中國建筑幕墻行業(yè)應盡快推行BIM

    進入21世紀以來，建筑行業(yè)面臨著來自多方面的挑戰(zhàn)，特別是來自國外設計公司的強大競爭�？焖侔l(fā)展的城市建設帶來了越來越緊迫的設計任務，層出不窮的新材料、新技術，以及新的設計思想，這些都要求設計人員不斷更新自我，進行再學習。 

    2006年，美國建筑師協(xié)會曾經(jīng)發(fā)出過一個警告：不懂建筑信息模型 (BIM，Building Information Modeling)的建筑師，不久的將來將失去獲得 OFFER的機會。在美國，隨著 BIM的推廣，所有的建筑業(yè)務，包括設計、設計審核、預算、工程管理等，將會整合到一起。

    在建的上海中心，主體建筑結構高 580 m，總高度為 632 m，將通過整合三維數(shù)字化新技術打造“數(shù)字 DNA”，在建筑的全生命周期實現(xiàn)信息化 BIM。據(jù)說上海中心采用 BIM技術后，電腦里的上海中心就如同一部 3D電影，不僅能準確反映建筑物的外觀結構，而且內部的每一根鋼筋、每一根管線的位置和走向都能清楚地立體再現(xiàn)，哪怕是小到一個閥門，安裝在哪一層、哪一個房間、什么牌子，都能在電腦中快速地搜尋到。在上海中心的招標中，要求企業(yè)必須使用 BIM軟件。BIM在建筑中為何如此重要？BIM是什么？它會給幕墻行業(yè)帶來什么影響？

    建筑幕墻工程設計是建筑幕墻工程建設的龍頭。在過去的 20年中，CAD(Computer Aided Design)技術的普及推廣，使建筑師、工程師們從手工繪圖走向電子繪圖。甩掉圖板，將圖紙轉變成計算機中 2D數(shù)據(jù)的創(chuàng)建，可以說是建筑幕墻工程設計領域第一次革命。CAD技術的發(fā)展和應用，使傳統(tǒng)的設計方法和生產模式發(fā)生了深刻變化，設計效率提高了十幾倍到幾十倍，大大縮短了設計周期，提高了設計質量。

    但二維圖紙不能直觀體現(xiàn)建筑幕墻的各類信息，所以在設計中，制作實體模型也是經(jīng)常使用的建筑表現(xiàn)手段。為了在整個設計過程中溝通設計意圖，建筑師和建筑幕墻工程師有時需要同時用實體模型和圖紙兩種方式，以彌補單一方式的不足。應用計算機后，設計人員一直在探索如何使用軟件在計算機上進行三維建模。最早實現(xiàn)的是用三維線框圖去表現(xiàn)所設計的建筑物，但這種模型過于簡化，僅僅滿足了幾何形狀和尺寸相似的要求。后來出現(xiàn)了諸如 3DStudio VIZ、FormZ這類專門用于建筑三維建模和渲染的軟件，可以給建筑幕墻表面賦予不同的顏色以代表不同的材質，再配上光學效果，可以生成具有照片效果的建筑效果圖。但是這種建立在計算機環(huán)境中的建筑三維模型，只能用來推敲設計的體量、造型、立面和外部空間，并不能用于施工。對于一個可以應用于建筑幕墻施工的設計來說，附屬在建筑幕墻設計上的信息是非常多的，設計人員除了需要確定建筑幕墻的幾何尺寸、所用的材料，還需要確定建筑幕墻的抗風壓強度、抗震、氣密、水密、變形、施工工藝、傳熱系數(shù)等很多信息。如果不確定這些信息，建筑概預算、建筑施工等很多后續(xù)的工作就無法進行。而原有的建筑物三維表面模型，無法做到在模型上附加這么多信息。

