综述作业----基于BIM技术的建筑工业化研究.docx

基于BIM技术的建筑工业化研究

1.1研究背景
建筑行业发展至今，其产值在国民生产总值中始终占据着重要比重，有着举足轻重的地位，建筑业的发展直接影响社会的进步程度。改革开放30 余年以来，我国建筑业得到高速发展，在推动我国工业化和城市化进程中扮演了重要角色，在吸纳就业方面功不可没，成为国民经济重要支柱。然而，建筑业发展中也存在着诸多不容忽视的问题，造成行业效益低下和负担沉重。
1 增速下降 建筑业总产值增速自2010年以来持续下降；
2 体量巨大 我国是建筑大国，建筑用材消耗过多，能耗过大，年均新增建筑面积20亿平方米左右，约占全世界新增建筑面积的一半。
3 资源消耗大 我国水泥消耗量占全球的40%，钢材消耗占全球20%左右。
4 能耗比率高
我国建筑业传统住宅的设计、建造方式一直相当落后，住宅建设依然延续着以往粗放的发展模式，与发达国家存在很大差距。在一直倡导可持续发展的今天，绿色、环保、经济、宜居已经成为现代住宅的必然发展方向，因此必须对传统的建造方式进行彻底变革，把大量需要进行建造的工作量转化为工厂模块化生产；改变以往过多湿作业的生产模式，把现场钢筋绑扎、模板和临时支撑架设转化到工厂进行批量化生产，改变过去落后的生产模式，提高劳动效率，实现规模化生产，实现良好的经济和社会效益。
住宅工业化是指按照社会化大生产的方式改变目前传统的住宅建造形式，使之逐步从手工业生产转向社会化大生产，提高机械化作业程度，淘汰落后的产能。住宅工业化的标志性产品是工业化住宅，它以钢结构、混凝土预制结构为主要结构组成， 由于其先进的生产方式，与传统住宅相比，在材料构成、生产、施工工艺上具有很大的优势。工业化住宅有利于住宅的工业化生产，共享现代科学技术发展成果给住宅的生产建造带来的便利，从而提高住宅建造的效率，并且便于更新改造，具有优良、可靠的质量和完善的性能，较好的满足现在人们对住宅的更高要求。工业化住宅具有良好保温功能，节省材料用量，减少资源消耗量，选用材料、生产建造过程都不会对周围环境造成污染破坏，在节能方面具有巨大的优势，满足住宅建筑可持续发展的需要。与传统住宅建筑相比，住宅工业化在国家所提倡的五节一环保中具有很大的优势。
当前，我国处于城镇化发展的关键阶段，建筑业在快速、大规模发展的同时，也面临越来越多的挑战：环境、资源压力巨大，住宅建筑业必须走向可持续发展的道路；社会不断进步，安全生产方式与住宅高品质化的要求在不断提高；我国人口红利逐渐消失，建筑业劳动力资源趋紧，人工费用持续增长，行业利润率不断下降。因此发展工业化住宅正当其时，住宅工业化实现的基本途径就是建筑标准化，预制构配件实现工厂化生产，机械化参与程度深入各个工序，组织协调管理科学化，紧跟现代科学技术的发展趋势，将最新的科技成果积极应用到材料生产、操作实践中，以提高劳动效率，缩短工程项目建设工期，降低工程成本，提高工程质量。现在，各行各业逐步走向信息化、智能化和低碳化，信息技术的普以及发展涉及到计算机的使用和工业自动化的全面推广，以计算机技术为代表的第三次工业革命在促进住宅工业化的进程中有着举足轻重的地位，信息技术对全社会工业的发展起到巨大的推动作用。
1.2 研究的目的
与传统住宅生产建造方式不同，工业化住宅具有环保节能、绿色生产施工、缓解劳动力紧缺压力、建造速度快等优点，满足国家正在推广的“五节一环保”的要求。然而，工业化住宅本身及其配套技术设备、国家规范也有很多不足之处，如缺少相关标准规范、建设参与各方协调能力差、新型绿色材料研发不够，施工安装机械化程度低、施工管理技术不能满足多专业协同作业的要求、形式单调，预制构件在工厂化生产中生产工艺落后等。目前我国对住宅工业化的研究大多集中在技术层面，如预制构件的生产工艺、现场施工技术、施工体系以及具体工法的研究等。然而在住宅工业化的推广进程中，亟待解决的问题是管理方面落后、体系不完善。预制构件在设计过程中往往不能充分考虑构件的实际生产和安装，在将设计图纸交给构件生产厂家时，构件的生产、安装环节经常出现设计与施工相背离，以及管线与构件碰撞等问题，由此导致发生设计变更，构件重新生产、施工现场停工待料等现象，不仅影响建设工程的工期与质量，而且造成巨大的资源浪费。在施工、后期运用维护过程中，同样存在着很多问题。
