BIM技术在建筑施工项目管理中的应用及对建筑行业的影响

BIM对建筑业的绝大部分同行来说还是一种比较新的技术和方法，在BIM产生和普及应用之前及其过程中，建筑行业已经使用了不同种类的数字化及相关技术和方法，包括CAD、可视化、参数化、CAE、协同、BIM、IPD、VDC、精益建造、流程、互联网、移动通信、RFID等，下面对BIM技术体系进行简要介绍。

（一）BIM和CAD

BIM和CAD是两个天天要碰到的概念，因为目前工程建设行业的现状就是人人都在用着CAD，人人都知道了还有一个新东西叫作BIM，听到碰到的频率越来越高，而且用BIM的项目和人在慢慢多起来，这方面的资料也在慢慢多起来。

BIM和CAD这两个概念好像很清楚，仔细一琢磨好像不是那么容易讲清楚，下面用一个图（图1-4）来表述二者之间目前的关系，而我们想要得到的二者关系图（图1-5）。

图1-4　BIM和cad现状

图1-5　理想的BIM环境

（二）BIM和可视化

可视化是创造图像、图表或动画来进行信息沟通的各种技巧，自从人类产生以来，无论是沟通抽象的还是具体的想法，利用图画的可视化方法都已经成为一种有效的手段。

从这个意义上来说，实物的建筑模型、手绘效果图、照片、电脑效果图、电脑动画都属于可视化的范畴，符合“用图画沟通思想”的定义，但是二维施工图不是可视化，因为施工图本身只是一系列抽象符号的集合，是一种建筑业专业人士的“专业语言”，而不是一种“图画”，因此施工图属于“表达”范畴，也就是把一件事情的内容讲清楚，但不包括把一件事情讲的容易沟通。

当然，我们这里说的可视化是指电脑可视化，包括电脑动画和效果图等。有趣的是，大家约定成俗地对电脑可视化的定义与维基百科的定义完全一致，也和建筑业本身有史以来的定义不谋而合。

如果我们把BIM定义为建设项目所有几何、物理、功能信息的完整数字表达或者称之为建筑物的DNA的话，那么2DCAD平、立、剖面图纸可以比作是该项目的心电图、B超和X光，而可视化就是这个项目特定角度的照片或者录像，即2D图纸和可视化都只是表达或表现了项目的部分信息，但不是完整信息。

在目前CAD和可视化作为建筑业主要数字化工具的时候，CAD图纸是项目信息的抽象表达，可视化是对CAD图纸表达的项目部分信息的图画式表现，由于可视化需要根据CAD图纸重新建立三维可视化模型，因此时间和成本的增加以及错误的发生就成为这个过程的必然结果，更何况CAD图纸是在不断调整和变化的，这种情形下，要让可视化的模型和CAD图纸始终保持一致，成本会非常高，一般情形下，效果图看完也就算了，不会去更新保持和CAD图纸一致。这也就是为什么目前情况下项目建成的结果和可视化效果不一致的主要原因之一。

使用BIM以后这种情况就变过来了。首先，BIM本身就是一种可视化程度比较高的工具，而可视化是在BIM基础上的更高程度的可视化表现。其次，由于BIM包含了项目的几何、物理和功能等完整信息，可视化可以直接从BIM模型中获取需要的几何、材料、光源、视角等信息，不需要重新建立可视化模型，可视化的工作资源可以集中到提高可视化效果上来，而且可视化模型可以随着BIM设计模型的改变而动态更新，保证可视化与设计的一致性。第三，由于BIM信息的完整性以及与各类分析计算模拟软件的集成，拓展了可视化的表现范围，例如4D模拟、突发事件的疏散模拟、日照分析模拟等。

