BIM 技术在工程建设项目中的应用研究

李亭亭 吴 献 尹 莉 韩进宇 艾 新 段梦恩 陈 娜

(1.沈阳建筑大学BIM工程中心，沈阳110168;2.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳110168;3.沈阳三三牌阀门制造有限公司，沈阳，110168)

世界上发达国家以及大部分发展中国家都把国民生产总值(GDP)相当大比重投资到建筑业中。据统计，2012年全球建筑业总产值6万亿美元左右，根据国家统计局资料显示，2012年中国建筑业总产值13.5万亿人民币，同比增长15.6%。随着建筑业迅猛发展的同时，由于各环节之间缺乏协同，造成大量不必要的浪费，这种粗放式的发展模式面临着许多问题:

(1)现有模式生产建筑的成本差不多是应该花费的两倍;

(2)72%的项目超预算;

(3)70%的项目超工期;

(4)75%不能按时完工的项目至少超出初始合同价格50%;

(5)建筑工人的死亡威胁是其他行业的2.5 倍。[1]

随着社会的发展以及信息化的不断推进，制造业、电子通讯业、交通运输业等行业通过使用新技术，发展新模式，其生产效率和信息化程度得到了巨大提高，而建筑业的生产效率和信息化程度还一直处于较低水平。据相关统计，建筑业与制造业的生产效率对比如上图1所示，可以看到，建筑业的浪费比重是非常大的。因此，追求一种高效、精致、统一的建筑业发展模式成为一种必然趋势。正在快速发展及应用的BIM技术成为转变传统建筑业粗放型发展模式的一种新的途径。

图1 建筑业与制造业生产效率对比

1 BIM概述

BIM(Building Information Modeling)的中文名称为建筑信息模型，是一种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，它具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点。迄今为止，国内对BIM这一新兴技术的定义与解释有好多版本，还没有明确单一且被广泛接受的定义。[2]

提起BIM，人们通常首先想到的是三维模型，认为其优势在于真实性、可视性，比起传统的二维图纸可以更加直观的观察整个项目。往往忽略了最重要的一个方面——“information”。在工程项目中利用BIM技术，不仅使项目具有可视性，而且所建模型的每个构件都是有信息的，我们可以根据设计情况随时观察变更各个构件的数据信息，并且可以实现一处变更其他所有图纸同步变更的效果，避免了传统CAD制图需要重复变更的弊端。BIM技术的另一优势在于可以实现各专业之间的协同，使各专业设计师在设计时避免由于沟通不到位而出现各专业之间的碰撞问题。

BIM既是结果也是过程，我们通过建模过程(Modeling)得到我们需要的带有建筑信息的模型(Model)，如图2所示。BIM技术服务于工程项目的全生命周期，从项目的规划、设计到施工再到建成后的运营维护甚至改扩建、拆除等。其主要作用是减少和消灭项目生命周期各环节中的不确定性和不可预见性，避免不必要的浪费。应用这一技术可以为企业带来巨大的效益，比如:更精确的估算造价、缩短项目工期、减少投资成本、减少设计变更甚至实现零变更、更好的协调设计、改善后期物业管理效率等等。

2 BIM技术在国内外的发展现状

BIM技术起源于美国，逐渐向欧洲、日韩、新加坡等发达国家普及。目前，BIM技术在大部分发达国家应用越来越广泛，并达到了一定的水平。其中，美国建筑行业中的大部分企业都开始主动应用BIM技术。2007年，美国建筑科学研究院(NIBS)发布美国国家BIM标准(NBIMS)，并在国内逐渐成立了各种BIM协会、组织。有资料数据表明，2009年美国建筑业300强企业中80%以上都应用了BIM技术。威斯康辛州要求从2009年7月1日开始，州内预算在500万美元以上的所有项目和预算在250万美元以上的施工项目，都要从设计开始就应用BIM技术。[3]

在日本国内，2009年被称为日本的BIM元年。BIM被越来越多的日本设计、施工企业认识并应用。2012年，日本建筑学会发布了日本 BIM指南，为BIM技术在日本建筑行业中的发展提供了有力指导。韩国对BIM技术的发展也非常重视，韩国国土海洋部在建筑、土木领域分别制定了相应的BIM应用指南。公共采购服务中心(Public Procurement Service，PPS)制定了国内BIM的中长期发展路线:2012～2015年500亿韩元以上的建筑项目全部采用4D(3D+cost)的设计管理系统;2016年以后所有公共工程项目都必须使用BIM技术。[4]此外，新加坡、澳大利亚、英国等国家都制定了适合本国的BIM指南或标准。

