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发展建筑信息模型(BIM)技术——推进绿色建造
发展建筑信息模型(BIM)技术——推进绿色建造           ★★★
来源:中国建设科技网   更新时间:2015/2/5    点击数:

作为世界最大的建筑房地产综合企业集团和房屋建筑承包商,中国建筑工程总公司(以下简称“中建”)一直走在行业发展的前沿,在绿色建造方面,中建进行了积极的探索、实践,积累了经验,取得了成绩。为此,本刊特别向中建总工程师毛志兵约稿,分享中建绿色建造经验。

  我国建筑业是一个传统产业,一方面是国民经济的支柱产业,规模庞大,从业人员达4000多万人, 建筑施工企业70000多家,勘察设计企业接近15000家,支撑着我国每年超过15万亿的大规模建设事业;另一方面,建筑业又是高消耗、高排放产业,建筑业消耗了全国45%的水泥,50%以上的钢材;建造和使用过程中消耗了接近50%的能源;与建筑有关的空气污染、光污染等约占环境总体污染的34%;建筑施工垃圾约占城市垃圾总量的30%~40%;施工粉尘占城区粉尘排放量的22%; 民用建筑的二次装修又造成大量的资源浪费。 这样一个传统产业,总体规模虽大但效益不高,其任何一点技术进步都会形成巨大的经济效益、环境效益和社会效益。目前,业界已经形成共识,推进绿色建造发展是建筑业降低资源消耗、减少建筑垃圾排放、消除环境污染,实现节能减排的重要举措。建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)技术作为建筑业的新技术、新理念和新手段,得到业内的普遍关注,正在引导建筑业传统思维方式、技术手段和商业模式的全面变革,将引发建筑业全产业链的第二次革命。发展BIM技术已经成为推进绿色建造的重要手段。

  BIM是工程项目物理和功能特性的数字化表达,是工程项目有关信息的共享知识资源。BIM的作用是使工程项目信息在规划、设计、施工和运营维护全过程充分共享、无损传递,使工程技术和管理人员能够对各种建筑信息做出高效、正确的理解和应对,为多方参与的协同工作提供坚实基础,并为建设项目从概念到拆除全生命期中各参与方的决策提供可靠依据。BIM的提出和发展,对建筑业的科技进步产生了重大影响。应用BIM技术,可望大幅度提高建筑工程的集成化程度,促进建筑业生产方式的转变,提高投资、设计、施工乃至整个工程生命期的质量和效率,提升科学决策和管理水平。   

   BIM对绿色建造的作用与价值分析 

   BIM技术是在CAD技术基础上发展起来的多维模型信息集成技术,是应对建筑业可持续发展挑战的重要手段。BIM技术理念是在2002年被首次提出的,BIM技术对建筑行业技术革新的作用和意义已在全球范围内得到了业界的广泛认可。如果说CAD技术的发展和普及应用使设计师甩掉图板是建筑行业信息化的一次革命,那么,BIM技术的发展和普及应用则是建筑行业的又一次革命。BIM的作用可归纳为如下几个方面。 

  实现建筑全生命期的信息共享。信息技术发展到今天,工程设计、施工与运行维护的各阶段,以及每一阶段的各专业、各环节都在应用软件辅助专业工作。 设计与施工等领域的从业人员面临的主要问题有两个:一是信息共享,二是协同工作。设计、施工与运行维护中信息应用和交换不及时、不准确的问题造成了大量人力物力的浪费和风险的产生。 美国的麦克格劳.希尔(McGraw Hill)发布了一个关于建筑业信息互用问题的研究报告“Interoperability in the Construction Industry”。该报告的统计资料显示,数据互用性不足使建设项目平均增加3.1%的成本和3.3%的工期延误。BIM的基本作用之一就是有力支持建筑项目信息在规划、设计、建造和运行维护全过程充分共享,无损传递,从而使建筑全生命期得到有效的管理。应用BIM技术可以使建筑项目的所有参与方(包括政府主管部门、业主、设计团队、施工单位、建筑运营部门等)在项目从概念产生到完全拆除的整个生命期内都能够在模型中操作信息和在信息中操作模型,进行协同工作。不像过去依靠符号文字形式表达的蓝图进行项目建设和运营管理,因为信息共享效率很低,导致难以进行精细管理。 