本文的研究目的是引入新的技术推进住宅工业化的发展。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）近些年在欧美等发达地区得到广泛应用，建设参与各方、项目建设各阶段有了一个共同的操作平台，可以实现参数化信息的收集、传递与实时反馈，对工业化住宅的全寿命周期管理起到了有益的推动作用。目前，国家正在大力推广住宅工业化的发展，BIM 技术的应用也逐渐深入，如何在住宅工业化中引入 BIM 技术，为住宅工业化的发展提供一种良好的发展途径，成为一个非常有价值的研究问题。
1.3 研究的意义
住宅工业化是未来中国建筑业走低能耗、低污染、可持续发展的必由之路。作为一种新型的生产、建造方式，住宅工业化对设计精度、预制构件部品的生产、施工工艺、项目管理提出更高的要求。利用 BIM 技术建立的信息模型，是由各种功能的族按照规则组合而成的，利用族可以创建构件库，通过这种模块化的设计，创建模型的过程将变得简单、便捷，易于操作。工业化住宅的要求是实现全工业链、全寿命周期的管理，BIM技术从创建模型开始就立足于全生命周期管理，这与工业化住宅的发展目标不谋而合。此外，BIM 技术所具有的特性使得它在住宅工业中的建筑设计标准化、预制构件部品工厂化生产、现场实现装配化施工、项目各流程管理信息化、项目生产集成化五个方面发挥其更大的优势。将BIM 技术应用于住宅工业化中，必将推动住宅工业化在我国的发展。
1.4 国内外研究现状
1.4.1 国外研究现状
建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的出现使信息技术的发展应用到建筑行业，其思想源于二十世纪七十年代。近些年，在美国、北欧、英国以及亚洲的韩国、香港、马来西亚等为代表的国家或地区，BIM 技术及其全新的项目运作模式得到了广泛的应用传播，产生了巨大的经济和社会效益。由于政府的大力推广，BIM 首先在国家投资兴建的公共设施上得到了推广和示范应用，实际产生的效益使得 BIM 的应用向私人投资项目迅速拓展。在这期间，研究人员对 BIM 的探索也从理论、问题与障碍的探索性研究逐步转向对实际应用的研究，将 BIM 应用于各个行业的实际案例中，从这些实际应用中不断完善和深化对 BIM 的探索研究。 Seunjiun(2011)指出目前人工记录、提交报告的方法，无法实现记 录信息的可视化，通过 BIM 技术创建的 3D 参数化模型，可以帮助建设参与各方更加直观的掌握工程施工进度。
英国索尔福德大学在 BIM 方面提出了以 IFC 标准作为基础的 4D 计划管理模型，该模型可以进行 4D 施工模拟，在 3D 模型与成本、进度、光照分析、环境分析等应用集成方面也做了大量的研究，目的是实现对工程项目实施前的模拟分析。
Tanyer 等(2004)开发了基于 BIM 技术的 4D 参数化模型，技术人员在 3D 模型的基础上加上进度计划，组成 4D 模型。
Yabuki 等 (2005)人则利用 IFC 标准应用到工程预算中，进行工程项目的土石方部分分部分项工程工程量统计，使基于 IFC 标准的信息模型有了更广泛的应用。
Chau 等(2004)人研究了基于 BIM 技术的可视化施工进度模拟和现场管理。
Hamid等(2009)将 BIM 技术与 3D 激光扫描和 RFID 技术相结合，对建设项目信息进行实时管理。通过查阅大量的文献资料可知，国外学者主要对基于BIM技术的IFC标准及其扩展、nD 参数化模型以及应用扩展进行研究。BIM 技术在国外的研究应用成果主要体现在以下几个方面：
第一，BIM 技术已经作为业主选择设计单位和施工企业的考核标准。由于行业分工越来越细化，工程项目结构复杂化，在项目的全寿命周期管理中将会有众多的参与方，建筑信息的含量也随之增加，BIM 技术的应用产生的实际效益受到广泛重视，业主在对投资进行优化的时候，把设计和施工单位在项目建造过程中 BIM 技术的应用程度作为衡量指标。
第二，利用 BIM 技术平台形成多项目、多专业参与协同作业的新模式。目前已经形成了比较完善的集成项目交付( Integrated Project Delivery，IPD)模式，即建设参与各方在项目的初期就进行协同作业，对具体的方案进行协商，形成意见一致的方案，实现风险与收益的共同承担与分享。
