BIM引领幕墙实现第二次革命性飞跃

Huangw

BIM引领幕墙实现第二次革命性飞跃

摘要: 1 概述 1.1 手工绘图到计算机2D绘图，实现第一次革命 2000年，CAD（Computer Aided Design）技术推广及应用使建筑设计从手工绘图走向2D数据的电子绘图，即“甩图板”运动，可以说是建筑工程设计领域第一次革命。...1 概述 1.1 手工绘图到计算机2D绘图，实现第一次革命 2000年，CAD（Computer Aided Design）技术推广及应用使建筑设计从手工绘图走向2D数据的电子绘图，即“甩图板”运动，可以说是建筑工程设计领域第一次革命。2D CAD技术使传统的设计方法和生产模式发生了深刻变化。这不仅把工程设计人员从传统的设计计算和手工绘图中解放出来，可以把更多的时间和精力放在方案优化、改进和复核上，而且提高设计效率，大大缩短了设计周期，提高了设计质量。 1.2 3D效果图的应用 2D图纸应用的局限性较大，不能直观体现建筑设计的各类信息，因此一些复杂项目采用制作实体模型的办法在整个设计过程中沟通设计意图，以弥补单一方式的不足。在计算机普遍应用后，设计人员开始进行3D建模、进行3D实体造型。但这种模型过于简化，仅仅满足了几何形状和尺寸相似的要求。后来出现了3DS、FormZ等用于建筑三维建模和渲染的软件，可以给建筑表面赋予不同的颜色以代表不同的材质，再配上光学效果，可以生成具有照片效果的建筑效果图。 1.3 BIM实现建筑全生命周期的信息化，助推建筑工程实现第二次革命 建筑信息模型(BuildingInformationModeling，简称BIM)技术创建并利用数字模型对项目进行设计、建造和运营管理[1]。在美国国家BIM标准(NBIMS)中,BIM的定义由三部分组成：（1）BIM是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达；（2）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生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；（3）在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。 BIM为建筑工程设计领域带来了第二次革命，从二维图纸到三维设计和建造的革命。同时，对于整个建筑行业来说，BIM也是一次真正的信息革命。最初,BIM只是应用于一些大规模标志性的项目当中，除了堪称BIM经典之作的上海中心大厦项目外，上海世博会的一些场馆也应用了BIM。仅仅经过两三年，BIM现在已经应用到一些中小规模的项目当中。以福建省建筑设计研究院为例，全院70%～80%的项目都是使用BIM完成的。据介绍，就BIM的应用而言，3年前，美国领先中国7年；3年后的今天，中国已将这一差距缩小到了3年。 BIM在中国的全面应用将为建筑业的发展带来巨大的效益，使设计乃至整个工程的质量和效率显著提高。BIM将直接促使建筑行业各领域的变革和发展；它将使建筑行业的思维模式及习惯方法产生深刻变化；使设计、建造和运营的过程产生新的组织方式和新的行业规则。 2 BIM的技术特点[5] （1）可视化及参数化设计 可视化即“所见所得”的形式，BIM提供了可视化技术，对以往以线条形式表现的构件采用三维立体图形进行展示，与效果图不同，这种立体图是通过构件的信息自动生成的，能够反应出构件之间的互动性和反馈性。在BIM中，由于整个过程都是可视化的，不仅可以展示三维效果，自动生成各类报表，更重要的是项目设计、建造、运营和维护过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。 （2）协调性及构件关联性设计 建筑工程全生命周期是一个复杂的过程。一旦项目的实施过程中出现了问题，参建各方就需要开协调会，查找问题原因，提出解决办法，然后出具变更。