    隨著建筑幕墻工程規(guī)模越來越大、建筑幕墻越來越高、建筑幕墻體形越來越復雜，附加在建筑幕墻工程項目上的信息量也越來越大。建筑幕墻工程信息會對整個建筑工程周期乃至整個建筑物生命周期都產生重要的影響。對這些信息利用得好、處理得好，就能夠節(jié)省工程開支，縮短工期，也可以惠及使用后的維護工作。因此，十分需要在建筑幕墻工程中廣泛應用信息技術，快速處理與建筑工程有關的各種信息，合理安排工期，控制好生產成本，盡量消滅建筑幕墻由于設計不當甚至是錯誤所造成的工程損失以及工期延誤。鑒于此，就必須在整個建筑幕墻工程周期乃至整個建筑幕墻生命周期中，實現(xiàn)對信息的全面管理。建筑設計作為建筑工程的龍頭專業(yè)，也是整個建筑工程信息的源頭，在建筑幕墻信息化中肩負十分重要的責任。 BIM——建筑信息模型，為建筑幕墻工程設計領域帶來了第二次革命，從二維圖紙到三維設計的革命，是一次真正的信息革命。 

    建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)是近兩年來出現(xiàn)在建筑界中的一個新名詞，其定義為：創(chuàng)建并利用數(shù)字模型對項目進行設計、建造及運營管理的過程(見圖 1)。

    它的全面應用將提高建筑工程的集成化程度，也為建筑業(yè)的發(fā)展帶來效益，使設計乃至整個工程的質量和效率提高，成本降低，是引領建筑業(yè)信息技術走向更高層次的一種新技術。

    建筑信息模型 (BIM)，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑幕墻所具有的真實信息，不僅僅是幾何形狀描述的視覺信息，還包含大量的非幾何信息，如材料的強度、性能、傳熱系數(shù)，構件的造價、采購信息等。BIM是通過數(shù)字化技術，在計算機中建立一個虛擬建筑幕墻，提供了一個單一的、完整一致的、有邏輯的建筑信息庫。

    建筑信息模型 (BIM)的技術核心是一個由計算機三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫，不僅包含了建筑師和建筑幕墻工程師的設計信息，而且可以容納從設計到建成使用，甚至是使用周期終結的全過程信息，并且各種信息始終是建立在一個建筑幕墻三維模型數(shù)據(jù)庫中。建筑信息模型 (BIM)可以持續(xù)即時地提供項目設計范圍、進度以及成本信息，這些信息完整可靠并且完全協(xié)調。

    建筑信息模型(BIM)能夠在綜合數(shù)字環(huán)境中保持信息不斷更新并可提供訪問，使建筑師、建筑幕墻工程師、建筑幕墻施工人員以及建筑幕墻業(yè)主可以清楚全面地了解項目。這些信息在建筑幕墻設計、施工和管理的過程中能促使加快決策進度、提高決策質量，從而使項目質量提高，收益增加。

    建筑信息模型 (BIM)的應用不僅僅局限于設計階段，而且貫穿于整個建筑幕墻項目全生命周期的各個階段：設計、施工和運營管理。BIM電子文件可在參與項目的各建筑行業(yè)企業(yè)間共享。建筑設計專業(yè)可以直接生成三維實體模型；結構專業(yè)則可依照此模型進行計算；其他專業(yè)可以據(jù)此進行建筑能量分析、聲學分析、光學分析等；施工單位則可進行備料及下料；發(fā)展商則可取其中的造價、門窗類型、工程量等信息進行工程造價總預算、產品訂貨等；而物業(yè)單位也可以此進行可視化物業(yè)管理。BIM在整個建筑幕墻行業(yè)從上游到下游的各個企業(yè)間不斷完善，從而實現(xiàn)項目全生命周期的信息化管理，建筑信息模型是數(shù)字技術在建筑幕墻工程中的直接應用，可解決建筑幕墻工程在軟件中的描述問題，使設計人員和工程技術人員能夠對各種建筑幕墻信息做出正確的應對，并為協(xié)同工作提供堅實的基礎。

