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BIM
BIM概述
1BIM产生和发展的背景
1）建筑行业的快速发展
随着各国经济的快速发展,城市化进程的不断加快,使得建筑行业在推动社会经济发展中起着至关重要的作用。
各类工程的规模不断扩大，形态功能越来越多样化，项目参与方日益增多使得跨领域、跨专业的参与方之间的信息交流、传递成为了至关重要的因素。
2）建筑行业生产效率低
建筑业生产效率低是各国普遍存在的问题。
2004年美国斯坦福大学进行了一项关于美国建筑行业生产率的调查研究，其调查结果显示：
从1964年至2003年近40年间，将建筑行业和非农业的生产效率进行对比，后者的生产效率几乎提高了一倍，而前者的效率不升反降，下降了接近20%[1]。
在整个设计流程中，专业间信息系统相对孤立，设计师对工程建设的理解及表达形式也有所差异，信息在专业间传递的过程中容易出现错漏现象[2]，建筑、结构、机电等专业的碰撞冲突问题在所难免。
再者各专业设计师自身的专业角度以及CAD二维图纸的局限性等原因，导致图纸错误查找困难，并且在找出错误后各专业间的信息交互困难，沟通协调效率低下，依然不能保证彻底解决问题。
同时这种传递方式极有可能导致后期施工的错误，一旦如此设计方必须根据施工方反应的问题再度修改图纸，无疑增加了工作量，甚至在多次返工后依然无法保证工程的设计、施工质量。
不难看出，建筑行业生产效率低下的主要原因是：
一是在建筑整个全生命周期阶段中，从策划到设计，从设计到施工，再从施工到后期运营，整个链条的参与方之间的信息不能有效的传递，各种生产环节之间缺乏有效的协同工作，资源浪费严重；二是重复工作不断，特别是项目初期建筑、结构、机电设计之间的反复修改工作，造成生产成本上升。
这也是目前全球土木建筑业存在两个亟待解决的问题[3]。
3）计算机技术的发展
自计算机和其他通讯设备的出现与普及后，整个社会对于信息的依赖程度逐步的提高，信息量、信息的传播速度、信息的处理速度以及信息的应用程度飞速增长，信息时代已经来临。
信息化、自动化与制造技术的相互渗透使得新的知识与科学技术很快就应用于生产实际中。
但信息技术在建筑行业中的应用远不如它在其它行业中的应用的情况那样让人满意。
2BIM技术的起源
基于建筑行业在长达数十年间不断涌现出的诸如碰撞冲突、屡次返工、进度质量不达标等顽固问题，造成了大量的人力、经济损失，也导致建筑业生产效率长期处于较低水平，建筑从业者们痛定思痛后也在不断发掘解决这一系列问题的有效措施。
新兴的BIM技术，贯穿工程项目的设计、建造、运营和管理等生命周期阶段，是一种螺旋式的智能化的设计过程[4]，同时BIM技术所需要的各类软件，可以为建筑各阶段的不同专业搭建三维协同可视化平台，为上述问题的解决提供了一条新的途径。
BIM信息模型中除了集成建筑、结构、暖通、机电等专业的详尽信息之外，还包含了建筑材料、场地、机械设备、人员乃至天气等诸多信息。
具有可视化、协调性、模拟性、优化性以及可出图性的特点，可以对工程进行参数化建模，施工前三维技术交底，以三维模型代替传统二维图纸，并根据现场情况进行施工模拟，及时发现各类碰撞冲突以及不合理的工序问题，可以极大减少工程损失，提高工作效率。
当建筑行业相关信息的载体从传统的二维图纸变化为三维的BIM信息模型时，工程中各阶段、各专业的信息就从独立的、非结构化的零散数据转换为可以重复利用、在各参与方中传递的结构化信息。
2010年英国标准协会（BritishStandardsInstitution，BSI）的一篇报告中指出了二维CAD图纸与BIM模型传递信息的差异[5],其中便提到了CAD二维图纸是由几何图块作为图形构成的基础骨架，而这些几何数据并不能被设计流程的上下游所重复利用。
三维BIM信息模型，将各专业间独立的信息整合归一，使之结构化，在可视化的协同设计平台上，参与者们在项目的各个阶段重复利用着各类信息，效率得到了极大的提高。
