土木工程专业BIM技术知识体系和课程架构.pdf

第 4 4 ? 期2 0 年 1 。月 建 筑 技 术 91 Vo l No 1 0 Oc t 2 0 1 3 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 3 4 4 土木工程专业B I M技术知识体系和课程架构 刘照球 ，李云贵2 ( 1 盐城工学院土木工程学院， 2 2 4 0 5 1 ， 江苏盐城； 2 中国建筑科学研究院， 1 0 0 0 1 3 ， 北京) 摘要： B I M作为涵盖工程生命周期的数据信息模型处理过程， 不是某个软件的代表， 也不能采用选择某一 种软件的教学来演示其使用方法。通过对B I M出现背景、 基本概念和内涵、 数据模型格式等知识进行阐述 ， 并分 析B I M与传统C A D 技术的关系， 介绍了土木工程专业B I M技术知识体系。B I M 课程架构可分为理论和案例两个部 分 理论中着重对多维数据信息模型、 信息集成、 协同工作 、 可视化等技术进行细致讲解， 案例可通过对支持B I M 不同阶段的各种设计软件、 B I M工程应用等内容的讲解以及B I M讲座来实现。 关键词 ： 土木工程专业； B I M 技术 ； 知识体系； 课程架构 中图分类号 ： T U1 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 7 2 6 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 9 1 3 0 4 KNOW LEDGE HI ERARCHY AND CURRI CULUM FRAM EW ORK OF BI M TECHNOLOGY FOR CI L ENGI NEERI NG S PECI ALTY L I U Zha o -q i u ，LI Yu n -g ui ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，Y a n c h e n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，2 2 4 0 5 1 ，Ya n e h e n g ， J i a n g s u ，C h i n a ； 2 C h i n a Ac a d e my o f B u i l d i n g R e s e a r c h ，1 0 0 0 1 3 ， B e i j i n g ， C h i n a ) A b s t r a c t ：As a d a t a i n f o r ma t i o n mo d e l t r e a t me n t p r o c e s s c o v e ri n g t h e w h o l e s e r v i c e l i f e o f a p r o j e c t B I M i s n o t a r e p r e s e n t a t i v e o f a c e r t a i n p i e c e o f s o f t wa r e ，a n d i t s a p p l i c a t i o n c a n n o t b e d e mo n s t r a t e d b y t e a c h i n g t h e 印 p l i c a t i o n o f a s i n g l e p i e c e o f s o f t wa r e BI M t e c h n i q u e k n o w l e d g e s y s t e m i n c i v i l e n g i n e e rin g i s i n t r o d u c e d t h r o u g h d e s c rip t i o n o f d e v e l o p me n t b a c k g r o u n d o f BI M t e c h n i q u e ，b a s i c c o n c e p t a n d c o n n o t a t i o n ， s t r u c t u r e o f d a t a mo d e l ，a s we l l a s a n a l y s i s o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n BI M t e c h n i q u e a n d t r a d i t i o n a l C AD t e c h n i q u e T h e s t ruc t u r e o f BI M c o u r s e ma y b e d i