中国建筑幕墙行业应尽快推行BIM

    进入21世纪以来，建筑行业面临着来自多方面的挑战，特别是来自国外设计公司的强大竞争。快速发展的城市建设带来了越来越紧迫的设计任务，层出不穷的新材料、新技术，以及新的设计思想，这些都要求设计人员不断更新自我，进行再学习。 

    2006年，美国建筑师协会曾经发出过一个警告：不懂建筑信息模型 (BIM，Building Information Modeling)的建筑师，不久的将来将失去获得 OFFER的机会。在美国，随着 BIM的推广，所有的建筑业务，包括设计、设计审核、预算、工程管理等，将会整合到一起。

    在建的上海中心，主体建筑结构高 580 m，总高度为 632 m，将通过整合三维数字化新技术打造“数字 DNA”，在建筑的全生命周期实现信息化 BIM。据说上海中心采用 BIM技术后，电脑里的上海中心就如同一部 3D电影，不仅能准确反映建筑物的外观结构，而且内部的每一根钢筋、每一根管线的位置和走向都能清楚地立体再现，哪怕是小到一个阀门，安装在哪一层、哪一个房间、什么牌子，都能在电脑中快速地搜寻到。在上海中心的招标中，要求企业必须使用 BIM软件。BIM在建筑中为何如此重要？BIM是什么？它会给幕墙行业带来什么影响？

    建筑幕墙工程设计是建筑幕墙工程建设的龙头。在过去的 20年中，CAD(Computer Aided Design)技术的普及推广，使建筑师、工程师们从手工绘图走向电子绘图。甩掉图板，将图纸转变成计算机中 2D数据的创建，可以说是建筑幕墙工程设计领域第一次革命。CAD技术的发展和应用，使传统的设计方法和生产模式发生了深刻变化，设计效率提高了十几倍到几十倍，大大缩短了设计周期，提高了设计质量。

    但二维图纸不能直观体现建筑幕墙的各类信息，所以在设计中，制作实体模型也是经常使用的建筑表现手段。为了在整个设计过程中沟通设计意图，建筑师和建筑幕墙工程师有时需要同时用实体模型和图纸两种方式，以弥补单一方式的不足。应用计算机后，设计人员一直在探索如何使用软件在计算机上进行三维建模。最早实现的是用三维线框图去表现所设计的建筑物，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。后来出现了诸如 3DStudio VIZ、FormZ这类专门用于建筑三维建模和渲染的软件，可以给建筑幕墙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。但是这种建立在计算机环境中的建筑三维模型，只能用来推敲设计的体量、造型、立面和外部空间，并不能用于施工。对于一个可以应用于建筑幕墙施工的设计来说，附属在建筑幕墙设计上的信息是非常多的，设计人员除了需要确定建筑幕墙的几何尺寸、所用的材料，还需要确定建筑幕墙的抗风压强度、抗震、气密、水密、变形、施工工艺、传热系数等很多信息。如果不确定这些信息，建筑概预算、建筑施工等很多后续的工作就无法进行。而原有的建筑物三维表面模型，无法做到在模型上附加这么多信息。

    随着建筑幕墙工程规模越来越大、建筑幕墙越来越高、建筑幕墙体形越来越复杂，附加在建筑幕墙工程项目上的信息量也越来越大。建筑幕墙工程信息会对整个建筑工程周期乃至整个建筑物生命周期都产生重要的影响。对这些信息利用得好、处理得好，就能够节省工程开支，缩短工期，也可以惠及使用后的维护工作。因此，十分需要在建筑幕墙工程中广泛应用信息技术，快速处理与建筑工程有关的各种信息，合理安排工期，控制好生产成本，尽量消灭建筑幕墙由于设计不当甚至是错误所造成的工程损失以及工期延误。鉴于此，就必须在整个建筑幕墙工程周期乃至整个建筑幕墙生命周期中，实现对信息的全面管理。建筑设计作为建筑工程的龙头专业，也是整个建筑工程信息的源头，在建筑幕墙信息化中肩负十分重要的责任。 BIM——建筑信息模型，为建筑幕墙工程设计领域带来了第二次革命，从二维图纸到三维设计的革命，是一次真正的信息革命。 