在国内，目前香港地区的BIM技术应用比较先进，这一技术已被广泛应用于各类工程项目中。香港建筑业成立了各种BIM协会，并于2010年发布了香港BIM应用标准。但是在大陆地区，BIM技术还处于起步发展阶段，随着对BIM了解的越来越深入，国内建筑行业对这一技术越来越重视。“十一五”国家科技支撑计划重点项目《现代建筑设计与施工关键技术研究》已将BIM作为重点研究方向。[5]而且，国内已有像“水立方”场馆、上海中心、世博会等大型项目成功应用BIM技术。可见，BIM在国内的发展趋势势不可挡。

3 BIM技术在工程项目各阶段应用价值研究

3.1 在设计阶段应用BIM技术的价值体现

在设计阶段应用BIM技术是提高整个项目工程质量、减少成本的关键。建筑物的质量主要是由设计决定的，而且设计还决定着施工的难易程度和工期，进而影响着投资成本。相比于传统设计所使用的CAD二维图纸复杂繁琐、协调困难、错误率高、变更频繁的不足，设计阶段应用BIM技术会为工程项目带来巨大的价值:

图2 某建筑物的建筑信息模型

(1)在设计初期，设计人员需对拟建项目的外形、结构形式、日照环境、能耗、可持续性、造价等进行分析和决策。凭借原有的CAD技术，需要大量的人力、财力、时间投入，利用BIM技术，可以及时对不同的方案进行模拟分析，并对方案进行优化，保证初期决策的正确性。

(2)在传统的设计模式中，建筑、结构、设备等各专业的设计是相对独立的，缺乏必要的沟通协调，难免出现设计上的矛盾冲突。而BIM三维信息模型可以对各专业进行空间协调、减少碰撞冲突，大大减少了设计错误，节约了设计时间。

(3)利用BIM模型进行施工模拟，发现问题并改进设计方案以利于后期施工的实现，使原本施工期间才能发现的问题在设计阶段就能够消除。这样就达到了缩短工期、降低成本、提高效率的目的。

(4)利用BIM技术可以使设计变更更加灵活。在设计过程中难免出现错误需要变更图纸，传统CAD设计需要将所有相关的图纸都逐一修改，而BIM信息模型会实现一处变更其他所有相关联信息(图纸、工期、预算等)自动变更的功能，节省了大量人力、时间。

(5)BIM模型是立体直观的三维信息模型，最大限度的接近实际情况。利用BIM模型可以为业主、设计方、施工方、材料设备供应方提供更加方便快捷、准确直观的信息，方便各方的沟通协调。

(6)利用BIM技术所建的三维信息模型，可以更好地指导后期施工，避免了传统二维施工图纸的不直观性，进而缩短工期。而且设计时所建的BIM模型也会为业主后期对建筑物的管理和运营维护提供支持。

3.2 在施工阶段应用BIM技术的价值体现

根据相关数据统计，2009年我国施工企业的平均利润率为3.51%，大大低于开发商和设计机构的年平均利润率。[6]因此，施工企业对利用新技术、新方法提高生产效率和利润率的动力会比开发商和设计机构高得多。[3]利用BIM技术可以解决传统CAD图纸可施工性低、施工质量低、工作效率低、工期不能保证的不足，给施工企业带来的价值是巨大的:

(1)三维模型渲染，设计效果可视化。利用BIM技术可以对整个建筑物、设备布置情况以及关键部位进行渲染，展现给业主真实直观的效果图，提高中标率，并对施工有很大指导意义。

(2)5D施工模拟，优化施工方案。将所建的三维信息模型导入相关BIM施工管理软件，模拟整个施工过程、施工现场。将施工进度与成本控制加入到建筑模型，最大限度的接近施工真实情况。通过对施工过程的5D模拟，能使施工企业对施工过程更好的控制(包括时间与成本的控制)，及时发现施工中隐藏的问题并优化施工方案，极大的节约了成本，缩短了工期。

(3)碰撞检查，减少返工与变更。目前国内应用比较多的是利用BIM技术对建筑物内部管网做碰撞检查，可以在施工前期发现管网布置不合理的地方，优化管网布置方案，避免施工过程中出现碰撞问题，影响工期。

(4)精确计划，使精益化施工成为可能。由于利用BIM技术所建的建筑模型都是有信息的，施工企业可以得到工程施工所需要的基础数据，为施工企业制定精确的施工计划，安排施工人员，准备施工材料、设备等提供了有力支撑。大大减少了人员、运输、仓储等资源的浪费。

(5)细节化的构件模型，促进预制加工工业化的发展。由于构件模型是三维且带有信息的，可以用来指导预制构件的生产与施工，避免了传统二维图纸由于周围环境与构件的不确定性，导致预制构件安装不上的情况。

