BIM正向设计存在的问题分析

文／赵璨、赵中宇、骆思羽 中国中建设计研究院有限公司 北京 100037

1、BIM 正向设计

1.1 意义

BIM 正向设计的提出是建筑行业发展、建筑设计转型、建筑技术升级的综合体现，也是跨行业的信息软件技术、实时表现技术、数据统计分析技术与专业设计技术的高度融合的起点。BIM 正向设计技术是走向“节约型”设计的有效途径，走向企业数字化的重要支撑，成为了勘察设计企业进军市场的必备能力。通过本课题的研究，切实做到以科技支撑企业发展为基础，大力推广并带动我院BIM正向设计技术普及应用。提升我院建筑工程BIM 技术正向设计应用能力，提高我院建筑工程设计协同工作效率和设计质量，减少我院建筑工程设计变更、设计周期、人工成本，促进我院建筑工程设计信息化、数字化、平台化发展。

1.2 目标

（1）建立建筑工程基于BIM 的全专业正向设计标准体系；逐步形成我院BIM 技术 “一流程多标准” 的应用模式；

（2）是研究建筑工程设计阶段全专业BIM 软件及协同平台的集成解决方案，使各软件功能和平台数据互通共享，在BIM 正向设计中，能快速高效的完成设计工作；为我院设计标准化、信息数据化、管理平台化提供支撑；

（3）开展建筑工程BIM 正向设计项目示范，形成全专业的正向设计成果，并进行经验交流和推广。

2、现实问题分析

2.1 技术难点和解决途径

（1）探索和实践符合我院建筑工程BIM 正向设计标准体系

结合我院现有设计流程、标准，管理体系等进行综合考虑，解决我院BIM 正向设计标准、二三维工作流程协调，设计师建模规范，正向设计成果交付等问题，引导BIM正向设计应用，提升BIM 应用效果、规范BIM 应用行为。

（2）BIM 正向设计软件平台功能应用效率和数据互通研究

重点解决各专业软件和平台对设计师使用熟练性，应用功能可操作性，信息传递准确性，数据共享、成果表达等问题。提高协同工作质量，减少设计变更，促进设计效率和设计质量的提升。

2.2 国内环境制约

我国目前面临的现实问题，包括软件技术、信息化建设和分配制度等方面的限制。有人指出，我国BIM 技术的发展受软件标准、应用方式等因素的影响。有人运用BIM 技术进行了轨道结构的正向设计，结果表明，目前的地基平台的专业水平较低，正方向的效率较低，需要根据国内的设计惯例进行二次开发，以提升效率。有人对水结构的正向设计进行了深入的分析，指出了目前应重点解决的问题是如何实现模型的轻量化以及如何实现结构的整体计算。PRUSKOVA 和 KAISER 指出，BIM 正向设计的最大阻碍在于缺少适当的技术手段，既要有相应的应用，又要有精确的资料分享与合作。我国正向设计的实际情况表明，我国自主开发的软体设计水平远远达不到要求，必须加强开发工作。目前，广联达、鸿业科技、PKPM、盈建科、广厦科技等BIM 公司都在积极运营。而且，正向设计的大部分思想都是基于二维的设计过程，只使用了一个简易的二维模型来表示，而没有寻找适合 BIM 的工程操作方式和规范的方法，最后难以达到预期的结果。BIM 正向设计的发展有赖于施工企业的信息化水平，但由于国内建筑业总体的信息化程度较差，其信息化程度只有0.3%，而国外的建设企业的信息化程度却高达10 个百分点，这也是造成建筑业企业经营利润较差的主要因素。建筑信息化与工业化相互促进、相互支撑，对建筑设计、施工、运营等技术的发展起到了很大的推动作用。要掌握建设单位的信息化发展动向，必须从信息技术的发展和运用方式两个角度来进行。BIM 技术中的正向设计是一个重要环节，它所产生的结果往往会造成“孤岛”现象，从而影响到 BIM 技术的最大利用。而在积极推动下，配送系统也成为制约其发展的一个主要因素。以大型公共建筑工程为案例，利用Shapely 值法构建了一个收益分布模式，分析了BIM 技术在新的环境下对各个成员的作用及收益的分布，并采用了一个校正的方法，使各方的收益分布更加公平、更加合理。BIM 的正向设计已经逐步突破了传统的产业分布体系，对BIM 技术的应用进行了科学的研究和探讨，以重构企业的供应链中的收益分配模式。目前，国内的积极设计以设计院为主，开发商和建筑单位是其最大的受益者，但是由于系统的软件和人员的不断更新，使得制造费用大大提高，但是在积极的设计中，它并不能起到重要的作用。这就造成了“正面设计”的设计理念缺失，从而形成了一个恶性循环。

