趙杏英， 易思蓉， 宋迪， 陳沉， 楊冬營， 王振

（1. 中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司；2. 浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司；3. 浙江省工程數(shù)字化技術(shù)研究中心；4. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院；5. 西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 引言

BIM（Building Information Modeling）作為產(chǎn)品時(shí)，譯為建筑信息模型，是指用三維數(shù)字技術(shù)表達(dá)工程項(xiàng)目實(shí)體與特性的數(shù)據(jù)模型，它能夠匯總集成工程項(xiàng)目的各類信息；作為過程時(shí)，譯為建筑信息建模，是指建立、運(yùn)用和管理建筑信息模型的過程[1]。工程數(shù)字化BIM不僅包括狹義的建筑信息模型和建筑信息建模，還涵蓋與BIM系統(tǒng)相關(guān)的理論、技術(shù)、平臺(tái)等。根據(jù)國務(wù)院頒布的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2012〕28號(hào)），工程數(shù)字化BIM產(chǎn)業(yè)作為新一代信息技術(shù)在建設(shè)領(lǐng)域的創(chuàng)新載體，應(yīng)作為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[2]。

BIM技術(shù)引進(jìn)我國已有十余年之久，已經(jīng)得到市場的初步認(rèn)可，但就整體市場而言，BIM滲透率仍然較低，我國BIM技術(shù)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段[3]。我國企業(yè)多使用歐美市場上的BIM軟件系統(tǒng)，難以將符合我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求的成熟建造技術(shù)軟件化，構(gòu)成國內(nèi)建造業(yè)信息化的瓶頸，嚴(yán)重影響建造業(yè)的自主創(chuàng)新和后續(xù)發(fā)展能力[4]。為打破歐美發(fā)達(dá)國家對(duì)BIM領(lǐng)域核心技術(shù)的壟斷，本文對(duì)BIM關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入挖掘，分析工程化數(shù)字BIM關(guān)鍵技術(shù)，概括國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的不足和應(yīng)對(duì)措施，能夠?yàn)閲鴥?nèi)BIM技術(shù)的發(fā)展提供思路，豐富具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果。

2 工程數(shù)字化BIM特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工程數(shù)字化BIM特點(diǎn)

工程數(shù)字化BIM獨(dú)有特點(diǎn)也是其關(guān)鍵技術(shù)所在。與傳統(tǒng)的建筑業(yè)相比，BIM的特點(diǎn)有幾點(diǎn)[5-7]。

1）可視化：在BIM應(yīng)用的整個(gè)過程都是可視的，以此實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間的互動(dòng)與反饋。

2）協(xié)調(diào)性：BIM建筑信息模型能夠?qū)⒏鲗I(yè)碰撞問題生成為協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，以此解決一系列協(xié)調(diào)問題。

3）模擬性：BIM除能模擬建筑物模型外，還能在項(xiàng)目建設(shè)中根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬。

4）優(yōu)化性：BIM模型能夠提供項(xiàng)目各種信息數(shù)據(jù)，對(duì)復(fù)雜程度較高的項(xiàng)目方案優(yōu)化具有重要意義。

5）可出圖性：BIM技術(shù)能夠從三維模型中生成方便工程師查看的二維圖紙，不僅提高了工作效率，還保證了出圖質(zhì)量。

6）一體化：BIM技術(shù)形成的三維模型數(shù)據(jù)庫可以容納項(xiàng)目全過程信息，能夠助力實(shí)現(xiàn)貫穿工程項(xiàng)目全壽命周期的一體化管理。

7）參數(shù)化：參數(shù)保存了構(gòu)件的所有信息，而構(gòu)件組成了BIM中的圖元。BIM模型修改的本質(zhì)是對(duì)參數(shù)的更改。

8）信息完備性與全息化：信息完備性指BIM技術(shù)能夠完整描述工程項(xiàng)目信息；全息化指BIM技術(shù)可進(jìn)行貫穿項(xiàng)目全生命周期的信息一體化管理。

2.2 工程數(shù)字化BIM關(guān)鍵技術(shù)

工程數(shù)字化BIM在項(xiàng)目不同階段關(guān)鍵技術(shù)需求不同，但都存在一個(gè)基礎(chǔ)問題，即基于IFC數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)問題，它既關(guān)系到工程數(shù)字化BIM產(chǎn)品的全生命周期信息一體化，也關(guān)系到BIM應(yīng)用的效益和可持續(xù)性。

