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          BIM在國內建筑全生命周期的20個典型應用發布時間:2019-03-19


            在過去的20多年中,CAD技術的普及和推廣使建筑師、工程師們甩掉圖板,從傳統的手工繪圖、設計和計算中解放出來,可以說是工程設計領域的第一次數字革命。而現在,建筑信息模型(BIM)的出現將引發整個工程建設領域的第二次數字革命。BIM不僅帶來現有技術的進步和更新換代,它也間接影響了生產組織模式和管理方式,并將更長遠地影響人們思維模式的轉變。

          BIM技術的核心是通過在計算機中建立虛擬的建筑工程三維模型,同時利用數字化技術為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構件的幾何信息、專業屬性及狀態信息,還包含了非構件對象(例如空間、運動行為)的信息。借助這個富含建筑工程信息的三維模型,建筑工程的信息集成化程度大大提高,從而為建筑工程項目的相關利益方提供了一個工程信息交換和共享的平臺。結合更多的相關數字化技術,BIM模型中包含的工程信息還可以被用于模擬建筑物在真實世界中的狀態和變化,使得建筑物在建成之前,相關利益方就能對整個工程項目的成敗做出完整的分析和評估。

          隨著BIM在國內逐漸被認可與應用,特別是近年來在國內工程建造行業高速發展的背景下,BIM已經在國內一些大型工程項目中得到積極應用,涌現出很多成功案例。美國b S a(building SMART alliance)曾經對目前美國工程建設行業領域的BIM應用情況做過詳細調查,并總結出目前美國市場上BIM的25種不同應用并加以分析研究,用于指導工程項目在不同階段選擇合適的BIM應用。國內目前還缺少在這一領域的深入研究,不過我們依然可以借鑒美國bSa對BIM應用的分類框架,結合目前國內BIM技術的發展現狀、市場對BIM應用的接受程度以及國內工程建設行業的特點,對中國建筑市場BIM的典型應用進行歸納和分類。

          由于中美建筑市場的差異以及本土主流BIM軟件的欠缺,國內BIM應用在行業跨度和深度上都和美國有一定距離,不過大的應用方向是一致的。以下為筆者整理出來的目前國內建筑市場典型的BIM應用,一共有20個,希望和大家進行交流探討。


          BIM的20種典型應用


          1.1BIM模型維護

          根據項目建設進度建立和維護BIM模型,實質是使用BIM平臺匯總各項目團隊所有的建筑工程信息,消除項目中的信息孤島,并且將得到的信息結合三維模型進行整理和儲存,以備項目全過程中項目各相關利益方隨時共享。

          由于BIM的用途決定了BIM模型細節的精度,同時僅靠一個BIM工具并不能完成所有的工作,所以目前業內主要采用“分布式”BIM模型的方法,建立符合工程項目現有條件和使用用途的BIM模型。這些模型根據需要可能包括:設計模型、施工模型、進度模型、成本模型、制造模型、操作模型等。BIM“分布式”模型還體現在BIM模型往往由相關的設計單位、施工單位或者運營單位根據各自工作范圍單獨建立,最后通過統一的標準合成。這將增加對BIM建模標準、版本管理、數據安全的管理難度,所以有時候業主也會委托獨立的BIM服務商統一規劃、維護和管理整個工程項目的BIM應用,以確保BIM模型信息的準確、時效和安全。

          1.2 場地分析

          場地分析是研究影響建筑物定位的主要因素,是確定建筑物的空間方位和外觀、建立建筑物與周圍景觀的聯系的過程。在規劃階段,場地的地貌、植被、氣候條件都是影響設計決策的重要因素,往往需要通過場地分析來對景觀規劃、環境現狀、施工配套及建成后交通流量等各種影響因素進行評價及分析。傳統的場地分析存在諸如定量分析不足、主觀因素過重、無法處理大量數據信息等弊端,通過BIM結合地理信息系統(Geographic Information System,簡稱GIS),對場地及擬建的建筑物空間數據進行建模,通過BIM及GIS軟件的強大功能,迅速得出令人信服的分析結果,幫助項目在規劃階段評估場地的使用條件和特點,從而做出新建項目最理想的場地規劃、交通流線組織關系、建筑布局等關鍵決策。

