在过去的20年里，计算机辅助设计工具一直用于创建二维和三维建筑图片、建筑效果。在这些平面图形中，建筑物是通过直线、曲线、圆弧等抽象图形组合来描绘图形。三维图形是对平面图形的拉伸成像，如SketchUp，或通过键入坐标创建三维模型，如3DMax，但这些建模软件仅帮助我们呈现三维图形而已，不包含柱、墙体等建筑基本组件信息，因此不具备可视化图形外的任何意义。但随着面向对象技术的出现，一些CAD软件在建立建筑对象的基础上，采用了智能化的建筑构建技术，出现建筑信息模型的概念，即BIM。

（一）BIM的概念和内涵

BIM思想源于20世纪70年代，BIM的概念借鉴制造业的产品模型定义（Product Model Definition）。之后查尔斯·伊斯曼（Charles Eastman）、杰里·莱瑟林（Jerry Laiserin）［9］及麦克格雷·希尔（McGraw－Hill）建筑信息公司［10］等都对其概念进行了定义，目前相对较完整的是美国国家BIM标准（National Building Information Modeling Standard，NBIMS）的定义：“BIM是设施物理和功能特性的数字表达；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寿命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责的协同工作”［11］。自BIM产生以来，与其相关的研究及应用不断加强［12］［13］，BIM的出现正在改变项目参与各方的协作方式。

（二）制造业信息化过程对BIM发展的启示

要实现信息化的高级目标，在合适的时间把合适的信息给合适的人，实现企业内不同部门、不同专业以及产业链不同企业间的相关信息共享，需借鉴制造业产品数据管理技术（PDM）并开发适合建筑自身的技术。

在制造业中，产品数据是对产品对象的几何形状、拓扑关系、制造约束、基本属性及标准化信息等进行描述和定义，在传统建筑设计中，复杂系统是通过图形元素来表示的，计算机并不了解产品数据的基本关系、拓扑和功能［14］。

表5－2　制造业与建筑业信息技术应用对比

综上所述，在信息技术的应用方面，制造业处于上述几种技术都比较成熟的普及应用阶段，建筑业目前还刚刚处在BIM技术探索应用的初期，只有方案设计和CAD应用比较成熟，而对应制造业的PLM、BLM技术则基本上还是一片空白（表5－2）。

无论是何种建造方式，建筑业信息技术升级的核心都是基于图形的工作方式向基于模型的工作方式的转变。“产品”本身都是三维物理存在，而图形只是这个三维物理存在全部或部分的某种形式投影的抽象表达，只有模型可以把这个三维物理存在完整、准确地描述出来。制造业实现这一模式的转变花了10年左右的时间，建筑业至少得有15年的时间才能完成这一模式的转变［15］。

（三）BIM国内外应用

BIM应用始于美国，2008年底，Building SMART联盟（Building SMART Alliance，BSA）已拥有IFC（Industry Foundation Classes）标准、NBIMS、美国国家CAD标准（United States National CAD Standard）以及BIM杂志（Journal of Building Information Modeling，JBIM）等一系列应用标准。2009年，美国威斯康星州成为第一个要求州内新建大型公共建筑项目使用BIM的州政府。俄亥俄州政府颁布BIM协议，日本的国土交通省宣布推行BIM技术。目前日本BIM应用已扩展到全国范围，并上升到政府推进的层面［16］。欧洲、韩国也已有多家政府机关致力于BIM应用标准的制定［17］［18］。

我国工程建设行业从2003年开始引进BIM技术，Autodesk也正式推出基于BIM的Autodesk Revit Architecture 2010、Revit Structure 2010、Revit MEP 2010、AutoCAD Civil 3D2010以及Autodesk Navisworks 2010等软件。还有一些设计软件供应商如Bentley Systems、Graphisoft、Vector Works和Gehry Technologies都提供了基于BIM的软件系统。但严格来说只是针对设计特定的BIM，是建筑设计模型（Architectural Design Model），更适合建筑设计师而不是业主方［8］，现阶段BIM的使用以设计单位为主。

从全球的视角来看，BIM的应用已成主流［19］。就应用广度和深度而言，BIM在中国的应用还只是刚刚开始，但会深入建筑行业各个领域，未来BIM也逐步将视角从设计信息转向全生命周期信息。

（四）BIM的信息内容

GSA（General Services Administration）对BIM的定义是BIM是一个基于数据库的3D参数模型，模型或相关文档的任何改变都会使每个地方自动更新和协调。如在Autodesk公司的Revit Architecture三维参数化的设计软件中，所有模型信息存储在一个协同数据库中。信息的修订与更改会自动在模型中更新，极大地减少错误与疏漏，如窗构件会随着墙体组件的改变而做出反应。