1）基于IFC的BIM標(biāo)準(zhǔn)

IFC（Industry Foundation Classes）譯為工業(yè)基礎(chǔ)類，是由國際協(xié)同聯(lián)盟（IAI）建立的一套能夠應(yīng)用于建筑項(xiàng)目全生命期內(nèi)各個(gè)階段及其間信息交換共享的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[8]。IFC作為一類中間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可不依靠于任何具體的軟件系統(tǒng)而對(duì)建筑物全生命周期所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行描述[9]。

IFC的體系結(jié)構(gòu)可劃分為四個(gè)層次，由上往下分別為領(lǐng)域?qū)印⒔换?、核心層以及資源層[10]。這些包含著模型信息描述模塊的功能層次都遵守著同一個(gè)“重力準(zhǔn)則”[11]，即每個(gè)功能層次只能引用同級(jí)或下層的信息描述，無法向上引用。這樣下層信息資源不會(huì)受到上層信息資源變動(dòng)的影響，確保了穩(wěn)定的信息描述[12-13]。

2）三維圖形支撐平臺(tái)

三維圖形支撐平臺(tái)作為BIM建模以及BIM相關(guān)產(chǎn)品的底層支撐平臺(tái)[14]，能滿足BIM應(yīng)用在渲染速度質(zhì)量、顯示速度、模型建造和編輯效率等各方面的需求[15]。三維圖形支撐平臺(tái)的核心關(guān)鍵技術(shù)包括[8]：圖形數(shù)據(jù)庫技術(shù)、大模型數(shù)據(jù)顯示技術(shù)、大場景數(shù)據(jù)高效組織與渲染技術(shù)以及參數(shù)化模型描述技術(shù)。其中，圖形數(shù)據(jù)庫技術(shù)支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存與動(dòng)態(tài)加載、幾何數(shù)據(jù)與空間索引以及數(shù)據(jù)模型協(xié)同編輯，參數(shù)化模型描述技術(shù)多為基于約束的模板實(shí)例建模。

3 國內(nèi)在BIM關(guān)鍵技術(shù)方面的不足

3.1 可視化建模方面的不足

因?yàn)樾枰獙?duì)大量二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)進(jìn)行加工創(chuàng)建，所以BIM在數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)方面要求很高[16]。但與國外相比，國內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目信息化水平還相對(duì)落后。至今有相當(dāng)一部分的企業(yè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集使用人工查詢、手動(dòng)上傳系統(tǒng)的落后方式，這種方式不僅精細(xì)度低，還要耗費(fèi)大量時(shí)間，不利于后續(xù)模型交互對(duì)接工作。

3.2 基于BIM的協(xié)同性問題

目前，國內(nèi)大部分中小型設(shè)計(jì)院對(duì)BIM的使用相對(duì)較少，而大型設(shè)計(jì)院在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)方面略有嘗試和進(jìn)展[17]，但大部分應(yīng)用還是在一些大型公共建設(shè)及重點(diǎn)項(xiàng)目上，對(duì)常規(guī)項(xiàng)目的應(yīng)用仍然較少。

BIM應(yīng)用過程中缺少協(xié)同設(shè)計(jì)，尤其在國內(nèi)項(xiàng)目運(yùn)作中[18]，項(xiàng)目不同階段、專業(yè)及參與方信息缺少統(tǒng)籌管理，BIM相關(guān)軟件涉及不同專業(yè)，而項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)與否，對(duì)能夠充分實(shí)現(xiàn)BIM的價(jià)值至關(guān)重要[19]。

另外BIM設(shè)計(jì)需要從相對(duì)獨(dú)立的本專業(yè)設(shè)計(jì)到多個(gè)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，各個(gè)專業(yè)的軟件掌握和應(yīng)用程度參差不齊，影響了專業(yè)間的協(xié)調(diào)與合作。

3.3 國產(chǎn)BIM軟件發(fā)展不夠成熟

與國外成熟前沿的BIM技術(shù)軟件相比，國內(nèi)對(duì)這類軟件的研究仍處于起步階段。從國內(nèi)BIM關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展程度來說，除了在算量軟件這類BIM核心建模軟件上已有一定的優(yōu)勢(shì)外，對(duì)BIM核心建模軟件的開發(fā)還有較大缺失。我國BIM軟件研發(fā)處于空白狀態(tài)的高達(dá)8種，僅有幾款自主開發(fā)但尚不能在各方面均滿足相關(guān)功能需求的軟件。但軟件的開發(fā)研究工作是一個(gè)漫長發(fā)展的過程，很難在朝夕之間得到突破。