          1.3 建筑策劃

          建筑策劃是在總體規劃目標確定后,根據定量分析得出設計依據的過程。相對于根據經驗確定設計內容及依據(設計任務書)的傳統方法,建筑策劃利用對建設目標所處社會環境

          及相關因素的邏輯數理分析,研究項目任務書對設計的合理導向,制定和論證建筑設計依據,科學地確定設計的內容,并尋找達到這一目標的科學方法。在這一過程中,除了需要運用建筑學的原理,借鑒過去的經驗和遵守規范,更重要的是要以實態調查為基礎,用計算機等現代化手段對目標進行研究。

          BIM能夠幫助項目團隊在建筑規劃階段,通過對空間進行分析來理解復雜空間的標準和法規,從而節省時間,提供對團隊更多增值活動的可能。特別是在客戶討論需求、選擇以及分析最佳方案時,能借助BIM及相關分析數據,做出關鍵性的決定。BIM在建筑策劃階段的應用成果還會幫助建筑師在建筑設計階段隨時查看初步設計是否符合業主的要求,是否滿足建筑策劃階段得到的設計依據,通過BIM連貫的信息傳遞或追溯,大大減少以后詳圖設計階段發現不合格需要修改設計的巨大浪費。

          1.4 方案論證

          在方案論證階段,項目投資方可以使用BIM來評估設計方案的布局、視野、照明、安全、人體工程學、聲學、紋理、色彩及規范的遵守情況。BIM甚至可以做到建筑局部的細節推敲,

          迅速分析設計和施工中可能需要應對的問題。方案論證階段還可以借助BIM提供方便的、低成本的不同解決方案供項目投資方進行選擇,通過數據對比和模擬分析,找出不同解決方案的優缺點,幫助項目投資方迅速評估建筑投資方案的成本和時間。

          對設計師來說,通過BIM來評估所設計的空間,可以獲得較高的互動效應,以便從使用者和業主處獲得積極的反饋。設計的實時修改往往基于最終用戶的反饋,在BIM平臺下,項目各方關注的焦點問題比較容易得到直觀的展現并迅速達成共識,相應的需要決策的時間也會比以往減少。

          1.5 可視化設計

          3Dmax、Sketchup這些三維可視化設計軟件的出現有力地彌補了業主及最終用戶因缺乏對傳統建筑圖紙的理解能力而造成的和設計師之間的交流鴻溝,但由于這些軟件設計理念和功能上的局限,使得這樣的三維可視化展現不論用于前期方案推敲還是用于階段性的效果圖展現,與真正的設計方案之間都存在相當大的差距。

          對于設計師而言,除了用于前期推敲和階段展現,大量的設計工作還是要基于傳統CAD平臺,使用平、立、剖等三視圖的方式表達和展現自己的設計成果。這種由于工具原因造成的信息割裂,在遇到項目復雜、工期緊的情況下,非常容易出錯。BIM的出現使得設計師不僅擁有了三維可視化的設計工具,所見即所得,更重要的是通過工具的提升,使設計師能使用三維的思考方式來完成建筑設計(圖4),同時也使業主及最終用戶真正擺脫了技術壁壘的限制,隨時知道自己的投資能獲得什么。

          1.6 協同設計

          協同設計是一種新興的建筑設計方式,它可以使分布在不同地理位置的不同專業的設計人員通過網絡的協同展開設計工作。協同設計是在建筑業環境發生深刻變化、建筑的傳統設計方式必須得到改變的背景下出現的,也是數字化建筑設計技術與快速發展的網絡技術相結合的產物。

          現有的協同設計主要是基于CAD平臺,并不能充分實現專業間的信息交流,這是因為CAD的通用文件格式僅僅是對圖形的描述,無法加載附加信息,導致專業間的數據不具有關聯性。

