工程數(shù)字化BIM關(guān)鍵技術(shù)研究

趙杏英， 易思蓉， 宋迪， 陳沉， 楊冬營， 王振

（1. 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司；2. 浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司；3. 浙江省工程數(shù)字化技術(shù)研究中心；4. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院；5. 西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室）

1 引言

BIM（Building Information Modeling）作為產(chǎn)品時，譯為建筑信息模型，是指用三維數(shù)字技術(shù)表達工程項目實體與特性的數(shù)據(jù)模型，它能夠匯總集成工程項目的各類信息；作為過程時，譯為建筑信息建模，是指建立、運用和管理建筑信息模型的過程[1]。工程數(shù)字化BIM不僅包括狹義的建筑信息模型和建筑信息建模，還涵蓋與BIM系統(tǒng)相關(guān)的理論、技術(shù)、平臺等。根據(jù)國務(wù)院頒布的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2012〕28號），工程數(shù)字化BIM產(chǎn)業(yè)作為新一代信息技術(shù)在建設(shè)領(lǐng)域的創(chuàng)新載體，應(yīng)作為重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[2]。

BIM技術(shù)引進我國已有十余年之久，已經(jīng)得到市場的初步認可，但就整體市場而言，BIM滲透率仍然較低，我國BIM技術(shù)的應(yīng)用還處于初級階段[3]。我國企業(yè)多使用歐美市場上的BIM軟件系統(tǒng)，難以將符合我國技術(shù)標準、規(guī)范要求的成熟建造技術(shù)軟件化，構(gòu)成國內(nèi)建造業(yè)信息化的瓶頸，嚴重影響建造業(yè)的自主創(chuàng)新和后續(xù)發(fā)展能力[4]。為打破歐美發(fā)達國家對BIM領(lǐng)域核心技術(shù)的壟斷，本文對BIM關(guān)鍵技術(shù)進行了深入挖掘，分析工程化數(shù)字BIM關(guān)鍵技術(shù)，概括國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的不足和應(yīng)對措施，能夠為國內(nèi)BIM技術(shù)的發(fā)展提供思路，豐富具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果。

2 工程數(shù)字化BIM特點及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工程數(shù)字化BIM特點

工程數(shù)字化BIM獨有特點也是其關(guān)鍵技術(shù)所在。與傳統(tǒng)的建筑業(yè)相比，BIM的特點有幾點[5-7]。

1）可視化：在BIM應(yīng)用的整個過程都是可視的，以此實現(xiàn)構(gòu)件間的互動與反饋。

2）協(xié)調(diào)性：BIM建筑信息模型能夠?qū)⒏鲗I(yè)碰撞問題生成為協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，以此解決一系列協(xié)調(diào)問題。

3）模擬性：BIM除能模擬建筑物模型外，還能在項目建設(shè)中根據(jù)實際情況對各個環(huán)節(jié)進行模擬。

4）優(yōu)化性：BIM模型能夠提供項目各種信息數(shù)據(jù)，對復(fù)雜程度較高的項目方案優(yōu)化具有重要意義。

5）可出圖性：BIM技術(shù)能夠從三維模型中生成方便工程師查看的二維圖紙，不僅提高了工作效率，還保證了出圖質(zhì)量。

6）一體化：BIM技術(shù)形成的三維模型數(shù)據(jù)庫可以容納項目全過程信息，能夠助力實現(xiàn)貫穿工程項目全壽命周期的一體化管理。

7）參數(shù)化：參數(shù)保存了構(gòu)件的所有信息，而構(gòu)件組成了BIM中的圖元。BIM模型修改的本質(zhì)是對參數(shù)的更改。

8）信息完備性與全息化：信息完備性指BIM技術(shù)能夠完整描述工程項目信息；全息化指BIM技術(shù)可進行貫穿項目全生命周期的信息一體化管理。

2.2 工程數(shù)字化BIM關(guān)鍵技術(shù)

