ID及BIM技术在其中的应用

第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集 上海·2011IPD及BIM技术在其中的应用马智亮马健坤清华大学土木工程系，北京100084【摘要】IPD（IntegratedProjectDelivery，综合项目交付）作为一种全新的工程项目交付模式，已经在美国、澳大利亚和英国等发达国家得到应用，并趋于成熟。但是，IPD在我国还没有实际应用案例，其本身仍然存在着定义模糊、法律合同体系不完善等问题。BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）技术的出现为推进IPD的发展和完善提供了条件。本文在广泛文献调研的基础上，首先回顾了IPD的发展历程，介绍了IPD的定义、特征及其应用的关键——专属工程合同体系并总结了IPD在工程实践中面临的主要问题，之后归纳了采用BIM技术解决IPD现有问题、提升IPD实施效果的可行途径。本文对在我国利用IPD具有参考作用。【关键词】IPD，BIM，合同体系，工程项目交付根据美国劳工部从1964年到2003年共40年的统计资料，建筑业的生产能力和生成效率持续下降[1]。综合美国建筑工业协会和澳大利亚财政部的统计资料，截止本世纪初两国建筑市场上62%的项目竣工决算成本超预算，大约40%的项目逾期没有完工，30%左右的项目没有满足业主的使用需求[2-3]。面对建筑业对更高经济效益的追求和现代建筑物体量增大与复杂性上升对DBB（Design-Bid-Build，设计/招投标/建造）、CM（ConstructionManagement，建造管理）及DB（Design-Build，设计/建造）三种传统的建筑项目交付模式的挑战，上世纪90年代国外建筑业诞生了一种全新的建筑项目交付模式IPD（IntegratedProjectDelivery，综合项目交付）。在IPD的雏形诞生的同时，BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）也应运而生。随着国际工程实践经验的积累，BIM技术和IPD表现出越来越强的相互融合的倾向。本文将对IPD、BIM以及BIM技术在IPD中的应用分别进行综述，在此基础上指出相关技术的发展趋势。IPD简介1.1 IPD的定义上世纪90年代末，IPD的雏形最先在BP（BritishPetroleum，英国石油）公司的英国北海石油钻井平台项目中取得成功，紧接着又分别在澳大利亚国家博物馆项目和美国加州萨特郡综合医疗项目中取得成功，自此之后业界开始逐渐认识并接受IPD[4-5]。目前IPD已经发展成一种定义清晰并拥有一套完整的专属合同体系的建筑项目交付模式。美国和澳大利亚政府以及美国的AIA（AmericanInstituteofArchitects，美国建筑师协会）和AGC（TheAssociatedGeneralContractorsofAmerica，总承包商协会）等行业协会以及在业内具有较大影响力的专业公司都已经发布了自己对IPD的定义[4,6-10]。根据David和Burcin的问卷调查结果，被业内最广泛接受的IPD的定义是美国AIA在其2007年发布的IPD指导手册中给出的，即IPD是一种集成人员、系统、知识、经验，能够减少浪费降低成本、减少返工缩短工期、提升建筑物对业主的价值的工程项目交付模式[1,11]。1.2 IPD的特征作为一种全新的项目交付模式与三种传统的项目交付模式相比，IPD同样特征鲜明。由于合同在IPD中起着非常重要的作用，美国CMAA（TheConstructionManagementAssociationofAmerica，美国建设管理协会）按合同设计相关的特征和与合同执行相关将IPD的特征划分为两类，每类包含的具体特征如表1所示[4]。表1IPD的特征序号分类IPD的特征1合同设计特征参与方在项目开始始阶段的平等等参与2参与方以项目最终终产出为基础础的风险与收收益的分配3所有参与方放弃诉诉讼彼此的权权力4参与方之间公司财财务透明5集成参与方知识优优化设计成果果6所有参与方共同制制定项目目标标和评价指标标7参与方达成一致的的共同决策8合同执行特征参与方相互尊重与与信任9参与方之间强烈的的合作意愿10参与方之间坦诚交交流1.3 IPD项目的组织结构模式及所采用的标准合同文本迄今为止已经实施的IPD项目的组织结构模式主要有三种[14-15,32]，如图1至图3所示。