BIM技术的研究与应用

1、BIM 技术的研究与应用项目承担单位：中国建筑科学研究院 课题承担单位：清华大学 子课题承担单位：清华大学 子课题负责人：张建平 文 / 清华大学张建平 作者简介 张建平，清华大学土木工程系教授、博士生导师，主要从事土木工程CAD/CAE 、4D-CAD 、建设领域信息化、智能信息处理技术、数字减灾及智能决策技术、 BIM 及建筑生命期管理等方面的研究，近 几年主持了包括国家 “十五 ”、“十一五 ”科技支撑计划课题、国家自然科学基金项目、北京市科委项目、国际 合作以及奥运工程等在内的几十项研究项目。在建筑工程领域，如果将 CAD 技术的应用视为建筑工程设计的第一次变革，建筑信息模型(BIM

2、，Building Information Molding )的出现将引发整个 A/E/C ( Architecture/ Engineering/Construction)领域的第二次革命。 BIM 研究的目的是从根本上解决项目规划、设计、施工、维护管理各阶段及应用系统之间 的信息断层，实现全过程的工程信息管理乃至建筑生命期管理(Building Lifecycle Management, BLM )。然而，由于建筑业本身所固有的特性，如产业结构的分散性、工程对象的唯一性、工程信息的复杂性等， 使得 BIM 的实现异常复杂且艰难。国际协同工作联盟( IAI )推出的 IFC ( Indust

3、ry Foundation Classes )为 BIM 的实现提供了建筑产品数据表达与交换的标准，标志着 BIM 概 念的成熟，推动 BIM 技术的发展。 BIM 已成为当前建设领域信息技术的研究和应用热点。一、何谓 BIMBIM 的理论基础主要源于制造行业集 CAD 、CAM 于一体的计算机集成制造系统 CIMS (Computer Integrated Manufacturing System )理念和基于产品数据管理 PDM 与 STEP 标准的产品信息模型。 BIM 是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型， BIM 是对工程项目设施实 体与功能特性的数字

4、化表达。一个完善的信息模型，能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资 源，是对工程对象的完整描述，可被建设项目各参与方普遍使用。 BIM 具有单一工程数据源，可解决分布 式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共 享。 BIM 一般具有以下特征。模型信息的完备性。除了对工程对象进行 3D 几何信息和拓扑关系的描述，还包括完整的工程信息描 述，如对象名称、结构类型、建筑材料、工程性能等设计信息；施工工序、进度、成本、质量以及人力、 机械、材料资源等施工信息；工程安全性能、材料耐久性能等维护信息；对象之间的工程逻辑关系等。模型信息的关联性。信

5、息模型中的对象是可识别且相互关联的，系统能够对模型的信息进行统计和分 析，并生成相应的图形和文档。如果模型中的某个对象发生变化，与之关联的所有对象都会随之更新，以 保持模型的完整性和健壮性。模型信息的一致性。在建筑生命期的不同阶段模型信息是一致的，同一信息无需重复输入，而且信息 模型能够自动演化，模型对象在不同阶段可以简单地进行修改和扩展而无需重新创建，避免了信息不一致 的错误。二、BIM 的价值 具体而言， BIM 的应用具有以下价值。1、解决当前建筑领域信息化的瓶颈问题 建立单一工程数据源。工程项目各参与方使用的是单一信息源，确保信息的准确性和一致性。实现项目各参与方之间的信息交流和共享。

6、从根本上解决项目各参与方基于纸介质方式进行信息交流形成的 “信 息断层 ”和应用系统之间 “信息孤岛 ”问题。推动现代 CAD 技术的应用。全面支持数字化的、采用不同设计方法的工程设计，尽可能采用自动化设计 技术，实现设计的集成化、网络化和智能化。促进建筑生命期管理，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， 对建设项目生命期总成本、能源消耗、环境影响等进行分析、预测和控制。2、基于 BIM 的工程设计实现三维设计。能够根据 3D 模型自动生成各种图形和文档，而且始终与模型逻辑相关，当模型发生 变化时，与之关联的图形和文档将自动更新；设计过程中所创建的对象存在着内建的

7、逻辑关联关系，当某 个对象发生变化时，与之关联的对象随之变化。实现不同专业设计之间的信息共享。各专业 CAD 系统可从信息模型中获取所需的设计参数和相关信息， 不需要重复录入数据，避免数据冗余、歧义和错误。实现各专业之间的协同设计。某个专业设计的对象被修改，其他专业设计中的该对象会随之更新。实现虚拟设计和智能设计。实现设计碰撞检测、能耗分析、成本预测等。3、基于 BIM 的施工及管理实现集成项目交付 IPD(Integrated Project Delivery )管理。 把项目主要参与方在设计阶段就集合在 一起，着眼于项目的全生命期，利用 BIM 技术进行虚拟设计、建造、维护及管理。实现动态

