第一章 BIM基础知识

第一节 BIM概述

一、BIM概念

BIM理念的启蒙可以追溯到1973年，受全球石油危机的影响，美国全行业需要考虑提高行业效益的问题，1975年“BIM之父”Eastman教授在其研究的课题中提出“a computer-based description of-a building”概念，即BIM的雏形，以便于实现建筑工程的可视化和量化分析，提高工程建设效率。时至今日，BIM技术的研究经历了三大阶段，即萌芽阶段、产生阶段和发展阶段。

BIM的英文全称是Building Information Modeling，国内较为一致的中文翻译为“建筑信息模型”。

美国BIM标准（NBIMS）对BIM的定义由三部分组成：

（1）BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达。

（2）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。

（3）在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

从以上定义可以看出，BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员可以对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

我国自2017年7月1日起实施的《建筑信息模型应用统一标准》（GB/T 51212—2016）中，对BIM有了明确定义，建筑信息模型（BIM）是全寿命期工程项目或其组成部分物理特征、功能特性及管理要素的数字化表达。

通过BIM的定义我们可以看出，BIM具有的含义如下：

（1）BIM是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。

（2）BIM是一个完善的信息模型，能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源，是对工程对象的完整描述，提供可自动计算、查询、组合、拆分的实时工程数据，可被建设项目各参与方普遍使用。

（3）BIM具有单一工程数据源，可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享，是项目实时的共享数据平台。

二、BIM与CAD区别

从20世纪80年代初期，建筑师开始在个人计算机上使用CAD系统。大部分施工图可以用计算机绘制并打印。这种以集合为基础的技术虽然已经在建筑行业应用了几十年，但最终的图形文件却只能包含建筑项目的小部分信息，如楼层和相关属性。在大型项目中，只能通过人工来协调这些不同的文件和设计数据，任务依然非常艰巨。

目前的工程实施过程中，有着固定的组织边界，通常建筑工程由设计、制作、施工和运营几个独立的团队完成，这种方式限制了各组成部分的互动。在建造过程中使用的数字成果是分散零碎的，重点放在了那些分散的、彼此脱节的任务上，比如生成图样、效果图、估算成本或建筑管理记录。BIM解决方案能够跨越这种脱节的状况，取代这些以任务为基础的应用软件，通过统一的数字模型技术将建筑各阶层联系起来。它所采用的参数化设计方法，是具有开创性的计算机辅助设计新方法。

BIM是继CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）之后的新生代，BIM从CAD扩展到了更多的软件程序领域，如质量检测、工程造价、进度安排等，此外其还蕴藏着服务于设备管理等方面的潜能。

BIM与CAD的区别主要有以下几点：

（1）CAD技术中的点、线、面等无专业意义。而BIM技术的基本元素，如墙、窗、门等，不但具有几何特性，同时还具有建筑物理特征和功能特征。

（2）CAD技术中如果想改动图元的位置、大小或者其他信息，需要再次画图，或者通过拉伸命令调整大小。而BIM技术则将建筑构件参数化，附有建筑属性，在“族”的概念下，只需要更改属性，就可以调节构件的尺寸、样式、材质、颜色等。

（3）CAD技术表达的各个建筑元素之间没有相关性，而BIM技术中的构件则相互关联。例如删除一面墙，墙上的窗和门跟着自动删除；删除一扇窗，墙上原来窗的位置会自动恢复为完整的墙。

（4）CAD软件在平面上进行一次修改，则其他各面都需要进行人工修改，如果操作不当会出现不同角度视图不一致的低级错误。而BIM软件进行一次修改，则平面、立面、剖面、三维视图、明细表等都自动进行相关修改，实现了一处改动，处处改动。

（5）CAD技术提供的建筑信息非常有限，它只是将纸质图样电子化，不具备专业知识的人是无法看懂的。但BIM技术包含了建筑的全部信息，不仅可以提供形象可视的二维和三维图样，而且还可以提供工程量清单、施工管理、虚拟建造、造价估算等更加丰富的信息，便于项目各个部门的相互沟通和协同工作。

BIM以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型，并通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。使用BIM技术手段进行BIM信息化工程管理，可以将参与各方人员统筹到一个平台下，通过模型信息的状况反映项目的方方面面，在施工之前完成项目优化。

BIM技术不仅有它独特的智能设计，还能实现不同专业设计之间的信息共享、碰撞检测、能耗分析、成本预测、工程量概算等，让工程师像玩电子游戏一样，全方位控制整个建筑流程。在云端就能设计好几乎所有需要的图样。

