BIM技术发展及其建筑设计应用

张璐薇;关瑞明

【摘 要】随着信息技术的飞速发展,信息技术已深刻影响到了社会的各行各业发达国家早已在建筑业信息化方面进行了深入研究和工程实践,BIM技术在其中扮演了重要的角色该文首先介绍了BIM的概念及其发展、分析了BIM技术的内涵,其次综述了BIM技术在国外发达国家的发展及其应用情况,分析了BIM技术在我国经历的概念导入、初步应用与快速发展三个阶段的具体情况,指出我国的BIM技术刚刚起步,可以学习与借鉴国外的发展经验,从本土化BIM软件研发、引导及其标准编制、高校教育及其人才培养这三个方面入手,引导我国BIM技术沿着健康快速的方向发展.

【期刊名称】《华中建筑》 【年(卷),期】2016(000)011 【总页数】6页(P52-57)

【关键词】BIM;BIM标准;建筑设计;建筑信息模型 【作 者】张璐薇;关瑞明

【作者单位】福州大学建筑学院;福州大学建筑学院 【正文语种】中 文 【中图分类】TU71

21世纪以来，随着信息技术的飞速发展和互联网全球化的趋势，社会也从工业化时代向信息化时代转变，越来越多的信息数字化技术在各方面得到了应用。建筑业

产值占我国国民经济总产值比重巨大，是我国国民经济的支柱产业之一，其信息化水平迫切需要提高。传统的建筑设计方法在处理复杂建筑工程时出现诸多不足，各类信息数据无法在各个系统之间共享，系统扩展性差，无法为工程项目实施提供全面、集成的信息支持。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的提出打破了传统建筑设计方法的僵局，给建筑设计业营造了一个高效的模式，从而提高了建筑全生命周期的质量与效率，提升工程建设行业的生产力水平。 （1）BIM的概念演变

有记载的最早关于BIM的概念是在1975年，当时任职美国卡耐基麦隆大学的查克·伊士曼博士（Chuek Eastman, Ph.D.）在《AIA杂志》（现已停刊）上发表了一个叫“Building Description System（建筑描述系统）”的工作原型，其中包含了现在所说的BIM概念，也因此查克·伊士曼博士被公认为“BIM之父”。在此之后的十年间，欧洲与美国也进行了相似的研究，研究的成果在美国被称为“Building Product Model（建筑产品模型）”，而在欧洲它被称为“Product Information Model（产品信息模型）”。“Building Modeling”这个词首次被使用是在1986年发表的一篇论文中，作者罗伯特艾什（Robert Aish）发表了我们现如今熟知的BIM论点和相关实施技术：三维建模、自动成图、智能参数化组件、关系数据库、实施施工进度计划模拟等等。在1999年，查克·伊士曼博士又将“建筑描述系统”发展为“Building Product Model（建筑产品模型）”，认为建筑产品模型在概念、设计、施工到拆除的建筑全生命周期过程中，提供建筑产品丰富、整合的信息[1]。而今天众所周知的“BIM（Building Information Modeling）”则是在2002年，Autodesk收购了三维建模软件公司Revit Technology后向国际建筑师协会（UIA）提出的[2]（图1）。 （2）BIM的通用定义

现如今国际上有许多种对BIM定义的版本，其中更被国际公认的是美国国家BIM

标准（NBIMS，National Building Information Modeling Standard）中定义的：Building Information Modeling（BIM）is a digital representation of physical and functional characteristics of a facility. A BIM is a shared knowledge resource for information about a facility forming a reliable basis for decisions during its life cycle; defined as existing from earliest conception to demolition.可翻译为：建筑信息模型是对设施的物理和功能特性的数字化表现手法 。建筑信息模型从最早的概念阶段到最终的拆迁阶段，为设施的全生命周期的决策提供可靠的支持，并且在此期间共享设备的信息资源。 （3）BIM的技术特性

BIM不是一个软件也不是几个软件，BIM是一个系统，它能提高工程建设行业全产业链中各个环节的质量和效率，其核心是三维模型所形成的数据库。BIM技术的应用贯穿建筑工程项目的全生命周期，包括策划与规划阶段、勘察设计阶段、施工运营管理阶段，它的价值体现在建筑模型在项目生命周期不同阶段中应用的总和（图2）。