v i d e d i n t o t wo p a r t s ，i n c l u d i n g t h e o r e t i c a l p a r t a n d c a s e p a r t Th e t h e o r e t i c al p a r t c o n t a i n s d e t a i l s a b o u t mu l t i d i me n s i o n a l d a t a i nfo rm a t i o n mo d e l ，i nfo rm a t i o n i n t e gra t i o n ，c o l l a b o r a t i v e wo r k i n g a n d v i s u ali z a t i o n t e c h n i q u e s ；t h e c a s e pa rt c o v e r s e x p l a n a t i o n s f o r v a r i o u s d e s i g n s o f t ware s u p p o rti n g d i f f e r e n t BI M s t a g e s ，BI M e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n，a s we l l a s BI M l e c t u r e s Ke y wo r d s ：c i v i l e n g i n e e rin g s p e c i a l t y ；BI M t e c h n o l o g y ；k n o w l e d g e h i e r a r c h y ；c u r r i c u l u m f r a me wo r k B I M 技术陕速发展和广泛工程应用的现实，使得 土木工程专业本科培养中计算机辅助设计教学须快速 体现这种转变。 不仅局限于传统C A D 技术的教学， 还要 逐步融入针对B I M 技术及其支撑理论的教学。 B I M 技术 不是C AD 的更新和完善 ， 也不是基于C A D的质的飞跃 ， 而是一种完全不同于C AD 的全新设计理念和方法 。目 前 ，土木工程专业本科培养 中尚无一本关于B I M的成 熟教材， 而B I M 技术的应用在工程领域已如火如荼。 因 此， 如何实现B I M 课程的教学和怎样进行B I M 课程的教 学是亟待解决的关键问题。 1 B I M基本知识 1 1 B I M 出现背景 自2 0 世纪9 0 年代以来， 工程领域在规划、 设计和施 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 3 0 基金项目： 国家科技支撑计划重点项 目( 2 0 0 6 B A J 0 1 B 0 7 0 3 ) 作者简介： 刘照球( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 江苏邳州人， 副教授， 博士， 主要研究方 向 为 B I M在 工 程 设 计 中 的 应 用 、 工 程 抗 震 与 防 灾 ，e - -ma i l ： z h a o q i u l i u s i n a C O I T I 工等阶段广泛应用C A D 技术 ，应用系统 的开发均基于 几何数据模型，主要通过图形信息交换格式进行数据 交流。 这种几何信息集成即使得以实现， 所能传递和共 享的也仅为工程的几何数据信息， 相关勘探 、 结构、 材 料以及施工等工程信息仍无法直接交流，也无法实现 设计、 施工及管理等一体化。 而且各阶段应用系统基本 还是基于静态的二维图形环境或文本操作平台，设计 结果和信息表达主要是二维图形与表格。由于缺乏统 一 的信息交换标准和集成的协同工作平台，工程建造 过程中各参与专业间无法实现高效合作。经常造成不 同阶段不同应用系统间数据信息交换和共享困难， 从 而导致信息孤岛或信息断层现象发生。B I M 适时出现 为解决上述问题带来希望， B I M 技术可为工程项 目的 规划、 设计、 施工和造价等提供连续、 实时、 可靠、 集成 一 致的信息， 可使工程建造周期缩短( 节省时间) ， 降低 建造成本( 节省投资) ， 提高工作效率和质量， 带来新的 商机和收入等。 9 1 4 建筑技术 第 4 4 卷第 1 0 期 1 2 B I M 内涵 B I M 概念的核心是用一个数据库作为存放工程几 何、 非几何数据的唯一知识库， 使得工程规划、 设计、 施 工及管理阶段的相关人员都能从中获取所需的数据， 并且是连续、 即时、 可靠、 一致的数据。 B I M 是对工程物 理和功能特眭的数字式表达， 从工程诞生开始， 为其整 个生命周期提供可信赖的信息共享的知识资源。