相应地，各国发布的IPD的标准合同主要有：澳大利亚政府发布的IPD标准合同，美国的行业协会AIA和AGC发布的IPD标准合同[5,7,12,15]。澳大利亚政府和美国AGC只是针对图2所示的组织结构模式发布了合同，因为美国AIA的标准合同体系覆盖了所有三种模式，作为示例，在这几个图中标出了组织之间适用的AIA标准合同的编号。图1以IPD理念改进传统交付模式的组织结构图[13]图2多参与方合同下的IPD组织结构图[32]图3SPE下的IPD组织结构图[16]在三种组织结构模式中，前两种与传统模式基本一致，只是在其中采用IPD标准合同[13]。第三种组织结构模式是由IPD带来的全新的组织结构模式。Kermanshachi在其文章中指出该组织结构模式是保证多参与方组成的SPE（SinglePurposeEntity，单一目的实体）在IPD项目中成功实施的关键因素，其中SPE是针对建筑物体量大、复杂程度高、建设时间长、运营维护要求高的IPD项目由参与方成立的有限责任公司[16]。BIM技术简介2.1 BIM技术的定义BIM技术的概念首先由美国乔治亚大学的查克•伊斯曼提出，从上世纪90年代发展到今天已经取得长足发展[17]。目前关于BIM的定义有很多，一般认为美国NBIMS（NationalBuildingInformationModelingStandard）给出的定义更为全面、准确。根据美国NBIMS，BIM技术是一种改进建筑的计划、设计、建造、运营和维护过程的技术，它使用标准化的机器可读的信息模型为每个建筑部件及设备建模，该模型包含独立创建和收集的能够在建筑的全生命周期使用的建筑部件及设备信息[18]。2.2 BIM技术的特征美国NBIMS指出目前BIM技术的研究与应用主要围绕BIM作为一个数字形式的设计产品、作为一种合作实施项目的过程和作为一种建筑物全生命周期管理工具三个方面展开[18]。《BIM手册》是在总结美国BIM研究与实践现状的基础上对BIM进行了全面而详细的介绍，并对BIM未来的发展趋势进行了预测；目前该手册已经成为BIM应用领域的权威论著而业界广泛接受。该手册将BIM技术的特征概括为10项[19]。综合上述两个文献作者给出BIM技术的特征如表2所示。表2BIM技术的特征序号分类BIM技术的特征征1BIM作为数字形形式的设计产产品·采用以对象为基础础的建筑模型型2·在建筑模型中包含含丰富的对象象属性数据3·以参数驱动的方式式修改建筑模模型4·围绕建筑模型提供供智能化功能能5BIM作为合作实实施项目的过过程·采用开放的数据标标准6·支持虚拟建造/冲冲突检测7·可自动生成2D//3D报告8BIM作为建筑物物全生命周期期管理工具·建筑模型用于自动动控制预制构构件的生产9·建筑模型用于建筑筑设备的管理理BIM技术在IPD中的应用据Fish和Amanda，IPD作为一种新生的项目交付模式，虽然其理念得到业界广泛的欢迎与支持，并且已经建立起较为成熟的专属合同体系，但是当IPD具体执行时很多工程实践中的技术问题还没有完美的解决方案，业界倾向于将BIM技术与IPD相结合解决目前存在于工程实践中的问题[20]。本文综合文献调研的结果，提出了一个BIM技术在IPD中应用的框架，如图4所示。图4展示了BIM技术提供的服务对IPD各个方面的支撑。以下文献综述将按该应用框架分别介绍各方面的研究进展及存在的问题。图4BIM技术在IPD中的应用框架3.1BIM技术为IPD提供数据存储交换服务IPD需要相关技术支持在项目的早期阶段就开始协同工作的参与方之间进行有效的信息交流。由于行业专业技术发展的历史原因，不同参与方往往采用不尽相同的数据存储格式，这使得设计成果的沟通非常困难。幸运的是BIM技术已经能够为用户提供建筑项目相关多领域的开放数据存储交换标准，在此基础上BIM技术就可以为IPD提供数据存储交换服务。根据Nadine的研究和2008年美国AIA发表的研究报告，IPD已经得到BIM技术在数据存储交换方面的有效支持[21-23]。当然这方面仍存在一些问题需要解决。Reza经过研究发现，在实践中BIM技术还不能将建筑工程涉及到的所有技术专业的数据全部统一到BIM模型中，而只有核心的技术专业，例如建筑设计和结构设计得到的设计成果数据能够较充分地统一到项目的整体BIM模型中[24]。3.2BIM技术为处理IPD相关法律事务提供服务不能清晰地定义合同标的物一直是阻碍针对复杂建筑项目的合同有效实施的一个重要因素，对此Islam认为一套成熟的合同首先必须能够精确地定义标的物，IPD的专属合同在BIM技术的帮助下才能在面对现代巨型复杂建筑项目时，清晰准确地定义标的物[25]。