3.4 可出圖性方面的不足

BIM技術(shù)的終極理念是希望將設(shè)計(jì)階段建立的三維模型，通過相關(guān)軟件的處理直接生成施工階段的模型，保證設(shè)計(jì)階段BIM模型的有效利用，以此實(shí)現(xiàn)面向項(xiàng)目全生命期的建筑信息模型的建立。但是因?yàn)槿狈υO(shè)計(jì)階段到施工階段模型數(shù)據(jù)信息對(duì)接的有效接口，這樣的BIM理念在國內(nèi)現(xiàn)階段還無法真正實(shí)現(xiàn)[20]。在目前大多數(shù)項(xiàng)目BIM建設(shè)中，因?yàn)槭┕るA段對(duì)模型數(shù)據(jù)信息的要求與設(shè)計(jì)階段不盡相同，都需利用設(shè)計(jì)階段的二維圖紙重新建模，需要投入大量的人力物力，重復(fù)高強(qiáng)度的建模工作，將施工階段BIM應(yīng)用推廣帶入了難以化解的困境。除了施工階段BIM應(yīng)用面臨如此困境外，運(yùn)營維護(hù)階段同樣無法避免這樣的現(xiàn)實(shí)困難。

3.5 一體化性

現(xiàn)階段項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)過程中在其設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維階段都缺乏有效的集成管理，各階段間信息溝通并不流暢。因此即使BIM理念能夠貫穿項(xiàng)目全生命周期，對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和后期運(yùn)營管理集成都有重大意義，也無法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息化的橫向貫穿。在對(duì)國內(nèi)廣泛使用且處于行業(yè)前沿的各種功能軟件深入研究發(fā)現(xiàn)[21]，各類軟件雖在實(shí)際運(yùn)用中少有交互，但實(shí)際各軟件之間均存在相互溝通的可能。而BIM在項(xiàng)目運(yùn)維階段尚未得到充分運(yùn)用發(fā)展，導(dǎo)致運(yùn)維階段在項(xiàng)目全壽命周期仍處于孤島狀態(tài)，要想真正實(shí)現(xiàn)BIM理念全生命周期應(yīng)用，不僅僅要解決諸多技術(shù)問題，更應(yīng)注重統(tǒng)籌管理。

3.6 模擬性

首先，從本質(zhì)上來說，BIM技術(shù)的本質(zhì)是構(gòu)建信息流以消除信息不對(duì)稱，所以在使用過程中，項(xiàng)目各方BIM模型的統(tǒng)一是前提條件。但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程中，存在很多信息（模型）不統(tǒng)一的情況[22]。重復(fù)建模、一模一用等在應(yīng)用各階段“各自為戰(zhàn)”的情況十分普遍。國內(nèi)幾乎所有專業(yè)軟件僅適用于全壽命周期中的某個(gè)或某幾個(gè)階段，且缺乏完整的信息交互渠道，如果沒有在各應(yīng)用階段無縫銜接交互操作的能力，BIM技術(shù)帶來的效益可能會(huì)被各階段間交互成本抵消，不僅沒有做到消除信息不對(duì)稱，反而可能制造了信息不對(duì)稱的情況，完全違背了BIM技術(shù)的初衷，不僅造成了大量人力物力財(cái)力的浪費(fèi)，還無法完全發(fā)揮信息模型的價(jià)值。

4 國內(nèi)突破關(guān)鍵技術(shù)的對(duì)策

BIM作為信息交流平臺(tái)，能集成建筑全過程各階段各方信息，支持多方、多人協(xié)作，實(shí)現(xiàn)及時(shí)溝通、緊密協(xié)作、有效管理，其應(yīng)用與推廣將對(duì)行業(yè)的進(jìn)步、轉(zhuǎn)型以及升級(jí)均產(chǎn)生難以估量的影響。

4.1 加強(qiáng)BIM標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建的相關(guān)策略

4.1.1 制定基于IFC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)