B I M 标准数据模型基于I F C 格式， 是为土木工程建造过程中 的不同参与者( 比如建筑师、 结构9 币 、 建造师等) 之间提 供相互协作标准， 方便对数据信息进行更新或修改等 处理。 可从以下4 个方面来理解B I M： ( 1 ) 一种多维数据 信息模型，这是最容易理解的角度， 把B I M 作为工程数 据的智能数字表达， 由B I M工具建立和整合工程生命 周期的所有数据信息； ( 2 ) 一种协同工作过程 ， 覆盖工 程全生命周期过程， 使用开放的数据模型标准( I F C 格 式) ， 保证不同阶段不同专业间的协同工作； ( 3 ) 一种 信息模型集成工具， 不同专业不同阶段的子模型通过 集成技术形成统一模型， 实现信息的交换和共享； ( 4 ) - f 可视化设计和分析技术 ， 具有强大的可视化展示 及分析功能， 可清晰分析设计和施工过程中可能产生 的问题 ， 比如规范协调检查 、 碰撞分析 、 施工过程预 监 测等 。 在将B I M 理解为多维数据信息模型时，表达工程 信息的模型有不同形式 ， 包括 ： ( 1 ) 整个工程和某个单 元形状的3 D 几何模型； ( 2 )由时间和几何维度组合而 成的4 D 模型； ( 3 ) 表达工程价值( 在某时间点或全生命 周期) 的5 D 成本模型； ( 4 ) 成本模型与其他维度所形成 的6 D、 7 D 直至n D 模型。 I F C 格式是当前B I M 数据模型所采用的主要标准， I F C 是国际互协作组织I A I 于1 9 9 7 年初开发的工程信息 表达和交换标准， I F C 为土木建筑业提供了一种通用的 数据模型表达格式。B I M 标准数据模型采用I F C 格式， 为实现不同专业或不同软件之间数据信息的有效交换 和共享提供了基础， 图1 为B I M 标准的最终目标。 2 B I M与C AD的关 系 B I M 和C A D 从某种意义上讲是代表两个不同的设 计时代， C A D 代表过去的2 0 年和现在的年代， B I M 代表 现在和未来的年代。 图2 表达了C A D 技术、 面向对象C A D 技术、 参数化 建筑模型技术在不同发展程度( 横轴) 上所达到的总体 有效性( 纵轴) ， 其中水平虚线所表达的最小效应值可 图 1 B I M标准最终 目标 恰当地定义为B I M 技术所包含的特征。图2 中B I M 起始 端附近的下方( 虚线的下方) 是传统的C A D 技术， 在传 统C A D 线上方显示的是B I M 技术有效生 逐渐增长的 程度。 不同技术发展程度 图2 C A D 和 B I M发展程度及总体效应 总结B I M H C A D 的主要区别如下。 ( 1 )B I M 具有参数化建模特征，以工程的基本单 元( 比如梁、 柱、 墙、 板等) 为对象通过参数的形式进行 表达 ， 既包括几何信息， 又包括非几何信息， 诸如材料、 造价及设备信息等； C A D 不具备这种功能， 仅表达基本 单元的几何信息， 而几何信息仅通过点、 线、 面等几何 总体效应 2 0 1 3 年 1 0 月 刘照球。 等 ： 土木工程专_ IJ L B I M 技术知识体系和课程架构 9 1 5 元素表达。简单概括，即B I M的建模方式是 “ 组装” ， C A D 更多是“ 绘制” 。 ( 2 )B I M 具有关联f生特征 ，模型中某个单元 ( 构 件) 信息发生变化， 其他与其关联部位的信息自动进行 更新； 而C A D 不具备这种功能， 需逐一对关联的部位进 行修改。 ( 3 )B I M涵盖工程整个生命周期数据信息 ，使不 同阶段不同专业间信息的共享高度统一； C A D 只能针 对不同阶段不同专业分别建立模型，各模型间的联系 只能靠人工进行。 ( 4 )C A D 可建立3 D 模型， 但一个单独3 D 模型并不 能称为B I M， 而B I M也不仅是3 D 形状表达， 可以是4 D 、 5 D、 6 D甚至n D。 ( 5 )B I M 不代表某个软件 ，往往是多个软件协同 工作的结果， 所以才要有集成技术框架支持B I M； C A D 技术可用某个软件代表， 比如A u t o c A D 。 由于C A D 技术已深入人心 ，当前使用B I M技术的 工程或多或少夹杂着C A D 技术， I B I M 技术尚处于强 劲的发展阶段。美国N B I M S( N a t i o n a l B u i l d i n g I n f o r m a t i o n Mo d e l S t a n d a r d ) 标准提供了一套衡量应用B I M 到什么程度的工具， 称为B I M 成熟度模型。 可通过l 1 个 指标判断一个B I M 产品或B I M 应用达到了什么样的程 度 ， 这1 1 个指标包括 ： 数据丰富性、 生命周期、 变更管 理、 角色或专业、 业务流程、 及时性 响应、 提交方法、 图 形信息、 空间能力、 信息精确度、 协作性 支持I F C 程度。 