【BIM学院】第五十五期 面向装配式建筑的BIM解决方案

中国BIM应用的现状问题

BIM技术自从2003年引入中国之后，经过前期几年的铺垫，从2009年之后才普遍被行业认可，现在已发展成为建筑工程行业最热门的信息化技术。然而，在早期的爆炸式发展之后，近年来的BIM应用水平似有陷入停顿之感，至今还有很多问题尚未解决。而当初行业创新者对BIM的畅想，到现在也还远远没有实现。其中既有软件技术方面的原因，也有行业自身的原因。

   以目前国内BIM应用的水平现状而言，最显著的几个特点是：

  （1） 应用BIM的项目中，绝大部分都是CAD/BIM并行模式(通常称为“后BIM” )，而非“BIM正向设计”。

   这是一个很值得思考的现象，因为在制造业(它们对3D技术的应用比建筑业早将近20年)并未出现这一情况。制造业产品设计的过程中，要么用2D，要么用3D，为什么建筑业要用2D设计完了之后再翻成3D呢？究其根本原因，无非以下几点：

   3D建模的效率不如2D：一些在2D绘图中可以很快画出来的内容，精确的3D建模需要更长时间。

   3D模型不适合出图：建筑业的现状仍然要求2D图纸交付，这也是实际情况。

   因此，在建筑设计阶段出图时间非常紧张的情况下，大量项目其实还是用传统方式设计，只是包了一个BIM的皮而已，也就可以理解了。只是，在这样的流程中，BIM除了3D可视化和碰撞检查，基本上也就没什么实际意义了。更重要的是，这种“后BIM”模式还导致企业要投入额外的资源创建模型，并且使得模型与图纸可能出现不一致的状况，反而增添了更多问题。

（2） 设计与施工脱节的状况没有改观。

   从BIM理念刚诞生之时开始，“衔接设计与施工之间的信息断裂”就是作为BIM的重要价值之一而提出。然而，现在的BIM工具真的做到这一点了吗？在设计师创建BIM的绝大部分项目里，施工方并没有参与模型的创建过程，因此常常听到施工方反馈设计方给出的BIM模型并没有多大用处，有很多施工需要的信息在模型中并没有得到体现。而在实际工作中，设计方给出的图纸(即便是用了BIM之后)在很多情况下也不能真正达到“按图施工”的水准，施工方和预制方还是需要根据设计图纸进行大量的深化设计，并且研究用什么样的工艺才能真正建造出来。

   因此，可以说建筑行业原有的“信息孤岛”现象并未随着BIM的应用而消失，只是从2D的孤岛变成了BIM的孤岛，或者最多是在孤岛之间建起几座桥梁，但远远没有到达把孤岛连接成整片陆地的程度。

（3）缺乏项目全流程的协同管理。

   当我们讨论项目全流程的时候，我们关注的不仅是设计阶段不同专业之间的协同，同时也关注设计与预制加工、现场安装、业主管理之间的协同。作为业主，如何了解项目的真实进度并控制风险？如何确保设计师想象的效果能够用当前的工艺工法完美实现？一个不起眼的设计变更会对施工成本造成多大的影响？如果应用BIM的设计人员只关心怎么快点出图，那么这些问题就永远找不到答案。

原因和变革方向

之所以形成这样的局面，一方面是建筑行业本身的机制落后，另一方面也有软件工具方面的原因。然而可喜的是，随着装配式技术在建筑行业被推广普及，我们看到两方面的情况都在发生变化。

从行业层面来说，与制造业的高度机械化、自动化不同，传统的建筑业生产流程中大量工序是由工人在建筑现场手工完成的(例如绑钢筋、支模板)，因此便于携带、查看的图纸就显得必不可少。但随着装配式技术的应用，实际上对图纸的需求是与以前不同的。对于装配式建筑(包括现在的幕墙、钢结构项目)而言，我们可以把用于预制生产的加工图(英文称为shop drawing)和用于现场组装的安装图区分开来。前者的用途是精确描述构件细节以便于制造产品，只要满足生产要求，随着数控技术的进步，完全可以像先进制造业一样实现不用图纸的全3D数控生产。后者仍然是提供给工地现场的，但应着重于描述结点连接方式、安装方法等信息，而无需过多描绘构件本身的细节(因为构件已经作为实物提供给工地了)。因此，前者可以逐步被3D技术所取代，而后者虽然不会消亡，但其关注的信息和表达形式应当与传统的施工图有所不同。

