BIM在我国工程设计行业中应用障碍研究

时间:2010-11-22    来源:工程管理学报     BIM编辑:wang

    当前全球的土木建筑业普遍存在各生产环节之间缺乏协同工作、各类重复工作不断两个亟待解决的问题,导致土木建筑行业生产效率低、资源浪费严重,而项目初期建筑设计阶段的反复修改工作,更加剧了生产成本的上升。建筑信息模型(Building Information Modeling,缩写为BIM)的有效应用可以在一定程度上解决上述问题。从某种意义上说,工程设计行业是BIM应用的先行军,调查和分析现阶段BIM在我国工程设计行业中的主要应用障碍,并寻求其本土化的快速发展是一项很有意义的研究。
1.BIM 的内涵及其发展现状
    BIM是以三维数字技术为基础的一种建筑集成概念。BIM是在建筑工程全寿命周期中运用动态的建模软件,集成建筑工程各种相关信息的工程三维数据,实施动态的三维实时处理,是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。在建筑工程生命周期的3个主要阶段(设计、施工和运行管理)中BIM对于促进数据信息交换与共享, 加快决策速度,降低项目成本和提高产品质量等起到非常重要的作用,实现提高建筑设计、施工及管理效率的目的。BIM具有以下特点:BIM中包含的信息涉及整个工程生命周期,并为工程项目协同建设提供支持;BIM由参数定义的、互动的建筑物构件构成,可以进行即时的2D/3D/参数显示和编辑;BIM涉及的信息可计算并强调信息的完全数字化;BIM具有完整的非图形数据报告方式等。
    如今BIM技术的发展潮流势不可挡,美国制定了国家BIM标准(National Building Information Model Standard,NBIMS) ,欧洲许多国家也开始普及BIM技术,如芬兰、挪威、德国等,基于BIM技术的应用软件普及率达到60% ~ 70%,而我国目前对BIM研究和应用仅处于起步阶段。 BIM是一个涉及整个工程生命周期各环节的完整实践过程,每个环节对BIM技术均具有相关性。在这个完整的实践过程中,BIM的构建是关键,它要求模型的构建从建筑工程的初始阶段——规划、设计阶段开始,因此最早能够体会到BIM价值的、最直接的环节是工程设计,工程设计行业是建筑工程领域应用BIM技术的先行军。
2. 在设计中实施 BIM 对我国建筑工程设计行业的影响
    近年来BIM给建筑设计行业带来了多方面的机遇与挑战。随着超高层、超大跨度建筑等大型复杂土木工程在我国的相继发展,设计行业审视BIM对我国建筑工程设计行业的影响,如图1所示。
(1)BIM带来建筑设计的思维转型。多数建筑设计师选用这项技术的初衷是为了提高设计工作的效率,其实BIM的核心内涵并不仅限于此,它带给建筑设计行业的核心意义在于设计思维和方法的改变。
BIM提供的是一种更接近现实世界的设计思维模式,采用模拟真实物体的方式,以三维设计思维为基础将传统的二维图纸完全转化为计算机的工作。BIM是对设计建造本源的回归,让建筑师不再苦于用二维施工图来表达空间的三维复杂形态,从而拓展建筑师对建筑形态探索的可实施性,让建筑设计从二维到三维,进而走向数字化建造。
(2)BIM带来建筑设计方法的转型。
① 从立面设计到空间设计是BIM带给建筑设计方法的转型之一。传统的建筑设计方法是设计者将建筑空间从设计过程中剥离,使之成为概念设计并经常被忽视, 却更关注其平面功能和形象。 其实,建筑空间不是建筑平面功能与外表面围合而成的副产品,而是一种控制建筑的设计方法。在我国多数业主或领导们更多关注建筑形象的社会影响下,加之设计工具的限制,设计师很难在较短的设计周期内深入推敲空间,用空间控制设计更是难以实现,BIM为改变这种状况提供了可能。在BIM中建筑室内空间、建筑表皮、建筑室外空间被整合成一个相互关联的逻辑系统。建筑设计从空间关系控制入手,平面布置和空间设计同步进行,空间直观反映建筑表皮并形成建筑立面。BIM为空间设计方法提供了强有力的技术支持,使内外兼容的空间设计变得简单易行,让现代建筑设计回归建筑本质。