  实现可持续设计的有效工具。BIM技术有力地支持建筑安全、美观、舒适、经济,以及节能、节水、节地、节材、环境保护等多方面的分析和模拟,从而易于做到建筑全生命期全方位可预测、可控制。例如,利用BIM技术,可以将设计结果自动读入建筑节能分析软件中进行能耗分析,或读入虚拟施工软件进行虚拟施工,而不像现在需要技术人员花费很大气力在节能分析软件,或在施工模拟软件里首先建立建筑模型;又如,利用BIM技术,不仅可以直观地展示设计结果,而且可以直观地展示施工细节,还可以对施工过程进行仿真,以便反映实际过程中的偶然性,增加施工过程的可控性。 

  促进建筑业生产方式的改变。BIM技术有力地支持设计与施工一体化,减少建筑工程“错、缺、漏、碰”现象的发生,从而可以减少建筑全生命期的浪费,带来巨大的经济和社会效益。英国机场管理局利用BIM技术削减希思罗5号航站楼10%的建造费用。美国斯坦福大学CIFE中心根据32个项目总结了使用BIM技术的以下优势:消除40%预算外更改;造价估算控制在3%精确度范围内;造价估算耗费的时间缩短80%;通过发现和解决冲突,将合同价格降低10%;项目工期缩短7%,及早实现投资回报。恒基北京世界金融中心通过BIM技术应用在施工图纸中发现了7753个冲突,如果这些冲突到施工时才发现,估算不仅给项目造成超过1000万人民币的浪费及3个月的工期延误,而且会大大影响项目的质量和发展商的品牌。 

  促进建筑行业的工业化发展。我国建造水平与发达国家相比有较大的差距,主要原因是建筑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行业工业化的发展方向和目标。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。BIM技术不仅为建筑行业工业化解决了信息创建、管理、传递的问题,而且BIM三维模型、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的普及提供了技术保障。同时,工业化还为自动化生产加工奠定了基础,自动化不但能够提高产品质量和效率,而且对于复杂钢结构,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”流程很难完成的下料工作。BIM技术的产业化应用将大大推动和加快建筑行业工业化进程。 

  把建筑产业链紧密联系起来,提高整个行业的竞争力。建筑工程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,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。打通产业链的一个关键技术是信息共享,BIM就是全球建筑行业专家同仁为解决上述挑战而进行探索的成果。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。设计和施工是BIM的主要参与者、贡献者和使用者。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。    

  BIM技术是改造传统建筑业、促进产业升级的有效高新技术 

  随着经济的快速发展,我国的城镇化水平正在以每年接近1%的速度发展,2010年底已达 47.5%,2013年底城镇年化率为53.73%。据统计,我国每年在建工程约70多万个,房屋建筑施工面积70多亿平方米,竣工面积接近30亿平方米,2013年施工企业完成的建筑行业总产值高达15.93万亿元,中国建筑市场已经成为世界上最大的建筑市场。另有数据预测,按照城镇化发展速度估算,在未来的十到二十年间,我国还要新建400亿平方米的建筑和大量的基础设施,这等于整个瑞士的国土面积,等于纽约市现有的所有建筑物的40倍,这为我国建筑行业的持续发展提供了很好机遇,利于建筑业的发展。 

  我国建筑行业是一个庞大的产业,但由于长期的过度竞争,建筑企业,特别是设计与施工企业的技术水平低,科技进步投入不足,建筑行业总体规模虽大但经济效益不高。我国建筑施工企业资本金利润率为8%~10%,而日本公司的资本金利润率为20%~35%。与美国、英国等发达国家相比劳动生产率存在巨大差距。据有关部门测算,在我国建筑行业经济效益的增长中不到30%是靠技术进步获得的,远低于40%的全行业平均水平。建筑业效率低下、粗放型的增长方式没有根本转变,建筑能耗高、能效低是建筑业可持续发展面临的一大问题。建筑业的高速发展消耗了大量的社会资源,与发达国家相比,我国钢材消耗高出10%~25%,单位建筑面积能耗是发达国家的2~3倍。 

  我国建筑业总体规模虽大但经济效益不高,效率不高,主要原因在于技术手段、生产方式和管理方式落后,如设计中“抛过墙式”的专业协调方式、工程预算中“照图扒筋算量”的核算方式,以及行业管理中设计、施工、运维相互割裂的行业管理方式,直接导致了工程中“错、漏、碰、缺”现象的大量存在。“设计变更”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,对可持续发展更大的挑战。有统计数据表明,有72% 的项目超预算,70% 的项目超工期,75% 不能按时完工的项目至少超出初始合同价格50%。2008年长春市审计局对市政府投资的工程项目进行审计,抽查了其中的13个项目,发现变更与签证部分造价占工程总投资的22.23%。 

