年度好文推荐|基于BIM技术的设计与施工协同工作模式研究
作者：李新伟，曾启，樊则森
作者单位：中国建筑发展有限公司
“十三五”国家重点研发计划( 2016YFC0701500)
全文刊登于《施工技术》2020年第5期
摘要
Abstract
BIM是工程建设转型升级的必由之路,也是工程建设发展的主要潮流。目前我国的BIM应用大多还集中在某些局部的应用点,还未真正实现BIM的全生命周期应用;设计与施工环节还存在一定的脱节现象,无法有效协同。主要介绍了设计阶段和施工协同阶段的BIM应用点,通过研究基于BIM的设计与施工协同工作模式,将整个设计环节与施工环节联系起来,实现设计阶段和施工协同阶段协同工作的信息传递。
Part 01
BIM概述
1.1 BIM定义
我国建筑工业行业标准JG/T 198—2007《建筑对象数字化定义》(building information model flatform)将建筑信息模型（building information model）定义为：“建筑信息完整协调的数据组织，便于计算机应用程序进行访问、修改和添加，这些信息包括按照开放工业标准表达的建筑设施的物理和功能特点以及其相关的项目或生命周期信息。”美国国家标准NBIMS对BIM的定义为：“①BIM是一个设施建设项目物理和功能特性的数字表达；②BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；③在项目不同的阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。”这两个定义都明确了建筑信息模型中信息的重要性，也明确了这些信息在实现建筑全生命周期过程中的应用。
BIM模型构件的信息主要分为两部分：①几何信息 包括尺寸、位置、形状；②非几何信息 包括产品信息（如生产日期、生产厂商、规格型号等）、建造信息（如安装时间、安装人员、质检人员等）、运维信息（如质保日期、维修日期、维修人员等）。BIM模型具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。应用范围涵盖设计、工厂加工生产、施工现场安装、竣工交付、运维等各阶段（见图1）。
图1 BIM模型信息对接
1.2 BIM协同
协同工作是BIM的一大优势，各专业、各阶段参与方可基于同一个模型“同步”开展工作，基于统一的信息标准，实现实时协同作业，区别于传统二维离散的、点对点的协同模式。传统模式下，一位设计师只需要为自己的图纸负责，同时兼顾好与其他设计师图纸的匹配性，产生的成果是一个独立的设计文件，各阶段参与者的工作只能等上一个环节的工作完成后才能展开，协同效率较低。在BIM协同作业模式下，每一位设计师的工作内容变为整体模型的一部分，各参与者基于共同的建模标准，完成整体设计模型，各阶段参与者可“同步”开始，从设计开始就参与其中，提供建设性意见，即在设计阶段便可进行全过程的模拟预演，生产和施工阶段在设计阶段的工作基础上进行本环节各要素信息的丰富和完善，通过BIM实现项目过程中的综合管控（见图2）。
图2 BIM模型信息对接
1.3 BIM标准
清华大学BIM课题组在“中国建筑信息模型标准框架研究”中将BIM标准分为资源标准、行为标准、交付标准。在协同管理方面将协同管理分为协作资源配置、协作行为沟通、协作交付管理。其中，资源协同管理包括目录和构件库的读写权限、工程目录的设置等，行为协同管理包括BIM设计目标和内容、BIM设计协同策划、BIM工作内容分解和BIM过程的记录等，交付的协同管理包括交付设计内容的审核、模型构建文件审核等（见图3）。
图3 BIM模型信息对接
1.4 BIM软件
BIM软件的生产商都有基于自己的软件体系并形成建筑全生命周期的BIM应用架构，都可一定程度上打通上下游全产业链。所有BIM软件有一个共同特点，软件产生的BIM模型文件都特别大，需在局域网内实现有限协同，外部协同基本靠BIM模型输出特有的数据格式，满足不同阶段的软件需求。从BIM软件这个角度来说BIM软件本身就是一个平台，信息的创建和传递在软件厂商提供的软件体系中（见图4）。
