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建筑BIM技術應用研究綜述

添加時間:2018/09/11

  摘要:建筑信息模型 (BIM) 被認為是可以幫助建筑業轉型的一種新型的信息化工具, 已經在建筑相關領域被廣泛應用并且在項目建設全壽命周期中凸顯出巨大的優勢。全面推廣BIM技術將會促使我國建筑業完成信息化變革, 進而與世界技術接軌。由于我國BIM技術研究發展迅猛, 而建設、設計、施工等各利益相關方需要對BIM研究和實施的進展進行最新的審查。本文的目的是整理使用已發表的BIM相關論文提供客觀和準確的BIM知識總結, 了解BIM技術應用現狀及趨勢。本研究為總結BIM知識的現狀提供了有用的和全新的見解, 并且可以用作整合未來BIM動態發展的趨勢。
  
  關鍵詞:BIM技術; 應用研究; 文獻綜述; 發展趨勢;
  
  BIM (Building Information Modeling, 建筑信息模型) , 是一個能夠通過計算機三維數字模擬技術將建設項目在全壽命周期中所有階段的工程信息、施工進度、資源信息、建造過程等模擬整合在一個單一完備的模型中, 為工程項目各參與方提供一個公共便捷的協作平臺。由于BIM在提高信息可視化, 交互和共享方面具有潛在的優勢, 因此在許多學科領域得到廣泛應用, 包括社會 (如教育, 管理和經濟學) , 自然 (如環境科學, 生態和能源) 和計算機科學 (如信息和通信技術, 語義和互操作性) .在全球信息化的大時代背景下, BIM技術在多學科領域的開發和廣泛應用表明這種創新技術可以提高建筑業的信息化水平。
  
  1、BIM概述
  
  BIM起源于美國, 這個概念最初源于伊士曼于1975年提出的“Building Description System”, 之后Jerry Laiserin將BIM概念賦予了新內涵[1-2].在初始的二十年里, 受當時計算機水平的限制, BIM僅僅處于理論研究階段[3].進入21世紀初期, Autodesk公司于2002年正式將這一建筑信息化技術命名為BIM, 同時開發了第一款BIM軟件, 并進行商業推廣[4], 使學術研究中的BIM應用到了工程實踐中, 從此BIM登上建筑業歷史的舞臺, 成為建筑業信息化變革的中堅力量。BIM相關研究隨著時間的推移不斷向前發展, 之后逐漸被世界各個發達國家的建筑同行廣泛認同并接受。我國BIM技術研究起步較晚, 第一篇有關于BIM技術研究的文獻在2003年發表在學術期刊上[5], 同年建設部印發《2003-2008年全國建筑業信息化發展規劃綱要》, 綱要指出建筑業信息化是國民經濟信息化的基礎之一, 是建筑業實現跨越式發展的重要途徑。經過十余年來的開發與推廣, 我國學者對BIM技術相關領域的研究從無人問津到現已成為我國建筑業的熱門課題, 研究熱情持續高漲。目前雖然已經取得了一定的成績, 但與發達國家相比還有不小的差距。我國BIM技術的應用研究整體還處于初級階段。
  
  2、BIM技術應用研究
  
  BIM作為建筑業中一項新興的信息化技術已經在我國許多重大工程和典型領域里得到了廣泛的應用。從前期策劃、設計、施工到后期運營維護, 從傳統的工業、民用建筑到新興的裝配式、綠色建筑;從多維可視化、協調性到與互聯網、物聯網、大數據的結合, BIM技術都發揮出自己的優勢。
  
  2.1 BIM技術在設計階段、施工階段、運維階段應用研究
  
  BIM技術最開始引入我國時首先應用于設計階段, 之后學者們針對項目實施各個階段的BIM應用作出了大量的研究。結論表明BIM技術在建設全壽命周期都有其巨大優勢。
  
  2.1.1 設計階段
  
  目前, 在我國基于BIM技術設計階段的研究很多, 大多都側重于三維建模及各個專業間協同設計的研究。通過與具體工程實際相結合, 全面地介紹和分析多專業協同設計的目的和意義, 探索出這種先進的設計理念對未來工程建設行業有巨大的推動作用。
  
