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BIM应用将给建筑业带来什么变化?
发布日期:2013-04-07 字号:[ ]

  任何一种新技术和新方法,只有到了能够真正应用来改善人类本身和人类生存环境的时候才算实现了其最大的价值,BIM也不例外。

  对于工程建设行业的同仁而言,当面对BIM这样一种新技术和新方法的时候,首先当然是要弄清楚什么是BIM,关于这个问题能找到的资料比较多,估计相当数量的同行们也可以说出个一二三来,这里不再重复。如果有兴趣,诸位也可以参考笔者的另外一篇文章《那个叫BIM的东西究竟是什么?》。

  关于BIM应用的资料虽然也可以找到不少,这个说用BIM设计了一个剧院,那个讲用BIM进行了施工模拟,另一个描述用BIM支持数控加工等等,但总的感觉是有点零碎、有点无序、有点乱。

  那如何才能把BIM应用这个问题讲清楚呢?这里提供一种方法供同行参考讨论:

  我们从图中的三个维度去讨论和描述BIM应用这个命题,即BIM用在什么项目上?谁来使用?能用到什么程度?

  关于BIM用在什么项目上这个问题,如果把BIM理解成一种技术和方法,那么BIM可以用在所有建设项目上;如果具体到某个BIM软件和工具,那么,每个软件和工具都有一定的适用范围。一般情况下我们说的BIM都是BIM技术和方法。

  谁来使用BIM这个问题的答案一定是项目的所有参与方,包括业主、策划、设计、施工、供应商、销售、运营商等,而且参与BIM使用的范围越广,BIM的价值就越能体现。当然,这么说,并不排除项目的单个参与方甚至单个个人使用BIM获益。

  基于上面的文字,我们知道BIM应用的前两个维度相对来说都是比较容易回答的,因此,本文将着重对第三个维度进行一个分析,即BIM可以用到什么程度?或者说,BIM将在什么程度上给工程建设行业带来变化呢?

  BIM应用第1层变化-回归3D

  借用一句伟人说过的话,“建筑是3D的,也是2D的,但是归根结底是3D的”。

  人类很伟大,发明了用2D的方式来表达3D的建筑物(制造业也是如此),从而导致建筑业设计与施工两个领域的明确分工,带来了近一百多年建筑业的空前繁荣和发展。

  随着建设项目复杂性的不断加大(包括规模的增大以及建筑系统数量和复杂性的增加等),以及由于竞争需要导致的业主对缩短工期和控制造价的压力,建筑业在从未有过的发展和繁荣的同时也切身地感受到了从未有过的挑战。

  而人类伟大发明的2D表达以及设计与施工的明确分工恰恰被证明是出现上述挑战的主要原因。

  工程建设行业的专家们开始研究并实践突破上述挑战的技术和方法,这些技术和方法包括EPC(Engineering, Procurement and Construction工程总承包),IPD(Integrated Project Delivery一体化项目实施), Lean Construction(精益建造)等,这些方法的主要目的是用来解决设计与施工明确分工带来的问题的。

  毋庸置疑,这些技术和方法中的BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)是用来解决2D表达给建筑业进一步发展带来的挑战的,但是有一点需要特别说明,如果没有BIM,那么EPC/IPD/LC等方法能够为建筑业带来的价值将大大地受到限制,换句话说,只有把BIM和上述方法整合起来使用才能更加有效地解决目前的挑战。

  原因很简单,所有对建设项目不同阶段的有效方案和措施都以项目参与人员对项目本身的全面、快速、准确理解为基础,而2D表达恰恰在这件事情上是一个越来越严重的障碍。讨论2D图纸问题的文章很多,其中业界公认的BIM教父Chuck Eastman的归纳非常精炼到位:

  · 需要用多个2D视图来表达一个3D的实际物体指导施工,有冗余,又容易产生错误。

  · 以线条、圆弧、文字等形式存储,只能依靠人来解释,电脑无法自动识别。

  BIM的目的当然是解决2D表达的上述问题,让建设项目的设计施工运营全过程回归到建筑物的本来面目——3D上来。事实上制造业在这方面远远走在建筑业的前头,其3D设计和制造技术在产业中的实际应用已经有超过30年的历史。

  首先我们来看一张目前典型使用的2D图纸,从图纸上我们能看出来划红圈的地方有问题吗?