从BIM的定义来看，BIM具有基于计算机的直观性、可分析性、可共享性、可管理性这四大特性。“基于计算机的直观性”是指在BIM技术下，利用计算机可以将原本专业、抽象的二维建筑三维直观化，而无需人工处理；“可分析性”是指利用计算机即可进行各种分析，例如日照分析，工程量分析；“可共享性”是指利用计算机就可以进行信息共享，例如建筑设计阶段中专业内多成员、多专业、多系统间共享原本各自的设计成果，避免设计上的出错，提升设计的质量和效率；“可管理性”是指便于对相关信息进行管理[2]。

BIM是在美国起源的，后面逐步发展到英国、匈牙利、芬兰、日本、韩国、新加坡等国家，目前BIM技术在这些国家都得到了一定程度的发展和应用，其中，美国对BIM的应用最广也最深。

2.1 BIM技术在美国

从2002年Autodesk 公司提出BIM并加以推广后，BIM技术在美国得到了高速发展，美国建筑业的BIM应用体系也日渐成熟。和协会出台了各类的BIM标准，美国的建筑企业大部分都应用了BIM技术，根据麦格劳·希尔公司

（McGraw-Hill）的调研结果[3]，美国工程建设行业在2007年有28%的企业采用三维协同设计，2009年为49%，而2012年这个比例值高达71%。早在2003年，在工程建设行业普遍要求提高生产率、提升信息化水平的背景下，全国3D-4DBIM计划应运而生，计划是由美国总务署（General Service

Administration,GSA）推出的，并进行了项目试点应用。美国总务署要求所有招标级别的大型项目自2007年起都必须应用BIM技术，至少需要提交空间规划验证和最终概念展示的BIM 模型。2006年10月，美国陆军工程兵团（the U.S. Army Corps of Engineers，USACE）发布长达15年的BIM发展规划（Building Information Modeling: A Road Map for Implementation to Support MILCON Transformation and Civil Works Projects within the U.S. Army Corps of Engineers）[4]，其中，美国陆军工程兵团承诺今后所有的军事建筑项目都会使用三维协同设计技术。2010年，美国陆军工程兵团又根据军事建筑项目推行了两项BIM实施计划，它们分别适用于Autodesk和Bentley平台，并在2011年对它们进行了更新。

国际协同联（International Alliance for Interoperability，简称“IAI”，现已重新命名为buildingSMART，其美国分支机构为buildingSMART alliance，简称“bSa”）于1997年发布了IFC（Industry Foundation Classes，工业基础类）数据交换标准的第一个完整版本。IFC经历了十几年的优化，在覆盖范围、应用领域、模型框架方面都有了不可小觑的突破，并已被采纳为ISO国际标准（编号ISO 16739）[5]。2007年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of

Standards and Technology,NIST）基于IFC标准制定了美国国家BIM标准（NBIMS，National Building Information Model Standards）NBIMS-US Ver.1，并在2012年发布了第二版本，2015年发布了第三版本（图3）。 2.2 BIM技术在欧洲各国 （1）BIM技术在英国

BIM在英国的发展是由引导的，2011年5月，英国内阁办公室发布的“Government Construction Strategy（建设战略）”中明确提出：要求到2016年实现全面协同的3D和BIM，并用信息化技术来管理全部的文件。文中制定了明确的阶段性目标，并将工作重点放在标准的制定上。时至今日，英国建筑业BIM标准委员会已于2009年11月发布了AEC（UK）BIM Standard（英国建筑业BIM标准）、2011年6月发布了AEC（UK）BIM Standard for Revit（适用于 Revit 的英国建筑业BIM标准）、2011年9月发布了AEC（UK）BIM Standard for Bentley Product（适用于Bentley的英国建筑业BIM标准）、2012年9月发布了AEC (UK) BIM Protocol v2.0、2013年3月推出了PAS 1192－2标准。 （2）BIM技术在匈牙利

1982年，几位数学家和建筑师在匈牙利共同成立了Graphisoft公司，在其后的几十年中，Graphisoft公司一直致力于开发三维建筑设计软件，早在1984年，Graphisoft公司就发布了三维一体化软件ArchiCAD，并提出了“三维虚拟建筑”设计理念，最早于2002年BIM在美国被提出，然而由于当时的计算机硬件水平较低，此项技术并没有得到广泛的推广应用。一些欧洲的高校和科研机构在1990年前后开始对“三维虚拟建筑”进行深入研究，并且逐步在建筑设计方面采取了项目试用。随着信息技术的不断发展，目前一些欧洲国家，特别是芬兰、挪威、德国等国，BIM应用软件已经达到60%~70%的普及率[6]。