图4 BIM模型信息对接
Part 02
传统设计、施工协同模式转变
2.1基于CAD工作模式的方法优缺点分析
传统基于 CAD 的协同设计主要是一种线性的协作流程，其核心均为对工程文件夹内图纸文件、文本文件进行一定程度的管理，并采用规定统一文件名、图层名称、图纸外参等一系列辅助方式更进一步提高文件协同过程中的规范性与便捷性。采用该方式时，建筑设计过程中的各类信息仍旧分存在不同CAD文件内对应的图层中，各类功能的二次开发难度极大。基于CAD的工作模式其优点主要在于平面表达方便、制图效率高。
设计与施工协同作业需设计完成CAD施工图后，其他参与单位才可根据CAD施工图中的平、立、剖图纸综合以后解读设计信息，另外因为不同专业的工作成果实质上限于CAD图纸，导致不同专业的图纸汇总后难以避免“错漏碰缺”的问题。设计图纸二维图纸信息的表达不够完整，也会导致现场施工错误。
2.2 BIM思维模式的工作方法
BIM不仅是模型与信息，同时也是一种工作思路和工作方法，具体以各类软件将传统工作模式产生的离散的文件转换为集成统一的文件。从以上定义来看，BIM即建筑信息化模型，从狭义上来说是附加了建筑信息的三维模型，模型包括建筑的几何信息和非几何信息（属性信息）；从广义上来说，BIM是建筑生产过程中各环节各参与方进行信息共享、信息交换、工作协同的信息平台，是建筑行业进行信息化升级的必要条件之一。基于BIM平台各参与方需明确本部门本环节的应用目标，最终实现协调统一、步调一致地工作的目标。
2.3 基于BIM的工作模式
在建设项目设计全过程中，工作成果的信息化、沟通协同的实时性、离散成果的合理归类与检索，决定了BIM正向设计应用的效率与成果质量。从方案阶段开始直至竣工交付，以BIM模型为中心，开展多专业的协同设计；设计信息参数化、方案优化、建筑性能模拟、结构计算、模型深化、协同工作、模型出图等一系列工作流程都是基于同一BIM模型。以模型为中心，贯穿整个设计流程。设计阶段会贯穿整个项目直至竣工交付，施工模型完成后，以设计为主导，对整个项目的质量和成本进行把控，模型上传到云端，对接生产和施工环节，并保证云端模型与设计模型的联动性，为生产和施工提供统一的设计信息，保证信息的全生命周期有效传递。
Part 03
基于BIM的设计与施工协同工作模式
3.1制订统一BIM工作实施方案
为确保项目顺利实施，项目开始前须制定一份项目的BIM实施计划（导则）作为整个项目BIM实施的指导性文件，并确保该项目所有参与者均能知晓并熟悉该导则且能严格执行。该导则一般包括以下内容。
1）BIM实施目的、目标 明确本项目中需通过BIM解决的问题及达到的目标，明确主要的应用点及考核标准。
2）BIM实施原则 明确项目BIM实施的主要原则，如必须遵循的全过程协同管理、软件资源一致统一、全过程BIM建模、BIM模型出图、图模一致等原则。
3）软硬件配置计划 明确统一的协同平台、模型创建软件、模型检查软件、模拟软件等，并统一软件版本，确保文件资源顺利交互、对接。配置满足三维设计的硬件设备，为设计工作的高效开展提供保障。
4）项目参与人员及架构 明确好项目组织架构，确定项目参与人员及岗位分工、从属关系、职责要求等，方便项目统一管理。
5）实施流程 明确项目实施流程，明确各参与方在整个项目实施过程中应完成的内容及所需对接的人员，确保项目有条不紊推进。
6）BIM应用内容 明确项目BIM主要应用点，如模型创建、碰撞检查、绿建分析、净高分析、BIM出图、效果展示等。
7）BIM技术标准 明确项目BIM实施过程中的各项技术标准，如各阶段各专业模型精度标准、模型创建要求、单位与坐标要求、模型拆分原则、模型及构件命名原则、模型材质与色彩标准等。
8）项目协同机制 统一项目协同平台，明确项目协同的机制，确保各参与人员均能熟悉使用平台并明确注意事项，充分发挥平台高效协同的作用。