例如暖通专业中的管道布置，可能会和结构设计的梁柱等构件产生空间重叠，这就是施工中常遇到的碰撞问题。通过BIM的协调性服务就可以在设计阶段处理碰撞问题，生成协调数据，供参建各方进行讨论协调。BIM的协调作用还可以解决更多问题，例如电梯井布置与其它设计布置及净空要求的协调、防火分区与其它设计布置的协调、 地下排水布置与其它设计布置的协调问题等。 （3）模拟性和执行性 通过BIM可以提取建筑物模型数据，进行模拟计算、模拟演习等。在设计阶段，BIM可以对建筑模型进行模拟计算和实验，例如：节能模拟、日照模拟、热能传导模拟和紧急疏散模拟等；在招投标和施工阶段可以进行4D模拟（基于三维模型的施工控制，附加时间维），也就是根据施工组织设计模拟实际施工，优化施工方案来指导施工；还可以进行5D模拟（基于三维模型的造价控制，附加造价维），从而来实现成本控制；后期运营阶段可以模拟日常紧急情况的处理方式的模拟，例如地震人员逃生模拟及消防人员疏散模拟等。 （4）协作设计及优化性 随着建筑工程复杂性的增加，跨学科的合作成为建筑设计的趋势。BIM为传统建筑工种提供了良好的技术协作平台，提供了建筑物的实际存在信息，包括几何信息、物理信息、规则信息，还提供了建筑物变化以后的存在状态。例如，结构工程师改变柱子的尺寸时，建筑模型中的柱子也会立即更新。BIM还为不同的生产部门、管理部门提供了一个良好的协作平台，例如施工企业可以在建筑信息模型基础上添加时间参数进行施工虚拟，控制施工进度，政务部门可以进行电子审图等等。BIM不仅改变了建筑师、结构工程师传统的工作协调模式，而且还使业主、政府部门、制造商和施工企业都可以基于同一个三维参数的建筑模型协同工作。 BIM及其配套的各种优化工具提供了对复杂项目进行优化的可能。目前基于BIM的优化可以做下面的工作： 1）项目方案优化：把项目设计和投资回报分析结合起来，设计变化对投资回报的影响可以实时进行计算，使业主能够综合评价设计方案，达到优化设计的目的。 2）特殊项目的设计优化：例如裙楼、幕墙、屋顶、大空间等多采用异型设计，对这些施工方案进行优化，可以带来显著的工期和造价改进。 （5）可出图性 BIM不仅能够出常规建筑设计图和构件加工图，而且还能在对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化以后，输出： 1）综合管线图（经过碰撞检查和设计修改，消除了相应错误以后）。 2）综合结构留洞图（预埋套管图）。 3）碰撞检查侦错报告和改进方案。 3 BIM的标准化状况 3.1 发达国家抢滩研究BIM，出台应用层面的标准 近几年来，BIM 技术在美国、英国、日本、香港和新加坡等国家和地区的建筑工程领域取得了大量的应用成果，这些国家也较早研究了BIM的相关标准。1997年1月，IAI（Industry Alliance for Interoperability）组织发布了IFC（IndustryFoundationClasses）信息模型的第一个完整版本[2]。经过十余年的努力，IFC信息模型的覆盖范围、应用领域、模型框架都有了很大的改进，并已经被ISO标准化组织接受。IFC标准是面向对象的三维建筑产品数据标准，其在建筑规划、建筑设计、工程施工、电子政务等领域获得广泛应用。 美国基于IFC标准制定了BIM应用标准——NBIMS（National Building Information Model Standard）[3-4]。NBIMS是一个完整的BIM指导性和规范性标准，它规定了基于IFC数据格式的建筑信息模型在不同行业之间信息交互的要求，实现信息化促进商业进程的目的，目前该系列标准在2011年又有版本升级。 日本建设领域信息化的标准为CALS/EC(Continuous Acquisition and Lifecycle Support/ Electronic Commerce)标准，日本在制定标准方面做出了一些努力，包括建立建设领域信息化框架、研制相应的标准、开发相应的系统、进行示范应用、进行实际应用。