第三，BIM 技术的核心软件体系完善，并且与国家标准一致。典型的应用软件有核心建模软件、方案设计软件、BIM 接口的几何造型软件、可持续（绿色）分析软件、机电分析软件等，针对不同的阶段需求，不同专业，不同项目参与人员，通过具体的软件操作应用提出解决方案，充分发挥 BIM 技术解决问题的能力。
正是由于 BIM 技术在国外传统建筑中广泛应用所产生的经济和社会效益，随着住宅工业化的发展，也激发了国外学者进行 BIM 技术与住宅工业化相结合的研究应用。美国FMI 公司的工程师卡纳布通过对美国的建筑市场以及从业人员进行调查发现，阻碍工业化进程的一个重要原因就是缺乏参数化信息的几何模型，这个问题可以通过 BIM 技术的引入得到解决。住宅工业化中的建筑由大量的预制构件组成，每个项目都由数量巨大的预制构件组合而成，建筑信息模型是由各种族通过规范化的方式组合在一起，因此工业化住宅的产生过程与建筑信息模型有很多契合之处，这也激发了研究人员将两者结合起来进行研究，期望通过发掘 BIM 技术的深层次应用推动住宅工业化的发展。
Razali 指出，BIM 技术是面向对象的过程，在工业化住宅中，所有的系统和建筑元素都可以导入 BIM 中成为 3D模型，研究人员基于 BIM 技术开发的面板系统将建筑元素进行分类，利用这个系统研究人员可以快速获取预制构件的尺寸。
Saeed Banihashemi Namini 经研究发现，工业化住宅的常规设计中，设计的预制构件由于没有考虑工厂模具和运输的限制，往往不能满足实际的需求，BIM 技术的出现很好的解决了这一问题，预制构件的设计直接在 BIM 相关软件进行，模拟构件预生产和运输过程。工业化建筑的劣势可能在于每个预制构件都需要经过设计，这将使设计费用增加，生产施工工艺与传统建筑也有很大的不同，总的工程投资将会有所提高，从而不利于工程的投标报价。
瑞典的学者 Rinor，Mazreku 在住宅工业化中引入参数化 BIM 技术，利用其产生的计算单，使工业化建筑的各阶段的协调变得更加流畅。依据参数化建模产生的计算单将会自动计算出建筑的规模、质量，这些信息都包含在建立的 3D 参数化模型中。为了使工作更有效率，引入诸如 TEKLA、Microsoft Excel and Word 软件，目的就在于项目间的自动化信息整合变为可能，降低工业化住宅的设计费用。作为一名设计人员，在计划的早期阶段掌握预制构件的专业知识是非常重要的，这将非常有利于解决工业化建筑的构造体系设计中遇到的问题。
Mahdi，Moharrami，Meynagh 等人利用基于 XML的 IFC 标准语言成功地开发平面系统，这种类型的算法具有很大的灵活性与自由度，可以延长工业化建筑体系（Industrialized Building System ，IBS）组件被集成的范围，实现预制组件的标准化编程，并集成到 BIM 相关软件中，从而实现 BIM 技术与工业化建筑体系的高度促进。为了说明 BIM 技术对住宅工业化巨大的推动作用。国际建设和施工研究创新委员会（The International Council for Research and Innovation in Building and Construction ，CIB）在最近关于工业化建筑施工的报告中指出，利用 BIM 技术可提高效率，实现标准化、规模化和模块化生产。
以色列的 Rafael Sacks 教授通过详细的统计分析研究，BIM 技术的广泛应用将会使工业化住宅的经济可行性从 68%提高至 74%；在工业化住宅标准设计和预制构件生产中引入 BIM 技术，设计院的利润将从 5%提高至 13%，预制构件生产厂家利润提高 7%，很大一方面原因是由于通过 BIM 技术的引入，消除了设计错误。
Ibrahim and Nissen (2007)认为在工业化住宅复杂的动态环境下，通过 BIM 技术进行信息的有效传递，解决各个团队有效沟通的困难。
Kametal(2003)认为，设计人员作出精确的信息模型后，其他团队可以通过软件进行后续工作，避免大量的重复工作，提升了整个团队的协作能力，也改善了工业化建筑中各专业的协调能力。IFC 的存在，在各个团队成员之间，提高了数据的互用性，减少重复操作。