2.3 BIM技术在亚洲各国 （1）BIM技术在日本

自2008年底起，日本建设行业对BIM的应用进入了飞速发展时期，而2008年则被日本多家媒体称为日本的“BIM元年”。2008年的时候日本建设行业是为了追求BIM的三维可视化效果而使用BIM，而2010年时则主要是看重使用三维协同设计技术能极大地提高工作效率。日本建筑行业软件产生致力于国产BIM软件的研究，多家BIM软件商在日本AIA市场咨询株式会社的支持下，以福井计算机株式会社为主导，成立了日本国国产BIM软件解决方案软件联盟。此外，2012年7月，日本建筑学会（J IA）发布《日本BIM标准手册》，该手册偏重于从设计者角度来看BIM，以及在使用BIM上所面临的社会责任。 （2）BIM技术在韩国

韩国BIM技术应用水平领先与亚洲各国，多个部门都积极研制BIM标准及三维协同设计标准。2010年1月，韩国国土交通海洋部发布了《建筑领域BIM应用指南》，要求开发商、建筑设计师和工程师在申请公共机构的项目时，必须对BIM技术进行全面地应用，并为相关企业编制实用的三维协同设计实施标准；韩国公共采购服务中心（Public Procurement Service，PPS）于2010年4月发布了《设施管理BIM应用指南》，对设计阶段、施工阶段的BIM技术应用进行了指导，并在两年后对其进行了更新。 （3）BIM技术在新加坡

新加坡负责建筑业管理的国家机构是建筑管理署（Building and Construction Authority，BCA）。在 BIM 引入新加坡前，新加坡当局就重视起信息技术之于建筑业的重要意义。早在1982年，B C A 就有了人工智能规划审批（Artificial Intelligence plan checking）的想法，2 0 0 0年—2 0 0 4年，发展CORENET（Construction and RealEstate NETwork）项目，用于电子规划的自动审批和

在线提交，是世界首创的自动化审批系统[7]。建筑管理署（Building and Construction Authority，BCA）在2010年成立了BIM基金项目，这个基金有600万新币，是为了鼓励早期的三维协同设计应用者而设立的。BCA在2011年发布了BCA's Building Information Modelling Roadmap（新加坡BIM发展路线规划），规划明确规定在2015年前建筑业需对三维协同设计技术进行广泛应用，并要求部门的所有新建项目需明确提出三维协同设计需求。规划强制要求：2013年起，需提交建筑BIM模型；2014年起，需结构与机电BIM模型；在2015年前实现所有建筑面积大于5000m2的项目都必须提交BIM模型的目标。另外BCA鼓励大学开设BIM课程，并为行内专业人士设立BIM学位（表1）。 BIM在我国的发展经历了概念导入、初步应用、快速发展三个阶段[2]（图4）。 3.1 概念导入阶段（1998年—2005年）

我国BIM研究是从IFC标准研究与应用开始的。早在1998年，国内已有部分专业人员就开始以研究IFC标准为课题，IAI选择于2000年开始与我国有关部门、科研组织（中国建筑科学研究院）进行接触，使我国全面了解了该机构的运作目标、组织规程和IFC标准应用等方面的内容，借此使我国在国家层面的初步BIM研究工作。2002年11月，中国建筑科学研究院承办了“IFC标准技术研讨会”。2000年—2001年，国家863计划项目提出“数字社区信息表达与交换标准”，实际上就是基于上述的标准制定了一个基于计算机可识别基础的社区数据表达与交换的标准，提供社区信息的表达以及可使社区信息进行交换的必要机制和定义。在国家“十五”期间的科技攻关项目《建筑业信息化关键技术研究与示范》（2004—2005）中，设立了“基于国际标准IFC的建筑设计及施工管理系统研究”研究课题[8]。在这个阶段，IFC标准被引入并且基于IFC标准进行了一些理论研究工作。

3.2 初步应用阶段（2006年—2010年）

在国家“十一五”科技支持项目《建筑业信息化关键技术研究与应用》（2006—2010）中，设立了“基于BIM技术的下一代建筑工程应用软件研究”研究课题，由清华大学等单位开发了基于BIM技术的建筑工程成本预算软件、节能设计软件等7个软件，并应用于示范工程中。中国勘察设计协会在2007年11月，于北京主办了全国性的建筑信息化论坛——“全国勘察设计行业信息化发展技术交流论坛”，该论坛开创性地讨论了在建筑设计及相关行业中，BIM技术如何革新以适应当下环境的应用需求。

