建设项目信息集成模型与支撑技术标准.pdf

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1、建设项目信息集成模型与支撑技术标准杨?娟,张?星(东南大学建设与房地产研究所,江苏 南京?210096)摘要 在分析建筑业低效率原因的基础上,提出效率提高的重点是实现建设项目全生命周期信息集成化管理。建筑信息模型理念的出现改变了建筑信息的创建过程,实现了从图形化到建筑信息模型化的转变,在建筑信息模型基础上发展的 nD 模型将进一步实现多专业、多过程和多系统的信息共享。介绍了 nD 模型的内涵及其支撑技术IFC,在此基础上构建了 nD 模型的基本结构框架,阐述了 nD 模型的功能和实现方法,最后探讨了 nD 在我国的发展障碍。关键词 建筑信息模型;nD 模型;IFC;信息集成 中图分类号 TU9

2、23 文献标识码 A?文章编号 1002?8498(2009)10?0109?04Building Information Integration Model and Supporting Technology StandardYang Juan,Zhang Xing(Construction Management and Real Estate Institute of Southeast University,Nanjing,Jiangsu?210096,China)Abstract:Based on analysis of the reasons of low efficiency in

3、 construction industry,the paper suggests that the key point of improving efficiency isthe implementation of lifecycle building information integrated management.The arising of building information model has changed the process ofinformation creation,and the nDmodeling will achieve the information s

4、haring among multi?disciplinary,multi?process and multi?system.The paperintroduces the meaning of nD modeling and its supporting technology industry foundation classes,IFC for short,gives the structure of the nDmodeling,describes its functions and realization,and finally discusses the obstacles in t

5、he development of nD modeling in our country.Key words:building information model;nD modeling;industry foundation classes;information integration 收稿日期 2009?04?02 作者简介 杨?娟,东南大学建设与房地产研究所硕士研究生,东南大学四牌楼校区沙塘园 1 舍 104 室?210096,电话:13814546647,E?mail:?目前,建筑业生产的低效率已成为人们广泛关注的问题,美国?经济学家 杂志刊登的研究报告表明,美国建筑业每年约6 50

6、0亿美元的成本中,有2 000亿是由于低效、错误和延误造成的1。英国的研究也表明大约 30%40%建设成本的浪费是由低效率造成的。在我国,据国家统计局 2005 年统计,2004 年建筑业每天创造 26?2 亿元,而其他工业为 172?1 亿元;在过去 40年,其他行业生产效率得到了大幅度提高,而建筑业的生产效率提高缓慢。造成建筑业效率低下的原因很多,其中建筑业中存在的各种割裂现象是一个重要原因。这些割裂现象主要表现在四个方面:高度专业化分工导致的专业割裂、不同组之间的组织割裂、项目全生命周期中的不同阶段之间的割裂和不同应用软件造成的信息系统割裂2。由于割裂造成信息传递不畅通,信息传递效率降低

7、的同时,准确度也大大降低。另外,虽然目前大部分项目信息都可以通过特定的计算机程序实现电子化,但是项目的参与者还在不同程度上采用纸质文件来分享这些项目信息,这些纸质文件不利于形象地描述项目交付物之间的关系,不方便突出重要和关键的信息,而且很容易造成信息丢失3,给建筑业生产和管理带来麻烦。可见,工程项目的成功实施很大程度上取决于参与各方之间信息交流的效率和有效性,要提高建筑业效率,重点是要解决传统建筑业中存在的割裂现象,并要改变建设项目生命周期内信息的创建、处理、管理和共享。基于此,借鉴制造业产品信息模型(PIM)的成功经验,提出了!建筑信息模型(BIM 即 building informatio

8、nmodel)的理念和解决方法。目前已经基本实现了从传统 2D(二维图形)到 3D(三维信息模型),即从图形化向建筑信息模型化的信息创建过程的本质转变,进一步实现多专业、多系统和多阶段的信息共享,即实现从3D 到 nD 的集成管理是目前研究的核心4。1?BIM及 nD模型的内涵BIM 是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型,是对工程项目相关信息详尽的数字表达。BIM 同时又是一种应用于设计、建造和管理的数字化方法,这种方法支持建设项目的集成管理环境。国际标准组织设施管理信息委员会对 BIM 的定义是:BIM 是在开放的工业标准下,对设施的物理和功能2009 年 1

9、0 月第 38 卷?第 10期施?工?技?术CONSTRUCTION TECHNOLOGY109?特性及其相关的项目生命周期信息的可计算?可运算的形式表现,从而为决策提供支持,以更好地实现项目的价值。在其补充说明中强调,BIM 将所有的相关方面集成在一个连贯有序的数据组织中,相关的计算机应用软件在被许可的情况下可以获取、修改或增加数据5。在过去的 20 年,CAD 系统在建筑设计中得到广泛应用,并发挥了重要作用。早期 CAD 软件制作的图纸文件是由二维空间中简单的几何要素组成的,如点、线和多边形,不能从平面图自动生成相应的立面图和剖面图,因此任何变更都需要人工在平面图、立面图和剖面图中重复进行