2.3 产业链不成熟

BIM 并非单一的应用程序，它将专业信息、平台、软件的综合运用于一体，从而实现数据交换、信息交流和跨行业协作。正向设计是BIM 技术的一个重要组成部分，它直接关系到BIM 技术的成熟性。本阶段着重介绍了BIM+ PM 与BIM+数码处理两种技术的整合，而体现 BIM+数字化处理对正向设计的作用更大。传统的工程交付方式是CM-at-Risk、DB（design-build）、DBB （design-bid-build）等，由于业主方、设计方和施工方的利益和风险分布不平衡，导致工程造价高、工期长。因此，90年代，欧美等发达国家就在工程中采用综合工程交付（IPD）进行工程建设，并获得了很好的效果，从而有效地解决了传统的高费用、高周期的问题。BIM 技术的迅速发展使其信息化、集成化、协同化的特性成为IPD 技术的有力支撑。然而，与美国相比，在国内开展的IPD 协作工作中，BIM 技术的运用仍然十分局限。目前我国开展IPD 技术面临的困难是BIM 技术、政策法规以及与我国的相关协议。2017年，有人对PPP项目实施IPD 模型的应用进行了分析，并提出了两个可行的模型，指出了存在的问题。综上所述，BIM+ IPD技术在国内的推广尚处在初级水平，任重而道远。2019年度，美国学者NGUYEN 和AKHAVIAN 将IPD、精益施工与BIM 集成为一种信息架构，也就是ILB 模型，利用扎根原理对72 座美国实际工程进行了深入的研究，从而使工程管理的知识库更加完整。目前，工程建设仍停留在以传统的方式进行，制约着BIM 技术的推广，而正向的工程建设也在不断地进行着。BIM 技术与DM 加工一体化是指通过生产装置对BIM 模型中的数据进行数字化加工，其应用范围包括预制混凝土构件、管线预制加工、钢构件加工等领域，而在我国，则是以组装方式进行应用。在国内，装配施工+BIM 的技术整合尚处在起步状态，尚存在技术标准不完善，装配结构设计传统观念，BIM 技术与装配设计的结合不紧密，软硬件配置不能适应实际需要等问题。与常规施工方法比较，现有的组装施工成本较高，施工时间较长，其主要因素是由于组件制造厂商没有完全利用其生产能力，不具备降低成本的规模效应，设计与施工的实际操作水平也较差。这与BIM+组装技术能够减少工程造价、减少工期之间的优势并不冲突，其实施的先决条件是：技术整合要达到成熟和完美。由于中国庞大的异质性市场，BIM 技术与组装技术的发展受到了诸多因素的制约，这些因素并非彼此独立，它们之间的联系形成了一个错综复杂的网络结构。TAN 等采用层次关系模式（ISM)，对中国BIM 及组装施工的障碍进行了剖析，将其划分为3 个层次，并分别给出了各层次的应对措施。第1 层次的回应应该是基于本国的学术研究、标准制定和以本国为导向的软件发展；第2 层次应该构建一个适应 BIM 技术的生态体系，包括完善的工作流程、完善的管理体系、强化个人技术训练等；第3 层次应该强化 BIM 技术在组装工程中的运用。BIM+数字化技术在国内和国外的推广都受到了很大的障碍，如果不能有效地加以克服，将会给企业带来更多的利益。