  我国建筑设计与施工企业在提高效率和资源节约方面潜力巨大,为突破现代建筑技术尤其是设计与施工技术的瓶颈,推动我国建筑行业的可持续发展,迫切需要利用和发展更先进的技术,BIM技术就是应这样的需求而提出和发展的。BIM是一种应用于工程设计、施工和运维管理的数字化工具,支持项目各种信息的连续应用及实时应用,可以大大提高设计、施工乃至整个工程的质量和效率,显著降低成本。在发达国家和地区,为加速BIM的普及应用,相继推出了各具特色的技术政策和措施。美国是BIM的发源地,BIM研究与应用一直处于领先地位,2007年发布的《美国国家BIM标准第一版第一部分》确定的目标是到2020年以BIM为核心的建筑业信息技术每年为美国节约2000亿美元(相当于美国2008年建筑业产值的15%左右);2011年英国发布的《政府建筑业战略》为以BIM为核心的建筑业信息技术应用设定的目标是减少整体建筑业成本10%~20%;2012年澳大利亚发布的《国家BIM行动方案》指出,在澳大利亚工程建设行业加快普及应用BIM可以提高6%~9%的生产效率;韩国计划从2016年开始实现全部公共设施项目使用BIM;新加坡计划到2015年建筑工程BIM应用率达到80%。 

  为推动BIM的广泛应用,在住建部发布的《2011—2015建筑业信息化发展纲要》中,把BIM作为支撑行业产业升级的核心技术重点发展。住建部在2012年和2013年批准了《建筑工程信息模型应用统一标准》、《建筑工程信息模型存储标准》、《建筑工程信息模型编码标准》、《建筑工程设计信息模型交付标准》、《制造工业工程设计信息模型应用标准》和《建筑工程施工信息模型应用标准》等6本国标的编制计划。2013年启动了《关于推进BIM在建筑领域应用的指导意见》制定工作,在预期目标中规定:预期到2016年末,以下新立项项目工程设计、施工中,应用BIM的项目比率达到80%:全部使用国有资金投资的2万平方米以上大型公共建筑;全部使用国有资金投资的10万平方米以上居住建筑;申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区。到2020年末,建筑行业甲级勘察、设计企业以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用;以下新立项项目勘察设计、施工、运营维护中,集成应用BIM的项目比率达到95%:全部使用国有资金投资或者以国有资金投资为主的大中型建筑;申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区。国家科技部于2014年初批准成立了“建筑信息模型(BIM)产业技术创新战略联盟 ”。 

  中建的BIM探索与实践 

  中建BIM技术研究与应用已经有了一定基础,已成功应用于无锡恒隆广场综合发展项目、深圳机场扩建项目、广州东塔项目、天津117项目等重大工程,取得了良好效果。在中建系统的业务范畴内,可望通过BIM技术应用,支撑绿色建筑设计、强化设计协调、减少因“错、缺、漏、碰”导致的设计变更;支撑工业化建造和绿色施工、优化施工组织方案、提高工程质量、降低工程造价和安全风险;帮助业主提升对整个项目的掌控能力和科学管理水平、缩短工期,延伸中建服务产品至项目全生命周期;以及打造“数字中建”品牌,提升中建在行业BIM发展中的地位和作用,着眼于建筑全生命期、全产业链,持续、全面地推进BIM技术研究、应用和创新体系建设,为中建全产业链的BIM技术发展、为打造“数字中建”品牌奠定技术基础。 

  2012年是中建全面推广应用BIM技术的起步年,首先在总公司层面进行了顶层设计,发布了《关于推进中建BIM技术加速发展的若干意见》(以下简称《若干意见》),按照《若干意见》的指导思想和基本原则,中建组织开展了一系列BIM技术研发和推广应用工作,也取得了一定成绩与成果。 

  组织机构建设。

   1)根据总公司《若干意见》文件的要求,在中建总公司组建了BIM技术委员会。中建BIM技术委员会作为中建BIM技术推广应用的指导、咨询和服务机构,负责统筹推进中建BIM技术研发与应用,优化资源配置,促进BIM技术在中建的加速发展。 

  2)为满足《建筑工程信息模型应用统一标准》、《建筑工程施工信息模型应用标准》等多项国家BIM标准编制工作的需要,2012年3月28日由中国建筑科学研究院、中国建筑股份有限公司等多家单位在北京发起成立了“中国BIM发展联盟”。“中国BIM发展联盟”致力于我国BIM技术、标准和软件研发,为中国BIM技术应用提供支撑平台。 