10、至少 3 次。近期开发的基于 BIM 的CAD 系统可以使使用者直接在一个三维环境中处理建筑构件,如墙、门和窗、梁、柱、板等。建筑信息模型是一个集成的信息模型,模型中包含了建筑要素的特性及不同要素 之间的关 系。这 种智能化 的 BIM?basedCAD 系统不仅可以根据平面图自动生成立面图和剖面图,同时可在平面图、立面图和剖面图中自动进行变更。例如,在平面图上移动或者改变任何门或窗,这些门或窗新的位置和尺寸就可以自动反映在立面图和剖面图中。这些智能化 CAD 系统中产生的 3D 模型不仅包括建筑对象的三维几何信息,还包括建筑对象的颜色、质感和材料信息。过去几年对 3D 模型的研究和应用表明,

11、3D 模型非常有利于建筑设计方案的选择。斯坦福大学的研究者最先引进了 4D 模型,在 3D 模型的基础上集成时间因素,通过虚拟现实技术,动态地展示建筑施工过程。实践证明,该模型可以改善建造过程中的沟通,并可以提高建筑项目进度,降低建筑项目成本,同时可以将设计和施工进度信息联系在一起。同静态的 3D 模型相比,4D 模型也可以看作是一种动态的 3D模型。nD 模型的目的是把更多的设计、施工及维护因素集成到 BIM?based 3D模型和 4D 模型应用软件中,以达到项目全生命周期信息管理与共享的目的,旨在开发一套 IT 系统、方法和技术,能够集成时间、成本、可建造性、可通达性、可持续性、可维护性

12、、声音、照明和供热需求等信息。就此而言,nD 模型也是建筑信息模型的扩展,包含建筑设施全生命周期各阶段所需要的多方面的设计信息6。在统一的 3D 模型基础上,nD 模型的目标是探索建立集成信息库的可能性和潜力,并开发一套集成机制,以通过协同的数据标准对建筑设计实施多角度的评价,使用假设分析演示各种可能的设计变更的实际成本,有助于改善决策过程和提高建筑性能。2?nD模型的支撑技术 IFCnD 模型的一个重要问题是集成信息库的建立,该信息库要包含建筑设计、施工和管理全方面的信息,涉及到覆盖项目全生命周期的应用软件系统,解决该问题的关键是要采用一个统一的建筑信息模型数据标准进行信息的存储和交换。有了

13、统一的标准,也就有了系统之间交流的共同语言,数据自然在不同系统之间流转起来7。目前普遍采用的标准是 IAI组织研究的IFC(industry foundation classes)标准。2?1?IFC标准简介IFC 标准由国际合作联盟 IAI 开发,是一个计算机及可以解释的建筑工程数据表达与交换的行业标准。其目标是提供一个不依赖于任何具体系统的,适合于描述贯穿整个建筑项目生命周期内产品数据的中性机制5。可以有效地支持建设项目全生命周期不同专业、不同阶段信息的共享和交换,实现建筑行业各个应用系统之间的数据交换和建筑全生命周期的数据管理,其目的如图 1 所示。图 1?采用 IFC标准的目标Fig.

14、1?Goal of IFC standardIFC 使 用具 有很强 建模 能力 的数 据规 范语 言Express 来描述建筑产品数据,Express 语言的重点是实体的定义,采用面向对象的方法,把实体组织成有等级关系 的类,每 个类都 包含 实体 的各 种属性,因 此,Express 语言的描述模式是对特定领域内的类以及与这些类有关的信息或者属性的描述。基于 IFC的类?对象允许建筑行业人员共享工程模型,也允许在工程模型中创建自己定义的对象,后续人员可以使用以前定义的对象。IFC 使建筑行业的应用软件能协同工作,支持IFC 的应用软件将使项目组的成员共享电子格式的工程数据,保证了数据的一致

15、性和统一管理。应用软件开发商只需要遵循这套标准对建筑产品数据进行描述,或是为系统提供标准的数据输入输出接口,就可以很容易地实现与其他同样遵循 IFC 标准的应用软件系统之间的数据交换。2002?11?05 在韩国汉城举行的 ISO 国际会议上,IFC 正式被接受成为国际标准8。到目前为止已经推出了 IFC1?0、IFC1?5、IFC1?5?1、IFC2?0、IFC2X 和 IFC2X26 个版本。110?施工技术第 38 卷2?2?IFC数据交换标准的体系结构IFC 模型的体系结构由 4 个层次构成,代表不同的级别,从上到下依次是:信息资源层、信息框架层、信息共享层和领域层。每个层次都包含一些