通过精确的计算，应用BIM技术可以节约材料70%，节水36%，节能30%，让浪费的部分降到最低。最关键的是，它能节约二成的工期。BIM技术的优点详见表1-1。

三、BIM技术的特点

1.可视化

对于变化多端的建筑行业来说，可视化运用在建筑业的作用是非常大的。例如：目前工程所用的图样，只是各个构件的信息在图纸上采用线条绘制表达，但是其真正的构造形式就需要建筑业专业人员去识读、自行想象。对于一般简单的建筑物来说，这种想象也未尝不可，但是近几年的建筑形式各异，复杂造型不断推出，那么这种光靠人脑去想象的东西就未免有点不太现实了。

在这种情况下，BIM的可视化就很好地解决了这个问题。所谓BIM可视化，即通过BIM软件处理，让人们将以往线条式的构件形成一种三维的立体实物图形。虽然建筑业也有设计方面出效果图的事情，但是这种效果图是分包给专业的效果图制作团队进行识读设计后制作出的线条式信息，并不是通过构件的信息自动生成的，缺少了构件之间的互动性和反馈性。然而BIM的可视化是一种能够在构件之间形成互动性和反馈性的可视化，在BIM建筑信息模型中，可视化的结果不仅可以用来展示效果图及生成报表，更重要的是，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都能在可视化的状态下进行。

2.协调性

建筑行业无论是设计阶段还是施工阶段，协调管理都是建筑业中的重点内容。工程只要未完成，不管是施工单位还是业主及设计单位，无不在做着协调及互相配合的工作。一旦项目的实施过程中遇到了问题，就要将各有关人士组织起来开协调会，找出施工问题发生的原因及解决办法，然后出变更，做出相应补救措施，进行事后控制。究其原因，往往是在设计时，由于各专业设计师之间的沟通不到位，例如暖通等专业中的管道在进行布置时，由于施工图样是各自绘制各自的，真正施工过程中，可能在布置管线时正好在此处有结构设计的梁等构件妨碍管线的布置，这就是施工中常遇到的碰撞问题。

BIM的协调性服务就可以帮助处理这种问题，也就是说BIM建筑信息模型可以在建筑物建造前期对各专业的碰撞问题进行协调，生成协调数据，提供出来。当然BIM的协调作用也并不是只能解决各专业间的碰撞问题，它还可以解决电梯井布置与其他设计布置及净空要求的协调，防火分区与其他设计布置的协调，地下排水布置与其他设计布置的协调等问题。

总之，BIM的协调性能可以大大减少协调管理的工作量，使协调工作变得更加简单、直观。

3.模拟性

BIM的模拟性不仅能模拟设计出建筑物模型，还可以模拟出不能够在真实世界中进行操作的事物。

在设计阶段，BIM可以对设计上需要进行模拟的一些东西进行模拟实验。例如：节能模拟、紧急疏散模拟、日照模拟、热能传导模拟等；在招标投标和施工阶段可以进行4D模拟（三维模型加项目的发展时间），也就是根据施工组织设计模拟实际施工，从而来确定合理的施工方案来指导施工。同时还可以进行5D模拟，从而来实现成本控制；后期运营阶段可以模拟日常紧急情况的处理方式，例如地震人员逃生模拟及消防人员疏散模拟等。

4.优化性

工程项目的实施，实际上是整个设计、施工、运营的不断优化的过程，虽然优化和BIM也不存在实质性的必然联系，但在BIM的基础上可以做更好的优化、更好地做优化。

我们在进行优化时，一般受三样东西的制约——信息、复杂程度和时间。没有准确的信息做不出合理的优化结果，BIM模型提供了建筑物的实际存在的信息，包括几何信息、物理信息、规则信息，还提供了建筑物变化以后的实际存在。现代建筑物的复杂程度大多超过参与人员本身的能力极限，就必须借助一定的科学技术和设备的帮助。BIM及与其配套的各种优化工具则提供了对复杂项目进行优化的可能。基于BIM可以在以下两方面进行优化工作：

（1）项目方案优化。把项目设计和投资回报分析结合起来，设计变化对投资回报的影响可以实时计算出来。这样业主对设计方案的选择就不会只停留在对形状的评价上，而更多地想知道哪种项目设计方案更有利于自身的需求。

（2）特殊项目的设计优化。例如：裙楼、幕墙、屋顶、大空间到处可以看到异形设计，这些内容看起来占整个建筑的比例不大，但是占投资和工作量的比例却往往要大得多，而且通常也是施工难度比较大和施工问题比较多的地方，对这些内容的设计施工方案进行优化，可以带来显著的工期和造价改进。

5.可出图性

BIM的可出图性并不是指大家日常多见的建筑设计院所出的设计图样及一些构件加工的图样，而是通过对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化以后，可以帮助业主出以下图样：