（三）BIM和参数化建模

1.什么不是参数化建模

一般的CAJD系统，确定图形元素尺寸和定位的是坐标，这不是参数化。为了提高绘图效率，在上述功能基础上可以定义规则来自动生成一些图形，例如复制、阵列、垂直、平行等，这也不是参数化。道理很简单，这样生成的两条垂直的线，其关系是不会被系统自动维护的，用户编辑其中的一条线，另外一条不会随之变化。在CAD系统基础上，开发对于特殊工程项目（例如水池）的参数化自动设计应用程序，用户只要输入几个参数（如直径、高度等），程序就可以自动生成这个项目的所有施工图、材料表等，这还不是参数化。有两点原因：这个过程是单向的，生成的图形和表格已经完全没有智能（这个时候如果修改某个图形，其他相关的图形和表格不会自动更新）；这种程序对能处理的项目限制极其严格，也就是说，嵌入其中的专业知识极其有限。为了使通用的CAD系统更好地服务于某个行业或专业，定义和开发面向对象的图形实体（被称之为“智能对象”），然后在这些实体中存放非几何的专业信息（如墙厚、墙高等），这些专业信息可用于后续的统计分析报表等工作，这仍然不是参数化。理由如下：

用户自己不能定义对象（例如一种新的门），这个工作必须通过API编程才能实现。

用户不能定义对象之间的关系（例如把两个对象组装起来变成一个新的对象）。

非几何信息附着在图形实体（智能对象）上，几何信息和非几何信息本质上是分离的，因此需要专门的工作或工具来检查几何信息和非几何信息的一致性和同步，当模型大到一定程度以后，这个工作慢慢变成实际上的不可能。

2.什么是参数化建模

图形由坐标确定，这些坐标可以通过若干参数来确定。例如，要确定一扇窗的位置，我们可以简单地输入窗户的定位坐标，也可以通过几个参数来定位：如放在某段墙的中间、窗台高度900mm、内开，这样这扇窗在这个项目的生命周期中就跟这段墙发生了永恒的关系，除非被重新定义。而系统则把这种永恒的关系记录了下来。

参数化建模是用专业知识和规则（而不是几何规则，用几何规则确定的是一种图形生成方法，例如两个形体相交得到一个新的形体等）来确定几何参数和约束的一套建模方法，宏观层面我们可以总结出参数化建模的如下几个特点：

参数化对象是有专业性或行业性的，例如门、窗、墙等，而不是纯粹的几何图元；（因此基于几何元素的CAD系统可以为所有行业所用，而参数化系统只能为某个专业或行业所用）。

这些参数化对象（在这里就是建筑对象）的参数是由行业知识（Domain Knowledge）来驱动的，例如，门窗必须放在墙里面，钢筋必须放在混凝土里面，梁必须要有支撑等。

行业知识表现为建筑对象的行为，即建筑对象对内部或外部刺激的反应，如层高变化楼梯的踏步数量自动变化等。

参数化对象对行业知识广度和深度的反应模仿能力决定了参数化对象的智能化程度，也就是参数化建模系统的参数化程度。

微观层面，参数化模型系统应该具备下列特点：

可以通过用户界面（而不是像传统CAD系统那样必须通过API编程接口）创建形体，以及对几何对象定义和附加参数关系和约束，创建的形体可以通过改变用户定义的参数值和参数关系进行处理。

用户可以在系统中对不同的参数化对象（如一堵墙和一扇窗）之间施加约束。

对象中的参数是显式的，这样某个对象中的一个参数可以用来推导其他空间上相关的对象的参数。

施加的约束能够被系统自动维护（如两墙相交，一墙移动时，另一墙体需自动缩短或增长以保持与之相交）。应该是3D实体模型。应该是同时基于对象和特征的。

3.BIM和参数化建模

BIM是一个创建和管理建筑信息的过程，而这个信息是可以互用和重复使用的。BIM系统应该有以下几个特点：

基于对象的；使用三维实体几何造型；具有基于专业知识的规则和程序；使用一个集成和中央的数据仓库。

从理论上说，BIM和参数化并没有必然联系，不用参数化建模也可以实现BIM，但从系统实现的复杂性、操作的易用性、处理速度的可行性、软硬件技术的支持性等几个角度综合考虑，就目前的技术水平和能力来看，参数化建模是BIM得以真正成为生产力的不可或缺的基础。