    建筑信息模型 (BIM)同時又是一種應用于設計、建造、管理的數(shù)字化方法，這種方法支持建筑幕墻工程的集成管理環(huán)境，可以使建筑幕墻工程在其整個進程中顯著提高效率和減少風險。

    建筑信息模型(BIM)支持建筑幕墻工程全生命周期的集成管理環(huán)境，因此建筑信息模型的結構是一個包含有數(shù)據(jù)模型和行為模型的復合結構。它除了包含與幾何圖形及數(shù)據(jù)有關的數(shù)據(jù)模型外，還包含與管理有關的行為模型，兩相結合通過關聯(lián)為數(shù)據(jù)賦予意義，因而可用于模擬真實世界的行為，例如模擬建筑幕墻的結構應力狀況、安全狀況、傳熱狀況等。

    應用建筑信息模型 (BIM)可以支持建筑幕墻項目各種信息的連續(xù)應用及實時應用，這些信息質量高、可靠性強、集成程度高而且完全協(xié)調，能提高設計乃至整個工程的質量和效率，顯著降低成本。

    應用建筑信息模型(BIM)可以使建筑幕墻工程更快、更省、更精確，各工種配合得更好，同時減少了圖紙的出錯風險，惠及將來的建筑幕墻的運作、維護和設施管理，節(jié)省費用。

    有兩種類型的 3D，第一類是 3D幾何模型，最典型的就是 3DS MAX模型，其主要作用是對工程項目進行可視化表達；第二類是 BIM 3D或 BIM模型。此外還有一種稱之為 3.5D的技術，在 3D幾何模型基礎上增加有限的對象技術，例如風吹樹動或者人員移動等，但不屬于 BIM 3D范疇。 

    BIM 3D包含了工程項目所有的幾何、物理、功能和性能信息，這些信息一旦建立，不同的項目參與方在項目的不同階段都可以使用這些信息對建筑物進行各種類型和專業(yè)的計算、分析、模擬工作。BIM文獻中討論的 3D除非有特別說明，一般是指 BIM 3D。這樣的 3D也叫做虛擬建筑 (Virtual Build-ing)或數(shù)字建筑 (Digital Building)。3D的價值可以簡單歸納成兩句話： 

    (1)做功能好的建筑幕墻：建筑師和幕墻工程師可以直接在 3D上工作，設計過程中不再需要把 3D建筑翻譯成 2D進行表達(2D圖紙變成了 3D的輸出結果之一 )并與業(yè)主進行溝通交流，而業(yè)主也不再需要通過理解 2D圖紙來審核建筑師的方案是否滿足了自己的需要。
 

    (2)做沒有錯的建筑幕墻：綜合所有專業(yè)的 3D模型，可以非常直觀地發(fā)現(xiàn)互相之間的不協(xié)調，在實際施工開始前解決所有的設計錯誤。

    4D是 3D加上項目發(fā)展的時間，用來研究建筑幕墻可建性 (可施工性)、施工計劃安排以及優(yōu)化任務和工作順序。4D的價值可歸納為“做沒有意外的幕墻施工”。如果我們能夠在每周的例會上直接向 BIM模型提問題，然后探討模擬各種改進方案的可能性，在虛擬建筑中解決需要在現(xiàn)場才能解決的問題，會是一種什么樣的情況？ 

5D是基于 BIM 3D的造價控制。工程預算起始于巨量和繁瑣的工程量統(tǒng)計，有了 BIM模型信息，工程預算將在整個設計施工的所有變化過程中實現(xiàn)實時和精確計算。隨著項目發(fā)展及 BIM模型精度的不斷提高，工程預算將貼近最后的那個數(shù)字。5D的價值用一句話定義就是“做精細化的幕墻預算”。 