    建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)是近两年来出现在建筑界中的一个新名词，其定义为：创建并利用数字模型对项目进行设计、建造及运营管理的过程(见图 1)。

    它的全面应用将提高建筑工程的集成化程度，也为建筑业的发展带来效益，使设计乃至整个工程的质量和效率提高，成本降低，是引领建筑业信息技术走向更高层次的一种新技术。

    建筑信息模型 (BIM)，通过数字信息仿真模拟建筑幕墙所具有的真实信息，不仅仅是几何形状描述的视觉信息，还包含大量的非几何信息，如材料的强度、性能、传热系数，构件的造价、采购信息等。BIM是通过数字化技术，在计算机中建立一个虚拟建筑幕墙，提供了一个单一的、完整一致的、有逻辑的建筑信息库。

    建筑信息模型 (BIM)的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，不仅包含了建筑师和建筑幕墙工程师的设计信息，而且可以容纳从设计到建成使用，甚至是使用周期终结的全过程信息，并且各种信息始终是建立在一个建筑幕墙三维模型数据库中。建筑信息模型 (BIM)可以持续即时地提供项目设计范围、进度以及成本信息，这些信息完整可靠并且完全协调。

    建筑信息模型(BIM)能够在综合数字环境中保持信息不断更新并可提供访问，使建筑师、建筑幕墙工程师、建筑幕墙施工人员以及建筑幕墙业主可以清楚全面地了解项目。这些信息在建筑幕墙设计、施工和管理的过程中能促使加快决策进度、提高决策质量，从而使项目质量提高，收益增加。

    建筑信息模型 (BIM)的应用不仅仅局限于设计阶段，而且贯穿于整个建筑幕墙项目全生命周期的各个阶段：设计、施工和运营管理。BIM电子文件可在参与项目的各建筑行业企业间共享。建筑设计专业可以直接生成三维实体模型；结构专业则可依照此模型进行计算；其他专业可以据此进行建筑能量分析、声学分析、光学分析等；施工单位则可进行备料及下料；发展商则可取其中的造价、门窗类型、工程量等信息进行工程造价总预算、产品订货等；而物业单位也可以此进行可视化物业管理。BIM在整个建筑幕墙行业从上游到下游的各个企业间不断完善，从而实现项目全生命周期的信息化管理，建筑信息模型是数字技术在建筑幕墙工程中的直接应用，可解决建筑幕墙工程在软件中的描述问题，使设计人员和工程技术人员能够对各种建筑幕墙信息做出正确的应对，并为协同工作提供坚实的基础。

    建筑信息模型 (BIM)同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法，这种方法支持建筑幕墙工程的集成管理环境，可以使建筑幕墙工程在其整个进程中显著提高效率和减少风险。

    建筑信息模型(BIM)支持建筑幕墙工程全生命周期的集成管理环境，因此建筑信息模型的结构是一个包含有数据模型和行为模型的复合结构。它除了包含与几何图形及数据有关的数据模型外，还包含与管理有关的行为模型，两相结合通过关联为数据赋予意义，因而可用于模拟真实世界的行为，例如模拟建筑幕墙的结构应力状况、安全状况、传热状况等。

    应用建筑信息模型 (BIM)可以支持建筑幕墙项目各种信息的连续应用及实时应用，这些信息质量高、可靠性强、集成程度高而且完全协调，能提高设计乃至整个工程的质量和效率，显著降低成本。

    应用建筑信息模型(BIM)可以使建筑幕墙工程更快、更省、更精确，各工种配合得更好，同时减少了图纸的出错风险，惠及将来的建筑幕墙的运作、维护和设施管理，节省费用。

    有两种类型的 3D，第一类是 3D几何模型，最典型的就是 3DS MAX模型，其主要作用是对工程项目进行可视化表达；第二类是 BIM 3D或 BIM模型。此外还有一种称之为 3.5D的技术，在 3D几何模型基础上增加有限的对象技术，例如风吹树动或者人员移动等，但不属于 BIM 3D范畴。 