模糊不清的合同标的物常常引起不要的法律纠纷，Fish指出使用BIM技术精确建立的建筑信息模型能够帮助IPD实现项目收益共享和风险共担，与参与方间法律诉讼最小化甚至完全放弃诉讼权力[20]。知识产权问题一直在传统项目交付模式中困扰着设计方和施工方之间的有效合作，Stephen经过重点对IPD涉及到的法律问题的研究发现在所有的IPD相关法律纠纷中，涉及知识产权的纠纷同样是对设计阶段影响最大的[26]。Wang指出因为使用BIM技术设计完成的建筑信息模型不但清晰详细，而且是面向对象的多属性模型，所以设计产品的知识产权问题就得到了有效的解决[35]。同时，Pardis也指出因为参与方各自的贡献能够在使用BIM技术完成的建筑信息模型中被清楚地划分，所以不仅设计方，包括咨询方和施工方等在内的其他IPD参与方的知识产权也能够在技术层面上得到了最大的保护[27]。但是，据Leentje，BIM技术在实践中由于包含丰富的建筑设计细节信息使模型变得繁冗，运转十分缓慢[28]。3.3BIM技术为完成IPD设计施工任务提供服务W.Nofera和S.Korkmaz认为，在BIM技术的帮助下，IPD能够促成项目参与方实现超越传统意义的协同工作，因为使用BIM技术建立的建筑信息模型不但能够以2D而且能以3D的形式向参与方展示建筑设计产品，直观的3D建筑模型可以帮助IPD参与方更有效地交流专业问题优化设计[29,30]。针对4D-BIM模型在IPD中的应用价值，Franklin指出下一代更先进的BIM技术可以建立4D建筑信息模型，获得4D建筑信息模型的技术支持，施工方就可以在特定时间点为设计方提供专业经验和合理化建议，提高建筑设计成果的可建造性[31]。澳大利亚政府在其IPD推广说明书中指出可以使用BIM技术对IPD项目进行虚拟施工和冲突检测，因为IPD具有将项目涉及到的所有技术专业参与方在项目设计阶段就包含进来的特征，这样当使用虚拟施工时进行冲突检测时，检测内容更趋近于真实情况，检测内容覆盖的范围更广，检测的内容更加深入更加详细，最终的检测结果对优化设计更有价值，获得的预期经济产出也更高[32]。对于BIM技术能否促进IPD与Lean理论相互融合的问题，Ryan指出当IPD与BIM技术融合后就能够实现IPD所追求的建筑产品与施工过程同步设计，最终彻底消除由于设计缺陷导致的施工障碍[33]。3.4BIM技术对形成IPD组织文化的影响。对于BIM技术提供给IPD的服务将怎样影响IPD的组织文化的问题，Howard认为BIM技术提供给IPD的服务通过促使IPD团队协同工作更加便捷，项目目标的定义与实际情况结合更紧密，从而工作任务的定义与划分更加合理，参与方更容易理解和接受工作任务，减少法律纠纷的手段使得参与方之间自然而然地愿意坦诚地交流与合作并且相互信任与尊重[34]。BIM技术在IPD中应用的发展方向为了更好地在IPD中应用，BIM技术需要在扩展其统一的数据标准、提高建筑信息模型的运行与维护性能和适应网络化应用三方面取得突破。4.1扩展BIM技术的统一数据标准BIM技术和IPD的面前还有很长的路要走。目前在以开放的数据标准进行数据存储与交换方面，BIM技术还不能完全满足IPD多参与方之间进行数据共享与交换的需求，因为IPD的参与方各自都有对数据标准的特殊要求，BIM技术还需要改进扩展其统一的数据标准，使其能被需求各异的参与方接受。4.2提高建筑信息模型的运行与维护性能因为IPD是应现代化巨型复杂项目的需求而生，当参与方共同向建筑信息模型输入己方重要的设计相关信息时，以现有BIM技术建立的模型也相应容量大增，运行维护困难。为了回应IPD对清晰定义与划分工作和保护知识产权的要求，需要使用BIM技术建立更精确的模型，这样模型中对象的数量将急剧增加，对象的属性数量也将随之增加，这些都会降低模型的运行效率。BIM技术在大型模型的运行与维护方面的能力急需提高。4.3发展适应网络化应用的BIM技术IPD将参与方集成到新的项目交付模式下，如果仅仅在物理位置上简单地实现这种集成，那么因为IPD模式需要参与方频繁交流，就必将产生巨大的交通费用和交通时间成本。目前计算机网络技术已经非常成熟，通过网络将IPD的参与方集成起来是一种极具潜力的解决方案，因此BIM技术也需要适时调整自己以适应基于网络技术集成参与方的IPD模式。结语面对IPD模式正在国外少数发达国家兴起推广的历史机遇，我国应该抓紧机遇奋起直追。在此文章提出一些关于如何在我国推广IPD的四点建议。