日本建设领域信息化框架的主要内容包括工程项目信息的网络发布、电子招投标、电子签约、设计和施工信息的电子提交、工程信息在使用和维护阶段的再利用、工程项目业绩数据库应用等。相应的标准研制和系统开发基本已经完成，并投入使用，原先制定的阶段性目标已经如期实现。BIM标准的建立不仅实现了产业竞争力的提升，也带来了显著的经济效益。 3.2 我国BIM标准的研究 我国也针对BIM在中国的应用与发展进行了一些基础性的研究工作。2007年，中国建筑标准设计研究院提出了JG/T198-2007标准，其非等效采用了国际上的IFC标准(《工业基础类IFC平台规范》)[6]。该标准规定了建筑对象数字化定义的一般要求，资源层，核心层及交互层。它适用于建筑物生命周期中各个阶段内以及各阶段之间的信息交换和共享，包括建筑设计、施工、管理等。水利、交通和电信等建设领域的信息交换和共享可参考该标准。2008年，由中国建筑科学研究院、中国标准化研究院等单位共同起草了《工业基础类平台规范》(国家指导性技术文件)[7]。此标准等同采用IFC，在技术内容上与其完全保持一致，仅为了将其转化为国家标准，并根据我国国家标准的制定要求，在编写格式上作了一些改动。香港房屋署BIM应用推动有力且较深入，招标文件中明确要求用BIM提交文挡，配套研究也很深入，已经编制房屋署内部BIM标准。 2012年住房和城乡建设部下达了国家标准《建筑工程信息模型应用统一标准》的编制任务，中国建筑科学研究院为主编单位，该标准为推进我国建筑工程领域重大技术进步提供了有力支持，为实现中国自主知识产权的BIM系统工程奠定了坚实基础。《建筑工程信息模型应用统一标准》贯穿于建筑物全生命期的规划、勘察设计、施工和运维等四个阶段，涉及BIM标准制定、BIM技术开发、BIM技术应用以及BIM项目管理的基本准则，是专业数据标准及数据库、工作流程及支撑系统、专业应用软件、数据交换及协同等多领域、多学科的研究与开发应用。 为编制《建筑工程信息模型应用统一标准》，引入P-BIM概念，将BIM分为三个层次，分别为专业BIM（Professional BIM）、阶段BIM（Phase BIM，包括工程规划、勘察与设计、施工、运维阶段）和项目BIM（Project BIM）或全生命期BIM（Lifecycle BIM），上述三个层次的BIM均简称为P-BIM。基本思路是以中国建筑工程专业应用软件与BIM技术紧密结合为基础，首先开展专业BIM技术和标准的课题研究，用BIM技术和方法改造专业软件，形成专业BIM；将专业BIM集成，形成阶段BIM；最后将各阶段BIM连通，形成项目全生命期BIM，成功实现中国BIM。在上述BIM课题成果（技术和软件）达到完全可实施的基础上，再编制《建筑工程信息模型应用统一标准》，在该标准基本准则的统领下再制定其它各层次的BIM标准。 4 BIM支持软件 4.1 BIM软件分类 美国AGC（Associated General Contractors of American美国总承包商协会）把BIM以及BIM相关软件分成八个类型： (1) 概念设计和可行性研究（Preliminary Design and Feasibility Tools）； (2) BIM核心建模软件（BIM Authoring Tools）； (3) BIM分析软件（BIM Analysis Tools）； (4) 加工图和预制加工软件（Shop Drawing and Fabrication Tools）； (5) 施工管理软件（Construction Management Tools）； (6) 算量和预算软件（Quantity Takeoff and Estimating Tools）； (7) 计划软件（Scheduling Tools）； (8) 文件共享和协同软件（File Sharing and Collaboration Tools） 4.2 如何选择BIM支撑软件 BIM支撑软件包括：方案设计软件、几何造型软件、可持续分析软件、机电分析软件、结构分析软件、可视化软件、模型检查软件、深化设计软件、模型综合碰撞检查、造价软件、运营管理软件、发布和审核软件。