工程數(shù)字化BIM在項目不同階段關(guān)鍵技術(shù)需求不同，但都存在一個基礎(chǔ)問題，即基于IFC數(shù)據(jù)交換的標準問題，它既關(guān)系到工程數(shù)字化BIM產(chǎn)品的全生命周期信息一體化，也關(guān)系到BIM應(yīng)用的效益和可持續(xù)性。

1）基于IFC的BIM標準

IFC（Industry Foundation Classes）譯為工業(yè)基礎(chǔ)類，是由國際協(xié)同聯(lián)盟（IAI）建立的一套能夠應(yīng)用于建筑項目全生命期內(nèi)各個階段及其間信息交換共享的數(shù)據(jù)標準[8]。IFC作為一類中間數(shù)據(jù)標準，可不依靠于任何具體的軟件系統(tǒng)而對建筑物全生命周期所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行描述[9]。

IFC的體系結(jié)構(gòu)可劃分為四個層次，由上往下分別為領(lǐng)域?qū)?、交互層、核心層以及資源層[10]。這些包含著模型信息描述模塊的功能層次都遵守著同一個“重力準則”[11]，即每個功能層次只能引用同級或下層的信息描述，無法向上引用。這樣下層信息資源不會受到上層信息資源變動的影響，確保了穩(wěn)定的信息描述[12-13]。

2）三維圖形支撐平臺

三維圖形支撐平臺作為BIM建模以及BIM相關(guān)產(chǎn)品的底層支撐平臺[14]，能滿足BIM應(yīng)用在渲染速度質(zhì)量、顯示速度、模型建造和編輯效率等各方面的需求[15]。三維圖形支撐平臺的核心關(guān)鍵技術(shù)包括[8]：圖形數(shù)據(jù)庫技術(shù)、大模型數(shù)據(jù)顯示技術(shù)、大場景數(shù)據(jù)高效組織與渲染技術(shù)以及參數(shù)化模型描述技術(shù)。其中，圖形數(shù)據(jù)庫技術(shù)支持數(shù)據(jù)緩存與動態(tài)加載、幾何數(shù)據(jù)與空間索引以及數(shù)據(jù)模型協(xié)同編輯，參數(shù)化模型描述技術(shù)多為基于約束的模板實例建模。

3 國內(nèi)在BIM關(guān)鍵技術(shù)方面的不足

3.1 可視化建模方面的不足

因為需要對大量二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)進行加工創(chuàng)建，所以BIM在數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)方面要求很高[16]。但與國外相比，國內(nèi)建設(shè)項目信息化水平還相對落后。至今有相當(dāng)一部分的企業(yè)項目數(shù)據(jù)采集使用人工查詢、手動上傳系統(tǒng)的落后方式，這種方式不僅精細度低，還要耗費大量時間，不利于后續(xù)模型交互對接工作。

3.2 基于BIM的協(xié)同性問題

目前，國內(nèi)大部分中小型設(shè)計院對BIM的使用相對較少，而大型設(shè)計院在BIM協(xié)同設(shè)計方面略有嘗試和進展[17]，但大部分應(yīng)用還是在一些大型公共建設(shè)及重點項目上，對常規(guī)項目的應(yīng)用仍然較少。

BIM應(yīng)用過程中缺少協(xié)同設(shè)計，尤其在國內(nèi)項目運作中[18]，項目不同階段、專業(yè)及參與方信息缺少統(tǒng)籌管理，BIM相關(guān)軟件涉及不同專業(yè)，而項目協(xié)同設(shè)計與否，對能夠充分實現(xiàn)BIM的價值至關(guān)重要[19]。

另外BIM設(shè)計需要從相對獨立的本專業(yè)設(shè)計到多個專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，各個專業(yè)的軟件掌握和應(yīng)用程度參差不齊，影響了專業(yè)間的協(xié)調(diào)與合作。