1.4.2 国内研究现状
虽然 BIM 技术引入中国已有十余年，相对于国外成熟的软件以及业人员的接受程度，国内的研究和应用尚处于初级阶段，随着近些年建筑行业对计算机辅助技术要求的不断提高，逐步引起了国家政府部门和企事业单位的重视，科研投入不断增加，有关机构和部门己经开始着手研究和应用 BIM 技术。
目前，BIM 技术的应用已被明确写入建筑发展的“十二五”规划，BIM 技术的应用得到了政府部门以及行业参与人员的大力推广，并取得了良好效果。BIM 技术在经过近些年的实践和推广之后，国家相关部门已经启动BIM 标准的制定工作，BIM 技术相关课题开始申报。“十二五”规划中明确提出要“推进建筑信息模型 BIM、协同工作等技术应用。普及可视化、参数化三维模型设计以提高设计水平，降低工程投资，实现从设计、采购、建造、投产开车和运维全过程的集成应用”。构件产品工厂化生产的目的是提高构件生成的精度，利用传统技术记录和生产往往会导致错误和尺寸误差。纪颖波教授一直致力于工业化建筑管理研究，她指出，设计人员利用 BIM 技术进行构件部品设计时，模型中包含了构件的完整信息，制造人员获取构件的参数进行设计和制造，保证了构件的设计精度和制造精度。将 BIM 技术运用到施工安装装配化中，BIM 模型中每一构件的信息都会显示出来，3D 模型的可视化准确显示出构件位置和搭接顺序，保证施工安装能够顺利完成。与制造业在产品数据管理和供应链中采用先进的 PDM/PLM 进行协同相类似，BIM技术可以实现建筑项目众多参与方、供应商的工业化、全供应链协作。由于住宅工业化在我国尚属推广阶段，并且 BIM 技术对项目的组织方式、从业人员专业技能有严格的要求，目前，国内住宅工业化还没有真正意义上的协同工作案例。
上海现代建筑设计集团总工程师高承勇在 BIM 技术的研究中指出，应该以信息现代化推进住宅工业化的进程，在住宅工业化的实施过程中，与项目相关的产品、专业技术种类众多，如果没有合适的信息交换手段，所承载的巨大信息量将无法发挥工业化的优势。利用 BIM 技术中参数化模型的信息承载能力，项目相关参与方、不同阶段利用同一个 BIM 技术平台进行信息交换，从而实现项目各专业、不同参与方的协同作业。通过 BIM 技术与其他技术相结合，可以更广泛的发挥 BIM 技术自身的优势。胡珉教授将 RFID 技术引入预制混凝土构件生产中，并深人研究 RFID 技术与 BIM 模型结合应用，将生产管理与施工乃至运维、修补、改造等结合，发展信息协同优势。考虑到构件位置的流动性，在生产现场，采用手持式 RFID 读写设备对预制构件进行信息采集，通过 BIM 技术平台进行信息传递，集中式的数据库共享多分厂数据，在此基础上通过对数据趋势分析和优化来实现预制构件质量和进度的智能管理和决策。基于 BIM 技术的施工图与装配图检查，减少了人工的工作量，不仅会提高检查的速度，而且也保证了检查过程更加客观。杨坤、张洋研究基于 BIM 技术的预制构件生产、采购模式，设计人员将建筑模型或结构模型交给构件预制生产厂家，BIM 技术可以根据设计的内容自动创建图纸，大大减少装配图的出图时间，减少了设计过程中反复编辑和更新图纸的工作，BIM 软件也可以根据变更的内容实时更新信息模型。此外，模型创建完成后，可以通过格式转换功能，进一步利用专业的分析软件进行数据收集。
1.5 总结与思考
纵观国内外对 BIM 技术在住宅工业化中的应用研究，可知 BIM 技术在住宅工业化中的应用研究，大部分文献偏重于对工业化住宅的某一建造阶段的应用研究，没有将规划、设计、建造、维护过程的各阶段结合起来进行系统研究，并且对于设施管理的应用研究较少，很少有研究人员关注工业化住宅的全寿命周期管理，未能充分发挥出 BIM 技术的各专业协同作业以及全寿命周期管理的优势。在国内外的应用研究中，从 BIM 技术在住宅工业化工程实例中的得出的研究应用结论较少。
综上所述，当前 BIM 技术在住宅工业化中的系统应用中存在不足。因此，有必要探索系统的研究应用方法，提出基于 BIM 技术的住宅工业化应用研究，对 BIM 技术在住宅工业化建造各阶段、各专业的协同作业以及全寿命周期管理进行系统深入的研究，充分发挥 BIM 技术的优势为住宅工业化的快速发展服务。