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② BIM带给建筑设计方法的转型之二是从粗放设计到集成设计。当前,我国作为劳动密集型产业的建筑业与技术密集型产业(如装备制造业)相比,无论设计还是生产都是粗放型的。粗放型设计表现为各个专业设计图纸的深度浅、质量低以及各专业间的集成化程度低,其工作方法是各自为政,采用传统的提条件图方法协同,集成化程度处于以图纸为中介的落后模式,效率低下且设计品质低。BIM以三维信息模型为基本集成平台,改变了建筑工程传统单兵作战的工作方式和模式,从异步的、松散联系的各专业散设计转化为同步的、紧密联系的各专业协同设计。
③ BIM集成化主要体现在3个方面。一是设计工种的集成。建筑师、结构工程师、设备工程师等设计工种在同一个三维信息模型下工作,实现设计技术自身的协同,减少工种图纸间的“错漏缺”现象,而不仅是制图标准、文档管理的传统协同。二是设计各阶段的集成。运用BIM,利用参数化构件组成的模型修改,可以省去建筑方案设计与后续设计(如初步设计、施工图设计)之间繁重的重绘工作,避免设计各环节脱节,便于根据实际工程要求对原方案的梳理及修改工作。三是设计完成后各阶段的集成。BIM包含建筑工程从设计、使用直至建筑使用周期终结的所有信息参数,这些信息始终建立在一个三维模型数据库中,业主、施工单位及政府管理部门都可基于这个统一的模型协同工作。
(3)建筑信息模型的实施改变了工程项目的协作过程。在我国“生产型”设计模式为主导的现状下,从建筑设计行业入手实施BIM,可以帮助建筑工程的参与者联系更加紧密,提高决策的效率和正确性,为项目提供互相协调、一致及可运算的信息。建筑工程参与者包括业主、施工单位、政府及其他的相关管理部门等。施工单位利用BIM的信息技术,可以更好地进行施工计划,更准确地进行工程造价的计算;材料供应商,尤其是预制构件的生产商,能够更好地利用数控设备进行生产和虚拟安装,提高构件的生产和安装水平;政府审批部门利用BIM可以更好、更快地理解设计意图,提高设计审批效率;设施管理部门在工程竣工后得到比传统竣工图更详尽的建筑工程信息,实施现代化、可视化的设施管理。BIM在工程项目的协作范畴内,对建筑行业的主要参与方均产生了积极的影响,它使设计在工程的建设过程中更显现其主导作用,使工程项目信息得到更好地创建、共享,改变了工程项目的协作过程,使之更加协调、统一。
3. BIM在工程设计行业中的应用障碍分析
    目前BIM已经被我国住房和城乡建设部认可为“建筑信息化的最佳解决方案”。然而在BIM确定成为大势所趋的今天,作为产业上游的设计行业,国内绝大部分设计院仍采用传统的2D工程制图。 笔者对一些长期工作在建筑设计领域的专业人士进行问卷调查及专家访谈,调查对象涉及全国各省市级的建筑设计研究院所。调查结果表明,多数设计院的相关人员仅听说过BIM,并不真正了解它的真正内涵,就更不要说广泛地开展其应用了。少数了解BIM的建筑设计专业人士,也都是在参与一些涉外的大型建筑工程项目(如外企投资项目、外方设计单位主持建筑方案设计等)中有所接触,而真正掌握BIM精髓的少之又少,如图2。
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    探究BIM在我国建筑工程设计行业中主要应用障碍,原因分为5个方面,如图3所示。
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3.1 设计师设计思维及方法的转型障碍