（四）BIM和CAE

简单地讲，CAE就是国内同行常说的工程分析、计算、模拟、优化等软件，这些软件是项目设计团队决策信息的主要提供者。CAE的历史比CAD早，当然更比BIM早，电脑的最早期应用事实上是从CAE开始的，包括历史上第一台用于计算炮弹弹道的ENIAC计算机，干的工作就是CAE。

CAE涵盖的领域包括以下几个方面：

（1）使用有限元法，进行应力分析，如结构分析等。

（2）使用计算流体动力学进行热和流体的流动分析，如风-结构相互作用等。

（3）运动学，如建筑物爆破倾倒历时分析等。

（4）过程模拟分析，如日照、人员疏散等。(www.xing528.com)

（5）产品或过程优化，如施工计划优化等。

（6）机械事件仿真。

一个CAE系统通常由前处理、求解器和后处理三个部分组成。

前处理：根据设计方案定义用于某种分析、模拟、优化的项目模型和外部环境因素（统称为作用，例如荷载、温度等）。

求解器：计算项目对于上述作用的反应（例如变形、应力等）。

后处理：以可视化技术、数据CAE集成等方式把计算结果呈现给项目团队，作为调整、优化设计方案的依据。

目前大多数情况下，CAD作为主要设计工具，CAD图形本身没有或极少包含各类CAE系统所需要的项目模型非几何信息（如材料的物理、力学性能）和外部作用信息，在能够进行计算以前，项目团队必须参照CAD图形使用CAE系统的前处理功能重新建立CAE需要的计算模型和外部作用；在计算完成以后，需要人工根据计算结果用CAD调整设计，然后再进行下一次计算。

由于上述过程工作量大、成本过高且容易出错，因此大部分CAE系统只好被用来对已经确定的设计方案的一种事后计算，然后根据计算结果配备相应的建筑、结构和机电系统，至于这个设计方案的各项指标是否达到了最优效果，反而较少有人关心，也就是说，CAE作为决策依据的根本作用并没有得到很好发挥。

CAE在CAD以及前CAD时代的状况，可以用一句话来描述：有心杀贼，无力回天。

由于BIM包含了一个项目完整的几何、物理、性能等信息，CAE可以在项目发展的任何阶段从BIM模型中自动抽取各种分析、模拟、优化所需要的数据进行计算，这样项目团队根据计算结果对项目设计方案调整以后又立即可以对新方案进行计算，直到满意的设计方案产生为止。

因此可以说，正是BIM的应用给CAE带来了第二个春天（电脑的发明是CAE的第一个春天），让CAE回归了真正作为项目设计方案决策依据的角色。

（五）BIM和GIS

在GIS（地理信息系统）及其以此为基础发展起来的领域，有三个流行名词跟我们现在要谈的这个话题有关，对这三个流行名词，不知道作者以下的感觉跟各位同行有没有一些共鸣？GIS：用起来不错；数字城市：听上去很美；智慧地球：离现实太远。

不管如何反应，这样的方向我们还是基本认可的，而且在保证人身独立、自由、安全不受侵害的情况下，甚至我们还是有些向往的。至少现在出门查行车路线、聚会找饮食娱乐场所、购物了解产品性能销售网点等事情做起来的方便程度是以前不敢想象的吧。

大家知道，任何技术归根结底都是为人类服务的，人类基本上就两种生存状态：不是在房子里，就是在去房子的路上。抛开精确的定义，用最简单的概念进行划分，GIS是管房子外面的（道路、燃气、电力、通信、供水），BIM（建筑信息模型）是管房子里面的（建筑、结构、机电）。

说到这儿，没给CAD任何露脸的机会，CAD可能会有意见，咱们得给CAD一个明确的定位：CAD不是用来“管”的，而是用来“画”的，既能画房子外面的，也能画房子里面的。

技术是为人类服务的，人类是生活在地球上一个一个具体的位置上的（就是去了月球也还是与位置有关），按照GIS的这个定义，GIS应该是房子外面房子里面都能管的，至少GIS自己具有这样的远大理想。