首先我国政府应该实施优惠政策并组织完成符合我国国情的IPD合同体系，帮助保险公司推出与IPD相适应的保险产品；然后以政府的公共项目作为IPD的示范项目，从公共建筑向私人建筑领域推广；其次充分发挥行业组织的力量，组织针对IPD的学术研究；最后总结IPD成功经验，利用多种传播手段推广成功经验，使业界充分认识到IPD的优势。致谢本研究受国家自然科学基金项目“基于BIM技术的建筑工程IPD网络平台研究”（51078201）资助。参考文献[1]DavidC.Kent,BurcinBecerikGerber.understandingconstructionindustryexperienceandattitudestowardintegratedprojectdelivery.[J]Journalofconstructionengineeringandmanagement.2010,136(8):815-825.[2]F.PenaMora,M.Li.DynamicPlanningandControlMethodologyforDesign/BuildFast-trackConstructionProject.[J]JournalofConstructionEngineeringandManagement.2001,127(1):1-17.[3]TheDepartmentofTreasuryandFinance.InPursuitofAdditionalValue.[OL],(2009.10)[2011.5.28].au/CA25713E0002EF43/pages/project-alliancing.[4]TheConstructionManagementAssociationofAmerica（CMAA）.ManagingIntegratedProjectDelivery.[OL],(2010.10)[2011.5.28]/.[5]ChrisNoble.Canprojectalliancingagreementschangethewaywebuild?.[J]JournalofArchitecturalRecord.2007,(7):16-23.[6]U.S.GeneralServiceAdministration（GSA）.Partnering.[OL](2010.10.20)[2011.05.11]/portal/content/100822.[7]TheDepartmentofTreasuryandFinance.VictorianPolicyforAllianceContracting.[OL],(2010.07)[2011.05.11].au/CA25713E0002EF43/pages/project-alliancing.[8]TheAssociatedGeneralContractorsofAmerica（AGC）.IPDforPublicandPrivateOwners.[OL],(2010.01)[2011.06.10]/.[9]TheAssociatedGeneralContractorsofAmerica（AGC）.IntegratedProjectDelivery:FirstPrinciplesforOwnersandTeams.[OL],(2007.07)[2011.04.07]/.[10]AmyC.Edmondson,FaaizaRashid.IntegratedProjectDeliveryatAutodesk,Inc.(C).[J]JournalofHarvardbusinessschool.2009,(9):29-37.[11]TheAmericanInstituteofArchitects(AIA).IntegratedProjectDelivery:AGuide.[OL],(2007.9)[2011.03.08]/IPD_Guide_2007.pdf.[12]TheAmericanInstituteofArchitects(AIA).IntegratedProjectDelivery(IPD)Family,ContractDocuments.[OL],(2010.08)[2011.03.08]/index.htm.[13]JileiWang.IntegratedProjectDelivery–AchievingRelationalContract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