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第六章 BIM及其在工程项目管理中的应用
第一节 BIM简介
一、BIM的由来
BIM（Building Information Modeling）可翻译为“建筑信息建模”，也有翻译为“建筑信息模型”的，但相比之下，前者更为准确。
导致工程建设行业效率不高的原因是多方面的，整体行业水平的提高和产业升级只能依靠先进生产流程和技术的应用。BIM是这样一种技术、方法和机制。通过集成项目信息的收集、管理、交换、更新、存储过程和项目业务流程，为建设工程全寿命周期不同阶段、不同参与方提供及时、准确、足够的信息，支持工程建设不同进展阶段、不同参与方以及不同应用软件之间的信息交流和共享，以实现工程设计、施工、运营、维护效率和质量的提高，以及工程建设行业生产力水平持续不断的提升。
二、BIM的基本概念
BIM的定义有多种版本。麦克格劳·希尔（McGraw·Hill）在2009年《BIM的商业价值》（The Business Value of BIM）的市场调研报告中对BIM的定义比较简练，认为“BIM是利用数字模型对工程进行设计、施工和运营的过程”。
美国国家BIM标准对BIM的定义比较完整：BIM是一个设施（工程项目）物理和功能特性的数字表达；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，为该设施从概念到拆除的全寿命周期所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利用相关方通过在BIM中插入、提起、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。
BIM是通过现代计算机技术以多种数字技术为依托的。建筑工程与之相关的工作均可从建筑信息模型中获得各自需要的信息，可以指导相应工作又能将相应工作的信息反馈到模型中。
BIM不只是简单地将数字信息进行集成，还是一种数字信息的应用，它可以用于设计、建造、管理的数字化应用，这种应用可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率、大量减少风险。
BIM可以在建筑工程整个寿命期中实现集成管理，这个模型既包括建筑物的信息模型，同时又包括建筑工程管理行为的模型。将建筑物的信息模型与建筑工程的管理行为模型进行完美组合。可以在一定范围内模拟实际的建筑工程建设行为，例如：建筑物的日照、外部维护结构的传热状态等。
三、BIM的特点
BIM有以下五个方面的特点：
（一）可视化
可视化即“所见即所得”。对于建筑行业来说，可视化的作用是非常大的。目前，在工程建设实施中所用的施工图纸，只是将各个构件信息用线条来表达，其真正的构造形式需要工程建设参与人员去自行想象。但对于现代建筑而言，形式各异、造型复杂，光凭人脑去想象就不太现实了。BIM可将以往的线条式构件形成一种三维的立体实物图形展开在人们面前。
在BIM中，由于整个过程都是可视化的，不仅可以用来展开效果，还可生成所需要的各种报表。更重要的是，在工程设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策，都可在可视化状态下进行。
（二）协调性
协调是工程建设实施过程中的重要工作。应由BIM技术，可以事先事先协调。如在工程设计阶段，可应用BIM技术对施工过程中建筑物内设施的碰撞问题进行协调。此外，还可对空间布置、防火分区、管道布置等问题进行协调处理。
（三）模拟性
在工程设计节点，应由BIM技术可对节能、紧急疏散、日照、热能传导等进行模拟；在工程施工阶段，可根据施工组织设计，将3D模型加施工进度（4D）模拟实际施工，从而通过确定合理的施工方案指导实际施工，还可进行5D模拟，实现造价控制；在运营阶段，可对日常紧急情况的处理进行模拟，如地震人员逃生模拟及消防人员疏散模拟等。