    BIM 3D包含了工程项目所有的几何、物理、功能和性能信息，这些信息一旦建立，不同的项目参与方在项目的不同阶段都可以使用这些信息对建筑物进行各种类型和专业的计算、分析、模拟工作。BIM文献中讨论的 3D除非有特别说明，一般是指 BIM 3D。这样的 3D也叫做虚拟建筑 (Virtual Build-ing)或数字建筑 (Digital Building)。3D的价值可以简单归纳成两句话： 

    (1)做功能好的建筑幕墙：建筑师和幕墙工程师可以直接在 3D上工作，设计过程中不再需要把 3D建筑翻译成 2D进行表达(2D图纸变成了 3D的输出结果之一 )并与业主进行沟通交流，而业主也不再需要通过理解 2D图纸来审核建筑师的方案是否满足了自己的需要。
 

    (2)做没有错的建筑幕墙：综合所有专业的 3D模型，可以非常直观地发现互相之间的不协调，在实际施工开始前解决所有的设计错误。

    4D是 3D加上项目发展的时间，用来研究建筑幕墙可建性 (可施工性)、施工计划安排以及优化任务和工作顺序。4D的价值可归纳为“做没有意外的幕墙施工”。如果我们能够在每周的例会上直接向 BIM模型提问题，然后探讨模拟各种改进方案的可能性，在虚拟建筑中解决需要在现场才能解决的问题，会是一种什么样的情况？ 

5D是基于 BIM 3D的造价控制。工程预算起始于巨量和繁琐的工程量统计，有了 BIM模型信息，工程预算将在整个设计施工的所有变化过程中实现实时和精确计算。随着项目发展及 BIM模型精度的不断提高，工程预算将贴近最后的那个数字。5D的价值用一句话定义就是“做精细化的幕墙预算”。 

    3.4六维(6D) 6D定义为“做性能好的建筑幕墙”。例如建筑幕墙性能分析的一些内容： ①抗风压性能分析及试验模拟； ②抗震性能分析及试验模拟； ③气密分析及试验模拟；④水密性能分析及试验模拟； ⑤热工分析及节能；⑥满足规范要求； ⑦满足社会和业主对低能耗、高性能、可持续建筑的要求。6D应用使得性能分析可以配合建筑方案的细化过程逐步深入，做出真正性能好的建筑。

    参数化设计从实质上讲是一个构件组合设计，建筑信息模型是由无数个虚拟构件拼装而成，其构件设计并不需要采用过多的传统建模语言，如拉伸、旋转等，而是对已经建立好的构件 (称为族)设置相应的参数，并使参数可以调节，进而驱动构件形体发生改变，满足设计的要求。而参数化设计更为重要的是将建筑幕墙构件的各种真实属性通过参数的形式进行模拟，并进行相关数据统计和计算。在建筑信息模型中，建筑幕墙构件并不只是一个虚拟的视觉构件，而是可以模拟除几何形状以外的一些非几何属性，如材料的强度、材料的传热系数、构件的造价、采购信息、重量、受力状况等。

    对参数定义属性的意义在于可以进行各种统计和分析，例如我们常见的材料表统计，在建筑信息模型中是完全自动化的，而参数化更为强大的功能是可以进行结构、经济、节能、疏散等方面的计算和统计，甚至可以进行建造过程的模拟，最终实现虚拟建造。这与犀牛、3D Max等软件中的三维模型是完全不同的概念，用 3D Max建立的模型，墙与梁并没有属性的差别，它们只是建筑师在视觉上假设的墙与梁，这些构件将无法参与到数据统计，也就不具备利用计算机进行各种信息处理的可能性。 