          BIM的出現使協同已經不再是簡單的文件參照,BIM技術為協同設計提供底層支撐,大幅提升協同設計的技術含量。借助BIM的技術優勢,協同的范疇也從單純的設計階段擴展到建筑全生命周期,需要規劃、設計、施工、運營等各方的集體參與,因此具備了更廣泛的意義,從而帶來綜合效益的大幅提升。

          1.7 性能化分析

          利用計算機進行建筑物理性能化分析始于20世紀60年代甚至更早,早已形成成熟的理論支持,開發出豐富的工具軟件。但是在CAD時代,無論什么樣的分析軟件都必須通過手工的方式輸入相關數據才能開展分析計算,而操作和使用這些軟件不僅需要專業技術人員經過培訓才能完成,同時由于設計方案的調整,造成原本就耗時耗力的數據錄入工作需要經常性的重復錄入或者校核,導致包括建筑能量分析在內的建筑物理性能化分析通常被安排在設計的最終階段,成為一種象征性的工作,使建筑設計與性能化分析計算之間嚴重脫節。

          利用BIM技術,建筑師在設計過程中創建的虛擬建筑模型已經包含了大量的設計信息(幾何信息、材料性能、構件屬性等),只要將模型導入相關的性能化分析軟件,就可以得到相應的分析結果(圖6),原本需要專業人士花費大量時間輸入大量專業數據的過程,如今可以自動完成,這大大降低了性能化分析的周期,提高了設計質量,同時也使設計公司能夠為業主提供更專業的技能和服務。

          1.8 工程量統計

          在CAD時代,由于CAD無法存儲可以讓計算機自動計算工程項目構件的必要信息,所以需要依靠人工根據圖紙或者CAD文件進行測量和統計,或者使用專門的造價計算軟件根據圖紙或者CAD文件重新進行建模后由計算機自動進行統計。前者不僅需要消耗大量的人工,而且比較容易出現手工計算帶來的差錯,而后者同樣需要不斷地根據調整后的設計方案及時更新模型,如果滯后,得到的工程量統計數據也往往失效了。

          而BIM是一個富含工程信息的數據庫,可以真實地提供造價管理需要的工程量信息,借助這些信息,計算機可以快速對各種構件進行統計分析,大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯誤,非常容易實現工程量信息與設計方案的完全一致。通過BIM獲得的準確的工程量統計可以用于前期設計過程中的成本估算、在業主預算范圍內不同設計方案的探索或者不同設計方案建造成本的比較,以及施工開始前的工程量預算和施工完成后的工程量決算。

          1.9 管線綜合

          隨著建筑物規模和使用功能復雜程度的增加,無論設計企業還是施工企業甚至是業主對機電管線綜合的要求愈加強烈。在CAD時代,設計企業主要由建筑或者機電專業牽頭,將所有圖紙打印成硫酸圖,然后各專業將圖紙疊在一起進行管線綜合,由于二維圖紙的信息缺失以及缺失直觀的交流平臺,導致管線綜合成為建筑施工前讓業主最不放心的技術環節。利用BIM技術,通過搭建各專業的BIM模型,設計師能夠在虛擬的三維環境下方便地發現設計中的碰撞沖突,從而大大提高了管線綜合的設計能力和工作效率。這不僅能及時排除項目施工環節中可以遇到的碰撞沖突,顯著減少由此產生的變更申請單,更大大提高了施工現場的生產效率,降低了由于施工協調造成的成本增長和工期延誤。

          1.10 施工進度模擬

          建筑施工是一個高度動態的過程,隨著建筑工程規模不斷擴大,復雜程度不斷提高,使得施工項目管理變得極為復雜。當前建筑工程項目管理中經常用于表示進度計劃的甘特圖,由于專業性強,可視化程度低,無法清晰描述施工進度以及各種復雜關系,難以準確表達工程施工的動態變化過程。