  要确定上述图纸有没有问题,是一件十分耗时的事情,需要不同专业的设计人员花上大量的工作时间,首先需要对上述图形进行解读,然后在人脑里面把不同元素的空间关系想象出来,进行检查,最后再把检查结果转成二维图与其他人协调沟通。在项目复杂、时间有限的情形下,必然会遗留不少问题到工地上。

  再来看一张与上述图纸表达的建筑物同样位置的BIM模型三维视图:

  红圈里面的问题一目了然,这就是BIM的第1层应用,使得建设项目的所有参与方回归3D。

  BIM 和 3DS MAX同样是3D,但不一样的是BIM是虚拟建筑样机,而3DS MAX不是。BIM提供的是建筑物精确的空间关系和数据,从而真实表达设计意图及指导施工。

  BIM应用第2层变化-协调综合

  建筑业的同行都对这样两个专有名词耳熟能详,一个叫“错漏碰缺”,另外一个叫“设计变更”。其中错漏碰缺是因,设计变更是果。

  有了错漏碰缺,就需要做设计变更,这就是所谓的因果。那么设计变更对建设项目的所有相关方和项目本身又意味着什么样的果呢?

  · 对设计师来说,意味着工作量

  · 对承包商来说,意味着待工、窝工、返工

  · 对发展商来说,意味着工期可能延误、造价可能提高、质量可能降低

  · 对社会来说,意味着人力材料浪费、更多的二氧化碳排放、更大的绿色挑战

  笔者没有看到有关方面对错漏碰缺和设计变更的原因进行分析的统计资料,根据对同行的访谈,我们得到以下概念性的信息:

  · 单个专业自己的图纸本身发生错误的比例很小

  · 设计各专业之间的不协调、设计和施工之间的不协调以及业主要求变更是设计变更的主要原因,而且三者比例差不多

  · 业主要求变更的原因有两种,其一是业主对图纸的理解、他看到的施工结果与他想要的东西发生偏差;其二是业主本身的需求发生变化。

  上述原因当中,除业主需求变化引起的变更外,其余专业之间的协调问题、设计施工之间的协调问题和业主由于理解偏差而要求的变化占设计变更的7-8成,而通过BIM应用的协调综合功能可以解决掉这些问题的绝大部分甚至全部。

  目前基于2D图纸大家也做管线综合的工作,花的精力不少,效果却不能令人满意,非常重要的一个原因在于工具的限制。

  大家知道,协调综合的工作主要分两个步骤:首先是发现问题,然后是解决问题。使用2D图纸进行协调综合的时候,经常出现以下的问题:

  · 花费上大量的工程时间去解读及发现问题

  · 由于时间及手段的限制,往往只能发现部分表面的问题

  · 发现问题了,谁来修改呢?建筑、结构改还是给排水、电气、暖通改?设计改还是施工改?由于在二维沟通上困难,各方争论,莫衷一是,最后往往谁弱势谁改,至于这样修改是否对项目最有利只有天知道。

  统计资料证明,BIM的第2层应用-协调综合可以使设计变更大大减少,同时如果使用有效BIM协调流程进行协调综合,那么协调综合过程中的不合理变更方案或问题变更方案也就不会出现了。

  BIM应用第3层变化-4D5D

  4D/5D等3D以上的多维应用是BIM为建筑业带来的新信息和新手段,在此以前,三维以上的nD空间更多的是一个数学意义上的概念。另外,4D/5D更是协助行业由纯个人经验管理方法提升为科学化管理方法的基石。

  罗马不是一天建成的,虽然一个项目没有建设整个罗马城需要的时间多,但也是要靠一砖一瓦才能建起来的,从这个意义上来说,建筑不仅仅是3D的,也是4D的。

  事实上,项目在施工过程中,围绕施工的所有活动都是和时间相关的,也就是说是4D的。例如建筑机械的行进路线和操作空间、土建工程的施工顺序、设备管线的安装顺序、材料的运输堆放安排等等,都需要随着项目进展作出相应变化。因此所有的动线分析、碰撞检查、方案设计也都必须和时间有关。

  BIM的4D应用主要有以下两个层面:

  · 宏观4D层面(工序安排模拟):把BIM模型和进度计划软件(如MS Project,P3等)的数据集成,让业主及团队能利用三维的直观优势,可以按月、按周、按天看到项目的施工进度并根据现场情况进行实时调整,分析不同施工方案的优劣,从而得到最佳施工方案。换言之,4D就是甘特图的三维提升版。