（四）优化性
工程设计、施工、运营过程均可应用BIM技术进行优化。
目前，基于BIM的优化可完成以下工作：
（1）设计方案优化。将工程设计与投资回报分析结合起来，可以实时计算设计变化对投资回报的影响。
（2）特殊项目的设计优化。有些部位往往存在不规则设计，如裙楼、幕墙、屋顶、大空间等处。这些部位通常也是施工难度较大、施工问题比较多的地方，对这些部位的设计和施工方案进行优化，可以缩短施工工期、降低工程造价。
（五）可出图性
利用BIM对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化后，还可帮助输出如下图纸或报告：
（1）综合管线图；
（2）综合结构留洞图；
（3）碰撞检查侦错报告和建议改进方案。
四、国内外应用状况
（一）国外应用状况
（1）美国。BIM的研究和应用起步较早并初具规模。各大设计事务所、承包商和业主纷纷主动在工程项目中应由BIM。政府和行业协会也出台了各种BIM标准。统计数据显示，2009年美国建筑业300强企业中，80%以上都应用了BIM技术。
（2）日本。BIM应用已扩展到全国范围，并上升到政府推进层面。
（3）韩国。已有多家政府机关致力于BIM应用标准的制定，如韩国公共采购服务重型下属的建设事业局制定了BIM实施指南和路线图：2012~2015年500亿韩元以上的工程项目全部采用4D设计管理系统；2016年实现全部公共设施项目使用BIM技术。
（二）国内应用状况
BIM技术在香港地区已广泛应用于各类房地产开发项目中，2009年成立了香港BIM学会。
中国大陆地区的现状是：
（1）有一定数量的工程项目在不同阶段和不同程度上使用了BIM，其中在建第一高楼的上海中心大厦项目最受关注。
（2）建筑业相关企业和BIM咨询顾问以不同形式合作开展BIM的实施。
（3）BIM已经逐步渗透到软件公司、咨询顾问、设计单位、科研院校、建筑企业、房地产开发商和行业协会等。
（4）中国房地产协会商业地产专业委员会在2010年组织研究并发布了《中国商业地产BIM应用研究报告》，用于指导和跟踪商业地产领域BIM技术的应用和发展。
（5）建筑企业开始对BIM人才有所需求，BIM人才的商业培训已经逐步启动。
（6）建筑行业现行法律法规、标准尚未对BIM的应用提出要求。
五、BIM的应用前景
随着技术的不断发展和BIM应用的不断实践，BIM技术的应用已经朝着更多的发展方向展开。
（1）多维度的应用，应结合施工管理、协调等有关内容：进度管理、质量管理、成本管理、安全管理、采购、运输、招标、总包管理与分包管理、平面布置和数码测量定位等。
（2）在BIM以建筑物信息为主的信息系统中还可以补充合同管理、文档管理，或将工程监理的标准文档纳入BIM和P6应用中。
（3）只停留在BIM的模型是不够的，应结合三维扫描、云技术、移动、平板电脑、三维地图、GPS定位、三维打印、三维的逆向工程、RFID的材料取样的二维码扫描以及电子芯片等拓展其使用范围。
第二节 BIM的应用
一、城市规划
BIM在城市规划的三维平台中，可以完全实现目前三维仿真系统无法实现的多维应用。特别是城市规划方案的性能分析，可以解决传统城市规划编制和管理方法无法量化的问题，诸如舒适度、空气流动性、噪声云图等指标。BIM的性能分析通过与传统规划方案的设计、评审结合起来，将会对城市规划多指标量化、编制科学化和城市规划可持续发展产生积极的影响。
城市规划微环境模拟是建立在城市规划是三维信息模型的基础上，通过微环境模拟平台，对城市规划控制性详细规划和修建性详细规划进行微环境指标模拟评估，并以此评估结果来对控制性规划用地指标进行修正和对修建性详细规划的建筑空间布局进行调控，辅助城市规划管理和城市规划设计。