3 B I M课程架构 由于在本科教学中， 无合适的B I M教材作为指导， 要求教师须具备广博的B I M 知识， 教案的设计要合理， 资料来源要丰富 ， 内容也要贴合学生实际。 笔者通过教 学实践总结B I M 课程架构可分为两大部分， 即理论( 原 理) 课程教学和案例课程教学。 3 1 B I M理论教学架构 就理论教学内容而言， 要讲清楚B I M的概念、 模型 格式、 支撑技术、 协同设计原理及可视化技术等B I M 理 论知识， 以下几点教学内容和教学顺序可作为参考。 3 1 1 B I M基本概念 ( 1 )结合C A D 技术的特点和其局限性，讲解B I M 出现的大背景。 ( 2 )讲授B I M的概念和特征 ，发展历程和前景 ， B I M 与C A D 技术的本质区别等。 ( 3 )讲解B I M 的作用和当前主要的应用领域。 3 1 2 B I M数据信息模型 ( 1 )结合I A I 组织的来历和其发展宗旨讲解I F C 的 基本概念和空间框架。 ( 2 )由于I F C 是基于S T E P 的一个工业基础类 ， 需 向学生S T E P 的一些知识。 ( 3 )结合S T E P 的语言表达规范讲解I F C 采用的 E XP R E S S 语言知识。 ( 4 )通过工程实例剖析E x P R E S S 和E x P R E s S G 图的表达格式。 ( 5 )通过工程基本单元( 比如梁、 柱、 墙等) 的I F C 中J洼文件表达剖析其模型空间层次、符号意义和表达 规则。 3 1 3 协 同工作技 术 ( 1 )讲解协同工作的概念和目标、协同技术的发 展概况。 ( 2 )结合图示向学生具体讲解协同设计的初级、 中级、 高级三种工作模式。 ( 3 )讲解企业内部的狭义协同和不同企业间的广 义协同的联系和区别，异步协同和同步协同的概念和 区别 。 ( 4 )讲解B I M支持协同工作的过程。 3 1 4 数据信息集成技 术 ( 1 )讲解信息集成的概念。 ( 2 )结合图示向学生讲解信息集成的发展过程和 集成方法。 ( 3 )讲解组织集成和过程集成的模式。 ( 4 )讲授B I M生命周期各阶段信息流的积累过程 以及B I M的信息集成平台技术等知识。 3 1 5 可视 化技 术 ( 1 )讲解B I M数字模型实现可视化设计和管理的 原理 。 ( 2 )讲解3 D 模型与时间结合形成的4 D 设计和施 工实时模拟概念， 碰撞检查、 规范协调、 节能设计、 日照 分析模拟等技术。 ( 3 )讲解4 D 实时模型与工程成本相结合形成的 5 D工程成本控制。 ( 4 )讲解n D 的概念，诸如工程的空气流动分析、 区域景观布局分析、 建筑群的噪声分析、 生产车间的热 工分析等。 3 2 Bi n案例教 学架构 依据当前B I M的主要应用领域，结合学生就业的 实际，案例教学思路可通过对支持B I M的各种设计软 件的介绍，并辅助实际工程B I M应用的案例以及学术 讲座来满足学生的要求。以下教学内容和思路可作为 参考。 ( 1 )讲解当前支持B I M的各类设计软件，比如针 9 1 6 建筑技术 第 4 4卷第 1 0期 对B I M 建模软件A u t o d e s k 公司的R e v it 软件、 B e n tl e y 公司 的A r c h i t e c t u r e 软件 、 G r a p h i s o f t 公 司的A r c h i C A D软件 、 P K P M 系列软件的教学演示。 ( 2 )讲解B I M 在建筑结构设计中的应用，工程案 例如墨尔本 的E u r e k a 大厦 ， 北京水立方工程 ， 在建的上 海中心等。 ( 3 )讲解B I M在施工和管理中的应用 ，可选择 G r a p h i s o f t 公司的V i r t u a l C o n s t r u c t i o n ( 虚拟施工 ) 软件 的4 D 或5 D 施工和管理模拟 。 ( 4 )讲解B I M 在建筑节能中的应用，可选择美国 A r c h i t e c t u r a l R e s o u r c e s 公司的皇后社区精神病服务中 心为节能设计案例进行演示教学。 ( 5 )讲解B I M 在建筑生命周期管理中的应用， 比 如讲授运用B I M技术如何提高建 筑使用性能和防范 自 然灾害、 促进建筑生命周期成本控制和评估等内容。 ( 6 )邀请业内著名学者针对实际工程的B I M 案例 学术讲座 ， 作为学生B I M课程 的必修环节。 4结语 笔者在实际教学和讲座中发现，绝大多数本科学 生对B I M的知识知之甚少。 