  馬智亮, 張東東等人研制基于BIM技術的集成項目交付協同工作平臺, 建立模型并基于此模型分析相關要素, 建立基于BIM技術的集成項目交付項目信息利用框架, 為其他學者后續的研究奠定了基礎[6].劉偉以某客運中心為例, 提出了在設計階段BIM技術的應用所能帶來的經濟效益, 與其他傳統設計方式相比具有許多優勢[7].朱偉, 吳敏等人以大唐淮北虎山2×660MW火電工程為研究背景, 提出以Smart Plant 3D作為設計平臺, 實現此電廠主廠房樓層結構設計數字化, 實現建筑、結構等多專業的協同設計[8].
  
  2.1.2 施工階段
  
  在施工階段中BIM技術主要應用于集成化施工管理平臺的創建、施工進度控制、施工組織方案優化等方面, 以提高施工信息管理效率, 節約成本。蘇小超, 蔡浩等人研究了BIM技術在國內城市地下空間開發中的應用, 得出在施工階段BIM技術可以實現施工方案預演[9].趙欽, 田慶等人研究了目前比較熱門的基于BIM技術的綠色施工管理, 通過分析國內外研究現狀指出其在應用中存在的困難和未來的研究方向[10].Kevin K.Han提出了一種新的基于外觀材料分類用于監測施工進度偏差的方法。為了驗證, 引入四個新的不完整和有噪點云模型數據集, 這些數據集由實際施工現場圖像和BIM組裝而成。對這四個數據集進行的實驗顯示了95.9%的準確性, 展示了基于外觀識別方法推斷BIM元素施工進度實際狀態的潛力[11].施工進度安排是一個非常苛刻和耗時的過程。建筑信息模型為規劃和調度提供了重要支持。Kateryna Sigalov介紹施工進度中的相似性估計, 詳細描述基于特征的方法和類似性度量定義。通過兩個不同的案例研究表明所提出的方法和相似性度量足以用來識別施工進度中的過程模式[12].
  
  2.1.3 運營維護階段
  
  BIM技術最開始應用于設計階段, 之后隨著發展逐漸推廣到施工階段, 最后隨著研究的不斷深入, 范圍逐步擴大, 將其引入到項目的運營維護管理階段, 實踐證明BIM技術在運維階段也能凸顯出巨大的優勢, 如火災模擬、優化人員疏散方案、建立運維管理信息化平臺等。
  
  黃廷, 陳麗娟等人構建了基于BIM技術的公路隧道運營維護管理平臺, 將BIM技術應用于公路隧道的運維管理, 提高運維階段的信息化管理水平[13].在運營階段將建造的最終BIM模型應用于設施管理 (FM) , 業主必須在項目結束后從總承包商 (GC) 獲得準確的最終竣工模型。確認最終竣工BIM模型是業主為滿足FM最終竣工模型的精度要求而執行的最重要工作之一。然而, 與最終竣工模型的管理相關的有許多實際問題, 如最終竣工模型不匹配, 缺少可用的最終竣工模型以及將不正確的非幾何信息輸入到最終竣工模型中。為了解決這些實際問題, Yu-Cheng Lin為業主開發了最終完工BIM模型管理 (FABMM) 系統, 以便在項目結束之后開展最終竣工BIM模型檢查, 修改和確認 (BMIMC) 工作。這種方法和系統可用于管理最終完工的BIM模型的BMIMC管理工作的狀態和結果。所提出的方法和系統被應用于臺灣選定建筑的案例研究中, 檢驗和證明其實際效果。確定了FABMM系統的益處和局限性, 并提出了進一步應用的建議[14].為了提高建筑信息模型 (BIM) 在提高能效和舒適度方面的作用, Shahryar Habibi介紹了一種將建筑模擬工具和優化方法相結合的策略。這些策略與BIM相結合不僅可以改進施工過程, 還可以探索其他方法。該工作討論了數據集成方法在辦公室環境中的潛在應用, 并著重討論了集成系統的潛在性能。他還解釋了BIM如何幫助促進審查結果和方法, 以提高建筑在能源效率和室內環境質量方面的表現[15].
  