（一）日照采光分析
建筑物日照间距是城市规划管理部门审核建设工程的重要指标，也是规划设计的主要参考标准。它直接关系到城镇居民的生活环境质量，也是控制建筑密度的有效途径之一。
利用BIM相应建模和分析软件，可以对模拟区域建立3D模型，然后通过输入模拟区域的气象数据等信息资料，对该模拟区域内建筑的日照进行模拟和分析，从而为规划设计提供参考依据。
（二）建筑微环境的空气流动分析
通过BIM技术与CFD技术的结合运用，可以方便、快捷地对建筑内、外环境的气流流场进行仿真模拟，可以形象直观地对建筑内外环境的气流流动形成的流体环境做出分析和评价，并及时地调整方案。这样，有利于规划师、建筑师在方案设计时全面、直观地对环境影响的因素进行把握。同时，利用不同技术的综合运用来使规划设计更加科学、合理。
（三）城市规划可视度分析
通过BIM技术，可以对取样内地标建筑进行可视度分析模拟，从分析结果可以清晰地看到城市道路上对该地标建筑的可视度分布。软件会统计不同可视程度类型的面积，而道路上网格的颜色区域变化则显示了能看到的景观建筑的区域变化。
（四）城市建筑群热工分析
主要是分析规划建筑空间形成后，在自然状态下得到太阳热量的自然分布，通过这种热量分布计算，可以很清楚地看到建筑群内部热量集中的地方。得到该结果后，在深化规划方案设计过程中，可通过各种措施调整，如增加绿地、水系或者引入自然通风廊道等方法减少高温区域。
二、工程造价管理
BIM在工程造价管理信息化方面具有不可比拟的优势，对于提升工程造价管理信息化水平、改进工程造价管理流程、提高工程造价管理效率，都具有积极意义。
（一）提高工程量计算的准确性
BIM的自动化算量方法比传统的计算方法更加准确。工程量计算是编制工程预算的基础，但计算过程非常繁琐和枯燥，容易因人为原因造成计算错误，影响后续计算的准确性。此外，由于各地定额计算规则不同，也是阻碍手工计算准确性的重要因素。每计算一个构件要考虑哪些相关部分要扣减，需要具有极大的耐心和细心。
BIM的自动化算量功能可使工程量计算工作摆脱人为因素的影响，得到更加客观的数据。无论是规则或者不规则构件，均可利用所建立的三维模型进行实体扣减计算。
（二）合理安排资源计划
工程建设周期长，涉及人员多，管理复杂，没有充分合理的计划，容易导致工期延误，甚至发生工程质量和安全事故。
利用BIM模型提供的基础数据可以合理安排资金计划、人工计划、材料计划和机械计划。在BIM模型所获得的工程量上赋予时间信息，可以知道任意时间段的工作量，进而可以知道任意时间段的工程造价，据此来制定资金使用计划。此外，还可根据任意时间段的工程量，分析出所需要的人、材、机数量，合理安排工作。
（三）控制工程设计变更
对于工程设计变更，传统的方法是靠手工先在图纸上确认位置，然后计算工程设计变更引起的量的增减。同时，还要调整与之相关联的构件。这样的过程不仅缓慢，耗费时间长，而且难以保证可靠性。加之工程设计变更的内容没有位置信息和历史数据，查询也非常麻烦。
利用BIM模型，可以将工程设计变更内容关联到模型中，只需将模型稍加调整，就会自动反映出相关的工程量变化。甚至可以将工程设计变更引起的造价变化直接反馈给设计人员，使其能清楚地了解工程设计方案的变化对工程造价的影响。
（四）对工程项目多算对比进行有效支持
利用BIM模型数据库的特性，可以赋予模型内的构件各种参数信息。例如，试件信息、材质信息、施工班组信息、位置信息、工序信息等。利用这些信息，可以将模型中的构件进行任意的组合和汇总，从而可以快速地进行统计，对未施工项目进行多算对比提供有效支撑。
（五）历史数据积累和共享
以往工程的造价指标、含量指标等数据，对今后类似工程的投资估算和审核具有非常重要的价值，工程造价咨询单位视这些数据为企业核心竞争力。利用BIM模型可以对相关指标进行详细、准确的分析和抽取，并且形成电子资料，方便存储和共享。