    建筑设计企业中的设计师们每天有大量建筑、结构及设备设计任务需要完成,是最直接的接触BIM的环节。BIM的应用,要求建筑设计师的设计思维从二维到三维转型,学会使用BIM的建筑语言来描述建筑信息,而大多数设计院的建筑师却仍在犹豫和徘徊。转型初期,对建筑信息模型的片面观念、短暂的工作低效率、学习成本的增加、繁重的现有工作压力等因素都会导致设计师转型的源动力不足。BIM的三维设计对构件元素具有一定依赖性,建筑设计师在我国现有建筑生产的组织和业务方式下很难承担构件的开发工作,而与之相关的产业也尚无发展。也就是说,BIM的应用对建筑设计人员的知识结构、能力构成及培养方式等提出了更高的要求和挑战,而仅仅要求设计师自觉地去更新知识体系、提高综合能力是不现实的。
3.2 设计企业短视现象严重的障碍
    面对BIM的应用趋势,虽然部分国内的设计企业在积极尝试,但多数只是试探性的局部使用,甚至仅以应付突击检查为目的,只是为了在表面上提高设计服务的竞争力和附加值,并未得到真正的应用。BIM设计的收益和成本在国内没有被良好地评估,造成一定的误区,设计企业短视现象严重,导致BIM很难在建筑市场普及推广。
    作为产业上游的建筑设计企业面临着为适应BIM的设计方法而必须进行的多方面调整。例如,改变传承多年、十几年甚至更长时间的管理模式,制定并逐步施行适应BIM设计方法的企业管理机制;为设计人员提供额外的学习时间及资金;购买BIM相关软件的资金投入等。这些都会给设计企业带来成本的短时增加,以及软件应用带来的业务转换方面的风险,从而使得许多设计企业的管理者虽然对BIM的优势及其发展趋势有所了解,但却将视野放在企业的中短期效益上,满足于固有的企业客户群,企业转型的动力匮乏。
    事实上,建筑设计企业应用BIM的中长期效益是可以预见的。有学者对北美和欧洲应用BIM的建设项目的统计分析表明,设计企业应用BIM的受益面主要表现在3个方面:一是产品方面,即完成工程项目而交付的成果,可以是最后成果(如竣工后的房屋建筑) ,也可以是中间成果(如设计方案),受益体现在设计生产环境的改善、设计效率和质量的提高,如通过对更多设计方案的比选提高设计可靠性。二是组织方面,即为完成产品而参与到工程项目中的单位或个人,受益体现在BIM的可视化功能提高了业主和其他参与方对设计过程的参与程度,减少了后期设计变更的概率。三是过程方面,即组织为完成产品而经历的程序,受益体现在模型的自动化功能和冲突检查功能提高了设计分析、出图和检查的速度。产品、过程、组织涉及到建筑业生产效率最关键的3个方面,也是信息技术对建设项目最有影响的3个方面。
3.3 业主变革驱动力不足的障碍
    业主是推动建筑行业进步的“马达” ,是变革的主要驱动力量,也是建筑生产过程的总组织者、总集成者。BIM是一个涉及到整个建筑工程生命周期各个流程环节的完整实践过程,工程的设计、施工及管理等环节都对该技术具有相关性。在这过程中, 业主担当的角色是BIM应用的总组织者, 是BIM实施的主推动力,最在乎的是投资回报率、工期的缩短以及成本的降低等因素。而BIM在我国未得到广泛应用之前,由于技术缺陷、业务不熟练及应用不完善等原因,会导致实施BIM技术的项目投资回报率、工期的缩短以及成本的降低等目标与期望值的差距,而使得业主犹豫不前,欠缺变革的魄力。
    事实上,业主是应用BIM最大的受益方之一,受益程度明显高于其他(如承包商等)参与方。具体说来,业主的受益表现在产品方面是通过BIM可以确定恰当的成本、能源及环境目标,得到更可靠的设计产品; 在组织方面是通过BIM的可视化效果,业主更多地参与设计过程提高对方案设计的把控能力;在过程方面通过BIM可以在施工前对设施的外观和功能做出合理评价,有助于对设计变更的管理,缩短工程建设的进度。因此,BIM在提高设计质量和速度的同时,也会降低设施的建设成本、提高设施的建设速度和质量、提高业主满意度,最终受益者是业主。 只有业主意识到这一点, 为BIM “买单” ,并要求设计单位和承包商采用BIM技术时,它才能得到深入应用并为项目的最终增值服务。