  2.2 BIM技術在裝配式建筑中的應用
  
  裝配式建筑是由預制部品部件在工地裝配而成的建筑。由于它具有優化資源配置, 減少現場濕作業, 減少施工垃圾, 改善施工環境, 縮短工期等優點, 將會成為未來建筑行業的新趨勢。BIM技術在裝配式建筑中的應用貫穿于裝配式建筑的各個方面, 二者的結合, 極大地推動了裝配式建筑的發展。
  
  曹江紅, 紀凡榮等人將BIM技術應用于裝配式建筑施工全過程質量管理。由于施工階段不同時期對質量的要求不同, 從而構建了事前指導性、過程控制性和事后總結性質量管理的三部分質量管理體系, 并且由于不同施工生產場所在不同階段的質量管理要求不同, 提出基于BIM技術的管理措施及質量控制流程, 有效地解決了施工過程中的質量問題, 提高了施工質量和質量管理效率[16].孫少輝, 董龍峰等人以北京大興區舊宮鎮產業化住宅項目為例, 研究了將BIM技術應用在裝配式混凝土剪力墻結構施工中, 即通過BIM模型對預制墻板斜支撐的碰撞檢查以及對復雜節點施工仿真模擬[17].劉丹丹, 趙永生以濟南市港新園公租房建設項目為例, 通過應用不同的BIM軟件并相互配合, 從四個方面分析了BIM軟件在設計和建造階段應用的操作性能和適用性[18].靳鳴, 方長建等人通過制定BIM應用標準, 基于Revit開發設計工具集的方法以解決BIM在裝配式建筑深化設計中的難題, 并在成都錦豐新城裝配式整體剪力墻住宅項目的深化設計中進行實際應用, 效果良好[19].
  
  2.3 BIM技術在工業建筑中的應用
  
  工業建筑不僅是我國經濟發展的基礎, 也是我國社會發展的重要推動力量, 更是人類文明的載體之一。近年來, BIM技術迅猛發展, 對工業建筑的發展更是如虎添翼, 國內外許多學者就BIM技術在工業建筑設計及施工方面進行了大量研究。國內學者寶琦提出了一套全新的基于BIM技術的工業建筑協同設計方式和流程, 并以實際工程為例證明此先進理念優于傳統設計流程[20].穆潔引入BIM概念創建了協同設計平臺上的應用模型, 以生產廠房擴建項目為例驗證了應用模型的實用性、可行性[21].上海中心項目為典型高層鋼結構, 季俊, 張其林等人自主研發了高層鋼結構BIM軟件系統, 與Etabs的數據接口實現了數據共享, 大大提高了項目各方工作效率, 并且能夠在其他高層鋼結構體系中得到推廣[22].
  
  2.4 BIM技術在古建筑中的應用
  
  古建筑是中華建筑文化的瑰寶, 具有很高的歷史價值、科學價值。在大興土木的今天, 我們需要保護古代建筑及其蘊含的文化底蘊。基于BIM技術利用三維激光掃描儀進行古建筑點云數據處理, 逆向建模、參數化建模以及三維動畫演示和虛擬現實是目前對古建筑保護的三個主要研究方向。常磊基于BIM技術, 構建信息管理平臺, 對我國古建筑遺產實施數字化保護[23].王茹等人對基于BIM技術的古建筑進行了大量研究, 包括對古建筑的保護方案進行經濟性評價, 構建評價指標體系, 進而實現保護方案的比選[24];開發了古建筑信息模型設計平臺[25];通過創建標準化信息平臺, 構建古建筑構件庫, 并對構件進行分類編碼[26];通過在古建筑模型中的擴展字典和擴展數據添加信息來構建信息模型系統, 并成功建立了斗拱的信息模型[27].陳慶軍等人利用REVIT軟件, 對應縣木塔進行整體建模并分析了木塔的整體力學性能[28].盛德新, 楊振球利用三維激光掃描儀獲取三維激光點云數據, 應用Cloud Worx建模軟件逆向重建古建筑的三維幾何模型[29].王蕾, 葛海霞基于BIM技術建立古建筑的三維數字 (數字化可視) 5D模型 (包括古建筑所有工程幾何信息, 工程造價, 建設時間等) , 對古建筑項目的五個階段進行工程造價控制, 以節約成本[30].
  
