM的界定标准^[4]。

(4)BIM模型架构

人们常以为BIM模型是一个单一的模型,但到了实际操作层面,由于项目所处的阶段不同、专业分工不同、实现目标不同等多种原因,项目的不同参与方还必须拥有各自的模型,例如,场地模型、建筑模型、结构模型、设备模型、施工模型、竣工模型等。这些模型是从属于项目总体模型的子模型,但规模比项目的总体模型要小。

所有的子模型都是在同一个基础模型上生成的,这个基础模型包括了建筑物最基本的构架:场地的地理坐标与范围、柱、梁、楼板、墙体、楼层、建筑空间等,而专业的子模型就是在基础模型的上面添加各自的专业构件形成的,这里专业子模型与基础模型的关系就相当一个引用与被引用的关系,基础模型的所有信息被各个子模型共享。

因此,BIM模型的架构通常包含有四个层次:子模型层、专业元素层、共享元素层和资源数据层(图2-1),这四层全部总体合成为项目的BIM模型。

图2-1　BIM模型架构图

BIM模型中各层应包括的元素如下:

①子模型层包括按照项目全生命周期中的不同阶段创建的子模型,也包括按照专业分工建立的专业子模型;

②专业元素层包含每个专业特有的构件元素及其属性信息,如结构专业的基础构件、给排水专业的管道构件等;

③共享元素层包括基础模型的共享构件、空间结构划分(如场地、楼层)、相关属性、相关过程(如任务过程、事件过程)、关联关系(如构件连接的关联关系、信息的关联关系)等元素,这里所表达的是项目的基本信息、各子模型的共性信息以及各子模型之间的关联关系;

④资源数据层应包括描述几何、材料、价格、时间、责任人、物理、技术标准等信息所需的基本数据。

在BIM模型的构建过程中,应保证以下几点内容^[5]:

①BIM软件宜采用开放的模型结构,也可采用自定义的模型结构。

②BIM软件创建的模型,其数据应能被完整提取和使用。

③子模型应根据不同专业或任务需求创建和统一管理,并确保相关子模型之间信息共享。

④模型应根据建设工程各项任务的进展逐步细化,其详细程度宜根据建设工程各项任务的需要和有关标准确定。