从软件工具层面来说，传统的BIM软件基本上都是由建筑师开发的，虽然满足建筑师习惯的流程和做法，但面临建筑行业的流程变革时就显得力不从心。很多传统的BIM软件都不具备一些用于装配式建筑的重要功能：

   (1)以制造级别的高度精确和可靠性来描述构件的几何形体和空间位置。尤其是当涉及到复杂的空间曲面之时，加工数据的精确性就显得格外重要。并不是所有BIM软件都具备这样精确的图形引擎，有些软件会使用折线或者网格面来模拟连续的空间曲面，这就会在细节处产生误差。

   (2)以不同的颗粒度来描述构件的组成结构和装配关系。例如建筑师眼里可以把一层楼板看作一个整体，但对于预制、施工方来说，还要把它拆分成多个预制板单元，进而跟踪统计每个板单元的材料用量、位置和安装顺序，并且研究单元之间的连接方式。类似的，一个幕墙面板单元可以拆分成几十个不同的零件，每个零件都要分别制造、编码，最后精确装配起来。这样的层级分解结构在很多传统BIM软件里面是不存在的。

   (3)通过模型来记录施工工艺和操作方法。缺少这样的信息，无论是对于预制厂还是工地现场，操作工人都只能看到“是什么”，而不能看到“怎么做”，因此仍然可能在生产安装的操作过程中出现问题。

   (4)连接上下游、不同企业的网络协作平台。不仅要支持设计企业内部不同专业的协作，还需要通过网络平台在设计阶段就能连接业主、预制厂和施工方等各方，通过3D模型进行可视化交流，获取各方的专业建议，并且共享物料清单等关键信息。

因此，要通过BIM来促进装配式建筑的普及应用，实现建筑工程行业的全面转型，一方面需要行业有识之士推动行业的流程和标准改变，另一方面也要研究从制造行业产生的全生命期软件系统，而不是抱残守缺地沿用现有软件。

(1) 基于物料清单(BOM)的数据管理

传统的建筑行业习惯于“基于图纸”的工作模式，当需要信息时，根据图纸目录(或编码)找到相应的图纸，再通过读图来了解信息。然而，对象之间的层级结构、逻辑关系等信息是很难在图纸上表达出来的。在制造业，使用的是“基于BOM”的工作模式。对于一个大型产品，首先用逻辑结构树将其分解为子部件，每一个子部件还可以继续分解，如此一级一级展开，直到最基本的零件为止。当需要部件信息时，就在结构树上找到相应的对象结点，从其中可以获取部件的3D模型、设计参数、采购信息等所有数据。而部件之间的层级结构、逻辑关系等信息则通过结构树的组织体现出来。——建筑物同样可以采取类似的方式，例如将一栋大厦分解成主楼、裙房和地下，每个部分进一步按楼层分解，每个楼层中再包含梁柱门窗等构件。针对每一个构件对象，我们都可以把它作为一个实体来单独管理它的设计参数、访问权限、历史版本等所有数据。同时，设计师还可以根据工艺需求决定每个部件是否需要进一步拆分、如何拆分(例如一个门可以拆分成门框、门扇和合页)，并生成构件清单、加工图、材料统计表等。

对于大型协作性项目，对象结构树的另一个重要用途是专业之间的参数共享。每个专业都可以把需要对外共享的设计参数发布在结构树上，当下游专业需要引用上游专业的对象或者参数的时候，就可以直接从结构树上实时引用。一旦上游专业的信息发生了变更，系统就会自动通知下游专业并且自动更新，从而保证设计信息的一致性。而传统的基于“外部参照”模式的设计协同是无法实现这一点的。

正是因为CATIA模型中包含所有的准确信息和逻辑关系，使得设计师能够洞察全局，对所有信息都了如指掌。正因如此，在飞机、船舶等大型制造业都使用CATIA作为通用的3D制造建模平台。

  图2. 基于BOM的数据管理

(2) 制造级精度的3D正向设计

 与传统的BIM软件相比，强大的3D参数化图形引擎也是CATIA的重要优势。无论是复杂的装配结构，还是连续、精确的空间曲面，在CATIA里面处理起来都相当轻松。此外，依靠强大的参数化技术，CATIA还可以通过编程创建“计算出的建筑”，从而实现用人工方式很难完成的任务。