但是在BIM出现以前，GIS始终只能待在房子外面，因为房子里面的信息是没有的。BIM的应用让这个局面有了根本性的改变，而且这个改变的影响是双向的：

对GIS而言：由于CAD时代不能提供房子里面的信息，因此把房子画成一个实心的盒子天经地义。但是现在如果有人提供的不是CAD图，而是BIM模型呢？GIS总不能把这些信息都扔了，还是用实心盒子代替房子吧？

对BIM而言：房子是在已有的自然环境和人为环境中建设的，新建的房子需要考虑与周围环境和已有建筑物的互相影响，不能只管房子里面的事情，而这些房子外面的信息GIS系统里面早已经存在了，BIM应该如何利用这些GIS信息避免重复工作，从而建设和谐新房子呢？

BIM和GIS的集成和融合能给人类带来的价值将是巨大的，方向也是明确的。但是从实现方法来看，无论在技术上还是管理上都还有许多需要讨论和解决的困难和挑战，至少有一点是明确的，简单地在GIS系统中使用BIM模型或者反之，目前都还不是解决问题的办法。

（六）BIM和BLM

工程建设项目的生命周期主要由两个过程组成：第一是信息过程，第二是物质过程。施工开始以前的项目策划、设计、招投标的主要工作就是信息的生产、处理、传递和应用；施工阶段的工作重点虽然是物质生产（把房子建造起来），但是其物质生产的指导思想却是信息（施工阶段以前产生的施工图及相关资料），同时伴随施工过程还在不断生产新的信息（材料、设备的明细资料等）；使用阶段实际上也是一个信息指导物质使用（空间利用、设备维修保养等）和物质使用产生新的信息（空间租用信息、设备维修保养信息等）的过程。

BIM的服务对象就是上述建设项目的信息过程，可以从三个维度进行描述：第一维度-项目发展阶段：策划、设计、施工、使用、维修、改造、拆除；第二维度-项目参与方：投资方、开发方、策划方、估价师、银行、律师、建筑师、工程师、造价师、专项咨询师、施工总包、施工分包、预制加工商、供货商、建设管理部门、物业经理、维修保养、改建扩建、拆除回收、观测试验模拟、环保、节能、空间和安全、网络管理、CIO、风险管理、物业用户等，据统计，一般高层建筑项目的合同数在300个左右，由此大致可以推断参与方的数量；第三维度-信息操作行为：增加、提取、更新、修改、交换、共享、验证等。用一个形象的例子来说明工程建设行业对BIM功能的需求：在项目的任何阶段（例如设计阶段），任何一个参与方（例如结构工程师），在完成他的专业工作时（例如结构计算），需要和BIM系统进行的交互可以描述如下：

从BIM系统中提取结构计算所需要的信息（如梁柱墙板的布置、截面尺寸、材料性能、荷载、节点形式、边界条件等）。

利用结构计算软件进行分析计算，利用结构工程师的专业知识进行比较决策，得到结构专业的决策结果（例如需要调整梁柱截面尺寸）。

把上述决策结果（以及决策依据如计算结果等）返回增加或修改到BIM系统中。

而在这个过程中BIM需要自动处理好这样一些工作：每个参与方需要提取的信息和返回增加或修改的信息是不一样的；系统需要保证每个参与方增加或修改的信息在项目所有相关的地方生效，即保持项目信息的始终协调一致。

BIM对建设项目的影响有多大呢？美国和英国的相应研究都认为这样的系统的真正实施可以减少项目30%～35%的建设成本。

虽然从理论上来看，BIM并没有规定使用什么样的技术手段和方法，但是从实际能够成为生产力的角度来分析，下列条件将是BIM得以真正实现的基础：

需要支持项目所有参与方的快速和准确决策，因此这个信息一定是三维形象容易理解不容易产生歧义的；对于任何参与方返回的信息增加和修改必须自动更新整个项目范围内所有与之相关联的信息，非参数化建模不足以胜任；需要支持任何项目参与方专业工作的信息需要，系统必须包含项目的所有几何、物理、功能等信息。大家知道，这就是BIM。