上述两种建筑信息载体也经历了各自的发展历程：
60年代人们从手工绘图中解放出来，甩掉沉重的绘图板，转换为以CAD为主的绘图方式。
如今，正逐步从二维CAD绘图转换为三维可视化BIM。
人们认为CAD技术的出现是建筑业的第一次革命，而BIM模型为一种包含建筑全生命周期中各阶段信息的载体，实现了建筑从二维到三维的跨越，因此BIM也被称为是建筑业的第二次革命，它的出现与发展必然推动着三维全生命周期设计取代传统二维设计及施工的进程，拉开建筑业信息化发展的新序幕，如图1-1。
图1-1建筑业信息革命过程
BIM这个词的产生发展经历了一个比较复杂的过程，BIM有两种解释：
BuildingInformationModel和BuildingInformationModeling,它们的意义差别较大[6],阐述如下：
20世纪70年代，美国乔治亚理工大学建筑与计算机学院CharlesEastman（Chuck）博士发表了以“建筑描述系统（BuildingDescriptionSystem）”的课题，他阐述了现今BIM理念，此处BIM对应解释为“BuildingInformationModel”，因此CharlesEastman被称为“BIM之父”。
在20世纪80年代后，欧洲（以芬兰学者为首）称这种方法为“ProductInformationModels”。
目前通俗的术语BIM（BuildingInformationModeling）是欧特克公司（Autodesk）副总裁PhilG.Bernrstein在2002年年初收购RTC公司（RevitTechnologyCorproation）后所给出的。
2009年，美国麦克劳-希尔建筑信息公司（McGraw-HillConstruction）在一份名为“BIM的商业价值（TheBusinessValueofBIM）”的调研报告中对BIM作了如下定义：
“BIMisdefinedas:
Theprocessofcreatingandusingdigitalmodelfordesign,constructionand/oroperationsofprojects.”[7]，可大致翻译为:
BIM是创建、应用数字化模型对项目进行设计、施工和运营的过程。
BIM这个术语在工程行业被广泛推广的推手是JerryLaiserin[8]，他在2002年12月16日的“TheLaiserinletterTM”第15期上，发表了一篇名为“ComparingPommesandNarajas（苹果和橙子的比较）”的文章，“Pommes”“Narajas”在法语中分别译为“苹果”和“橙子”。
他用两个不相似的东西之间的对比来说明CAD与BIM间的区别。
文中赋予BIM（BuildingInformationModeling）的内涵是：
用数字形式展现建造过程与设备管理，并以数字形式完成建造过程与设施管理中的信息交互”[12]。
从此之后，BIM在工程界引发了业界人士的广泛关注与讨论，人们逐渐开始深入研究BIM并积极使用，所以其历史也可称得上错综复杂，在JerryLaiserin的文章发表后，与建筑信息模型相关的各类词汇基本统一为BIM，JerryLaiserin也被人们尊称为“BIM教父”。
3BIM技术概述
3.1BIM的基本定义
BIM全称是“BuildingInformationModeling”，译为建筑信息模型。
目前较为完整的是美国国家BIM标准（NationalBuildingInformationModelingStandard，NBIMS）的定义：
“BIM是设施物理和功能特性的数字表达；BIM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寿命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责的协同工作”[9]。