模型图元：包括主体图元和构件图元，主体图元是指系统内建的建筑构件，例如墙体、楼板、屋顶、顶棚和楼梯等。构件图元，例如门、窗和家具等［6］。通过参数值来修改图元，在Revit Architecture当中称之为参数化。参数化是BIM软件与2D图形的最大区别。

在族当中体现更多的参数化设计内容。每个图元都是由族构成的。以窗为例，通过修改实例属性，图元发生更改，更改类型属性，同一个族的类型都会发生变化。通过族参数可以驱动图元的尺寸、位置和相对关系。在Revit Architecture中还可以使用嵌套族，使用嵌套族可以将几个族模型组合成复杂的族。强大的族功能可以在工业化建造模型中发挥作用。

视图图元：Revit Architecture中的视图与Autodesk的视图并不相同，视图是项目模型在各个方向的投影和显示规则。Revit Architecture中的视图包含楼层平面、立面、剖面、详图、图纸、三维视图、明细表。视图和图纸并不等同，视图区域显示三维模型、图纸等。

明细表与建筑图元是实时相互关联的。在施工图设计中我们需要明细表的统计，如门的统计表和窗的统计表等，使用明细表统计项目中构件的信息。明细表在项目样板中是默认提供的，自动根据项目模型中的设计来统计项目中所有门的信息。使用明细表工具除了统计项目中各个图元对象的数量之外，还可以根据图元的类别来提取材质，创建构件材质明细表，实现材料量算。Revit Architecture还可以根据工程进度设置工程阶段，在Revit Architecture中可以对图元赋予阶段信息。

注释图元：包括基准图元和注释图元，前者用于创建项目的非实物环境，如标高、柱轴网和参照平面。注释是二维特定的视图图元，用于制作文本［6］。

此外，Revit Architecture提供了管理链接模型的功能，可以实现将其他专业的模型引入当前工作环境中来，实现协同设计。

利用Revit Architecture平台可以实现三维的协同设计。以项目审查者的角色，如总工或项目负责人，协调各个专业之间的内容。设计者可以查看MEP管道模型的属性，但不能做出修改。建筑、结构、设备专业模型相互链接，可检查设备专业的管道是否与结构专业的结构柱发生碰撞，利用协作选项卡中碰撞检查工具，自动弹出碰撞报告，在模型中亮显，帮助我们检查冲突。还可以导出html文件格式的冲突报告。注释面板云线批注工具，将发生干涉的位置指出，并显示提资批次。建筑师、结构师或设备师根据文件做出相应修改。最后管理者可以重新载入文件查看修改后的结果。这样可以避免各专业发生错落碰缺的状况，同时也可以利用云线工具留下修改痕迹，这样对项目质量控制是非常有益处的。(www.daowen.com)

在参数建模技术中，族功能，行为模型（变更管理），基于族参数的门窗、房间、设备统计表，以及基于Revit Architecture平台的协同工作，都将很好地帮助我们实现工业化住宅产品的虚拟建造以及成本控制等管理，且动态捕获和协调建筑信息，建立面向“下游顾客”的数据模型和描述信息。

（五）BIM的信息集成基础

BIM的核心是产品信息，包括几何信息和拓扑信息。即：关于建筑形式和各装配组件几何联系的综合信息；有关组成装配组件的单个部件几何信息；有关装配组件的图形和非图形特征的综合信息；有关不同部件和装配组件逻辑联系的综合信息等［20］［21］。

BIM帮助我们实现工作方式的转变，使用者可以自由选择智能化2D或3D工作流。目前主流CAD软件供应商采用了不同的BIM实现方式［22］。如Bentley Systems（包括Bentley Architecture，Bentley Structures，Bentley HVAC）允许使用原有的CAD文件，DWG和IFC都支持。其中Bentley Architecture是基于Bentley BIM技术的建筑设计系统，能够自动协调3D模型与2D施工图纸，产生报表，并提供建筑表现、工程模拟等进一步的工程应用环境［23］。通过创建BIM模型，将建筑设计流程中生成的各种散落在不同阶段和位置的工程信息内容以唯一正确性的方式进行统筹管理［24］。以下是BIM软件特性对比（表5－3）。

表5－3　BIM软件特性对比

目前，除了BIM作为设计协同工具以外，存在很多专注某一方面的数据模型或应用程序。如普遍应用的SketchUp建模软件，设计协同模型（如通过Navisworks进行多种设计信息资源的收集）、施工计划和施工组织模型（如Graphisoft's Virtual Construction）、成本模式（如Timberline）等，这些模型软件应用已然十分成熟。这就要求提供可以实现这些模型数据交换的标准格式，以达到数据共享的目的。