3.3 國產(chǎn)BIM軟件發(fā)展不夠成熟

與國外成熟前沿的BIM技術(shù)軟件相比，國內(nèi)對這類軟件的研究仍處于起步階段。從國內(nèi)BIM關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展程度來說，除了在算量軟件這類BIM核心建模軟件上已有一定的優(yōu)勢外，對BIM核心建模軟件的開發(fā)還有較大缺失。我國BIM軟件研發(fā)處于空白狀態(tài)的高達8種，僅有幾款自主開發(fā)但尚不能在各方面均滿足相關(guān)功能需求的軟件。但軟件的開發(fā)研究工作是一個漫長發(fā)展的過程，很難在朝夕之間得到突破。

3.4 可出圖性方面的不足

BIM技術(shù)的終極理念是希望將設(shè)計階段建立的三維模型，通過相關(guān)軟件的處理直接生成施工階段的模型，保證設(shè)計階段BIM模型的有效利用，以此實現(xiàn)面向項目全生命期的建筑信息模型的建立。但是因為缺乏設(shè)計階段到施工階段模型數(shù)據(jù)信息對接的有效接口，這樣的BIM理念在國內(nèi)現(xiàn)階段還無法真正實現(xiàn)[20]。在目前大多數(shù)項目BIM建設(shè)中，因為施工階段對模型數(shù)據(jù)信息的要求與設(shè)計階段不盡相同，都需利用設(shè)計階段的二維圖紙重新建模，需要投入大量的人力物力，重復(fù)高強度的建模工作，將施工階段BIM應(yīng)用推廣帶入了難以化解的困境。除了施工階段BIM應(yīng)用面臨如此困境外，運營維護階段同樣無法避免這樣的現(xiàn)實困難。

3.5 一體化性

現(xiàn)階段項目實際建設(shè)過程中在其設(shè)計、施工以及運維階段都缺乏有效的集成管理，各階段間信息溝通并不流暢。因此即使BIM理念能夠貫穿項目全生命周期，對項目設(shè)計、施工和后期運營管理集成都有重大意義，也無法實現(xiàn)項目信息化的橫向貫穿。在對國內(nèi)廣泛使用且處于行業(yè)前沿的各種功能軟件深入研究發(fā)現(xiàn)[21]，各類軟件雖在實際運用中少有交互，但實際各軟件之間均存在相互溝通的可能。而BIM在項目運維階段尚未得到充分運用發(fā)展，導(dǎo)致運維階段在項目全壽命周期仍處于孤島狀態(tài)，要想真正實現(xiàn)BIM理念全生命周期應(yīng)用，不僅僅要解決諸多技術(shù)問題，更應(yīng)注重統(tǒng)籌管理。

3.6 模擬性

首先，從本質(zhì)上來說，BIM技術(shù)的本質(zhì)是構(gòu)建信息流以消除信息不對稱，所以在使用過程中，項目各方BIM模型的統(tǒng)一是前提條件。但在現(xiàn)實應(yīng)用過程中，存在很多信息（模型）不統(tǒng)一的情況[22]。重復(fù)建模、一模一用等在應(yīng)用各階段“各自為戰(zhàn)”的情況十分普遍。國內(nèi)幾乎所有專業(yè)軟件僅適用于全壽命周期中的某個或某幾個階段，且缺乏完整的信息交互渠道，如果沒有在各應(yīng)用階段無縫銜接交互操作的能力，BIM技術(shù)帶來的效益可能會被各階段間交互成本抵消，不僅沒有做到消除信息不對稱，反而可能制造了信息不對稱的情況，完全違背了BIM技術(shù)的初衷，不僅造成了大量人力物力財力的浪費，還無法完全發(fā)揮信息模型的價值。

4 國內(nèi)突破關(guān)鍵技術(shù)的對策

BIM作為信息交流平臺，能集成建筑全過程各階段各方信息，支持多方、多人協(xié)作，實現(xiàn)及時溝通、緊密協(xié)作、有效管理，其應(yīng)用與推廣將對行業(yè)的進步、轉(zhuǎn)型以及升級均產(chǎn)生難以估量的影響。