16、信息描述模块,并且遵守一个原则:每个层次只能引用同层和下层的信息资源,而不能引用上层资源。这样上层资源变动时,下层资源不受影响,保证信息描述的稳定。每个层次包含的内容如下。1)信息资源层描述标准中用到的基本信息,如人员信息、文档信息、几何拓扑信息等。这些信息不针对建筑工程与设备管理,而且是无整体结构的分散信息,作为信息描述的基础应用于整个信息模型。2)信息框架层描述建筑工程信息的整体框架,将资源层的信息用一个整体框架组织起来,使其相互联系和连接,组成一个整体,真实反映现实世界的结构。3)信息共享层解决领域信息交互的问题,各个系统的组成元素在此层细化。4)领域层深入各个领域的内部,形成各个领域的

17、专题信息。3?nD模型的实现3?1?nD 模型的结构(见图 2)图 2?nD 模型的系统结构Fig.2?System structure of nD modeling1)从图 2 的顶端开始,不同专业的设计团队使用不同的 BIM?based CAD 系统生成各自学科专业的设计图纸,这些 CAD 图纸由面向建筑构件的对象组成,包含 3D 几何信息和对象之间的关系,是一个建筑信息模型的基本组成。基于 IFC 的 nD 模型作为标准建筑信息模型,从 BIM?based CAD 图纸中获取这些信息,因此,为了获得规范的 IFC 模型文件,CAD 设计图纸必须在BIM?based CAD 中创建。2)把

18、 CAD 文件转换成 IFC 模型文件。现在,大部分 的 BIM?basedCAD 系 统 如 AutoDesk 开 发 的Architecture Desktop,Bentley 开 发 的 Microstation 和Graphisoft 开发的ArchiCAD,都可以支持不同版本的 IFC文件的输出,尤其是 IFC2X。3)开发 IFC 模型浏览器作为 nD 模型的集成界面,为使用者提供一个交互式的环境,方便使用者阅读 IFC模型文件及在 IFC模型上实施 n 维评价。其中某些评价的过程和结果可以在这个界面上进行可视化模拟。IFC 浏览器为使用者提供了一个重要的界面,便于使用者从 IFC

19、文件中获取信息,并可以像 3D 模型一样虚拟地展示信息,便于项目的所有参与者理解信息。该浏览器包括 3 个主要功能:#以!树状图形式显示所有建筑构件及其关系;模拟一个 IFC 模型,使用虚拟现实建模语言(VRML)在三维虚拟现实世界中模拟 IFC模型;%显示每个建筑构件的所有特性。另外,nD 模型还可以使用关系数据库永久地或者临时地储存 IFC模型文件之外的其他信息,例如设计标准和相关规定。4)在 IFC 浏览器的基础上,开发不同的评价功能,即 nD 模型的子工具。每个子工具仅可以用于建筑设计某一个方面的评估和分析。5)决策支持系统是一个高智能化的、基于知识的系统,是 nD 模型原型的进一步发

20、展,能够综合多角度评价的结果,识别和组织评价结果中存在的问题和矛盾,最后为决策者制定一套解决方案和建议9。3?2?nD模型的功能设计阶段,可以利用 3D+成本模型对设计方案进行全寿命周期的成本比较分析;利用 3D+进度模型可以提前对方案的进度安排进行控制,使项目资源得到最充分的利用;利用 3D+光照、3D+温度等模型可以动态模拟工程的各项参数指标,优化调整后使项目设计目标最优化。当遇到设计问题时,通过使用假设分析演示成本和进度的变更影响,将极大地提高决策支持和施工过程实施的有效性,实现建设工程项目多目标的最优化。多维模型各参数的利益平衡如图 3 所示。工程实施阶段,利用 nD 模型可以根据变更

21、调整建筑产品 nD 模型,把变更对进度、成本等参数的影响形象、清晰地表达出来,提供给项目决策者;通过模拟施工过程预测在施工过程中可能出现的问题,如施工场地的冲突、作业时间的冲突等,有利于确定最优的施工方案。在工程使用阶段,工程维护单位通过 nD 模型可2009 No.10杨?娟等:建设项目信息集成模型与支撑技术标准111?图 3?nD 模型各参数的利益平衡Fig.3?Interest blance among parameters of nD modeling以实时监测工程使用信息,对可能出现的问题进行预警或对已出现的问题给出解决方案。3?3?nD 模型的实现方法nD 模型是以建筑工程 3D