三、施工进度管理
好的施工进度计划可以使工程项目各参建方达到“协调一致”。因此，不管是业主方还是施工方，做好施工进度计划的编制与管理工作非常重要。
BIM从3D模型发展到4D建造模拟功能，使工程项目相关人员都能够更加轻松地预见到施工进度。由此方式产生的相关任务可以自动地关联到BIM软件上，调整施工进度图后，进度安排也会自动变化，并在4D施工模拟时体现。BIM可以在工程建设前期形成可视化的进度信息、可视化的施工组织方案以及可视化的施工过程模拟，在建设过程中可对工程变更结果及风险事件结果进行模拟。
在工程施工中，利用4D模型可以使全体参建人员很快理解进度计划的重要节点；同时，进度计划通过实体模型的对应表示，有利于发展施工过程中的问题，及时采取措施，进行纠偏调整；遇到设计变更、施工图更改时，也可以快速地联动修改进度计划。
需要指出的是，4D模型所承担的分析推理工作离不开使用者的介入，这就要求使用者具有一定程度的操作经验和足够的专业知识。
4D模型在施工过程中可以应用到进度管理和施工现场管理等多个方面，主要表现为进度管理的可视化、监控、记录、进度状态报告和计划的调整预测等功能，以及事故现场管理策划可视化、辅助施工总平面管理、辅助环境保护、辅助防火保安等功能。同时，还可应用到物资采购管理方面，表现为辅助编制物资采购计划、物质现场管理及物资仓库可视化管理等功能。通过4D模型的应用，可以在整个工程建设过程中实现工程信息的高度共享，提高信息的利用价值，提高施工技术水平。
四、设施运行维护
维护保养是一种针对设施全寿命期的操作，确保建筑设施在全寿命期内性能良好。维护保养做得不好，会导致设备寿命缩短，直接后果就是增加成本。BIM技术对设施管理企业提高运作和维护水平、设法利用设施提供舒适安全的工作场所、改善员工的工作强度和提高生产率等方面发挥积极作用。
设备设施出现故障而进行的恢复性能的维护活动需要的是快速查找故障根源，此时，可用到BIM的分析和可视化功能。比如，抢修时的快速定位和信息查询；还有，一台设备经常出故障，其原因可能是与附近的另外一台设备有关，这在三维空间视图上，很容易看到这种关联性。
预测性维护与BIM的结合是一个富有挑战性的课题。在我国已经有一些桥梁和大型工程项目中使用了结构检测技术，其目的是为了对部件进行连续或定期的检测和诊断，从而对故障做出预测。
所有这些模拟都可以在工程设计的早起、设计进行过程中以及运营期间进行，其输入的参数和输出的结果可能不同，但都有其利用价值。整合到CAFM，就能够进行建筑绩效分析，尤其是将运行维护成本和一系列性能指标引入。无论是能源消耗，还是维修费用、人员开支，都录入到一个集成的BIM系统中，通过分配计算，能够得到很多关于建筑设施的绩效指标，用于衡量运营管理工作成果。这种衡量，是在运营过程中控制成本的基本工作。
第三节 BIM在工程项目管理中的应用
一、应用目标
BIM的主要任务就是通过借助BIM理念及其相关技术搭建统一的数字化工程信息平台，实现工程建设过程中各阶段数据信息的整合及应用，进而更好地为委托方创造价值，提高建设效率和质量。
（一）可视化展示
BIM技术可利用计算机实现工程项目在建设完工前的可视化展示。与传统单一的设计效果图等表现方式相比，由于数字化工程信息平台包含了工程建设各阶段所有的数据信息，基于这些数据信息制作的各种可视化展示将更准确、更灵活地表现工程项目，并辅助各专业、各行业之间的沟通交流。
（二）提高工程设计和项目管理质量
BIM技术可帮助工程项目各参建方在工程建设全过程中更好地沟通协调，为做好设计管理工作，提高工程设计质量及工程项目在技术、经济上的可行性论证，提供更为先进的手段和方法，从而提升工程项目管理的质量和效率。
（三）控制工程造价