          通過將BIM與施工進度計劃相鏈接,將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D(3D+Time)模型中,可以直觀、精確地反映整個建筑的施工過程。4D施工模擬技術可以在項目建造過程中合理制定施工計劃、精確掌握施工進度,優化使用施工資源以及科學地進行場地布置,對整個工程的施工進度、資源和質量進行統一管理和控制,以縮短工期、降低成本、提高質量。此外借助4D模型,施工企業在工程項目投標中將獲得競標優勢,BIM可以協助評標專家從4D模型中很快了解投標單位對投標項目主要施工的控制方法、施工安排是否均衡、總體計劃是否基本合理等,從而對投標單位的施工經驗和實力作出有效評估。

          1.11 施工組織模擬

          施工組織是對施工活動實行科學管理的重要手段,它決定了各階段的施工準備工作內容,協調了施工過程中各施工單位、各施工工種、各項資源之間的相互關系。施工組織設計是用來指導施工項目全過程各項活動的技術、經濟和組織的綜合性解決方案,是施工技術與施工項目管理有機結合的產物。

          通過BIM可以對項目的重點或難點部分進行可建性模擬,按月、日、時進行施工安裝方案的分析優化。對于一些重要的施工環節或采用新施工工藝的關鍵部位、施工現場平面布置等施工指導措施進行模擬和分析,以提高計劃的可行性;也可以利用BIM技術結合施工組織計劃進行預演以提高復雜建筑體系的可造性(例如:施工模板、玻璃裝配、錨固等)。

          借助BIM對施工組織的模擬,項目管理方能夠非常直觀地了解整個施工安裝環節的時間節點和安裝工序,并清晰把握在安裝過程中的難點和要點,施工方也可以進一步對原有安裝方案進行優化和改善,以提高施工效率和施工方案的安全性。

          1.12 數字化建造

          制造行業目前的生產效率極高,其中部分原因是利用數字化數據模型實現了制造方法的自動化。同樣,BIM結合數字化制造也能夠提高建筑行業的生產效率。通過BIM模型與數字化建造系統的結合,建筑行業也可以采用類似的方法來實現建筑施工流程的自動化。建筑中的許多構件可以異地加工,然后運到建筑施工現場,裝配到建筑中(例如門窗、預制混凝土結構和鋼結構等構件)。通過數字化建造,可以自動完成建筑物構件的預制,這些通過工廠精密機械技術制造出來的構件不僅降低了建造誤差,并且大幅度提高構件制造的生產率,使得整個建筑建造的工期縮短并且容易掌控。

          BIM模型直接用于制造環節還可以在制造商與設計人員之間形成一種自然的反饋循環,即在建筑設計流程中提前考慮盡可能多地實現數字化建造。同樣與參與競標的制造商共享構件模型也有助于縮短招標周期,便于制造商根據設計要求的構件用量編制更為統一的投標文件。同時標準化構件之間的協調也有助于減少現場發生的問題,降低不斷上升的建造、安裝成本。


          1.13 物料跟蹤

          隨著建筑行業標準化、工廠化、數字化水平的提升,以及建筑使用設備復雜性的提高,越來越多的建筑及設備構件通過工廠加工并運送到施工現場進行高效的組裝。而這些建筑構件及設備是否能夠及時運到現場,是否滿足設計要求,質量是否合格將成為整個建筑施工建造過程中影響施工計劃關鍵路徑的重要環節。

          在BIM出現以前,建筑行業往往借助較為成熟的物流行業的管理經驗及技術方案(例如RFID無線射頻識別電子標簽)。通過RFID可以把建筑物內各個設備構件貼上標簽,以實現對這些物體的跟蹤管理,但RFID本身無法進一步獲取物體更詳細的信息(如生產日期、生產廠家、構件尺寸等),而BIM模型恰好詳細記錄了建筑物及構件和設備的所有信息。此外BIM模型作為一個建筑物的多維度數據庫,并不擅長記錄各種構件的狀態信息,而基于RFID技術的物流管理信息系統對物體的過程信息都有非常好的數據庫記錄和管理功能,這樣BIM與RFID正好互補,從而可以解決建筑行業對日益增長的物料跟蹤帶來的管理壓力。