由于B I M 理论和工程应用的 快速发展， 在土木工程专业本科中开展B I M 课程教学， 使学生了解B I M的一般知识已迫在眉睫 。 B I M是复杂的多维数据信息模型、 信息集成 、 协同 工作以及可视化等理论和技术的综合体。因此， B I M 课 程教学不能照搬传统C A D 的教学模式，它既不是某个 设计软件所能代表的， 也不是某种技术所能代表的。 B I M 课程实际讲解中可采用理论和案例相结合的 模式， 教学过程中需详解B I M的基础理论 ， 使学生理解 B I M的内涵后， 再通过支持B I M不同阶段的设计软件和 工程案例以及学术讲座演示B I M的工程应用，培养学 生的B I M意识 ， 为未来从事B I M相关工作奠定基础。 参考文献 1 任爱珠， 张建平土木工程C A I M I 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 6 【 2 】 李云贵- 力 口 速I T 技术应用、 改造和提升传统的建筑业 J 】 _土木工程学 报 ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 1 9 1 2 5 3 】 葛松培 建筑信息技术新发展从B I M 和I F c 谈起 D 】 北京： 清华 大学 2 0 0 5 【 4 】 龙文志 建筑业应尽快推行建筑信息模型( B I M) 技术 J 建筑技术， 2 0 1 1 , 4 2 ( 1 ) ： 9 - 1 4 5 】 龙文志建筑业应尽快推行建筑信息模型( B I M) 技术( 续完) J 1 建筑 技术 2 0 1 1 , 4 2 ( 2 ) ： 1 0 2 1 0 7 【 6 刘文鹏， 叶英华， 沈孛 B I M 技术在混凝土结构耐久性评估中的应用 J J 建筑技术 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 1 ) ： 7 9 8 2 7 】 刘照球 基于I F C 标准建筑结构信息模型研究【 D 上海 ： 同济大学， 2 01 0 8 】 张建平 ， 马智亮 ， 任爱珠 ， 等 信息化土木工程设计A u t ode s k C i v i l 3 D M 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 5 9 】 Ma h mo u d Ha ff a w y ，T h o ma s F r o e s e C o m p o n e n t B a s e d F r a me w o r k f o r I mp l e me n t i n g I n t e g r a t e d E C P r o j e c t S y s t e ms 【 J 1 如u ma l o f C o mp u t i n g i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， A S C E ，2 0 0 7 ，2 1 ( 6 ) ： 4 4 1 - 4 5 2 1 0 R i c h a r d S e e B u i l d in g I n f o r m a t i o n Mo d e l s a n d Mo d e l V i e w s J 】 J o u r n a l o f B u i l d i n g I n f o rm a t i o n Mo d e l i n g (J B I M) 2 0 0 7 F al l ：2 0 2 5 【 1 1 】 何关培 实现B I M 价值的三大支柱I F C I D M I F D J 土木建筑工程信 息技术 ， 2 0 1 1 ， 3 ( 1 ) ： 1 0 8 1 1 6 【 1 2 】T a me r a L Mc C u e n ， P a t ri c k C S u e r m a n n ， and Ma t t h e w J K r o g u l e e k i E v a l u a t i n g A w ard - Wi n n i n g B I M P r o j e c t s U s i n g t h e Na t i o n al Bu i l d i n g I nfo r ma t io n Mod e l S t a n d ard C a p a b i l i t y Ma t u ri t y Mode l J J o u rnal of Ma n a g e me n t i n E n g i n e e r i n g ，2 0 1 2 ，2 7 (2 ) ： 2 2 4 - 2 3 0 1 3 张洋基于B I M的建筑工程信息集成与管理研究 ： 【 D 北京： 清华大 学 ， 2 0 0 9