从这段话中可以提取的关键词如下：
数字表达：
BIM技术的信息是参数化集成的产品；
（1）共享信息：
工程中BIM参与者通过开放式的信息共享与传递进行配合；
（2）全寿命周期：
是从概念设计到拆除的全过程；
（3）协同工作：
是不同阶段、不同参与方需要及时沟通交流、协作以取得各方利益的操作。
通俗的来说，BIM可以理解为利用三维可视化仿真软件将建筑物的三维模型建立在计算机中，这个三维模型中包含着建筑物的各类几何信息（几何尺寸、标高等）与非几何信息（建筑材料、采购信息、耐火等级、日照强度、钢筋类别等），是一个建筑信息数据库。
项目的各个参与方在协同平台上建立BIM模型，根据所需提取模型中的信息，及时交流与传递，从项目可行性规划开始，到初步设计，再到施工与后期运营维护等不同阶段均可进行有效的管理，显著提高效率减少风险与浪费，这便是BIM技术在建筑全生命周期的基本应用。
3.2BIM的主要特征
1）可视化的三维模型
随着建筑行业的不断发展，各式各样的新兴建筑设计理念给房屋带来了更多的观赏性，复杂结构也层出不穷，提升建筑格调的同时也给传统二维设计模式带来了巨大的麻烦。
可视化这个词语，往往让人们联想到了各类工程前期、竣工时的展示效果图，这的确是属于可视化的范畴，但BIM的可视化远不止效果图这么简单。
可视化就是“所见即所得”,BIM通过建模软件将传统二维图纸所表达的工程对象以全方位的三维模型展示出来，模型严格遵守工程对象的一切指标和属性。
建模过程中，由于构件之间的互动性和反馈性的可视化，使得工程设计的诸多问题与缺陷提前暴露出来。
除去以效果图形式展现的可视化结果外，最为重要的是可视化覆盖了设计、施工、运营的各个阶段，各参与方的协调、交流、沟通、决策均在可视化的状态中进行。
BIM可视化能力的价值占BIM价值的半壁江山[12]。
2）面向工程对象的参数化建模
作为BIM技术中重要的特征之一，参数化建模是利用一定规则确定几何参数和约束，完成面向各类工程对象的模型搭建，模型中每一个构件所含有的基本元素是数字化的对象，例如建筑结构中的梁、柱、板、墙、门、窗、楼梯等等。
在表现其各自物理特性和功能属性的同时，还具有智能的互通能力，例如建筑中梁柱、梁板的搭接部分可以自动完成扣减，实现功能与几何关系的统一。
参数化使得BIM在与CAD技术对比中脱颖而出，每一个对象均是包含了标识自身所有属性特征的完整参数，从最为直观的外观，到对象的几何数据，再到内部的材料、造价、供应商、强度等非几何信息。
参数化建模的简便之处在于关联性的修改。
例如一项工程中，梁高不符合受力要求，需要修改所有相关梁的几何信息，此时只需要将代表梁高的参数更正即可使相关构件统一更正，大大减少了重复性的工作。
3）覆盖全程的各专业协作
协作对于整个工程行业都是不可或缺的重点内容。
一个建筑流程中，业主与设计方的协作是为了使设计符合业主的需求，各设计方之间的协作是为了解决不同专业间的矛盾问题，设计方与施工方的协作是为了解决实际施工条件与设计理念的冲突。
传统的工作模式往往是在出现了问题之后，相关人员才开展会议进行协调并商讨问题的解决办法，随后再做出更改和补救，这种被动式的协作通常浪费大量人力、财力。
基于BIM的可视化技术，提供给各参与方一个直观、清晰、同步沟通协作的信息共享平台。
业主、设计方、施工方在同一平台上，各参与方通过BIM模型有机的整合在一起共同完成项目。
由于BIM的协作特点，某个专业的设计发生变更时，BIM相关软件可以将信息即时传递给其他参与者，平台数据也会实时更新。
这样，其他专业的设计人员可以根据更新的信息修改本专业的设计方案。
例如，结构专业的设计师在结构分析计算后发现需要在某处添加一根结构柱以符合建筑承载力的要求，在平台上更新自己的设计方案，建筑设计师收到信息更新后会根据这根柱子影响建筑设计的情况来决定是否同意结构设计师的修改要求。