  3)为更好地组织BIM国标和行标的编制工作,由中国BIM发展联盟发起,在中国工程建设标准化协会下,组建了BIM标准专业委员会(简称“中国BIM标委会”),全面负责组织协会级BIM标准的研究和编制工作。中建作为中国BIM发展联盟的核心成员,是组建中国BIM标委会的主要发起单位之一,主要负责施工领域协会级BIM标准的编制组织工作。 

  4)2012年1月10日,由中国建筑科学研究院、中国建筑股份有限公司等多家单位发起,由国家科技部批准成立了“建筑信息模型(BIM)产业技术创新战略联盟”。其宗旨是为中国BIM的应用提供支撑平台,为全面推动我国BIM发展和应用提供技术服务。

   集成能力建设

   1)城市综合建设项目BIM应用研究 2011年,中建股份设立了“城市综合建设项目BIM应用研究”重点项目,2013年总公司又滚动支持,总计专项经费1004万元,子企业配套经费6170万。项目的宗旨是以实现绿色建造、有效节约资源为目标,通过BIM技术的研究和应用提高工作效率,有效协调项目参与方,在合理组织施工的前提下实现精细化管理。

   2)基于BIM工程仿真与高性能计算技术研究 随着国内各种复杂结构(如体型复杂、超高层、大跨度等)的日益增多,高性能仿真分析在结构设计和施工过程中扮演着越来越重要的角色。国内常用设计软件(如PKPM、MIDAS、YJK等)无法很好地满足这种仿真需求,而国外通用有限元软件(如ABAQUS和ANSYS)虽然具有强大的分析功能,但其前处理模块不适用于建筑结构建模,且计算结果无法直接用于工程设计。为解决上述问题,中建技术中心对国内设计软件和国外通用软件进行系统集成和二次开发,研发了一套拥有完整自主知识产权的高性能结构仿真集成系统。该系统能够满足各类复杂、超限结构设计性能模拟分析需求,适用于复杂建筑结构在地震作用下的抗倒塌验算、性能设计以及施工过程模拟等,可为各设计院和施工企业重大工程提供技术支撑。 

  3)基于BIM技术的建筑工厂化管理系统研究 三局一公司结合北京英特宜家二期项目的管理需求,建立场外预制加工厂,将BIM理念、深化设计管理与二维码技术相结合,将深化设计、工厂采购加工、材料控制管理、现场施工管理等各个施工管理环节相结合,探索机电工程施工管理的新模式。通过与清华大学联合研发“基于BIM的建筑工厂化管理系统”,为项目机电管线场外预制加工及现场装配、组合服务。 

  标准体系建设。 

  1)  主编参编BIM技术国家标准 住建部在2012,2013年批准了6本BIM国标以编制计划。中建是《建筑工程施工信息模型应用标准》主编单位,同时,参与了其它几项国标的编制。 

  2) 组织协调编制施工BIM技术协会标准 BIM协会标准分“规划与设计阶段BIM技术应用标准”和“施工与运维阶段BIM技术应用标准”两个系列,其中“施工与运维阶段BIM技术应用标准”系列由中建负责组织协调。中建一局、三局一公司、三局安装公司分别负责《竣工验收管理BIM技术应用标准》、《钢结构施工BIM技术应用标准》、《机电施工BIM技术应用标准》3本标准的主编工作。

   3) 组织编制中建BIM技术企业标准 在国家和行业BIM标准框架下,结合中建“四位一体”的产业链特点,研究建立符合中建需求的企业级BIM应用实施指南,是推进中建BIM技术普及应用的一项重要基础工作。中建企业BIM实施指南的编制工作首先从设计和施工两个领域开始,在组织起草《BIM软硬件产品评估研究报告》基础上,编制了中建企业级《建筑工程设计BIM应用指南》和《建筑工程施工BIM应用指南》,在行业引起了较大反响,并受到好评。 

  示范工程建设。 

  为进一步推进BIM技术应用,在2013年中建总公司科技推广示范工程计划中,增加了“BIM类示范工程”,并批准了25项BIM应用示范工程。在2014年中建总公司科技推广示范工程计划中,又增加了7项BIM应用示范工程,并确定中建技术中心综合实验楼、广州东塔项目为重点示范工程。这些BIM示范项目涉及众多工程类型,基本包括了中建承建的各类典型工程,如广州东塔、深圳市城市轨道交通9号线、阿布扎比国际机场、宝兰客专1标段石鼓山隧道等工程。通过BIM示范工程建设,不仅积累了较丰富的BIM应用经验,而且也培育了一批BIM技术骨干人才,更带动了大量工程的BIM应用。到目前为止,仅8个工程局就有超过640多项工程在不同程度上应用了BIM技术,取得了可观的经济效益,并促进了企业竞争力的提升。