8、、集成和可视化的 4D 施工管理。将建筑物及施工现场 3D 模型与施工进度相链接，并与施 工资源和场地布置信息集成一体，建立 4D 施工信息模型。实现建设项目施工阶段工程进度、人力、材料、 设备、成本和场地布置的动态集成管理及施工过程的可视化模拟。实现项目各参与方协同工作。 项目各参与方信息共享， 基于网络实现文档、 图档和视档的提交、 审核、 审批及利用。项目各参与方通过网络协同工作，进行工程洽商、协调，实现施工质量、安全、成本和进度 的管理和监控。实现虚拟施工。在计算机上执行建造过程，虚拟模型可在实际建造之前对工程项目的功能及可建造性等潜 在问题进行预测，包括施工方法实验、施工过程模拟及施

9、工方案优化等。4、基于 BIM 的建筑运营维护管理综合应用 GIS 技术，将 BIM 与维护管理计划相链接，实现建筑物业管理与楼宇设备的实时监控相集 成的智能化和可视化管理。基于 BIM 进行运营阶段的能耗分析和节能控制。 结合运营阶段的环境影响和灾害破坏，针对结构损伤、材料劣化及灾害破坏，进行建筑结构安全性、耐久 性分析与预测。三、BIM 的研究对于 BIM 国内外一些知名大学率先展开了卓有成效的基础性研究。 1996 年美国斯坦福大学提出的 4D 模型，将建筑构件的 3D 模型与施工进度的各种工作相链接，动态地模拟这些构件的变化过程；新加 坡南洋理工大学提出了一个基于 IFC 的网络工作平

10、台，采用网络及 XML 技术进行信息交换，支持建筑设 计到结构分析的模型转换； 英国索尔福德大学提出的基于 IFC 信息模型的 4D 计划管理工具， 实现了施工 计划模拟、概预算以及施工项目假设分析。笔者及清华大学研究组于 2002 年研发的 4D 施工管理扩展模 型，将建筑物及其施工现场 3D 模型与施工进度相链接， 并与施工资源和场地布置信息集成一体， 2006 年 开发了基于 IFC 和 BIM 的 4D 建筑施工管理系统和物业智能管理系统。随着对信息建模研究的不断深入，一些著名软件开发商也提出了名称各异的信息模型概念。匈牙利Graphisoft 公司提出虚拟建筑( Virtual Bu

11、ilding, VB )的概念，并应用于建筑设计软件 ArchiCAD 中；美 国 Bentley 公司基于全信息建筑模型( Single Building Model ， SBM )，推1 、基于 IFC 的 BIM 基本架构基于 IFC 的 BIM 基本架构是一个包括数据层、模型层、应用层的网络 结构体系，其基本思路是随着工程项目的进展和需要分阶段创建 BIM ，即从项目规划到设计、施工、运营 不同阶段，针对不同的应用建立相应的子信息模型。各子信息模型能够自动演化，可以通过对上一阶段模 型进行数据提取、扩展和集成，形成本阶段信息模型，也可针对某一应用集成模型数据，生成应用子信息 模型，随着

12、工程进展最终形成面向建筑生命期的完整信息模型。2、面向设计与施工的 BIM 建模系统引入建筑业国际标准 IFC , 将建筑 3D 模型与设计、 施工及管理信息集成一体， 实现了 3D 模型参数化创建与显 示，建筑构件和体量、材料、进度、成本、质量、安全等信息关联、查看、编辑和扩展，模型的 IFC 格式 导入与导出等功能。本系统适用于各种建筑设计与施工阶段的 BIM 建模与编辑，为 BIM 创建提供了工具。2、面向设计与施工的 BIM 建模系统引入建筑业国际标准 IFC ， ，将建筑 3D 模型与设计、施工及管理 信息集成一体，实现了 3D 模型参数化创建与显示，建筑构件和体量、材料、进度、成本

13、、质量、安全等 信息关联、查看、编辑和扩展，模型的 IFC 格式导入与导出等功能。本系统适用于各种建筑设计与施工阶 段的 BIM 建模与编辑，为 BIM 创建提供了工具。3、基于 IFC 的 BIM 数据集成与管理平台可基于 BIM 工程数据库进行信息存储、 管理和高效的访问， 并基于子信息模型技术实现建设过程中 BIM 数 据积累、管理和共享。平台提供了 BIM 数据存储、维护、管理以及三维几何模型和材料、进度等工程信息 的浏览与查询功能，实现多用户的权限控制和并发访问。该平台为基于 BIM 的 AEC/FM 系统提供底层数 据支持，是面向建筑生命期工程信息管理的平台支撑。4. 建筑施工 I

14、FC 数据描述标准结合我国建筑施工信息管理的特点和相关国家及行业标准，在 IFC 标准研 究的基础上，编制了建筑施工 IFC 数据描述标准。标准基于 IFC 原有架构，应用 IFC 实体扩展和属性集 扩展机制，针对建筑施工的成本管理、 进度管理、质量管理、 安全管理及绿色施工的五个方面进行了 IFC 实 体和属性集扩展，共扩展IFC实体91个、IFC属性集126条，形成了构建建筑施工信息模型的IFC数据描述和体系结构。为实现工程设计、施工与运营维护的信息共享和交流，开发新一代建筑施工管理系统 提供了数据标准，填补了建筑施工统一数据描述标准的空白。5、基于 BIM 技术的建筑施工优化控制和管理系