（1）一般常用施工图。

（2）综合管线图。

（3）综合结构留洞图。

（4）碰撞检查侦错报告和建议改进方案。

6.一体化性

BIM的一体化性，是基于可以进行从设计到施工再到运营的工程项目的全生命周期的一体化管理。BIM的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，不仅包含了建筑的设计信息，而且可以容纳从设计到建成使用，甚至是使用周期终结的全过程信息。

7.参数化性

BIM的参数化建模指的是通过参数而不是数字建立和分析模型，简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型；BIM中图元是以构件的形式出现，这些构件之间的不同是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。

8.信息完备性

BIM的信息完备性体现在BIM技术可对工程对象进行3D几何信息和拓扑关系的描述以及完整的工程信息描述。

由BIM特点，我们可以大体了解BIM的相关内容。BIM在世界很多国家已经有比较成熟的标准或者制度。BIM在我国建筑行业内要顺利发展，必须将BIM和国内的建筑市场特色相结合，才能够满足国内建筑市场的特色需求。

四、BIM技术在国外的应用

BIM的发展经过几十年的历程，但是其实践最初主要由几个比较小的先锋国家所主导，比如芬兰、挪威和新加坡，美国的一些早期实践者紧随其后。经过长期的酝酿，BIM在美国逐渐成为主流，并对包括我国在内的其他国家的BIM实践产生影响。

1.美国

美国是较早启动建筑业信息化研究的国家，发展至今，BIM深入研究与应用都走在世界前列。目前，美国大多建筑项目已经开始采用BIM，随着BIM的应用范围越来越广，整个行业出现了各种BIM协会，也出台了各种BIM标准。

2003年起，美国总务管理局（GSA）通过其下属的公共建筑服务处（Public Buildings Service，PBS）开始实施一项被称为国家3D-4D-BIM计划的项目。

2.英国

与大多数国家不同的是，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”文件，到2016年，政府要求全面协同3D-BIM，并将全部的文件以信息化管理。

英国的设计公司在BIM实施方面已经相当领先了，因为伦敦是众多全球领先设计企业的总部，如Foster and Partners、Zaha Hadid Architects、BDP和Arup Sports，也是很多领先设计企业的欧洲总部，如HOK、SOM和Gensler。在这些背景下，一个政府发布的强制使用BIM的文件可以得到有效执行，因此，英国的AEC企业与世界其他地方相比，发展速度更快。

3.北欧

北欧国家包括挪威、丹麦、瑞典和芬兰，是一些主要的建筑业信息技术软件厂商所在地，如Tekla和Solibri，而且对发源于邻近匈牙利的ArchiCAD的应用率也很高。

北欧四国政府强制却并未要求全部使用BIM，由于当地气候的要求以及先进建筑信息技术软件的推动，BIM技术的发展主要是企业的自觉行为。

五、BIM技术在我国应用现状

我国于2011年推动BIM纳入第十二个五年计划，次年即由我国建筑科学研究院联合有关单位发起成立BIM发展联盟，积极发展与建置我国的BIM技术与标准、软件开发创新平台。2011年，共有39%的单位表示已经使用了BIM相关软件，而其中以设计单位居多。

我国第一个全BIM项目，总高632m的“上海中心”，通过BIM提升了规划管理水平和建设质量，据有关数据显示，其材料损耗从原来的3%降低到0.01%。

但是，如此“万能”的BIM正在遭遇发展的瓶颈，并不是所有的企业都认同它所带来的经济效益和社会效益。现在面临的一大问题是BIM标准的缺失。目前，BIM技术的国家标准还未正式颁布施行，寻求一个适用性强的标准化体系迫在眉睫。技术人员匮乏，也是当前BIM应用面临的另一个问题，现在国内在这方面仍有很大缺口。地域发展不平衡，北京、上海、广州、深圳等工程建设相对发达的地区，BIM技术有很好的基础，但在东北、内蒙古、新疆等地区，设计人员对BIM却知之甚少。

随着技术的不断进步，BIM技术也和云平台、大数据等技术产生交叉和互动。上海市政府就对上海现代建筑设计（集团）有限公司提出要求，建立BIM云平台，实现工程设计行业的转型。据了解，该BIM云计算平台涵盖二维图样和三维模型的电子交付，2017年试点BIM模型电子审查和交付。现代集团和上海市审图中心已经完成了“白图替代蓝图”及电子审图的试点工作。同时，云平台已经延伸到BIM协同工作领域，结合应用虚拟化技术，为BIM协同设计及电子交付提供安全、高效的工作平台。