   1)中建技术中心综合实验楼工程 为典型的投资、设计、施工和运维“四位一体”工程,具有良好的代表性。虽然工程并不十分复杂,但作为未来国际一流的大结构实验室,通过采取研发与建设同步的策略,量身打造万吨级多功能结构试验机和25.5米高反力墙等国际一流试验设施,增加了工程难度。为实现BIM模型数据在全过程的无缝连接,项目充分发挥中建“四位一体”的优势,组建由业主方、设计方、施工方和运维方共同参加的BIM团队。团队制定统一的BIM标准,充分考虑了施工对设计BIM模型的合理需求,并对上下游各环节进行需求分析,分专业、分系统建立BIM模型,精准执行、协同管理,创新性地解决了设计与施工BIM模型共用问题。该工程是我国目前唯一投入使用的从设计到施工和运维全过程应用BIM的典型案例。

   2)广州东塔(广州周大福国际金融中心) 位于广州市珠江新城,楼总高度530米,地下5层,地上111层,总建筑面积50.8万平方米。项目总包方联合广联达软件公司,将BIM技术与工程进度动态管理、图纸变更的动态管理、总包各专业工作面动态管理、工程量的自动计算及商务管理、总包对业主和各分包的合约及资金管理融合一体,实现了基于BIM的总包项目管理信息化管理。

   3)无锡恒隆广场综合发展项目 占地面积约3.7万平方米,地上建筑面积为24.3万平方米,地下建筑面积为14.7万平方米。该项目机电安装分包采用BIM技术,根据本项目与公司以往同类项目因碰撞问题和工序问题需要返工的量的对比,估算减少因碰撞和安装工序不合理返工节约的成本约在总造价的1%以上。利用BIM技术对水管、风管、母线、桥架等的路由及尺寸进行优化,找出最短的路由、最优的尺寸,节省材料的需用量而降低成本达总造价的3%以上。BIM技术与工厂化预制结合,利用BIM三维模型,计算出精确的材料需用计划,并进行精确的放样下料,控制材料损耗,避免材料浪费,损耗率控制在4%以下,仅此项材料就将节省7%以上。 

  人才队伍建设。

   随着BIM技术应用的不断深入,更多企业认识到,人才是制约BIM技术应用的关键因素。只有让工程技术人员掌握了这项技术并将其应用到工程建设中,才能将其转化为生产力和企业的核心竞争力。因此,各企业都十分重视BIM人才培养,纷纷成立BIM中心(或BIM工作站),组织BIM技术应用培训。截至2014年底,仅8个工程局就培育了超过7000名掌握BIM技术的专业技术人员。这批BIM人才的成长,为中建全面普及BIM技术应用奠定了良好基础。    

  发展BIM亟需解决的问题

   BIM技术的应用,目前最大的问题是缺乏具有自主知识产权的应用软件。国外的应用软件不仅价格昂贵,而且由于不支持我国规范,难以满足我国的应用需求。鉴于我国巨大的基本建设规模,需开发具有自主知识产权的应用软件,填补这一领域的空白。因此,有必要通过国家科技支撑计划的支持,迅速获得发展,为在我国建筑行业推广普及BIM技术奠定坚实的基础。 

  虽然BIM技术已经在我国开始应用,但仍处于起步阶段,在应用模式、应用标准方面并未有重大突破。目前,BIM在建筑领域的推广应用还存在着政策法规和标准不完善、发展不平衡、本土应用软件不成熟、技术人才不足等问题,有必要采取切实可行的措施,推进BIM在建筑领域的应用。

   1)研究制定符合我国建筑设计、施工、运行管理等各阶段工作流程数据标准,形成完善的建筑全过程建设管理信息标准体系。

   2)开发自主知识产权的面向建筑全生命期的核心软件产品,支撑全行业BIM等最新信息技术普及应用。 

  3)开展设计阶段BIM等最新信息技术的集成应用研究,实现各专业信息高度共享和设计流程的优化,支撑建筑可持续设计。 

  4)开展施工阶段BIM等最新信息技术集成应用研究,提高工程施工全过程的预见性和管理水平,促进传统建造方式向精益建造发展。 

  5)开展运维管理阶段BIM等最新信息技术集成应用研究,实现建筑低能耗和绿色环保的最佳运维模式。 

  6)开展BIM等最新信息技术在规划、设计、施工及运行维护阶段综合应用研究,推进建筑项目开发全过程的精细化管理,促进建筑业转变传统的生产方式,实现产业技术和管理水平提升。




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