    3.4六維(6D) 6D定義為“做性能好的建筑幕墻”。例如建筑幕墻性能分析的一些內容： ①抗風壓性能分析及試驗模擬； ②抗震性能分析及試驗模擬； ③氣密分析及試驗模擬；④水密性能分析及試驗模擬； ⑤熱工分析及節(jié)能；⑥滿足規(guī)范要求； ⑦滿足社會和業(yè)主對低能耗、高性能、可持續(xù)建筑的要求。6D應用使得性能分析可以配合建筑方案的細化過程逐步深入，做出真正性能好的建筑。

    參數(shù)化設計從實質上講是一個構件組合設計，建筑信息模型是由無數(shù)個虛擬構件拼裝而成，其構件設計并不需要采用過多的傳統(tǒng)建模語言，如拉伸、旋轉等，而是對已經(jīng)建立好的構件 (稱為族)設置相應的參數(shù)，并使參數(shù)可以調節(jié)，進而驅動構件形體發(fā)生改變，滿足設計的要求。而參數(shù)化設計更為重要的是將建筑幕墻構件的各種真實屬性通過參數(shù)的形式進行模擬，并進行相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算。在建筑信息模型中，建筑幕墻構件并不只是一個虛擬的視覺構件，而是可以模擬除幾何形狀以外的一些非幾何屬性，如材料的強度、材料的傳熱系數(shù)、構件的造價、采購信息、重量、受力狀況等。

    對參數(shù)定義屬性的意義在于可以進行各種統(tǒng)計和分析，例如我們常見的材料表統(tǒng)計，在建筑信息模型中是完全自動化的，而參數(shù)化更為強大的功能是可以進行結構、經(jīng)濟、節(jié)能、疏散等方面的計算和統(tǒng)計，甚至可以進行建造過程的模擬，最終實現(xiàn)虛擬建造。這與犀牛、3D Max等軟件中的三維模型是完全不同的概念，用 3D Max建立的模型，墻與梁并沒有屬性的差別，它們只是建筑師在視覺上假設的墻與梁，這些構件將無法參與到數(shù)據(jù)統(tǒng)計，也就不具備利用計算機進行各種信息處理的可能性。 

    構件關聯(lián)性設計是參數(shù)化設計的衍生。當建筑幕墻模型中所有構件都是由參數(shù)加以控制時，如果將這些參數(shù)相互關聯(lián)起來，那么就實現(xiàn)了關聯(lián)性設計。換言之，當幕墻工程師修改某個構件，建筑模型將進行自動更新，而且這種更新是相互關聯(lián)的。例如，遇到修改幕墻分格，在建筑信息模型中，只要修改分格的數(shù)值，所有的墻、柱、窗、門都會自動發(fā)生改變，因為這些構件的參數(shù)都與分格相關聯(lián)，而且這種改變是三維的，并且是準確和同步的。我們不再需要去分別修改平、立、剖。關聯(lián)性設計不僅提高了工程師的工作效率，而且解決了長期以來圖紙之間的錯、漏、缺問題。 

    參數(shù)驅動建筑形體設計是指通過定義參數(shù)來生成建筑形體的方法，當建筑師改變幕墻的一個參數(shù)，形體可以進行自動更新，從而幫助建筑師進行形體研究。參數(shù)驅動建筑形體設計仍然可以采用定義構件的方法實現(xiàn)。如果我們要設計一個形體復雜的高層建筑，我們可以將高層建筑的每一層作為一個構件，然后用參數(shù)(包含一些簡單的函數(shù))對這一層的幾何形狀進行定義和描述，最后將上下兩層之間再用參數(shù)關聯(lián)起來，例如設定上下兩層之間的扭轉角度，這樣就可以通過修改所定義的角度來驅動模型，生成一系列建筑幕墻形體。這種模式對于生成一些有規(guī)律但卻很復雜的建筑形體是十分有用的。參數(shù)驅動建筑形體設計并不是建筑信息模型所獨有的技術，犀牛等軟件具備同樣的功能。但是在建筑信息模型中，形體可以方便地轉化成具有真實屬性的建筑構件，如給形態(tài)附著幕墻，當我們改變參數(shù)，形體發(fā)生變化的同時，建筑構件也相應同步變化，這就使視覺形體研究與真實的建筑構件關聯(lián)起來，視覺模型也就轉化為真正的 “信息模型”。