2.4 协同与集成

BIM 正向设计协同工作标准体系建设研究包括：建筑工程BIM 正向设计全流程的策划实施；全专业的BIM建模制图标准；专业BIM 提资协同标准；BIM 模型的检查标准；BIM 设计校审标准；BIM 设计成果交付标准；BIM 正向设计评价标准；企业BIM 资源管理标准等体系建设，以及相关的BIM 软件和应用方法利用工作集合的优点，可以设定工作集合的权限，各个领域的工程师都可以设定自己的工作集合，比如暖通的工作集合可以分为通风、暖气和空气调节等，暖通工程师可以建立三个工作集合，指定工作集中的拥有者，并将工作集中的可编辑设为“否”，以便其他人很难对你的工作进行修改。

3、发展路径

3.1 完善制图标准

在当前的测绘工作中，图纸不可或缺，于是就把BIM资料转换成图形，因此，出现了正向设计。与美国类似，国内对2 级的软件开发和建筑领域有IFC、IFD 和IDM3种标准。美国与中国的制图设计差异很大，而BIM 的设计更符合美国的设计体制。目前国内还没有统一平面图制图规范，依然使用例如0901 《民用建筑工程建筑施工图设计深度图样》、09G103 《民用建筑工程结构施工图设计深度》等。BIM 作为一个承载着大量数据的立体建模工具，具有很好的应用前景，可以极大地降低对平面图形的依赖性。今后建筑工程将采用无纸作业，通过使用手机观察模型，提取相关信息，对建筑工程进行引导施工。平面设计传递的方法与表达都是平面的，在BIM 中，通过移动电子设备、云平台等实现了BIM 的信息传递，其表达方式多种多样，包括二维、三维、动态仿真等。BIM 技术的发展必须要有相应的规范来克服其局限性。此外，BIM技术是一个面向全生命周期的、包含设计与经营的技术平台，由于BIM 技术规范的制定时间较短，因此BIM 在实际应用中会遇到很多问题和困扰，这就需要对 BIM 进行持续的改进。

3.2 设计施工一体化

推动BIM 在技术链条、产业链中的深入化，是实现BIM 技术与工程建设充分结合的重要环节。如何创新工程模式，提高工程建设的质量与效益，已成为当前建设领域亟待解决的问题。由于各成员的利益目的不统一，使用过程中的零散问题，使得DBB、DB、CM-at-Risk 等常规的传递方式妨碍了彼此的合作，从而提高了建筑费用和工程的时间。同时，由于我国工程建设的日益复杂化，这一缺陷也日益凸显。按照美国建筑师学会的界定，IPD 模型是一个将人员、平台、架构和设施有机结合起来的组织形式，让每个成员都能最大程度地利用自己的才能来优化建造，减少浪费，最大化整个工程的效益。IPD 和 BIM 技术都是在工程建设之前进行设计和仿真，在工程建设之前，双方在共同努力下，共同承担责任、风险和收益。目前BIM 技术在实际中的应用尚未达到预期的要求，因此，BIM 技术的发展还有待于更深入的研究。此外，我国的建筑业在交付方式上仍停留在传统的交付方式上，缺少相关的理论架构与实际操作。IPD 模式在工程实践中的运用并不是一件简单的事情，它必须要有一套能够支撑IPD 运作的技术平台。在推进工程建设的过程中，设计与建设的结合是推进工程建设的一个关键环节，而技术与经营方式的革新则是工程建设取得成功的基础。