3.3 应用BIM技术给业主带来的价值

业主是应用BIM技术的最大受益方:

(1)从项目一开始就应用BIM技术，正如前面所提到的，可以减少设计变更，提高施工质量，从而大大降低投资成本、缩短项目工期，使项目能够尽早的投入运营，业主尽早受益。

(2)一个建筑物在建设阶段所投入的成本只占其生命周期总成本的25%，使用阶段的成本占75%。[7]因此，对建筑物使用阶段的管理是非常重要的。在施工阶段做出修改的BIM竣工模型所形成的管理平台，为后期运营、维护、改扩建、拆除等提供了服务，极大的方便了业主的管理。

(3)其实可以这样理解，项目在设计、施工阶段应用BIM技术，为业主对建筑物的后期运营维护提供了最重要的基础和方便。不仅为业主节省了投资成本，缩短了工期，还为业主节省了使用成本。

4 BIM技术在国内发展遇到的障碍及克服障碍的建议

4.1 BIM技术在国内发展存在的障碍

(1)由于一种新技术的传播需要过程，各企业管理层和员工对BIM技术的认识不足，意识欠缺，导致发展这种新技术的动力不足。

(2)资金投入不足。由于使用BIM技术对计算机软件及硬件的要求比较高，计算机需要有足够的硬件配置才能运行流畅，还要对BIM相关软件的升级投入资金。这成为阻碍BIM发展的一部分原因。

(3)缺乏BIM专业技术人才。目前国内BIM技术的应用还不是很广泛，地域性差异比较大，设计师的设计思维方式转变比较困难。

(4)设计企业存在短视现象。虽然应用BIM技术的设计企业呈不断增长趋势，但是大部分企业还处于试探性阶段，只是在局部使用，或者用来应付检查、提高中标率，实际并未真正应用。

(5)业主变革驱动力不足。业主是推动建筑业发展的中坚力量，是建筑生产过程的总组织者，也是应用BIM技术的最大受益方之一。目前由于国内BIM技术的不成熟，导致应用BIM技术后，项目的投资回报率，生产效率等与期望值有一定差距，使得业主变革的动力不足。

(6)国内建筑行业体制不健全，相关规范缺失。BIM技术在国内发展过程中，由于缺乏相关规范的约束指导，法律责任界限不明确，导致大多数企业安于现状，不敢思变。

4.2 BIM技术在国内如何更好的发展

首先要提高设计人员对BIM技术的认识，转变其设计思维方式，使企业看到BIM技术带来的巨大优势，在项目中主动应用BIM。其次，充分调动业主的积极性，应用BIM技术的最大受益方是业主，他们是推动BIM技术发展的最大动力。要让业主看到应用BIM技术为自己带来的巨大利益，才会有推动BIM发展的动力。再次，政府有关部门要鼓励企业应用BIM技术，要对建筑行业现有体制进行改革，制定适合我国基本国情的BIM相关行业规范，明确法律责任界限。另外，要尽快解决BIM关键技术问题，建立统一的BIM设计标准，实现数据信息的全面共享，加快推进BIM技术的本土化。[8]最后，加大对高校相关专业在校学生的培训教育，开设BIM相关课程，培养BIM专业技术人才，为BIM的发展提供源动力。

5 结语

传统建筑行业信息化程度低、投资回报率低、管理混乱、浪费严重。随着建行业的不断发展，这种粗放式的发展模式必须改变，使其逐步走向信息化、精细化、可持续发展之路。BIM作为一种新兴技术，在建设项目全生命周期中发挥着重要作用，能为业主、设计、施工企业带来在巨大价值。虽然BIM在我国建筑行业的发展推广过程中还存在很多问题，但是随着国家相关政策的出台以及政府有关部门的支持与引导，BIM技术肯定会得到快速发展，被建筑行业广泛应用。

[1] Miller，R.＆D.Strombom.Commercial Real Estate Revolution[M].New York:Wile，2009:57-62.

[2]张人友，王珺.BIM的内涵[J].工业建筑，2012(42):34-35.

[3]何关培.BIM总论[M].北京:中国建筑工业出版社，2011:10-13.

[4]赵源煜.中国建筑业 BIM发展的阻碍因素及对策方案研究[D].北京:清华大学，2011:12-13.

[5]姚明球，王军丽.国内 BIM应用现状如何[J].施工企业管理，2013(12).

[6]安建民.大型建筑施工企业多项目管理研究[D].武汉理工大学，2012.

[7] Yin Y L，Qian K.Construction Project Cost Management Based on BIM Technology[J].Applied Mechanics and Materials，2013，357:2147-2152.

[8]汪莉莉.中国建筑设计研究院:将BIM本土化进行到底[J].中国建设信息，2013(16):32-35.