 今天的方案设计人员常常使用Rhino在前期进行造型设计，并与一些渲染工具连接生成绚丽的效果图，但它只是纯粹的造型工具，不包括任何BIM信息，也很难和生产制造系统连接起来。而CATIA和Rhino同样支持强大的NURBS曲面，因此既可以用CATIA创建曲面，也可以把Rhino创建的曲面无缝导入到CATIA里面。在方案造型创建完成后，可以使用达索系统的CATIA建筑方案工具，快速从体量创建建筑、结构专业的方案模型。设计师可以使用预定义的概念级深度(LOD 200)的构件模型(例如门窗、梁、柱等)快速创建方案，等到方案大致确定后，CATIA可以把LOD 200级别的构件模型替换成LOD 300~400级别的精细化模型。设计师可以在此基础上进行深化设计，添加更多的细节，直到包含预制加工所需的所有信息。在这一过程中，CATIA特有的“知识工程”功能可以发挥重要的作用。大量繁琐的细节建模，只要能总结出逻辑规律，就可以通过空间骨架线快速定位，然后使用CATIA的脚本语言进行自动化建模工作，从而极大地提高效率，减轻人工负担。CATIA还提供了丰富的专业建模工具，例如钢结构的节点详细设计、钢混构件的3D钢筋建模、金属面板的钣金设计，都可以直接利用CATIA的现成工具来完成。而设计完的3D数字模型，还可以和数控生产设备结合起来，以自动化的方式制造实物，甚至无需传统图纸。(为了驱动数控设备，需要根据具体的设备来设计制造工艺，并且可能需要生成数控加工代码。)

对于已经使用传统BIM软件的项目来说，CATIA也可以通过IFC等格式导入传统BIM软件建立的模型，并在此基础上进行深化设计。然而需要注意的是，传统BIM软件的模型几何精度往往较低，同时在导出IFC格式时常常出现数据丢失，因此导入后需要仔细检查。

图3. 制造级精度的3D设计

(3) 设计与施工的集成仿真

当有了包含准确信息的3D模型之后，下一步要做的就是根据模型研究施工方法，编制施工组织计划。传统的施工计划编制是一个“由上而下”、基于经验的过程，由有经验的施工经理来分解施工步骤、安排每个步骤的先后顺序，并且分解每个工序所需的大致时间(例如施工某层楼板需要多少天)。然而，对于复杂的重点工序(例如一个大型钢构件的吊装过程)，即便是很有经验的施工经理也很难把操作过程中可能出现的各种情况设想得面面俱到，更不用说准确规划成百上千道工序的进度安排。因此，在达索系统的DELMIA中，一方面支持“由上而下”的施工任务分解和进度规划，另一方面还支持对于重点工艺进行“由下而上”的虚拟仿真，严格模拟重点工艺的施工过程，验证其可行性，评估风险，并且探索更好的施工方案。

要实现满足工程真实性的施工仿真，通常要对BIM模型进行整理和重构，将设计BIM模型转换成施工BIM模型。首先，设计构件和施工构件可能是不一样的，有时需要把构件进行拆分(例如设计中的一片楼板在施工中要分段来做)，而有时又需要把构件进行合并(例如墙连柱的施工)。其次，施工模型中往往需要增加辅助设施，例如脚手架、塔吊、以及各种施工设备。然后，需要把模型构件和任务进度、设备资源关联起来，从“静态模型”变成“动态模型”。由于建筑模型中的构件数量往往相当多，软件应当能够根据用户给定的逻辑规则和构件的BIM信息自动生成这样的关联关系，而不是让用户进行繁琐的手工关联。一些常用的工艺流程还可以在系统中保存为工艺模板，在以后重复调用。

有了这样的集成仿真之后，我们就可以在实际建造之前，预先在3D软件里以虚拟的方式建造一次整个建筑。在虚拟建造的过程中，可以分析施工计划是否合理？施工工艺是否可行？设备资源是否存在瓶颈或者冗余？通过这样的工作，可以提前发现可能存在的问题，并使每一个施工人员都了解他们将要完成的任务，从而提高现场的操作效率，降低风险，并且节省成本和工期。

最后，施工仿真的输出成果应该是准确可靠的施工组织计划和工艺指导，而4D动画只是次要的伴生产品。我们追求的是工程的真实可靠性，而不是像常规的动画渲染软件一样以视觉绚丽为目标——没有工程可靠性，动画效果再好也没有意义。

 图4. 施工工艺级别的BIM仿真

(4) 流程与数据结合的协作平台

  在项目管理中有三个核心要素：质量、时间、成本。然而，在传统的BIM数据管理软件(可以称为PDM软件)与传统的项目管理软件之间存在着一条鸿沟：传统的PDM软件往往只关心模型的质量控制，包括版本管理、访问权限、冲突检测等问题，而传统的项目管理软件往往聚焦于时间和成本，包括任务管理、进度计划、成本跟踪、资源效率等问题。举例而言，传统的PDM软件不会包含WBS分解、进度跟踪等管理功能，而传统项目管理软件也不能进行模型冲突检测。达索系统ENOVIA的独特之处在于，它把质量、时间、成本这三个要素有机的结合起来，对项目各要素进行全面的管理。