          1.14 施工現場配合

          BIM不僅集成了建筑物的完整信息,同時還提供了一個三維的交流環境。與傳統模式下項目各方人員在現場從圖紙堆中找到有效信息后再進行交流相比,效率大大提高。BIM逐漸成為一個便于施工現場各方交流的溝通平臺,可以讓項目各方人員方便地協調項目方案,論證項目的可造性,及時排除風險隱患,減少由此產生的變更,從而縮短施工時間,降低由于設計協調造成的成本增加,提高施工現場生產效率。

          1.15 竣工模型交付

          建筑作為一個系統,當完成建造過程準備投入使用時,首先需要對建筑進行必要的測試和調整,以確保它可以按照當初的設計來運營。在項目完成后的移交環節,物業管理部門需要得到的不只是常規的設計圖紙、竣工圖紙,還需要能正確反映真實的設備狀態、材料安裝使用情況等與運營維護相關的文檔和資料。

          BIM能將建筑物空間信息和設備參數信息有機地整合起來,從而為業主獲取完整的建筑物全局信息提供途徑。通過BIM與施工過程記錄信息的關聯,甚至能夠實現包括隱蔽工程資料在內的竣工信息集成,不僅為后續的物業管理帶來便利,并且可以在未來進行的翻新、改造、擴建過程中為業主及項目團隊提供有效的歷史信息。

          1.16 維護計劃

          在建筑物使用壽命期間,建筑物結構設施(如墻、樓板、屋頂等)和設備設施(如設備、管道等)都需要不斷得到維護。一個成功的維護方案將提高建筑物性能,降低能耗和修理費用,進而降低總體維護成本。

          BIM模型結合運營維護管理系統可以充分發揮空間定位和數據記錄的優勢,合理制定維護計劃,分配專人專項維護工作,以降低建筑物在使用過程中出現突發狀況的概率。對一些重要設備還可以跟蹤維護工作的歷史記錄,以便對設備的適用狀態提前作出判斷。

          1.17 資產管理

          一套有序的資產管理系統將有效提升建筑資產或設施的管理水平,但由于建筑施工和運營的信息割裂,使得這些資產信息需要在運營初期依賴大量的人工操作來錄入,而且很容易出現數據錄入錯誤。BIM中包含的大量建筑信息能夠順利導入資產管理系統,大大減少了系統初始化在數據準備方面的時間及人力投入。此外由于傳統的資產管理系統本身無法準確定位資產位置,通過BIM結合RFID的資產標簽芯片還可以使資產在建筑物中的定位及相關參數信息一目了然,快速查詢。

          1.18 空間管理

          空間管理是業主為節省空間成本、有效利用空間、為最終用戶提供良好工作生活環境而對建筑空間所做的管理。BIM不僅可以用于有效管理建筑設施及資產等資源,也可以幫助管理團隊記錄空間的使用情況,處理最終用戶要求空間變更的請求,分析現有空間的使用情況,合理分配建筑物空間,確??臻g資源的最大利用率。

          1.19 建筑系統分析

          建筑系統分析是對照業主使用需求及設計規定來衡量建筑物性能的過程,包括機械系統如何操作和建筑物能耗分析、內外部氣流模擬、照明分析、人流分析等涉及建筑物性能的評估。BIM結合專業的建筑物系統分析軟件避免了重復建立模型和采集系統參數。通過BIM可以驗證建筑物是否按照特定的設計規定和可持續標準建造,通過這些分析模擬,最終確定、修改系統參數甚至系統改造計劃,以提高整個建筑的性能。

          1.20 災害應急模擬

          利用BIM及相應災害分析模擬軟件,可以在災害發生前,模擬災害發生的過程,分析災害發生的原因,制定避免災害發生的措施,以及發生災害后人員疏散、救援支持的應急預案。

          當災害發生后,BIM模型可以提供救援人員緊急狀況點的完整信息,這將有效提高突發狀況應對措施。此外樓宇自動化系統能及時獲取建筑物及設備的狀態信息,通過BIM和樓宇自動化系統的結合,使得BIM模型能清晰地呈現出建筑物內部緊急狀況的位置,甚至到緊急狀況點最合適的路線,救援人員可以由此做出正確的現場處置,提高應急行動的成效。



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