通过数字化工程信息模型，实现工程项目各阶段数据信息的准确性和唯一性，进而在工程建设早期发现问题并予以解决，减少工程过程中的变更，大大提高对工程造价的控制力。
（四）缩短工程施工周期
借助BIM技术，实现对各重要施工工序的可视化整合，协助委托人、设计单位、承包单位更好地沟通协调与论证，合理优化施工工序。
二、应用范围
现阶段，工程项目管理公司运用BIM技术提升咨询服务的价值，仍处于初级阶段，其应用范围主要包括以下几个方面：
（一）可视化模型建立
可视化模型建立是BIM的基础，包括建筑、结构、设备等各专业工种。在BIM中，由于整个过程都是可视化的，因此，可视化的结果不仅可用效果图进行展示及报表的生产，更为重要的是，工程设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都是在可视化的状态下进行的。
BIM模型在工程建设中的衍生路线就像一棵大树，其源头是设计单位在设计阶段培育的种子模型；其生长过程伴随着厂家的深化补充；施工单位进行二次设计和重塑，以及业主、项目管理单位、监理单位等多方审核；后端衍生的各层级应用如同果实一样。他们之间相互维系，而维系的血脉就是带有种子模型基因的数据信息，数据信息如同新陈代谢般随着工程项目寿命期的进展不断进行更新维护。
目前，一些具备先进管理理念及技术的工程项目管理公司已不仅仅满足于依靠设计单位来完成建模工作，而是开始在内部培养、组建3D建模团队，为后续工作的开展奠定基础。
（二）工程设计优化
具备工程设计、施工丰富经验的团队对从方案设计到施工图设计的各个阶段设计成果进行评估，发现问题，提出合理化改进建议，从而提升工程项目设计管理能力。
（三）管线综合
随着建筑业的快速发展，对协同设计与管线综合的要求愈加强烈。但是，由于缺乏有效的技术手段，不少设计单位都没有能够很好地解决管线综合的问题，各专业设计结果之间的冲突严重地影响了工程质量、进度和造价等。BIM技术的出现，可以很好地实现碰撞检查，尤其对于建筑形体复杂或者管线约束多的情况是一种很好的解决方案。
（四）性能分析
利用BIM技术提供的完整信息模型，可以对建筑的各种性能进行模拟测试，并进行优化设计，从而达到节能环保、降低成本、提高建筑使用舒适度的目的。主要包括日照采光分析、城市规划分析、室内外风环境模拟和建筑使用能耗分析等。工程项目管理公司涉及此方面内容较少，主要由设计单位依托专业软件进行数据分析及优化。
（五）4D虚拟施工
当前，绝大部分工程项目仍然是采用横道图表示进度计划，用直方图表示资源计划，无法清晰描述施工进度以及各种复杂关系，难以准确表达工程施工的动态变化过程，更不能动态地优化分配所需要的各种资源和施工场地。
工程项目管理公司将BIM和进度计划软件的数据进行集成，可以按月、按周、按天看到工程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。此外，还可对工程项目的重点或难点部分进行可建性模拟，按秒、分、时进行施工安装方案的分析优化。通过对施工进度和资源的动态管理及优化控制，以及施工过程的模拟，可以更好地提高工程项目的资源、能源利用率，对整个工程建造过程有实际的指导意义。
（六）成本核算
对于工程项目而言，预算超支现象是极其普遍的。而缺乏可靠的成本数据是造成成本超支的重要原因。BIM是一个包含丰富数据、面对现象、具有智能和参数特点的建筑数字化标识。借助这些信息，计算机可以快速对各种构件进行统计分析，完成成本核算。通过将工程设计和投资回报分析相结合，实时计算设计变化对投资回报的影响，合理控制工程总造价。
（七）运行维护模拟
将BIM与运营维护管理计划相链接，设备管理数据的实时录入，实现建筑物业管理与楼宇设备的实时监控相集成的智能化和可视化管理。同时，结合运营阶段的环境影响和灾害破坏，针对结构损伤、材料劣化及灾害破坏，进行建筑结构安全性、耐久性分析与预测，这是BIM在运营维护和改造升级过程中的应用，虽然目前还没有成熟的实际案例，但应是未来发展方向之一。