    參數(shù)化構件亦稱“族”，是在 Autodesk Revit Architecture中設計所有建筑構件的基礎。它們提供了一個開放的圖形式系統(tǒng)，能夠自由地構思設計、創(chuàng)建外形。

以往幕墻公司常拿到一堆建筑圖、結構圖，甚至同時拿到幾個版本的建筑圖。從平面、立面、剖面、節(jié)點開始分析，就算有三維模型也不敢確定是否出自最新的建筑圖。

現(xiàn)在用 revit拿到的就是些模型，不用再分建筑和結構，甚至可以直接鏈接建筑軸線到玻璃線。做投標其實是“簡單”地勾出幕墻輪廓，也可根據(jù) revit模型，直接繪制投標圖。施工是在投標的基礎上深化，加工只是再深化。
 

    隨著建筑幕墻工程復雜性的增加，跨學科的合作成為建筑幕墻設計的趨勢。在二維 CAD時代，協(xié)作設計缺少一個統(tǒng)一的技術平臺，但建筑信息模型為傳統(tǒng)建筑工種提供了一個良好的技術協(xié)作平臺。例如，結構工程師改變其柱子的尺寸時，建筑模型中的柱子也會立即更新，而且建筑信息模型還為不同的生產部門，甚至管理部門提供了一個良好的協(xié)作平臺。例如施工企業(yè)可以在建筑信息模型基礎上添加時間參數(shù)進行幕墻施工虛擬，控制施工進度，政務部門可以進行電子審圖等。這不僅改變了建筑師、結構工程師、幕墻工程師傳統(tǒng)的工作協(xié)調模式，而且業(yè)主、政府政務部門、制造商、施工企業(yè)都可以基于同一個帶有三維參數(shù)的建筑模型協(xié)同工作。 

    建筑幕墻設計需要涉及許多不同的專業(yè)，如建筑、結構、材料等。由于 BIM具有承載各種信息的能力，整個建筑相關的信息和一整套設計文檔存儲在集成數(shù)據(jù)庫中，所有信息都已數(shù)字化，完全相互關聯(lián)。這樣就可以在 BIM上構建各個專業(yè)協(xié)同工作的平臺。這不但消除了以前各個專業(yè)設計軟件互不兼容的現(xiàn)象，還實現(xiàn)了各專業(yè)的信息共享。例如設計的修改或變更、施工 計劃安排以及施工進度的可視化模擬、各種文檔協(xié)同管理、施工變更管理等都可以在這個協(xié)同工作平臺上實現(xiàn)。

    正是 BIM的應用，一種新的建筑幕墻管理思想應運而生，這就是建筑幕墻生命全周期管理 (Building Lifecycle Manage-ment, BLM)。BLM是一種以 BIM為基礎的創(chuàng)建、管理、共享信息的數(shù)字化方法，能夠大大減少資產在建筑物整個生命周期 (從構思到拆除)中的無效行為和各種風險。BLM是建筑工程管理的最佳模式。
 

    BIM技術在發(fā)展過程中，吸納了學術界近年研究的一些成果，融匯入自身之中。例如，開在建筑幕墻上的門和窗，在修改設計時，應當自動地跟著移動或修改，這些功能已在 BIM軟件上實現(xiàn)。 

    BLM是“Building Lifecycle Management”的縮寫，中文名稱“建設工程生命周期管理”。實際上， BLM應該是 BLIM (Building Lifecycle Information Management)，建設工程生命周期信息管理。

    建筑幕墻工程建設項目的生命周期主要由兩個過程組成：第一是信息過程，第二是物質過程。施工開始以前的項目策劃、設計、招投標的主要工作就是信息的生產、處理、傳遞和應用；施工階段的工作重點雖然是物質生產 (把幕墻建造起來)，但是其物質生產的指導思想?yún)s是信息 (施工階段以前產生的施工圖及相關資料)，同時伴隨施工過程還在不斷生產新的信息(材料、設備的明細資料等)；使用階段實際上也是一個信息指導物質使用(清洗維修保養(yǎng)等)過程。 