  2.5 BIM技術在綠色建筑中的應用
  
  綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內, 最大限度地節約資源, 保護環境和減少污染, 為人們提供健康、舒適和高效的使用空間, 與自然和諧共生的建筑物。由于符合政府可持續發展的理念, 近年來受到許多學者及建設方的青睞。BIM技術與綠色建筑分析軟件的結合, 為綠色建筑的發展提供了極大地支持。
  
  李延釗, 林超楠基于BIM技術和綠色建筑分析軟件, 對建筑物的太陽輻射、室內采光、聲環境以及風環境 (室內、室外) 進行模擬分析并優化設計, 實現了BIM技術與綠色建筑設計方法的綜合應用[31].楊文領提出了基于BIM技術的綠色建筑能耗評價體系, 以具體工程項目為例進行建筑能耗評價, 實現能耗優化和設計改進, 驗證了評價體系的科學性和可行性[32].宋來鵬, 馬小軍利用Revit Architecture軟件建立辦公室建筑信息模型, 將相應格式的信息文件導入能耗分析軟件Ecotect中進行照度分析[33].
  
  2.6 BIM在其他非傳統領域的應用研究
  
  國外BIM技術應用范圍十分廣泛, 我國在許多非傳統領域也在逐漸探索應用BIM技術, 這些研究領域將會極大地豐富發展我國BIM應用結構, 實現各領域全面發展。
  
  Akinade O O, 使用BIM進行施工和拆除廢物CDW管理[34].Davtalab O將BIM用于自動化施工, 提出把BIM集成到自動化施工系統中。建筑系統和BIM平臺的不同組件之間的互操作, 旨在通過這兩種技術的協同作用實現效益最大化[35].施俊鵬等人提出基于BIM的張拉過程仿真技術完成節點深化設計, 將建筑信息和結構信息整合到一個三維模型中。解決了構件參數化設計、張拉過程模擬等問題[36].曾凝霜提出了基于BIM的智慧工地管理體系框架[37].陶敬華以海洋石油導管架平臺為研究對象, 探討BIM技術在海洋工程結構設計領域中的應用[38], 拓寬了BIM技術在其他行業的應用范圍。
  
  3、結論與展望
  
  建筑信息模型 (BIM) 的概念在項目團隊以及整個建筑行業中不斷普及。它的核心功能是為用戶提供分析、模擬和優化設施的幾何或非幾何信息。
  
  通過對BIM技術國內外研究現狀應用的總結分析可以看出, 關于在現有建筑中使用BIM的研究大體可以分為四類:功能問題, 組織和互操作性問題, 技術問題以及組織和法律問題。而且國外對于BIM技術的應用已經相對成熟, 相關配套軟件也已經很齊全。但是在我國近幾年, 雖然對BIM給予了很多關注, 但BIM技術的研究仍然處于起步階段, 在其他一些新興領域如與互聯網結合, 后期建筑廢棄物管理, 及應用于一些特種結構 (包括高聳結構、海洋工程結構、管道結構等) , 雖然許多研究已經啟動, 但是BIM技術幾乎沒有發揮出其優勢, 信息化程度仍舊滯后。這些重點研究領域將會對BIM結構的豐富發展極為重要。
  
  近年來, 雖然我國有關于BIM的標準相繼出臺, 然而BIM標準制定尚處于探索階段, 國外有關BIM標準及思想不能很好的與中國建設項目實際特點和需求相結合, 各類標準正面臨著生搬硬套缺乏統一性、完整性等問題, 建筑業急需研究討論編制一套有關BIM國家統一標準, 避免各領域BIM標準應用混亂。如今信息技術己經為建筑行業帶來了革命性的變化, 本文通過對各時期文章的研究來回顧BIM過去的發展并提出新的研究趨勢, 為之后BIM研究提供參考。
  
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