在协商解决建筑功能、美观等问题的前提下，机电设计师即可根据添加结构柱后生成的碰撞数据，对排风管道位置进行修改，避免实际施工中的冲突。
4）全面的信息输出模式
基于国际IFC标准的BIM数据库，包含各式各样的工程相关信息，可以根据项目各阶段所需随时导出。
例如，从BIM三维参数化模型中可以提取工程二维图纸：
结构施工图，建筑功能分区图、综合管线图、MEP预留洞口图等。
同时，各类非图形信息也可以根据报告的形式导出，如构件信息、设施设备清单、工程量统计、成本预算分析等。
而协同工作平台的关联性使得模型中的任意信息变动时，图纸和报告也能够即时的更新，极大提高了信息使用率和工作效率。
3.3BIM实施原理与流程
工程项目的建设涉及政府、业主、设计方、施工方、运营商等几大类，其中设计方包含建筑设计、结构设计、机电设计等；施工方包括基础工程、主体结构、装饰装修、机电安装等。
其中所包含的诸如材料供应商、管理方、运营、环保、能源等参与方多达数百家（甚至上千）。
建筑使用年限短则数十年，长则上百年。
BIM技术贯穿建筑全生命周期，在可行性研究、初期规划、设计、施工、运营、维护以及最后的拆除阶段均以信息作为纽带，连接项目各阶段的参与方。
基于BIM技术的应用流程为：
建筑、结构、机电在同一个协同平台上进行各自的专业建模设计，通过各方多次协调、讨论、修改后形成BIM总模型。
该模型的特点是具有前期规划、设计相关的一切结构化信息，并且可以在任何时间地点进行有效的存取和传递。
随着项目的进展，施工及后期运维的相关人员参与进来，更多的信息通过协同平台进入总模型中。
不同阶段的人员可根据自身所需提取信息开展相关应用，诸如施工与设计的碰撞冲突检测、构件细部可视化设计、工程进度模拟与图纸输出等。
保证信息的及时传递与高效应用也正是BIM技术的初衷。
3.4BIM的内涵
1）以模型为信息载体
BIM技术的信息载体是BIM模型，而这个载体的维度也从传统CAD图纸的二维变化到了三维，同时可以根据时间、造价等需求增加更多的维度。
下面用几个简单的等式来解释BIM模型的维度：
（1）
（2）
，故
（3）
，故
（4）
，故
，类推可以得出：
（5）
，其中
BIM的应用将促使建筑业从二维到三维甚至多维的转型，但CAD二维设计施工的习惯并非一朝一夕能够改变的。
传统二维专业设计、施工图纸是由点、线构成，从长、宽两个维度组成建筑，CAD的三维仅仅是在二维的基础上添加了高度，如此构成的3D模型也仅仅只有3D这一个功能。
BIM的多维参数化信息模型，3D仅仅是其众多功能中的基础。
在解决传统二维图纸无法进行信息整合与信息传递问题的基础上，其多维的动态模型也带给工程人员极大的便利。
例如加入时间维度的4D模型，可以大大的增加工程在进度、施工组织流水、项目优化等方面的把控性；4D基础上再加入造价维度的5D模型，能够对项目各阶段预算进行提前模拟和控制、大大减少了浪费与风险。
基于政府部门或者业主方对建筑能耗、低污染、可持续发展等方面的需求，BIM模型可以添加更多的维度，如此一来，建筑经济、舒适、低能耗、低污染、可持续的理念与应用也达到了新的程度。
2）以软件为实现途径
工程离不开设计，设计离不开软件。
传统设计方式是以AutoCAD软件为核心，以平面元素描绘建筑设计师心中的理念，结构设计师再以诸如PKPM一类的结构分析软件实现抗震以及承载力的分析。
BIM技术的实现，同样离不开软件，在BIM所提供的协同平台上，单一建模软件的应用显得捉襟见肘，往往需要大量功能相异的软件对模型进行支持。
一个软件解决问题的时代将一去不复返，这是未来BIM技术取代CAD技术成为主导的必然结果。
3.5BIM标准-IFC标准
BIM技术的核心是信息模型，只有精准的模型才能发挥BIM的效用减少不必要的浪费。
模型的建立并非一步到位，建模是一个不断完善的过程，在这个过程中BIM技术的各参与方对于本专业信息的把控程度要求不同，同时各参与方在不同阶段使用的软件也不相同，软件由于开发商的不同直接导致信息标准不一致、软件间无法共享数据的情况发生。