由于工程项目本身的特殊性，建设过程中随时都可能出现无法预计的各类问题，而BIM技术数字化手段本身也是一项全新的技术。因此，在工程项目管理服务过程中，使用BIM技术具有开拓性意义，同时，也对工程项目管理团队带来极大的挑战。这不仅要求项目管理团队具备优秀的技术和服务能力，还需要强大的资源整合能力。
三、服务内容
项目管理团队在工程项目各进展阶段的服务内容见表6-1。
表6-1 各阶段服务内容
前期/设计阶段
模型建立
建筑、结构、设备各专业信息模型搭建
各阶段各工种综合可视化分析、供沟通交流、设计协调
各种规格图形输出：静态、动态
设计优化
审查各阶段图纸
把控工程设计质量
管线综合
各专业间进行碰撞检查
生成碰撞报告
优化调整建议
成本核算
生成各类明细表，精确材料统计
投资优化建议：设计变化对投资回报的影响
建设成本概预算
性能分析
日照分析，采光环境模拟与优化建议
热环境分析，建筑能耗模拟与优化建议
遮阳设计
风环境模拟与设计优化
声环境模拟与优化、声场设计优化
数据整合
整合项目共参与方的交付成果（数据格式）
辅助 搭建信息化模型平台
施工阶段
模型建立
施工阶段的信息模型建立
四维施工模拟
确定四维模拟流程
对重要建设周期进行四维模拟
动态碰撞检查
施工现场布置的动态碰撞
生成碰撞报告
设计协调
各参与方的三维数据文件的整合与协调
协调专业施工及材料单位对于复杂建筑体形，提供空间定位、幕墙划分等设计辅助服务
成本控制
生成各类明细表及造价报告
工程变更评估
成本控制建议
施工方案优化
与施工方提早接触，在四维模拟基础上优化施工方案
运营阶段
模型建立
详细设备信息（包括供应商、规格、联系人等）的建立
动态碰撞检查
物业运营方案的动态碰撞检查
生成碰撞报告
运营方案优化
运营方案的优化
应急预案优化分析
地震人员逃生模拟
消防人员疏散模拟
其他
文档输出
各类展示文件的辅助制作（静态、动态）
第四节 BIM应用案例
一、上海中心大厦工程
上海中心大厦位于上海小陆家嘴核心区，主体建筑高度580m，总高度632m，总建筑面积57.4万m2。
（一）设计阶段：可视化虚拟设计、性能分析、方案选择、管线综合处理
上海中心大厦工程在整个设计进程与协调过程中充分利用BIM解决了工程自身很多挑战性课题。在幕墙设计方面，旋转的形态决定其结构和幕墙玻璃必须轻盈，悬挂在整个楼体外侧，不直接与楼板发生关联，用直面的玻璃做成双曲面的空间形态，在视觉效果实现的同时，考虑可建造性。BIM设计完成了精确的定位，并将这种定位放到BIM平台上，让所有专业共享这个计算和设计带来的成果，帮助其选择一个比较好的幕墙设计方案。
（二）施工阶段：结构方案选择、碰撞检测、施工管理
上海中心大厦工程以深化设计阶段所拥有的BIM模型为基础，导入相关BIM软件，通过必要的数据转换、机械设计以及归类标注、材料统计等工作，将BIM模型转换为预制加工设计图纸，指导工厂生产加工，在保证高品质管道制作的前提下，减少现场加工的工作量。然后利用BIM模型进行工作面划分，再通过BIM的材料统计功能，对单个工作区域的材料进行归类统计，要求材料供应商按统计结果将管道、配件分装后送到材料配送中心。BIM模型的精确归类统计，大幅减少了材料发放、审核的管理工作，有效控制了领用的误差，减少了不必要的人员与材料的运输成本。
（三）运营管理阶段：论证、运营、使用、维修、更新
BIM在工程竣工之后运营管理和维护方面的作用也是巨大的。传统的运营管理要依靠很多的图纸来展开工作，一旦发生事故，查找图纸就变得非常复杂，耗时耗力。如今，上海中心大厦通过BIM系统建立起来的完整信息模型，可以非常便捷地进行图纸查询和检修，有利于及时解决突发事故。