  · 微观4D层面(可建性模拟):把BIM模型和施工方案利用虚拟环境作数据集成,我们便可以在虚拟环境中作施工仿真,对项目的重点或难点部分进行全面的可建性(Constructibility可施工性)模拟以及安全、施工空间、对环境影响等等分析,优化施工安装方案。

  另外一个众所周知的事实是,建设项目的投入不是一次性到位的,是根据项目建设的计划和进度逐步到位的,制造业的“零库存”生产管理方式由来已久,BIM的5D应用结合BIM模型、施工计划和工程量造价于一体,可以实现建筑业的“零库存”(限额领料)施工,最大程度发挥业主资金的效益。

  由于BIM模型存储了建设项目的所有几何、物理、性能、管理信息,事实上成为实际项目的克隆或DNA,在此基础上的4D/5D及更多维度的应用为业主提供了传统CAD、效果图或手工绘图无法实现的价值。

  这是BIM将给建筑业带来的第3层变化。

  BIM应用第4层变化-团队改造

  造房子是一个集体运动,除了参与方个人的专业能力要强以外,所有参与方之间有效配合的重要性对整个建设项目的效益贡献并不比个人的专业能力小。

  现代建筑业经过几百年的发展,已经形成了相对稳定的项目团队形式,这种团队形式的有效性已经被近一百年以来建筑业的高速发展所证明,那么随着项目的复杂性越来越高(规模大、功能复杂等)、市场对项目质量的要求越来越高(包括绿色、可持续等),而与此同时全球化使竞争越来越剧烈、对工期和造价的控制越来越严格,这样的项目组织形式是否面临着挑战呢?

  美国国家标准技术研究院(NIST - National Instuitute of Standards and Technology)在2004年做了一个名为“Additional costs of inadquate interoperability in the construction industry”的研究,下表是研究成果之一:

  该表对2002年美国建筑业由于项目各参与方之间以及不同软件系统之间的数据不能互用(interoperability)给行业带来的额外成本进行了分析研究,项目种类包括商业建筑、工业建筑和公共建筑,主要结论如下:

  · 对于新建项目,由于信息不能有效互用导致每平方英尺额外增加6.12美元的成本;

  · 对于正在使用的项目,由于信息不能有效互用导致每平方英尺额外增加0.23美元的成本;如果按50年使用年限计算,这个额外成本为每平方英尺11.5美元;

  · 在所有的额外增加成本中,68%左右(约106亿美元)发生在业主身上(表中红色行)。

  近十年世界各地的理论研究和工程实践证明,信息有效互用是BIM给建筑业带来的主要价值之一,应用BIM可以帮助消除上述额外成本的发生。

  BIM对于我国建筑业各个环节来说都还是一个比较新的技术和方法,那么对于业主来说,应该如何在项目中实施BIM呢?

  这里我们对业主使用BIM的几种可能性分析如下:

  · 业主自己建立BIM团队:不能一步到位,需要时间积累;

· 委托项目设计方使用BIM:业主使用BIM的其中一个目标是检查设计图纸的正确、合理与否,从这个层面来理解,设计机构如果用了BIM,那么业主的工作量会减少,反之,业主的工作量会增加。但是不管哪种情况,业主使用BIM的人不能是项目设计方本身,这就像施工图审查不能由设计院自己做一样;

  · 委托项目施工方使用BIM:业主的BIM应用和施工方的BIM应用目标不完全一致,和设计方的情形类似,业主的BIM应用不能委托项目施工方;

  · 委托专业BIM咨询服务公司:事实上,在业主初期应用BIM技术的阶段,这是一个不二的选择,随着业主对BIM应用的不断积累,业主可以选择自己建立BIM团队,或者长期委托专业BIM咨询公司。

  无论是业主自己建立团队还是委托专业BIM咨询服务机构来实施BIM,有一点是共同的,BIM必须为项目所有参与方服务,也就是说,项目的其他参与方是纵向分工的(如建筑、结构,设计、施工等),而BIM服务是横向贯穿的,使用BIM以后的项目团队如上图所示:

  只有这样,BIM才能为业主带来最大效益,是为BIM应用第4层变化。
  BIM应用第5层变化-整合现场
  即使图纸完全正确,施工或运营现场也还可能产生错误。引起错误的原因很多,但是其中一个最主要的原因就是现场人员对图纸的理解有误及获得的信息不正确,尤其是在时间要求很紧的情况下(例如事故、火灾等突发事件),这种理解错误发生的概率就更高。
  BIM应用的整合现场实际上就是整合虚和实,用BIM模型的虚拟建筑与实际的施工现场或运营管理现场相整合,让现场人员按照实际建筑物样子的BIM模型去理解现场并实施操作,而不是根据抽象的图纸,经过现场人员理解翻译以后的脑袋里的三维空间去处理。
  BIM的现场整合应用主要包括现场指导、现场校验和现场跟踪几个方面。
  · 现场指导:以BIM模型和3D施工图代替传统二维图纸指导现场施工,避免现场人员由于图纸误读引起施工出错(说明:下图由Autodesk提供)。
  · 现场校验:无论采取何种措施,现场出错的问题将永远存在,因此,如果能够尽早在错误刚刚发生的时候发现并改正,对施工现场也具有非常大的意义和价值,下图通过BIM模型对施工现场进行校验。
  · 现场跟踪:利用激光扫描、GPS、移动通讯、RFID和互联网等技术与项目的BIM模型进行整合,指导、记录、跟踪、分析作业现场的各类活动,除了保证施工期间不产生重大失误以外,同时也为项目运营维护准备了准确、直观的BIM数据库。
  把BIM模型和施工或运营管理现场的需求整合起来,再结合互联网、移动通讯、RFID等技术,形成BIM对现场活动的最大支持,是BIM应用将给建筑业带来的第5层变化。
  BIM应用第6层变化——工业化自动化
  工业化的好处众所周知:效率高、精度高、成本低、质量好、资源节约、不受自然条件影响等。根据住房和城乡部住宅产业化促进中心的资料,我国住宅建造的水平与发达国家相比有很大的差距,住宅建造的生产效率仅相当于美国和日本住宅建造效率的1/6-1/5,究其原因还是住宅建设的工业化水平较低所致。
  制造业的生产效率和质量在近半个世纪得到突飞猛进的发展,生产成本大大降低,其中一个非常重要的因素就是以三维设计为核心的PDM(Product Data Management产品数据管理)技术的普及应用。
  建设项目本质上都是工业化制造和现场施工安装结合的产物,提高工业化制造在建设项目中的比例是建筑业工业化的发展方向和目标。工业化建造虽然有明显的好处,但是对技术和管理的要求也要高的多,工作流程和环节也比现场施工要复杂的多。
  工业化建造至少要经过设计制图、工厂制造、运输储存、现场装配等主要环节,其中任何一个环节出现问题都会导致工期延误和成本上升,例如:图纸不准确导致现场无法装配,需要装配的部件没有及时到达现场等等。
  我国的住宅产业化工作虽然在十年的发展过程中也取得了不少成绩,但整体形势不乐观,要达到大面积、大比例应用还有很多工作要做,可以说,任重而道远。虽然涉及多方面的原因,但是缺少类似制造业PDM系统这样的信息创建、管理、共享系统在整体由营运到施工、设计签发生产计划上提供全面信息管理是其中的一个最关键因素。如果要想发展住宅产业化,我们必须由设计主导或是由施工主导的方法转变成由信息主导的管理方法。只有由信息主导的管理方法我们才能把市场的需求快速转变成能让工厂生产的数据。
  在建筑业中的这个PDM系统就是BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)。
  工业化建造的设计跟现场施工的设计是有区别的,传统CAD设计工具和施工图设计方法的精度和详细程度很难满足要求,再加上设计、制造、物流、安装之间信息和实物流转的需要,出错的概率就更大。
  BIM应用为建筑业工业化不但解决了信息创建、管理、传递的问题,而且BIM模型、三维图纸、装配模拟、采购制造运输存放安装的全程跟踪等手段为工业化建造方法的普及也奠定了坚实的基础,图2为建筑部件的BIM模型。
  与此同时,工业化还为自动化生产加工做好了准备,自动化不但能够提高产品质量和效率,而且对于复杂形体,利用BIM模型数据和数控机床的自动集成,还能完成通过传统的“二维图纸-深化图纸-加工制造”流程很难完成的工作。
  大量的工程实践和理论研究证明,BIM将大大推动和加快建筑业的工业化和自动化进程,这将是BIM应用给建筑业带来的第6层变化。
  BIM应用第7层变化——打通产业链