    构件关联性设计是参数化设计的衍生。当建筑幕墙模型中所有构件都是由参数加以控制时，如果将这些参数相互关联起来，那么就实现了关联性设计。换言之，当幕墙工程师修改某个构件，建筑模型将进行自动更新，而且这种更新是相互关联的。例如，遇到修改幕墙分格，在建筑信息模型中，只要修改分格的数值，所有的墙、柱、窗、门都会自动发生改变，因为这些构件的参数都与分格相关联，而且这种改变是三维的，并且是准确和同步的。我们不再需要去分别修改平、立、剖。关联性设计不仅提高了工程师的工作效率，而且解决了长期以来图纸之间的错、漏、缺问题。 

    参数驱动建筑形体设计是指通过定义参数来生成建筑形体的方法，当建筑师改变幕墙的一个参数，形体可以进行自动更新，从而帮助建筑师进行形体研究。参数驱动建筑形体设计仍然可以采用定义构件的方法实现。如果我们要设计一个形体复杂的高层建筑，我们可以将高层建筑的每一层作为一个构件，然后用参数(包含一些简单的函数)对这一层的几何形状进行定义和描述，最后将上下两层之间再用参数关联起来，例如设定上下两层之间的扭转角度，这样就可以通过修改所定义的角度来驱动模型，生成一系列建筑幕墙形体。这种模式对于生成一些有规律但却很复杂的建筑形体是十分有用的。参数驱动建筑形体设计并不是建筑信息模型所独有的技术，犀牛等软件具备同样的功能。但是在建筑信息模型中，形体可以方便地转化成具有真实属性的建筑构件，如给形态附着幕墙，当我们改变参数，形体发生变化的同时，建筑构件也相应同步变化，这就使视觉形体研究与真实的建筑构件关联起来，视觉模型也就转化为真正的 “信息模型”。

    参数化构件亦称“族”，是在 Autodesk Revit Architecture中设计所有建筑构件的基础。它们提供了一个开放的图形式系统，能够自由地构思设计、创建外形。

以往幕墙公司常拿到一堆建筑图、结构图，甚至同时拿到几个版本的建筑图。从平面、立面、剖面、节点开始分析，就算有三维模型也不敢确定是否出自最新的建筑图。

现在用 revit拿到的就是些模型，不用再分建筑和结构，甚至可以直接链接建筑轴线到玻璃线。做投标其实是“简单”地勾出幕墙轮廓，也可根据 revit模型，直接绘制投标图。施工是在投标的基础上深化，加工只是再深化。
 

    随着建筑幕墙工程复杂性的增加，跨学科的合作成为建筑幕墙设计的趋势。在二维 CAD时代，协作设计缺少一个统一的技术平台，但建筑信息模型为传统建筑工种提供了一个良好的技术协作平台。例如，结构工程师改变其柱子的尺寸时，建筑模型中的柱子也会立即更新，而且建筑信息模型还为不同的生产部门，甚至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幕墙施工虚拟，控制施工进度，政务部门可以进行电子审图等。这不仅改变了建筑师、结构工程师、幕墙工程师传统的工作协调模式，而且业主、政府政务部门、制造商、施工企业都可以基于同一个带有三维参数的建筑模型协同工作。 

    建筑幕墙设计需要涉及许多不同的专业，如建筑、结构、材料等。由于 BIM具有承载各种信息的能力，整个建筑相关的信息和一整套设计文档存储在集成数据库中，所有信息都已数字化，完全相互关联。这样就可以在 BIM上构建各个专业协同工作的平台。这不但消除了以前各个专业设计软件互不兼容的现象，还实现了各专业的信息共享。例如设计的修改或变更、施工 计划安排以及施工进度的可视化模拟、各种文档协同管理、施工变更管理等都可以在这个协同工作平台上实现。

    正是 BIM的应用，一种新的建筑幕墙管理思想应运而生，这就是建筑幕墙生命全周期管理 (Building Lifecycle Manage-ment, BLM)。BLM是一种以 BIM为基础的创建、管理、共享信息的数字化方法，能够大大减少资产在建筑物整个生命周期 (从构思到拆除)中的无效行为和各种风险。BLM是建筑工程管理的最佳模式。
 