3.3 正向设计的过渡

我国目前所提倡的正面设计还是以图示作为信息的媒介，其原因在于BIM 技术还处在起步期，还没有完全发展起来，各种理论与执行方法存在着诸多不确定因素，技术发展与项目管理都还没有完全完善。以图纸为媒介，与BIM 的设计意图不符，存在着很大的时效性。《2019上海市建筑信息模型技术应用与发展报告》指出，建设信息化建设要实现的四个方面：要强化“1+X”的建设模式；制定城市BIM 收费标准；强化BIM 技术实施的全流程监管；推动工程设计审核与完工交付工作从二维过渡到三维。最后一条主要是解决正向工程中的指导性问题，并建议在 BIM 技术基础上，构建一个智能化施工项目的审批系统，并完善相应的工作体系和工作程序，在施工期以“审模”为主，以“按模”验收，在交货期采用“竣工模型”。BIM 在今后的发展过程中，将会按照 BIM 的基本需求，加强与 BIM 相关的信息流的传输，并对原有的管理思想进行优化，并利用5G、物联网等新技术对BIM 的可操作性，以及人工智能与云计算对BIM的提升。以资讯模型取代图样，现行“正向设计”也将告结束，而遵循BIM 固有规则的设计方式将会有更大的优越性。

4、主要经济社会指标

BIM 正向设计技术是建筑行业走向数字化的重要支撑，是设计企业提升市场竞争的必备能力。在建筑设计中实现正向设计，可为当下的BIM 应用节省部分环节、降低劳动力和信息交换成本。让设计师充分利用信息化平台表达自己的设计理念。通过准确而详实的模型能够顺利打破传统行业间信息传递的壁垒，实现信息之间的多向交流。

截止2021年，全国有上海、浙江、安徽、广东、重庆等19 个省市相继出台BIM 计费标准，设计阶段BIM技术应用的取费标准单价在15-24 元/m2，雄安、深圳等地已经赋予BIM 信息模型相应的法律地位，BIM 模型已逐渐成为项目不可或缺的信息数据和技术应用。BIM 正向设计的实施可更高效的对传统施工图设计和设计总包类项目产生更多的附加价值，并在EPC 项目、施工总包类项目、智慧运维项目、智慧城市项目等项目后期形成延伸价值。

通过本课题研发，将传统设计模式改变成为以信息数据为驱动的项目协同管理的模式。通过模型将设计数字化、信息化，通过协同平台取代或部分取代传统模式下低效的协同方式，减轻了工作人员的负担，提高工作效率，减少工作错误，降低项目成本。

探索BIM 正向设计技术应用对我院增强企业核心竞争力有着深层次影响，对进一步对接国内外市场，意义重大。其成果对建筑工程设计、设计总包类项目、EPC 类项目；雄安、深圳等BIM 要求较高的地区；中海、龙湖等要求BIM 正向设计能力的大型房企中形成较大竞争优势，对我院各生产单位有广泛的推广作用，促进生产方式的转变。

结语：

BIM 正向设计是探索BIM 技术的一种有效途径，它极大地推动了BIM 技术的推广和应用。然而，根据目前国内外的经验，BIM 技术尚处在起步阶段，其整个生命周期的运用还存在着许多问题，而以出图为主导的正向设计更是有一定的时效性。目前，国内的正向设计还面临着：（1）缺少有针对性的技术规范和数据标准。目前，以出图为指导的前向设计规范并不完全符合当前的要求，从而限制了生产的工作；（2）受内外部环境影响。BIM 系统缺少独立的开发平台，二次开发水平不高；我国建筑业的信息化水平较差，制造业的信息化水平较高；目前的施工企业分布制度限制了BIM 的积极作用；（3）BIM 技术链条及产业链在我国尚不健全。现行工程的实施方式与前向的规划不相适应，从而降低了工程实施的有效性；目前，BIM 技术尚不完善，限制了BIM 技术在我国的广泛应用。本文就前向设计中遇到的问题，给出了相应的对策，并从理论上探讨了面向前向设计的思路。在此基础上，基于云计算的工程信息传输技术，在智能互联网技术的支持下，进行了各种管理、审核和施工验收。