3.4 BIM技术本身的缺陷障碍
    BIM设计技术方面的缺陷也是阻碍BIM在工程设计行业中的应用障碍之一。BIM存在一些设计技术方面的缺陷, 一是一些现行的BIM软件过于精确,使建筑师在建筑设计方案的初级阶段方案设计受限,在一定程度上束缚了建筑师的创造力。二是一些BIM软件的适用性与导入性能的稍差,软件亲和力不够导致软件的初学者上手困难,甚至使用不畅。三是一些BIM软件与传统的二维施工图面整合不良,加大了设计师们的工作量,使得BIM应用的路径受阻等。上述这些缺陷,亟待那些寻求在中国快速占有市场的BIM软件进行评估和测试,尽快解决好建筑信息模型相关的技术问题,为我国工程界带来新的变革。
3.5 现有建筑行业体制、 行业规程及法律责任界限不明的障碍
    在我国现有的建筑行业生产的组织和业务方式下,传统设计方法的不足被产业和市场所容忍,加之业界对于BIM的法律责任界限不明,导致建筑行业的大多数设计企业安于传统设计的现状,不敢思变。在笔者的调查中,很多国内专家认为这一障碍是阻碍BIM在我国未得到广泛应用和快速发展的首要障碍因素。在我国设计行业的传统业务过程中,专业间协调工作量大、设计成本高、过多注重图形表达而不注重设计的可施工性等,造成设计工作效率低下,给施工带来了一定的困难甚至是返工。但在实际工作中,由于建筑工程施工人力成本和场地成本较低,因而由传统设计缺陷所造成工程问题的解决成本相对较低,加之BIM应用的收益和成本没有得到良好的评估并未被市场认可。因此,在产业和市场对传统设计方法不足的宽容之下,设计企业安于传统设计现状的现象普遍存在于整个建筑行业中,转变建筑生产的组织和业务方式成为BIM应用的关键要素之一。
    与BIM相关的行业规程及法律责任界限不明,也阻碍了BIM在我国建筑设计行业的应用步伐。在设计企业之间的外部协同设计的层面上,关键的问题是缺乏用以规范参加协同设计的各方行为的行业规程,这些行业规程应界定诸如各种数据标准、保护数据完整性的责任、电子数据与纸介质数据的等同标准以及电子数据失效时划分责任的方法等。在设计企业与其他建筑工程参与者(如业主、承包商、项目管理部门等)的协同工作层面上,关键的问题是需要界定设计方提交给业主方的BIM模型的设计深度标准,以及BIM应用于施工时设计方与承包商、项目管理部门之间的法律责任界限等。
4. BIM 在工程设计行业中应用的建议
    针对上述BIM在工程设计行业中应用障碍的分析,笔者提出以下几点建议。
4.1 转变设计师对 BIM 的片面观念,加强设计师转型的源动力
    当前,我国多数工作在设计企业一线的建筑设计人员并不真正了解BIM的内涵,更何谈其应用。只有转变设计师对BIM的片面观念,才可能从建筑设计入手,广泛开展BIM在我国建筑行业的应用。具体手段可以通过对工作在一线的建筑设计师免费或采取带有一定强制性的再教育方式,内容不仅涉及对协同设计的理解和BIM软件的应用,还应该包括建筑施工过程、工程管理的相关内容以及知识更新忧患意识等,加强成熟的建筑设计师们积极转型的源动力。对于高校相关专业在校学生的教育,可以开设BIM的相关课程,课程中除了学习BIM的观念之外,还可以通过BIM的虚拟工程,从设计端开始就仿真出工程完成后的成果,使其真正的了解与分析建筑工程以及建筑的构筑本质。
4.2 合理评估我国 BIM 设计的长期收益和成本,尽量降低设计企业的短期风险