中国建筑学会也顺应信息化潮流，在2008年10月举办的以建筑信息模型为主题的研讨会，分析了在国内建筑工程行业推广运用BIM技术的可能性。2010年，中国勘察设计协会举办了BIM应用设计大赛。

2010年建筑信息模型技术成为建筑工程行业各大研讨会的主题：1月，清华大学举办“BIM对中国建筑业未来影响及中国BIM标准的研究制定专家研讨会”，以BIM在中国的制度化为主要议题，内容涵盖了相关行业联合推广BIM技术、BIM标准制定等方面；7月，中国工程图学会也确立BIM技术地位，并在北京主办了由设计、施工、房产企业共同参与的推进BIM在工作中协同运用的国际技术交流会；11月17日，清华大学举办了“实施BIM给产业链带来的本质变化——清华高端研讨会”，与会成员分析了由BIM实施所引发的行业产业链的更新，对新的企业资产、岗位设置以及企业管理流程等方面展开了较为深入的讨论，一方面着眼于两岸三地BIM实际实施情况，讨论BIM在不同区域间发展的现状以及局限性；另一方面分别从具体职能部门，如建筑设计单位、工程单位或是行业管理部门的角度讨论BIM进一步推广的可能性、困难及应对策略；同年，清华大学与Autodesk公司联合进行了《中国BIM标准框架研究》，提出了中国建筑信息模型标准框架（China Building Information Model Standards,CBIMS）[2]。 该阶段除了在理论上对BIM技术进行研究，还在一些高端复杂的示范工程上开始

试点应用，例如：2006年奥运场馆项目（图5~6）、上海世博会项目（图7~8）、上海外滩SOHO（图9）等等，但是该阶段的BIM应用大多数聚焦在设计阶段，所使用的软件也以Autodesk Revit之类的国外设计软件为主，国内软件依旧处于研究和探索阶段。

3.3 快速发展阶段（2011年—2015年）

2011年：《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》由住建部于当年5月颁发，其行业发展的总体目标的主要内容在于：加快BIM技术在实际工程项目中的运用、推动信息化标准建设。在推进BIM技术应用于建筑领域方面提出了详细的要求。 2012年：住建部于1月印发了“关于2012年工程建设行业标准规范制定修订计划的通知”，正式启动了中国建筑信息模型标准制定工作。同年，住建部工程质量安全监管司委托中国建筑业协会工程建设质量管理分会完成了课题——“勘察设计和施工BIM技术发展对策研究”。

2013年：住建部工程质量安全监管司组织编写了“关于推进BIM技术在建筑领域内应用的指导意见”。

2014年：住建部发布了《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》，《意见》中再一次明确了以BIM为主体的建筑信息技术在建筑工程领域，如设计、施工和运行维护等全过程的应用。

2015年：住建部工程质量安全监管司发布了《关于印发推进建筑信息模型应用指导意见的通知》，从BIM的五大方面内容——应用意义、指导思想及基本原则、发展目标、工作重点和保障措施——明确了BIM在建筑工程领域进一步发展的基本原则和可能途径。

BIM也受到国内前沿城市地方的重视。在上海、广东等地，建筑行业的主管部门相继出台了关于推进BIM技术在各自管辖区域内推广、应用的方针与准则。辽宁、陕西、山东和北京等地区都明确提出应扩大BIM技术在建筑行业中的

推广。此外，对BIM的发展做出贡献的还包括各个行业协会，这些协会通过协作将不同方面的内容整合至BIM的大框架中。

该阶段BIM技术在我国得到了快速发展，不仅国家层面上开始明确支持BIM，各级管理部门也积极协同推进BIM应用，对于BIM的理论研究也在不断深入，在国家级BIM标准不断推进的同时，各地方也出台了相关的BIM标准，同时BIM技术开始在大量工程中应用，中国BIM软件例如：PKPM、探索者、广联达也应运而生。据《中国建筑施工行业信息化发展报告（2015）：BIM深度应用与发展》[2]调查显示（图10），积极推进建筑信息模型技术应用的企业已达到采样总数的63.1%，其中开始概念普及的企业占了22.5%，正在进行项目试点的企业占30.6%，剩余11%的企业已经进入扩大技术应用范围、深化技术应用的进程。相比之下，《中国BIM应用价值研究报告》的调查结果则不甚乐观（图11）：约46%的设计企业仅在相当少的项目中（比率低于项目总数的15%）应用BIM技术进行建筑设计，对于施工企业比例则更低，不足总数的1/3。由于BIM对于施工行业的优势较明朗，因此约半数的该类型企业将会引进或扩大运用BIM技术，预测届时技术在项目中的应用率能够达到30%以上，但设计企业可能仍将比例维持在30%左右。BIM应用进入了一个新的阶段，逐步从1.0时代向2.0时代过渡。在BIM应用1.0时代，BIM应用主要还集中在设计阶段，而在BIM应用2.0时代，BIM应用将逐步以设计为导向延伸到预制加工和施工为导向。