  假想一个典型的建筑综合体项目，设计负责人可以把它划分成塔楼、裙房、地下等几个部分，每个部分分别指定建筑、结构、设备等不同专业的负责人，分配工作任务并制定进度计划。每个专业的设计人员都将接收到任务信息，还可以在自己的任务节点下进一步细分子任务，并且进行建模工作。项目经理只要通过任务链接就可以查看到各个专业的模型成果。同时，由于所有模型都集中在同一个服务器数据库中，只要有相应的权限，每个专业设计人员都可以随时获得其它专业的模型成果。所有人在一个集成模型上以实时协同的方式开展工作，从而保证信息的准确一致性。通过访问权限和版本控制，设计师也可以决定是否允许业主、施工方登录到系统来查看最新的模型成果。如果允许其它参建方进行在线评审，那么他们就可以在网络平台上标注发现的问题，并且提交给设计师进行检查。一旦提交反馈意见，系统还可以自动通知相关设计师，并追踪反馈……值得一提的是，达索平台是基于构件数据库而不是文件来管理操作权限，因此可以针对每个构件去设置其访问权限、历史版本等信息，从而提供了极大的灵活性。

图5.在Web浏览器上进行在线BIM设计校审

更重要的是，使用基于构件数据库的模型，可以方便的用于管理构件生产、物流、安装的全过程。这个过程中的信息是很难用图纸进行管理的，需要部署基于物料清单的制造执行系统(MES)和施工管理系统，而这恰恰是来自制造业的达索系统擅长的地方。

对于构件预制方，不仅可以直接从平台获取准确详尽的构件信息用于生产工艺，还可以使用构件清单用于生产管理，例如编制生产进度计划、实际进度的跟踪对比、统计资源与材料用量、风险管理等等。项目经理可以在系统中了解每一个构件的当前状态：是正在生产，还是已经在物流途中？是由哪台设备生产的，质量检验文档在哪里？工厂经理也可以了解：本月需要生产多少个构件，每种规格各有多少？为此需要准备多少原材料和设备资源？如果某个构件出现质量问题，是否能追溯到当时的生产设备和责任人？在此过程中，我们还可以把ENOVIA与物联网系统进行集成，以便实时跟踪每个构件的准确状态。

 对于施工安装现场，ENOVIA同样可以用于现场的施工计划管理、业务流程管理和风险管理。同时，它提供了丰富的集成接口，可以与其它IT系统(例如ERP系统、物流系统、以及现有的项目管理软件)非常方便的进行集成。

图6. 与BIM结合的项目管理与协同平台

正如同“淘宝”平台可以支持消费者和卖家在一个系统中完成信息对接、在线下单、物流跟踪、确认付款等购物全流程一样，达索系统的“3D体验”平台也可以支持建筑项目各方在线完成方案沟通、协同设计、集成校审、进度跟踪、数据交付、生产管理等全过程。因此，如果说“淘宝”提供的是电子商务的购物体验，达索系统提供的则是基于3D数据的建筑全生命期业务体验。

图7. 装配式建筑的全生命期信息集成

总结

建筑行业的工业化转型是全行业认可的共识，但要实现这样一个巨大的改变，需要政府主导的各参与方共同努力。这样的转型，不能也不应该是由软件企业进行主导。然而，选择合适的软件平台，的确能够加速这个转型的过程。优秀的BIM软件不应该是一系列工具，而应该是一个平台，它必须是立足于企业战略转型的需求，与企业的业务流程紧密结合，切实可行地创造清晰的价值。在搭建BIM平台之前，企业应该想一想：我们做这件事情是为了用在什么方面？解决什么问题？希望达到什么目标？单纯“为BIM而BIM”的行为是不应当被提倡的，因为它导致了太多无意义的建模，而没有给行业带来明显的好处。

如果我们能用制造业的方式去建造一艘航空母舰，那么也应当能够用制造业的方式来建造一栋建筑物。在这个过程中，如果仅仅选择一个新的软件而不改变流程，或者改变流程而仍然沿用旧的软件工具，都是很难取得成功的。全生命期的BIM软件平台是一个载体，它需要与企业的业务流程结合，把企业的知识、思想、行为固化下来，从而打造一个以3D数据为核心的、上下游协同集成的、企业级的业务管理系统。

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