不同专业、不同阶段、不同参与方、不同软件间的信息集成与共享是BIM应用的前提，而以何种标准将信息添加入模型是BIM实施急需解决的问题。
美国BSA在2008年底已经发布了IFC（IndustryFoundationClasses）标准，其目的是为建筑从业人员建立一套工业基础类数据国际标准，使建筑全生命周期各阶段、各参与方使用的各类软件实现信息资源的共享。
IFC由4个层次构建而成，由低到高分别是资源层（Resourcelayer）、核心层（CoreLayer）、共享层（Interoperabilitylayer）和领域层（DomainLayer）。
（1）资源层：
是包含测量、辅助、几何、对象性质、时间、价格等信息的最低层级，可以不依赖其他类别而单独存在，是一般性的低阶对象和观念，作为信息模型的基本元素与上层实体连接并定义其特性。
（2）核心层：
提供了IFC对象的基本结构并且定义了建筑绝大部分抽象观念，作为IFC架构的第二层级，其所定义的类别能够被上层所有类别全部参照、特殊化。
它是IFC架构中最为重要的一环，通过它将底层的信息相连，使得概念实体能够合二为一。
（3）共享层：
它定义了建筑各个领域之间所共享的观念和模块，以实现各领域间的信息共享。
（4）领域层：
作为IFC构架的最高层，提供了建筑以及设施管理领域的对象模型。
例如：
结构领域的梁柱板，暖通工程的风机、空调，管理领域中的设备、人员，建筑领域的节能、功能等。
IFC的架构遵循阶梯原则（ladderprinciple）：
每一个层级的类别可参照（reference）同一层级或较低层级的其他类别，但不能参照较高层级的类别[13]。
最新IFC标准包含了以下个九个建筑相关领域：
（1）建筑；
（2）结构分析；（3）结构构件；（4）电气；（5）施工管理；（6）物业管理；（7）HVAC建筑（8）管道消防；（9）建筑控制。
在今后更新的IFC标准中将会纳入地理信息系统（GIS）领域与施工图纸审批系统，使信息交换更为高效。
随着IFC标准的影响力逐渐增大，它现已成为建筑业最受广泛认可的国际性公共产品数据标准格式。
同时全球部分建筑软件商宣布了旗下产品对IFC格式的支持，基于IFC的数据共享模式也为BIM的协调设计提供了便利。
与此同时，诸多国家开始制定本国基于IFC标准的BIM应用规范，以便在此基础上更好的推广发展BIM技术。
4BIM技术及可视化研究现状
4.1BIM技术及可视化在国外的发展现状
BIM的概念起源于美国，所以BIM的研究与应用实践在美国起步很早，并已验证BIM技术在建筑行业中的应用潜力，所以利用BIM及时弥补了建筑行业中的诸多损失。
距它在2002年正式进入工程领域至今已有14年之久，BIM技术已经成为美国建筑业中具有革命性的力量。
在全球化的进程中，BIM的影响力已经扩散至欧洲、韩国、日本、新加坡等地区，这些国家的BIM技术均已经发展到了一定水平。
1）BIM在美国的研究发展
美国总务管理局（GeneralServicesAdministration，GSA）于2003年推出了国家3D-4D-BIM计划，并陆续发布了一系列BIM指南[10]。
美国总务管理局要求：
从2007年起，美国所有达到招标级别的大型项目必须应用BIM，且前期规划和后期的成果展示需要使用BIM模型（此为最低标准），GSA鼓励所有项目采用3D-4D-BIM技术，并且给予采用该技术的项目各个参与方资金支持，其多少根据使用方的应用水平和阶段来确定。
目前，GSA正大力探索建筑全生命周期的BIM应用，主要囊括：
前期空间规划模拟，4D可视化模拟，能源消耗模拟等。
GSA在推广BIM应用上表现的十分活跃，极大的推动了美国工程界BIM的应用浪潮。