对于数百甚至更多不同类型参与方各自专业的不同需要，没有一个单个软件可以完成所有参与方的所有专业需要，必须由多个软件去分别完成整个项目开发、建设、使用过程中各种专门的分析、统计、模拟、显示等任务，因此软件之间的数据互用必不可少。

建设项目的参与方来自不同的企业、不同的地域甚至讲不同的语言，项目开发和建设阶段需要持续若干年，项目的使用阶段需要持续几十年甚至上百年，如果缺少一个统一的协同作业和管理平台其结果将无法想象。

因此，也许可以这样说：BIM=BIM+互用+协同。但是BIM离我们很遥远，需要我们把BIM、互用、协同做好，一步一个脚印地走下去，实现这个目标。

（七）BIM和RFID

RFID（无线射频识别、电子标签）并不是什么新技术，在金融、物流、交通、环保、城市管理等很多行业都已经有广泛应用，远的不说，每个人的二代身份证就使用了RFID。介绍RFID的资料非常多，这里不想重复。

从目前的技术发展状况来看，RFID还是一个正在成为现实的不远未来——物联网的基础元素，当然大家都知道还有一个比物联网更“美好”的未来——智慧地球。互联网把地球上任何一个角落的人和人联系了起来，靠的是人的智慧和学习能力，因为人有脑袋。但是物体没有人的脑袋，因此物体（包括动物，应该说除人类以外的任何物体）无法靠纯粹的互联网联系起来。而RFID作为某一个物体的带有信息的具有唯一性的身份证，通过信息阅读设备和互联网联系起来，就成为人与物和物与物相连的物联网。从这个意义来说，我们可以把RFID看作是物体的“脑”。简单介绍了RFID以后，再回头来看看影响建设项目按时、按价、按质完成的因素，基本上可以分为两大类：

（1）由于设计和计划过程没有考虑到的施工现场问题（例如管线碰撞、可施工性差、工序冲突等），导致现场窝工、待工。这类问题可以通过建立项目的BIM模型进行设计协调和可施工性模拟，以及对施工方案进行4D模拟等手段，在电脑中把计划要发生的施工活动都虚拟地做一遍来解决。

（2）施工现场的实际进展和计划进展不一致，现场人员手工填写报告，管理人员不能实时得到现场信息，不到现场无法验证现场信息的准确度，导致发现问题和解决问题不及时，从而影响整体效率。BIM和RFID的配合可以很好地解决这类问题。没有BIM以前，RFID在项目建设过程中的应用主要限于物流和仓储管理，和BIM技术的集成能够让RFID发挥的作用大大超越传统的办公和财务自动化应用，直指施工管理中的核心问题——实时跟踪和风险控制。

RFID负责信息采集的工作，通过互联网传输到信息中心进行信息处理，经过处理的信息满足不同需求的应用。如果信息中心用excel表或者关系数据库来处理RFID收集来的信息，那么这个信息的应用基本上就只能满足统计库存、打印报表等纯粹数据操作层面的要求；反之，如果使用BIM模型来处理信息，在BIM模型中建立所有部品部件的与RFID信息一致的唯一编号，那么这些部品部件的状态就可以通过RFHX智能手机、互联网技术在BIM模型中实时地表示出来。

在没有RFID的情况下，施工现场的进展和问题依靠现场人员填写表格，再把表格信息通过扫描或录入方式报告给项目管理团队，这样的现场跟踪报告实时吗？不可能。准确吗？不知道。在只使用RHD，没有使用BIM的情况下，可以实时报告部品部件的现状，但是这些部品部件包含了整个项目的哪些部分？有了这些部品部件明天的施工还缺少其他的部品部件吗？是否有多余的部品部件过早到位而需要在现场积压比较长的时间呢？这些问题都不容易回答。

当RFID的现场跟踪和BIM的信息管理和表现结合在一起的时候，上述问题迎刃而解。部品部件的状况通过RFID的信息收集形成了BIM模型的4D模拟，现场人员对施工进度、重点部位、隐蔽工程等需要特别记录的部分，根据RFID传递的信息，把现场的照片资料等自动记录到BIM模型的对应部品部件上，管理人员对现场发生的情况和问题了如指掌。