BIM的互操作标准有CAD、STEP、IFC和XML语言格式等。其中IFC标准是国际协同联盟（International Alliance for Interoperability，IAI）建立的标准名称。作为数据模型标准，IFC模型不仅仅包括那些看得见、摸得着的建筑元素（比如梁、板、柱等），也包括了抽象概念（计划、空间、组织、造价等）。最新的IFC标准包含了以下九个建筑领域：建筑、结构分析、结构构件、电气、施工管理、物业管理、暖通、建筑控制、管道及消防。除此之外，IFC下一代标准正扩充到施工图审批系统、GIS系统等等［25］。如图5－3所示，从文件交换格式和文件交付格式两张统计图里面可以得出这样一个结论：报告涉及的28种标准指南文件交换主要靠IFC［26］。IFC标准作为BIM共享及交换标准，为国际公认并广泛应用。

图5－3　文件交换格式与交付文件格式统计表［27］

图片来源：http：／／blog.sina.com.cn／s／blog＿620be62e0102w5ck.html

（六）工业化住宅产品的信息集成——BIM

当前建筑设计专业有一些3D方案设计软件，但工程的深化设计不能在统一设计环境中进行，必须转换工程工具完成施工图设计，效果图又必须脱离平面绘图重新建模渲染，消耗了很多重复的时间和精力。这一纯粹以视觉图面为导向的“外壳表皮”的建模方式，无法满足工业化住宅产品数字化建造以及工业化生产的技术需求。BIM是工业化住宅建造过程中最重要的技术支撑手段。

BIM未来所带来的收益是可观的，而BIM最大的受益者是业主，能帮助业主更好地做出决策，控制投资。但是目前由于业主缺乏对BIM的专业知识，不会进行BIM的管理工作，所以推行BIM的意愿不强烈。有两种方法可以有效帮助业主解决管理上的问题。一种方法是建立BIM管理师（BIM Master），可以由外部业主人员或外部资源担任，他们是集成的BIM管理和维护专业人员。另一种方法是借鉴项目内联网的引进，即采用专业化的第三方来进行管理［6］。

BIM也给总承包商带来益处，包括：更好地协同工作；精确计划；很好地获取资源；快速准确获得项目基础数据；减少资源、物流和仓储的浪费；能打开新市场；预测成本等。

对设计单位而言，BIM对产品设计要求更高，工业化住宅产品的出图不仅包括普通的平、立、剖、效果图等，还有构件加工图、装配节点图等。设计人员转为产品开发者，对设计者更高的要求是具备一定软件开发技术基础。

BIM也给总装企业带来益处，可以虚拟施工，三维可视化加上时间维度，随时跟进装配计划与实际进度实现动态管理，改变传统质量人员目测、实测等方法，质量信息可直接挂到BIM上，通过BIM结合施工模拟和现场监控，让质量问题在各个层面实现高效流转，取代传统查找相关图纸和资料带来的不便，保证质量可控，减少质量问题、安全问题和减少返工。

BIM应用的不利条件：对硬件条件要求较高。业主、总承包商、设计师很少或不愿意运用这类软件，接受度较低。软件本身还未开发成熟。很难雇佣到有经验的员工。公司意愿不强没有相应的培训辅导，导致BIM人才的培养环境缺失。尽管社会上有一批培训机构，但培训者自身也是新手，没有一套完整的基于模型的工作方法，因此被人们接受还需很长一段时间。其次，硬件条件、软件不成熟。对于建筑从业人员只需提出需求，本身的实现需要依靠软件从业人员，而建筑设计人员必须不断学习BIM相关软件操作。

表5－4　BIM成果交付方式的优缺点

表格来源：http：／／blog.sina.com.cn／s／blog－620be62e0102w5ck.htm1

尽管BIM已经应用于不小规模的工程实践，也实现了一定的价值和效益，但到现在为止还没有找到一种方式能够把BIM应用成果同时以信息完整而又方便后续使用为目标实现交付的，目前能够交付的要么只有部分成果，要么使用起来非常不方便，因此很难说这样的交付是合格的（表5－4）。更加不幸的是，目前还看不出能短期解决这种现状的可能，尽管为此而努力的软件厂商和软件产品不在少数。也就是说，整个行业还要在相当长时间内以这种交付现状继续进行BIM应用［15］。

此外，BIM的应用还应解决以下问题：定义专业化服务内容和设计过程、数字化信息的拥有和控制权、模型信息的修改控制规则、己完成建设项目和模型的一致性、与并行设计施工有关的其他团队的权利关系，以及业主投资所带来的风险和风险的分配等［14］［28］。