美国联邦机构美国陆军工程兵团（UnitedStatesArmyCorpsofEngineers，USACE）在2006年制定并发布了一份15年（2006—2020年）的BIM路线图[21-22]。
美国建筑科学研究院于2007年发布NBIMS，旗下的BuildingSMART联盟（BuildingSMARTAlliance，BSA）负责BIM应用研究工作[13]。
2008年底年底，BSA已拥有IFC（IndustryFoundationClasses）标准、NBIMS、美国国家CAD标准（UnitedStatesNationalCADStandard）等一系列应用标准。
美国UniversityofIllinois的Golparvar-Fard，Mani，Savarese,Silvio等学者，将BIM技术和影像技术相结合，建立模型后输入计算机中进行工程可视化施工模拟，将三维可视化模拟的最优成果作为实际施工的指导依据[11]。
美国HarvardUniversity的Lapierre.A、Cote.P等学者提出了数字化城市的构想，他们认为实现数字化城市的关键在于能否将BIM技术与地理信息系统GIS（GeographicInformationSystem）相结合[12]。
BIM-GIS的联合应用，BIM可视化技术拟建工程内部各类对象，GIS技术弥补BIM在外部空间分析的弱势，也是当下建筑产业具有极高探索、应用价值的环节。
2）BIM在欧洲的研究发展
与大多数国家相比，英国政府要求强制使用BIM。
2011年5月，英国内阁办公室发布了“政府建设战略（GovernmentConstructionStrategy）[13]”文件，其中有整个章节关于建筑信息模型（BIM），这章节中明确要求，到2016年，政府要求全面协同的3D-BIM,并将全部的文件以信息化管理。
英国在CAD转型至BIM的过程中，AEC（英国建筑业BIM标准委员会）提供了许多可行的方案措施，例如模型命名、对象命名、构件命名、建模步骤、数据交互、可视化应用等。
北欧四国（挪威、丹麦、瑞典、芬兰）是全球一些主要建筑产业软件开发厂商的所在地，例如Tekla，ArchiCAD等，因此这些国家是第一批使用BIM软件建模设计的国家，也大力推广着建筑信息的传递互通和BIM各类相关标准。
这些国家并不像英美一样强制使用BIM技术，其BIM的发展较多的是依赖于领头企业的自觉行为。
北欧国家气候特点是冬天天寒地冻且周期长，极不利于建筑生产施工，对于他们来说，预制构件是解决这一问题的关键，而BIM技术中包含的丰富信息能够促使建筑预制化的有效应用，故这些国家在BIM技术的使用上也进行了较早的部署。
一个名为SenateProperties的芬兰企业在2007年发布了一份建筑设计的BIM要求（SenateProperties'BIMRequirementsforArchitecturalDesign，2007）[14]，该份文件中指出：
自2007年10月1日起，SenateProperties的项目仅在建筑的设计部分强制使用BIM技术，其他设计部分诸如结构、水暖电等采用与否根据具体情况决定，但依然鼓励全生命周期使用BIM，充分利用BIM技术在设计阶段的可视化优势，解决建筑设计存在的问题。
建筑虚拟设计建造技术VDC（VirtualDesignandConstruction）作为BIM技术可视化的重要一环，BrianGilligan，JohnKunz等学者在研究其在欧洲领域市场的应用时，发现工程项目在实施中，技术组织上还存在一定的问题[15]。
但VDC使用的人数日益增多，且应用程度也随着研究的进展而深入，欧美地区的建筑业者对VDC的理解较为深刻，深信该项技术能够在BIM可视化应用中占有绝对的地位。
3）BIM在亚洲的研究发展
在亚洲，诸如韩国、日本、新加坡等国在BIM技术的研究与应用程度并不低。
2010年，日本
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