目前，作為BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的IFC標(biāo)準(zhǔn)在世界上已經(jīng)發(fā)展成熟[23]，但現(xiàn)階段我國在這方面只是引入了IFC標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)部分，對(duì)國外標(biāo)準(zhǔn)的研究還比較薄弱[24]。結(jié)合我國建設(shè)工程的實(shí)際，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的拓展工作更是少之又少。因此不僅高校和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)支持這方面研究工作，國家有關(guān)部門也應(yīng)給予高度重視。

4.1.2 促進(jìn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期中及各參與方對(duì)于BIM 標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建

能否切實(shí)發(fā)揮BIM技術(shù)協(xié)同作業(yè)的優(yōu)勢(shì)是其能否取得應(yīng)有的效益和價(jià)值最為關(guān)鍵的問題之一。應(yīng)基于多方合作，為了共同的利益在項(xiàng)目全生命周期過程中積極協(xié)同合作、共同決策、知識(shí)共享、信息共享。根據(jù)國家、市場、行業(yè)、企業(yè)內(nèi)部等的要求制訂所有項(xiàng)目參與主體可共同遵循的BIM標(biāo)準(zhǔn)，并貫穿整個(gè)項(xiàng)目全生命周期[25]。

4.1.3 加強(qiáng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施與環(huán)境創(chuàng)造

BIM標(biāo)準(zhǔn)體系涉及很多層次，不僅需要國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支持，還需要企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效配合，從而形成一整套基準(zhǔn)線。相關(guān)人員還要以此基準(zhǔn)線為基礎(chǔ)，對(duì)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來科學(xué)指導(dǎo)，一方面可以促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系順利實(shí)施，另一方面能夠使其在建筑工程中得到有效體現(xiàn)。

加大對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用以及推廣，創(chuàng)造良好的應(yīng)用環(huán)境，這樣既可以增強(qiáng)參與主體對(duì)BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的認(rèn)同感，還可以對(duì)體系實(shí)施情況進(jìn)行有效監(jiān)督。在這個(gè)過程中，政府要發(fā)布政策進(jìn)行支持，使市場以及企業(yè)都積極遵循BIM標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容，一方面可以使信息更加透明，另一方面能夠促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，從而達(dá)到信息化標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 發(fā)展BIM+現(xiàn)代信息技術(shù)，研發(fā)國產(chǎn)BIM軟件

雖然發(fā)達(dá)國家技術(shù)成熟的BIM軟件已進(jìn)入國內(nèi)市場并得到廣泛使用，但不能僅僅依靠它們。因?yàn)檫@些國外的軟件技術(shù)無法完美契合我國設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并且從更深層次的發(fā)展規(guī)劃來說，形成我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BIM應(yīng)用軟件對(duì)免受國外技術(shù)約束、制造國內(nèi)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)具有非常重要的意義[26-27]。

隨著BIM技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的不斷推進(jìn)，BIM技術(shù)已從單一的BIM軟件應(yīng)用轉(zhuǎn)向多軟件集成應(yīng)用方向，從桌面應(yīng)用轉(zhuǎn)向云端和移動(dòng)客戶端輕量化方向，從單項(xiàng)應(yīng)用轉(zhuǎn)向綜合應(yīng)用方向發(fā)展，并呈現(xiàn)出BIM+的新特點(diǎn)，使BIM應(yīng)用在工程建設(shè)行業(yè)不斷向縱深發(fā)展，給行業(yè)的工作方式和工作思路帶來了革命性的改變。BIM+現(xiàn)代技術(shù)可從BIM+GIS、BIM+云計(jì)算、BIM+VR、BIM+AR以及BIM+人工智能等幾方面進(jìn)行突破。

5 結(jié)語

從近年來國內(nèi)針對(duì)BIM發(fā)展出臺(tái)的相關(guān)政策來看，政府對(duì)其發(fā)展非常重視。我國工程化數(shù)字BIM發(fā)展采用了政策推進(jìn)市場的模式，雖然國內(nèi)BIM發(fā)展尚存一些亟待解決的問題，與國外實(shí)踐也有較大差距，但國內(nèi)對(duì)BIM政策支持更有力，行業(yè)發(fā)展還有非常大的潛力和空間。此外，中國在建設(shè)工程體量上走在世界前列，加之國家在信息化水平的努力追趕超越，相信BIM技術(shù)在不久的將來也會(huì)取得突破性進(jìn)展。