9）项目进度安排 提前做好项目进度安排，根据进度节点划分任务，确保项目能按节点提交成果。
10）各阶段交付成果 明确各阶段BIM成果须交付的内容，包括模型文件、媒体文件、图片及文档等，以及各类文件的文件格式也应做明确规定。
11）质量管理与控制 明确质量检查制度，包括前期准备阶段检查制度、过程控制检查制度、成果验收检查制度等，检查的内容可包括进度是否同步、模型进度是否满足当前阶段要求、模型的规范性是否符合导则规定、是否图模一致等，并形成检查记录单，确保项目在质量保证的前提下推进。
3.2 管理模式更新
设计阶段的BIM模型需与生产施工的模型保持一致，避免重复建模。在项目开始阶段制定的BIM实施计划（导则）就要对建模标准进行规划。对于以EPC模式为主的企业，应形成自己的全产业链信息标准，保持模型在建筑全生命周期的通用性。对于传统企业及项目，需业主聘请专门的BIM顾问角色，从项目前期对模型的整个流程的应用进行架构安排（见图5），对设计企业和施工企业提出共同的BIM应用标准，或根据项目情况，在施工招标确认施工单位以后，由BIM顾问牵头设计企业和施工企业共同制定BIM导则。相应地对前期的设计模型按约定的导则标准进行重新梳理。BIM顾问的角色在整个项目中对BIM应用起到规划、引导、监督、评价等作用。
图5 BIM模型信息对接
设计阶段利用BIM技术建立的信息模型，包含设计阶段的建筑信息，生产阶段根据设计阶段建立的构件深化模型进行生产。模型施工阶段根据现场实际施工情况对模型进行楼层拆分、施工分区、添加相应的属性信息等一系列深化设计，使设计模型顺畅地传递到施工阶段。设计模型传递到施工阶段后，施工单位首先进行各专业模型的链接整合，利用BIM软件的碰撞检测功能对模型进行初步的碰撞检测，在施工前准确把握住该工程的重点、难点，在形成碰撞报告、把控重点难点的同时形成初步的优化方案及构件吊装方案和施工组织方案等（见图6）。
图6 BIM模型信息对接
3.3 基于互联网平台的BIM模型信息对接
随着互联网技术的发展，“互联网+”的概念提出，互联网的作用在建筑行业中的重要性也逐渐显露出来，尤其是移动宽带、大数据分析、物联网、智能终端设备等的发展更加开阔互联网技术在建筑行业中的应用前景。在传统的模式中，设计企业和业主及施工企业的交流方式一般通过邮件或QQ，RTX等即时通信软件,一般为点对点交流。通过建立基于互联网的(装配式)建筑设计一体化管理平台,可通过平台与业主、施工企业协同交流（见图7）。设计成果统一管理，避免BIM模型文件版本或其他文件版本因离散的交流带来信息上的不对称。
图7 BIM模型信息对接
BIM模型包含建筑构件精确的几何信息和丰富的非几何（属性）信息，同时支持对构件几何和非几何信息的实时编辑，也包含工作成员之间相互的工作链接关系，由于以上原因导致一个项目的全专业模型可能达到几百MB甚至几GB,将这样大小的文件放在互联网上供各参与方查阅调用不现实。为了实现基于互联网的各参与方实时在线协同交流工作便需将BIM模型进行格式转化，使BIM模型“轻量化”，“轻量化”模型可继续添加建筑工程信息，可说“轻量化”模型是设计一体化平台的核心引擎（见图8）。
图8 BIM“轻量化”模型
Part 04
结语
设计、生产、施工、运维、商务各环节基于同一BIM模型进行协同工作，保证数据源的唯一和信息处理的及时准确。建筑的生产过程不再是各环节的信息孤岛，而是连成一片，信息互通。建设单位、设计单位、施工单位、运维单位、供应厂商等在同一平台上协同作业，实现资源优化配置，各环节基于平台充分协作，打破企业边界和地域边界的限制，实现有效链接和信息共享，最终形成建筑产业现代化新的生态关系圈。
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李新伟,曾启,樊则森.基于BIM技术的设计与施工协同工作模式研究[J].施工技术,2020,49(05):68-71+90.