BIM技术是促进建筑信息化，实现建筑产业化的一种重要手段，相较于其他国家，BIM技术在中国刚刚起步。目前，我国的BIM应用正处在加速发展阶段并且已成为全球BIM应用发展最快的五个国家之一，而正因为刚刚起步，BIM技术在我国建筑行业的应用程度还未达到欧美等发达国家的水平，在实际应用中依旧存在诸多障碍。借鉴国外的BIM发展经验，可以从以下几点着手。 （1）本土化BIM软件研发

虽然近年来我国研发了BIM软件例如：PKPM、探索者、广联达、鲁班等，但PKPM和探索者都是结构方面的软件，广联达和鲁班则是造价管理软件，在建模设计方面的软件与国外还有很大的差距，而国外建模软件本土化程度不高，与我国的习惯、文化不能深度融合，国内BIM软件又杂乱而缺少统一的规范和数据接口，无法实现软件间的融合与交互。这样的基础条件严重制约了我国相关人员对BIM软件的使用，本土化BIM软件的研发迫在眉睫。 （2）引导及其标准编制

从国外BIM技术的发展不难看出引导在其中扮演着不可或缺的角色，目前我国相关部门和建筑行业各方都逐步参与到BIM的研究和应用中，住建部与各地相继出台了BIM信息化的发展规划与纲要，但我国BIM技术应用依然缺乏可执行的行业规范与标准，目前相关标准和规范依旧在制定之中，尚未出台。 （3）高校教育及其人才培养

我国目前大多数高校还没有引入BIM课程，只有较少高校开始BIM技术研究，而发达国家很多高等院校都增设了BIM相关课程，培育了大量BIM应用人才，我国可以由此借鉴，并且可以在地方、企业开设BIM培训课程，邀请专家学者进行专题讲座，完善BIM培训体系，增设专业技术资格认证。

《中国建筑施工行业信息化发展报告（2015）BIM深度应用与发展》指出：BIM技术在我国建筑施工行业的应用已逐渐步入注重应用价值的深度应用阶段，并呈现出BIM技术与项目管理、云计算和大数据等先进信息技术集成应用的“BIM+”特点，正在向多阶段、集成化、协同化和普及化应用五大方向发展。尽管现阶段我国的BIM技术应用还存在诸如机制问题、问题和软件技术问题等等，但是在、业主、设计企业和施工企业等各参与方的共同努力下，有理由相信能够逐步克服一系列的问题，最终提升工程的建设管理水平，实现绿色建筑和可持续发展，推动建筑业的转型与升级。

资料来源：

图1~3：作者自绘；

图4：本书编委会编.中国建筑施工行业信息化发展报告（2015）BIM深度应用与发展[M].北京：中国城市出版社.2015； 图5~9：选取网络图片；

图10~11：来自《中国BIM应用价值研究报告》。

【相关文献】

1 杰里·莱瑟林，王新. BIM的历史[J]. 建筑创作，2011（6）：146-150.

2 本书编委会. 中国建筑施工行业信息化发展报告（2015）BIM深度应用与发展[M].北京：中国城市出版社，2015.

3 McGraw Hill. The Business Value of BIM in North America. 2012.

4 Beth A. Brucker，Michael P. Case，et al. Building Information Modeling：A R oad Map for Implementation to Support MILCON Transformation and Civil Works Projects within the U.S[z]. Army Corps of Engineers，2006[Z].

5 杰里·莱瑟林，王新. 美国BIM应用的观察与启示[J]. 时代建筑，2013（2）：16-21.

6 清华大学BIM课题组.中国建筑信息模型标准框架研究[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2011. 7 贺灵童. BIM在全球的应用现状[J]. 工程质量，2013（3）：12-19.

8 李云贵，邱奎宁. 我国建筑行业BIM研究与实践[J]. 建筑技术开发，2015（4）：3-10.