一般情况下可进行如下的选择： ① 民用建筑选用Autodesk公司的Revit系列。 ②工厂设计和基础设施选用Bentley公司的Bentley Architecture系列。 ③单专业建筑事务所选择Graphisoft公司的ArchiCAD、Revit、Bentley可能成功； ④项目完全异形、预算比较充裕的可以选择Gehry Technologies公司的Digital Project或CATIA. 可视化软件可选用AutoDesk公司推出的三维可视化实体模拟软件Autodesk InventorProfessional（AIP）。 可持续或者绿色分析软件可利用BIM模型的信息对项目进行日照、风环境、热工、景观可视度、噪音等方面的分析，主要软件有国外的Echotect、IES、Green building studio以及国内的PKPM（可以互相进行信息传递）BIM机电分析软件、水暖电等设备和电气分析软件国内产品有鸿业、博超等，国外产品有Designmaster、IESVirtual Environment、Trane trace等，可以互相进行信息传递。 模型综合碰撞检查软件的基本功能包括集成各种三维软件（包括BIM软件、三维工厂设计软件、三维机械设计软件等）创建的模型，进行３Ｄ协调、４Ｄ计划、可视化、动态模拟等。常见的模型综合碰撞检查软件有Autodesk Navisworks、Bentleyprojectwisenavigator和Solibri Modelchecker等（整合各个软件的设计成果并进行可视化展示） 5 BIM应用成功案例 在上海中心大厦建设项目中，在不同阶段采用了适当的BIM 软件，从而有助于设计与施工。中建国际在一批重大设计项目中采用了BIM 技术，如杭州奥体中心体育场和天津团泊湖网球中心等。银川火车站改造工程采用基于BIM 的可视化技术构建空间实体模型，并在此基础上完成施工方案的制订以及效果展示等。2010 年上海世博会德国馆项目中成功借助于Revit，Navisworks等一系列三维软件，极大地解决了项目本身空间关系复杂、三维协同设计以及管线综合等难点问题。同时，通过建筑信息模型的建立，更好地完善了设计、施工等多家项目参与方之间的数据共享与传输，提升了BIM 理念在我国典型工程中的应用水平。清华大学将基于BIM 的4D 技术引入到建筑施工期时变结构安全分析中，为时变分析理论的实际应用提供可行的途径和方法。 6 建筑幕墙行业的跟进建议 住建部编制的建筑业“十二五”规划明确提出要推进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、投产到运行的全过程集成运用。 BIM引领建筑业信息技术走向更高层次，它的全面应用，将为建筑业的科技进步产生不可估量的影响，大大提高建筑工程的集成化程度。这对建筑门窗幕墙业的发展带来良好的机遇也是巨大的挑战。首先我们必须能够读取BIM数据，完成幕墙门窗的深化设计，使设计乃至整个工程的质量管理和效率显著提高，极大降低工程成本，这是对幕墙行业的挑战；其次幕墙行业将完善后的设计反馈给BIM，完成协同设计，提高建筑整体设计水平和工程质量。 为提高BIM的应用水平，共享BIM数据信息，幕墙行业应当立即行动起来，投入到BIM应用的洪流中去，目前可采取： （1）积极参加BIM标准的编制。了解BIM发展动态，参与BIM规则的制定。 （2）建立行业可发团队，开发专业的幕墙BIM系统，实现设计（包括方案设计、结构计算、热工计算、日照计算等等）、加工制作、安装施工和运行维护的各个阶段的支撑软件，开发与主流BIM建筑设计系统的接口系统。 （3）加强BIM设计人员的培训。培养阶梯式人才队伍，有经验年纪较大的技术人员进行BIM概念设计，具体的录入工作由BIM绘图员完成。 （4）推动并适应BIM应用进入评优、强审项目。政府部门和要求较高的业主已经提出BIM的应用要求，幕墙行业应尽快适应这种局面。