4.1 加強BIM標準體系構(gòu)建的相關(guān)策略

4.1.1 制定基于IFC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準

目前，作為BIM數(shù)據(jù)標準的IFC標準在世界上已經(jīng)發(fā)展成熟[23]，但現(xiàn)階段我國在這方面只是引入了IFC標準的平臺部分，對國外標準的研究還比較薄弱[24]。結(jié)合我國建設(shè)工程的實際，對標準的拓展工作更是少之又少。因此不僅高校和科研機構(gòu)應(yīng)支持這方面研究工作，國家有關(guān)部門也應(yīng)給予高度重視。

4.1.2 促進建設(shè)項目全生命周期中及各參與方對于BIM 標準體系的構(gòu)建

能否切實發(fā)揮BIM技術(shù)協(xié)同作業(yè)的優(yōu)勢是其能否取得應(yīng)有的效益和價值最為關(guān)鍵的問題之一。應(yīng)基于多方合作，為了共同的利益在項目全生命周期過程中積極協(xié)同合作、共同決策、知識共享、信息共享。根據(jù)國家、市場、行業(yè)、企業(yè)內(nèi)部等的要求制訂所有項目參與主體可共同遵循的BIM標準，并貫穿整個項目全生命周期[25]。

4.1.3 加強對標準的實施與環(huán)境創(chuàng)造

BIM標準體系涉及很多層次，不僅需要國家標準進行支持，還需要企業(yè)標準進行有效配合，從而形成一整套基準線。相關(guān)人員還要以此基準線為基礎(chǔ)，對企業(yè)標準來科學(xué)指導(dǎo)，一方面可以促進標準體系順利實施，另一方面能夠使其在建筑工程中得到有效體現(xiàn)。

加大對BIM技術(shù)的應(yīng)用以及推廣，創(chuàng)造良好的應(yīng)用環(huán)境，這樣既可以增強參與主體對BIM標準體系的認同感，還可以對體系實施情況進行有效監(jiān)督。在這個過程中，政府要發(fā)布政策進行支持，使市場以及企業(yè)都積極遵循BIM標準的相關(guān)內(nèi)容，一方面可以使信息更加透明，另一方面能夠促進建筑產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，從而達到信息化標準。

4.2 發(fā)展BIM+現(xiàn)代信息技術(shù)，研發(fā)國產(chǎn)BIM軟件

雖然發(fā)達國家技術(shù)成熟的BIM軟件已進入國內(nèi)市場并得到廣泛使用，但不能僅僅依靠它們。因為這些國外的軟件技術(shù)無法完美契合我國設(shè)計規(guī)范要求，并且從更深層次的發(fā)展規(guī)劃來說，形成我國自主知識產(chǎn)權(quán)的BIM應(yīng)用軟件對免受國外技術(shù)約束、制造國內(nèi)新的經(jīng)濟增長點具有非常重要的意義[26-27]。

隨著BIM技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的不斷推進，BIM技術(shù)已從單一的BIM軟件應(yīng)用轉(zhuǎn)向多軟件集成應(yīng)用方向，從桌面應(yīng)用轉(zhuǎn)向云端和移動客戶端輕量化方向，從單項應(yīng)用轉(zhuǎn)向綜合應(yīng)用方向發(fā)展，并呈現(xiàn)出BIM+的新特點，使BIM應(yīng)用在工程建設(shè)行業(yè)不斷向縱深發(fā)展，給行業(yè)的工作方式和工作思路帶來了革命性的改變。BIM+現(xiàn)代技術(shù)可從BIM+GIS、BIM+云計算、BIM+VR、BIM+AR以及BIM+人工智能等幾方面進行突破。

5 結(jié)語

從近年來國內(nèi)針對BIM發(fā)展出臺的相關(guān)政策來看，政府對其發(fā)展非常重視。我國工程化數(shù)字BIM發(fā)展采用了政策推進市場的模式，雖然國內(nèi)BIM發(fā)展尚存一些亟待解決的問題，與國外實踐也有較大差距，但國內(nèi)對BIM政策支持更有力，行業(yè)發(fā)展還有非常大的潛力和空間。此外，中國在建設(shè)工程體量上走在世界前列，加之國家在信息化水平的努力追趕超越，相信BIM技術(shù)在不久的將來也會取得突破性進展。