15、统该系统研究基于 IFC 标准定义了施工管理领域涉及的人力、机械、材料等资源信息模型，通过建立将资源 信息模型与施工计划、成本和施工场地信息模型进行关联的信息集成机制，构建基于IFC 的施工优化信息模型。综合应用离散事件模拟、蒙特卡罗随机模拟和粒群优化算法的理论和方法，分析施工资源与施工工 期之间的动态关系以及不与施工工期之间的动态关系以及不确定性事件对工程工期的影响，实现了合理工 期条件下的施工资源和场地的优化，以及在一定资源和场地条件下对施工工序进行优化，并将4D 施工管理系统（ 4D-GCPSU ） ）与基于离散事件模拟的施工优化系统（ SDESA ） ）进行集成，实现 4D 施工 过程

16、优化以及施工操作的可视化模拟。该系统在北京奥运会国家体育场、广州珠江新城西塔等多个大型工 程示范应用，有效的辅助设计施工人员进行施工进度安排与优化，场地布置和施工操作优化，明显提高了 关键工序的施工效率和精度，提高了信息化管理水平。6、基于 BIM 的建筑工程 4D 施工管理及安全分析系统该系统研究发展 4D 模型理论，综合应用 BIM 技术，建立 4D 施工信息模型，实现了施工进度、资源、成本、场地的 4D 集成化动态管理和 4D 可视化模 拟。该系统引入 IFC 标准，开发 IFC 文件解析器和 IFC 数据转换接口，建立建筑施工安全管理和结构分 析的 IFC 数据描述，实现设计与施工信息

17、的交流与共享。通过直接获取结构设计信息，自动生成4D 施工安全信息模型，实现了施工过程时变结构和支撑体系的安全分析，进度、资源、成本的冲突分析和预测， 以及相应的预警机制和决策支持。通过建立施工场地设施时变空间模型，实现了施工设施与设施、设施与 建筑构件在施工过程中的动态碰撞检测。该系统在北京奥运会国家体育场、青岛海湾大桥、广州珠江新城西塔、上海金融交易广场等多个大型 工程示范应用，提高了施工效率，保障施工过程结构安全，减少了施工冲突，提高了信息化管理水平，取 得显著成效。四、BIM 的应用BIM 是一种全新的理念， 它涉及到从规划、设计理论到施工、 维护技术的一系列创新和变革， 是建筑 业信

18、息化的发展趋势。 BIM 的研究对于实现建筑生命期管理，提高建筑行业设计、施工、运营的科学技术 水平，促进建筑业全面信息化和现代化，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。目前， BIM 的应用在欧美发达国家正在迅速推进，如美国已推出国家 BIM 标准，规定房屋建筑设计 必须应用 BIM 技术，推行集成项目交付 IPD 管理模式。同时该行业的大力推进，使得 BIM 工程师、 BIM 经理、 BIM 咨询公司等新型职业和商机应运而生。与欧美发达国家相比，我国 BIM 应用起步并不晚，但 由于建筑企业和项目管理模式及水平的限制，致使其推广应用更为艰难。不过，国家的重视及行业发展的 需求，将极大促进 B

19、IM 更深层次的研究和广泛的推广应用。目前，我国 BIM 应用的主要推力表现在以下 三方面。1、国家支持的 BIM 研究成果应用我国 BIM 技术的基础性研究得到国家的大力支持，并取得了卓有成效的研究成果。如笔者完成的国家“十五 ”科技攻关计划课题研究成果 “基于 IFC 的建筑工程 4D 施工管理系统 ”，成功应用于国家体育场、青 岛海湾大桥、广州西塔等多个大型、复杂工程，专家评价属国内首创，填补了国内空白，达到国际先进水 平，荣获 2009 年“华夏建设科学技术一等奖 ”。清华大学和中国建筑科学研究院承担的国家 “十一五 ”科技支 撑项目课题 “建筑设计与施工一体化信息共享技术研究 ”，着重 BIM 的基础性研究， 已经完成了基于 IFC 的 BIM 体系架构建立， 开发了面向设计与施工的 BIM 建模系统、 BIM 数据集成管理平台及 BIM 数据库。 清 华大学承担的另一国家“十一五 ”科技支撑项目课题 “基于 BIM 技术的下一代建筑工程应用软件研究 ”，侧重于 BIM 应用软件的研 究，即将推出基于 BIM 技术的建筑设计、建筑成本预测、建筑节能设计、建筑施工优化、建筑工程安全分 析以及建筑工程耐久性评估等一系列应用软件。这些软件正在实际工程中示范应用，其进一步推广将大力 推进 BIM 的应用进程。2 、