  建设项目的产业链包括业主、勘察、设计、施工、项目管理、监理、部品、材料、设备等,一般的项目都有数十个参与方,大型项目的参与方可以达到几百个甚至更多。
  二维图纸作为产业链成员之间传递沟通信息的载体已经使用了几百年的时间,劳苦功高的同时,其弊端也随着项目复杂性和市场竞争的日益加大变得越来越明显。
  美国国家标准研究院(NIST - National Institute of Standards and Technology)2005年初发布的一份报告指出,仅仅由于项目成员之间数据互通性的要求而产生的成本就使建设项目效率降低6%左右。
  打通产业链的其中一个本质就是信息共享,这种能够有效支持产业链共享的信息至少需要具备下面一些特征:
  ·具象的:易于快速准确理解
  ·完整的:不会产生歧义
  ·关联的:易于协调一致
  ·电脑可以自动解释的:易于自动统计分析模拟
  ·互用的:不用重复输入
  BIM就是全球建筑业专家同仁为解决上述挑战而进行探索的成果,使用BIM以后主要产业链的关系可以用下图表示:
  业主是建设项目的所有者,因此自然也是该项目BIM过程和模型的所有者,这个定位和大多数把业主也定义为BIM的其中一方的观点有所不同。
  设计和施工是BIM的主要参与者、贡献者和使用者,这方面的资料相对较多,本文不准备作太多展开。
  关于预制加工商(Fabricator)的BIM应用情况在拙文“BIM应用乾坤大挪移之第6层 - 工业化自动化”中作了介绍,此处也暂时不做深入探讨。总体来看,预制加工商更多的是BIM信息的使用者。
  建筑物的各类系统需要使用大量的机电设备,这些设备除了需要适当的空间、环境(温度、湿度、荷载等)进行运输安装以外,还有大量的安装、操作、维修、保养、故障处理等指导和记录手册需要保存供随时调用,这些资料目前都是以纸质或电子版本的文字和图纸形式提供给业主(或通过承包商等提供给业主),这种传统的形式给业主的运营管理带来的困难、低效和潜在风险是不言而喻的。
  业主要建立完整的可以用于运营的BIM模型,必须有设备材料供应商的参与,供应商逐步把产品目前提供的二维图纸资料逐步改进为提供设备的BIM模型,供业主、设计、施工直接使用,一方面促进了这三方的工作效率和质量,另一方面对供应商本身产品的销售也提供了更多更好的方式和渠道。
  产业链的另外一端就是数字城市或者智慧地球,在没有BIM以前,所谓数字城市的主要内容实际上就是数字地图,最多用三维图块来表达建筑物,达到可视化效果。有了建筑物的BIM模型以后,集成现有的GIS和CAD信息,城市管理人员和市民就可以走进大楼的里面了,数字城市的综合能力和水平将得到大大提高。
  打通产业链将BIM的价值延伸到了跟建设项目相关的所有各方,包括城市的管理和运营者、城市的建设者和城市的使用者等,这样就可以最大限度发挥BIM的价值,这也是今天我们可以看到的BIM应用的最高层次。
  结语
  前面描述的BIM应用将给建筑业带来的七个层次的变化可以集中放到下面这张图里来表示:
  需要说明的是,尽管BIM应用价值最大化的理想状态是所有项目参与方都能够在各个层次上使用BIM,但是我们同时必须看到BIM应用的另外一些特点:
  BIM应用的各个层次不是能一步到位的,也不需要一步到位;
  ·BIM应用既不需要在一个项目里实现各个层次,也不需要一个项目的所有参与者都同时使用 ;
  ·项目参与方中有一个人使用BIM就能给项目带来利益,进行某一个层次的应用也能给项目带来利益 。
  如果把项目的各个阶段和所有参与方都整合到一起来,我们可以看到在项目范围内跟BIM应用相关的所有元素:
  千里之行,始于足下。BIM应用的宏伟蓝图需要一步一步去实现,那么业主BIM应用的第一步应该如何去开始呢?经过多年实践,国内外专家普遍认可的BIM起步成功准则如下:
  ·一个项目:只有在水里才能真正学会游泳;
  · 一个BIM咨询服务商:好的教练会保证姿势对、少喝水、有后劲;
  · 一个关键节点应用:施工招标以前对图纸进行协调综合,出综合管线图,保证招标图纸正确,减少设计变更和现场浪费,避免风险;
  · 一份投资回报:只要找对了BIM咨询服务商,这个决策本身就是一个赚钱的决策(省下来的钱会比花出去的钱多)。
                          作者: 何关培、李刚

 

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