    随着大量的国外知名设计机构进入中国,建筑设计业的竞争压力使得国内设计企业希望通过先进技术改善设计质量,提高生产力。无论是设计院还是建筑师个体,在转型初期都会产生学习时间和费用成本的增加,短暂地减低工作效率等现象,但其长期效率提高和节省成本是可预见的。合理评估我国BIM设计的长期收益和成本,加大长期效益的宣传,采取积极的手段有效降低和减少设计企业的短期风险,对BIM在我国建筑市场普及推广具有积极的意义。此外,建筑设计企业本身在转型过程中应该正视一些业务转换方面的变化,并做好积极的准备。例如,设计方人员构成方面的变化,设计企业不仅需要包括设计方面的各专业人员,还应该增加工程项目管理人员等,具备工程施工技术、造价分析等方面的能力,能够完成在施工过程的仿真模拟、进度和造价等因素的分析方面的工作。
4.3 调动业主积极性,充分发挥业主的推动作用
    事实上很多分析表明BIM的最大获利方是业主, 他们才是BIM应用于建设工程的最大动力。 BIM实质上是一系列软件组合所带来的有价值的服务体系,能够合理的、优化配置给相关的建筑工程设计施工以及管理过程,把这些环节传接起来,达到最优的成本满足,对我们的建筑工程项目开发商建立新的竞争优势是非常有帮助的。面对当前我国BIM的应用实践的巨大挑战,只有业主从主管观念上认同BIM的优势, 并愿意为它的优势价值 “买单”,才能够带来BIM应用的顺利实施,当然这也要求BIM的价值服务体系是“物有所值”或是“物美价廉”的。
4.4 尽快解决关键技术问题,实现 BIM 的本土化的广泛应用
    短期内我国要实现BIM本土化的广泛应用,必须尽快解决BIM的相关关键技术问题,在系统的开发上满足本土化应用的诉求。亟待解决的BIM在我国本土化关键技术问题主要包括两方面。首先,数据标准化是BIM实施的基础。当前BIM的软件的应用是多种多样的,如CAD软件、建筑物理性能分析软件、项目管理软件、设施管理软件及基于WEB的沟通平台等,这些软件由不同的供应商提供并具有不同的数据模型和数据标准。BIM技术要想最大的发挥其优势,就必须制定各参与方都必须遵守的行业标准,开发和采用统一的数据标准,这样才能实现信息的全过程全方位共享,实现BIM的目标。其次,BIM软件良好的适用性与导入性能是BIM实施的关键。一种新型的设计手段能够容易上手并迅速发展的关键就是其良好的适用性与导入性,就现阶段而言,传统施工图与BIM相关软件的整合问题,大量历史的非结构化数据的转化问题等是我国BIM应用的瓶颈所在。
4.5 改革现有建筑行业的机制, 尽快完善行业规程及法律责任界限
    当前我国建筑业的组织和过程基本上是分裂的,导致行业的整体效率不高,而这种低效率长期被产业和市场所容忍,致使大多数建筑设计企业缺乏转型的动力。事实上,建筑业的过程碎片、组织碎片等是BIM应用的最大障碍之一,因此改革现有建筑行业的机制,转变建筑生产的组织和业务方式也就成为了BIM应用的关键要素。针对我国当前BIM相关的行业规程及法律责任界限不明的现状,急需相关管理部门制定一些相关的规程及法律范畴内的界定。在具有中国特色的市场经济条件下,充分发挥相关政府制定政策部门和行业主管部门的作用,建立面向未来的、围绕BIM理念设计的新规范。界定工作可以从设计企业之间的外部协同设计、设计企业与其他建筑工程参与者的协同工作两个层面进行。当前亟需的是各种数据及BIM的设计深度标准、保护数据完整性的责任、电子数据与纸介质数据的等同标准、电子数据失效时划分责任方法,以及BIM应用于施工时设计方与承包商、目管理部门之间的法律责任界限等。
5. 结论
    BIM是对工程项目信息的数字化表达,是数字技术在建筑业中的直接应用,它代表了信息技术在我国建筑业中应用的新方向。BIM涉及整个建筑工程全寿命周期各环节的完整实践过程,但它不局限于整个实践过程贯穿后才能实现其价值,而是可以由工程设计先行并实现阶段性的价值。基于此,我国建筑工程设计行业应努力克服非本土化的诸多应用障碍,随着我国建筑行业的快速发展、BIM技术的不断完善以及业主对工程项目建设要求的日益提高,BIM必将更得到广泛的应用。
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