    BIM技术在发展过程中，吸纳了学术界近年研究的一些成果，融汇入自身之中。例如，开在建筑幕墙上的门和窗，在修改设计时，应当自动地跟着移动或修改，这些功能已在 BIM软件上实现。 

    BLM是“Building Lifecycle Management”的缩写，中文名称“建设工程生命周期管理”。实际上， BLM应该是 BLIM (Building Lifecycle Information Management)，建设工程生命周期信息管理。

    建筑幕墙工程建设项目的生命周期主要由两个过程组成：第一是信息过程，第二是物质过程。施工开始以前的项目策划、设计、招投标的主要工作就是信息的生产、处理、传递和应用；施工阶段的工作重点虽然是物质生产 (把幕墙建造起来)，但是其物质生产的指导思想却是信息 (施工阶段以前产生的施工图及相关资料)，同时伴随施工过程还在不断生产新的信息(材料、设备的明细资料等)；使用阶段实际上也是一个信息指导物质使用(清洗维修保养等)过程。 

    初级阶段：即目前 BIM应用的初始阶段，以传统项目流程为主，BIM服务为辅。此阶段的 BIM应用可以根据项目的实际情况选择其中任何一项或几项来进行。例如某个项目只采用 BIM设计服务，或者采用 BIM设计和招标服务等，不管如何选择， BIM服务的采用与否基本上不改变项目 “设计 -招标 -施工 -运营”的传统流程。此时 BIM服务的主要工作是通过 BIM的 3D、4D、5D等应用，对设计、招标、施工和运营计划和实施过程进行可视化、分析、模拟、优化、跟踪、记录等工作，并最终形成项目的 BIM竣工模型和 BIM运营模型(见图 2)。

    图 3 BIM完全融入项目流程示意图进入高级阶段以后，BIM已经成为项目设计、施工、运营的日常工具，基于 BIM的项目流程的技术、经济、法律问题已经具备相应的解决方案，此时 BIM服务的主要工作将转向对项目参与各方提供的 BIM模型和数据的合理性、正确性、一致性、完整性等的审核和项目完整信息的集成。

目前中国幕墙行业处于 BIM应用初级阶段的入口，如果不跨入并经过初级阶段，就永远没有可能到达高级阶段。

    在瞬息万变的信息时代，我们需要转变固有的设计思维模式，从传统的二维设计走向三维信息化设计，让计算机成为真正的设计工具，把计算机辅助设计提升到新阶段、新水平。这是提高设计师和建筑师素质、转变设计方式的实践。BIM技术作为继 CAD(计算机辅助设计)技术后出现的建设领域的又一重要的计算机应用技术，在一些发达国家已经得到了迅速发展和应用，美国 60%建筑设计及施工企业应用 BIM。在我国，世博文化中心、国家电力馆、德国馆等多个世博场馆对 BIM的应用使其声名鹊起。不过就 BIM的应用广度和深度而言，BIM在中国的应用刚刚开始。全国建筑业有 2000多个设计院，但能够应用 BIM技术进行设计的 100个都不到，建筑施工企业和幕墙企业目前应用 BIM的更是微乎其微。

    作为国民经济支柱的建筑行业，由于粗放式的管理模式和典型的劳动密集型特征，属于国民经济中的低利行业，很难有资本积累和积聚发展的能力。除了行业内竞争和设计技术原因之外，相对落后的管理模式很大程度上挤压了建筑施工企业的利润率水平。作为施工企业的利润之源，项目是整个企业生存的根基，由于项目管理能力欠缺，绝大多数施工企业不能有效地对项目的利润进行管理，很难从招投标、采购、人员管理等与利润直接相关的环节进行统一管控，究其原因， BIM的应用与发达国家的巨大差距是重要原因之一。

为彻底改变建筑行业信息化水平不高的现状，并推动一批拥有特级资质的建筑企业成为科技含量高、融资能力强、管理水平高、信息化程度高的龙头企业，不仅能与国际企业在本土竞争，而且能走出去参与国际竞争，建筑施工企业和中国建筑幕墙企业应尽快推行 BIM，全方位提升我国建筑幕墙行业管理水平和技术水平。