    初級階段：即目前 BIM應用的初始階段，以傳統(tǒng)項目流程為主，BIM服務為輔。此階段的 BIM應用可以根據(jù)項目的實際情況選擇其中任何一項或幾項來進行。例如某個項目只采用 BIM設計服務，或者采用 BIM設計和招標服務等，不管如何選擇， BIM服務的采用與否基本上不改變項目 “設計 -招標 -施工 -運營”的傳統(tǒng)流程。此時 BIM服務的主要工作是通過 BIM的 3D、4D、5D等應用，對設計、招標、施工和運營計劃和實施過程進行可視化、分析、模擬、優(yōu)化、跟蹤、記錄等工作，并最終形成項目的 BIM竣工模型和 BIM運營模型(見圖 2)。

    圖 3 BIM完全融入項目流程示意圖進入高級階段以后，BIM已經(jīng)成為項目設計、施工、運營的日常工具，基于 BIM的項目流程的技術、經(jīng)濟、法律問題已經(jīng)具備相應的解決方案，此時 BIM服務的主要工作將轉向對項目參與各方提供的 BIM模型和數(shù)據(jù)的合理性、正確性、一致性、完整性等的審核和項目完整信息的集成。

目前中國幕墻行業(yè)處于 BIM應用初級階段的入口，如果不跨入并經(jīng)過初級階段，就永遠沒有可能到達高級階段。

    在瞬息萬變的信息時代，我們需要轉變固有的設計思維模式，從傳統(tǒng)的二維設計走向三維信息化設計，讓計算機成為真正的設計工具，把計算機輔助設計提升到新階段、新水平。這是提高設計師和建筑師素質、轉變設計方式的實踐。BIM技術作為繼 CAD(計算機輔助設計)技術后出現(xiàn)的建設領域的又一重要的計算機應用技術，在一些發(fā)達國家已經(jīng)得到了迅速發(fā)展和應用，美國 60%建筑設計及施工企業(yè)應用 BIM。在我國，世博文化中心、國家電力館、德國館等多個世博場館對 BIM的應用使其聲名鵲起。不過就 BIM的應用廣度和深度而言，BIM在中國的應用剛剛開始。全國建筑業(yè)有 2000多個設計院，但能夠應用 BIM技術進行設計的 100個都不到，建筑施工企業(yè)和幕墻企業(yè)目前應用 BIM的更是微乎其微。

    作為國民經(jīng)濟支柱的建筑行業(yè)，由于粗放式的管理模式和典型的勞動密集型特征，屬于國民經(jīng)濟中的低利行業(yè)，很難有資本積累和積聚發(fā)展的能力。除了行業(yè)內競爭和設計技術原因之外，相對落后的管理模式很大程度上擠壓了建筑施工企業(yè)的利潤率水平。作為施工企業(yè)的利潤之源，項目是整個企業(yè)生存的根基，由于項目管理能力欠缺，絕大多數(shù)施工企業(yè)不能有效地對項目的利潤進行管理，很難從招投標、采購、人員管理等與利潤直接相關的環(huán)節(jié)進行統(tǒng)一管控，究其原因， BIM的應用與發(fā)達國家的巨大差距是重要原因之一。

為徹底改變建筑行業(yè)信息化水平不高的現(xiàn)狀，并推動一批擁有特級資質的建筑企業(yè)成為科技含量高、融資能力強、管理水平高、信息化程度高的龍頭企業(yè)，不僅能與國際企業(yè)在本土競爭，而且能走出去參與國際競爭，建筑施工企業(yè)和中國建筑幕墻企業(yè)應盡快推行 BIM，全方位提升我國建筑幕墻行業(yè)管理水平和技術水平。