22、建模技术为基础,通过建立共享的数据库把设计信息与进度及成本等信息链接,其核心是数据的共享和交互。实现的方法是通过IFC 标准来开发相应的软件产品,逐步实现与进度、成本、安全等管理软件的集成,最终建立 nD 模型,实现建筑工程的可视化和集成化管理。但是由于大部分现有的 3D 产品均未实现参数化建模,且在显示建设领域的商业模式下及缺乏经定义的可计算数据的条件下,IFC 标准的应用受到很大制约。近几年来,从建立参数化的 3D 模型入手,在此基础上直接实现 nD 的功能,成为 nD 研究的主流。在这一理论下,建立标准的商业模式、可计算信息以及协同数据标准就成为解决方案的研究重心,从而解决从建筑工程信息

23、模型中将工程数据传递至诸如进度计划、费用预算、安全管理、能源分析等系统,形成 nD 模型。从长远来看,建筑工程全过程集成化管理的局部或分步实现(从 4D 逐步走向 nD)及整体实现,首先需基于国际协同工作联盟 IAI 制定的 IFC 标准,对建筑工程构建面向对象 BIM,然后借助面向对象的技术包括面向对象的数据库技术、面向对象的编程技术等并辅以其他各种信息技术来完成3,10。4?nD模型在我国的发展障碍从建设项目工程管理的角度来看,nD 技术将给传统的工程管理模式带来巨大冲击,将极大改善建设工程的质量、进度、成本、风险及安全等多方面的管理,对未来建筑业是一场革命,将能够彻底解决建筑业低效率等痼

24、疾。但是目前 nD 技术还处于研究实验阶段,其开发和应用还面临诸多障碍,在我国障碍主要体现在:#缺少协同性的项目管理文化;技术不成熟,缺少相关技术人才;%国家及行业缺少相应的研究及开发投入;&学术研究和行业实践之间存在很大的差距。所以 nD?模型技术的实现可能需要一个很漫长的过程。参考文献:1?李建成.建筑信息模型与建设工程项目管理 J.项目管理技术,2006,(1).Li Jiancheng.Building information model and construction projectmanagement J.Project Management Technology,2006,(1

25、).(inChinese)2?李永奎,乐云,何清华.BLM 集成模型研究J.山东建筑大学学报,2006,21(6).Li Yongkui,Le Yun,He Qinghua.Study on the integration model ofBLM J.Journal of Shandong Jianzhu University,2006,21(6).(inChinese)3?TayerA M,Aouad G.Moving beyond the fourth dimension with anFIC?based single project database J.Automation in Co

26、nstruction,2005,14(1):15?32.4?Aouad G,Wu S,Lee A.N dimensional modeling technology:past,present,and future J.Journal of Computing in Civil Engineering,2006,(3).5?王柯.基于IFC 的3D+建筑工程费用维的信息模型研究D.上海:同济大学,2007.Wang Ke.The information model research into 3D+constructionengineering costs based on IFC D.Shan

27、ghai:Tongji University,2007.(in Chinese)6?Aouad G,Lee A,Wu S.Construction the future:nD modellingM.Great Britain:Taylor&Francis,2007.7?邱奎宁.IFC 标准在中国的应用前景分析 J.建筑科学,2003,19(2).Qiu Kuining.The application foreground analysis of IFC standard inChina J.Building Science,2003,19(2).(in Chinese)8?王琳琳,方立新.基于

28、工业基础分类 IFC 的建筑数据交换标准 J.科技情报开发与经济,2007,17(30).Wang Linlin,Fang Lixin.The building s data exchange standardbased on industrial foundation classification(IFC)J.SCI?TECHInformation Development&Economy,2007,17(30).(in Chinese)9?Lee A,Wu S,Marshall?Ponting A J,et al.nD modeling roadmap:avision for nD?enab

29、led construction R .Salford:University ofSalford,2005.10?陈建国,唐可为.工程多维集成管理研究现状分析及其技术实现J.同济大学学报,2007,35(9).Chen Jianguo,Tang Kewei.nD?based integrated management overbuilding lifecycle and its technological realization J.Journal ofTongji University,2007,35(9).(in Chinese)首座三角刚架悬吊结构组合桥成功合龙9 月 12 日,在北京房山区十渡镇涞宝路西关国内首座三角刚架悬吊结构组合桥(五渡桥顺利实现合龙。五渡桥跨越拒马河,全长 550m,包括主桥工程、引桥工程、引道工程。主桥为三角刚架悬吊连续梁桥,在国内尚属首例,该种桥型是由半系杆拱桥、斜拉桥、刚架桥等不同结构体系的桥型衍变而成,但又有别于以往的常规桥型,是一种新型的组合结构体系,其外形美观,且又没有使用多余的装饰而造成浪费,所有的构件都作为结构的一部分参与体系受力,兼顾了安全适用、经济、美观三方面的要求。112?施工技术第 38 卷