摘 要：BIM作为建筑信息模型的数据处理平台，涵盖了实际工程的全寿命周期，因而无法用单一的软件，简言骇之，而在实际教学中，也无法通过对某个软件的演示来完整地诠释它。文章通过对BIM诞生背景、内涵与基本概念、数据模型格式等进行系统阐释，并对比分析了BIM与传统CAD技术之间的关系，使读者更好地了解BIM在土木工程领域的不可或缺的作用。BIM课程架构从理论教学与案例教学的角度出发，前者着重讲述BIM中的多维数据信息模型、协同工作技术、数据信息集成技术与可视化技术等，后者则通过BIM对实践应用，如针对BIM不同阶段的设计软件、BIM工程案例等进行系统讲解，并辅以BIM讲座以达到预期的教学效果。
关键词：土木工程专业;BIM技术;知识体系;课程架构
中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）05-0089-03
Abstract： As the data processing platform of building information model， BIM covers the whole life cycle of actual engineering， so it can"t be used in single software. In fact， in actual teaching， it can"t be completely explained by the demonstration of certain software. The article systematically interprets the background， connotation and basic concepts of BIM， data model format and compares the relationship between BIM and traditional CAD technology， so that readers can better understand the indispensable BIM in the field of civil engineering effect. From the perspective of theoretical teaching and case teaching， the BIM curriculum focuses on the multidimensional data information model， collaborative work technology， data information integration technology and visualization technology in BIM. The latter applies practical application through BIM， such as different for BIM. Stage design software， BIM engineering cases， etc. will be systematically explained， supplemented by BIM lectures to achieve the desired teaching results.
Keywords： civil engineering; BIM technology; knowledge hierarchy; curriculum framework
引言
自BIM技术诞生以来，因其具有体现工程全寿命阶段设计的巨大优势而在土木工程领域得到迅猛发展。如今BIM技术的推广和应用已在相关领域进行地如火如荼，而高等学校在这方面的教育和投入则显得不温不火，更缺乏能全面体现BIM思想的成熟教材，工程实际与理论教学存在的巨大落差和教育脱轨，迫使土木工程专业本科生培养中的计算机辅助设计教学必须快速实现新的转变，这种转变需从传统的CAD教学逐步转入以BIM技术理论为依托的融入式教学。而需要特别指出的是，BIM技术并非对CAD技术的更新和完善，它完全摒弃了传统的二维设计方法，转而面向一种全新的三维全寿命设计理念。因而，如何更有效地实现BIM课程的教学体系转换是当前计算机辅助设计教学亟待解决的问题。
一、BIM基本概念
（一）BIM出现背景
上个世纪末以来，随着建筑业的蓬勃发展，信息技术已渗透到设计、施工、运营等各个建筑生命期的不同阶段。但是，由于信息来自多个参与方，造成分散的多个数据源，使得大量的工程数据信息传递工作量大，无法直接交流。同时，各参与方之间的信息交流手段落后，比如：建筑设计通过二维图纸表达，施工进度通过横道图表达，在施工和管理过程中的数据通过手工编制人工报表。这将造成不同阶段数据信息传输和共享困难，从而导致发生信息断层的现象。为解决上述问题，BIM适时而出，它为工程项目从设计到运营全寿命周期提供连贯一致的信息，从而提高工作效率和质量，并且能综合把控工程投入使用的运营利润及施工周期，实现全工程的工程信息集成和管理。
（二）BIM内涵
BIM（Building Information Modelling），即建筑信息模型，最早是由美国乔治亚技术学院查克·伊斯曼博士在二十世纪七十年代提出的，其对BIM的定义阐释如下：建筑信息模型是融合了模型的空间几何信息、功能应用以及单元性能的集成体，体现了它在工程项目全寿命周期的价值与不可限量的潜力。因此，可以说建筑信息模型是一种涵盖了诸如建筑、工程、施工、運营等多维数据的信息云载体[1，2]。
实际上将BIM翻译为建筑信息模型对于初学者来说不是特别恰当，会让其误以为BIM只是用来实现三维建模，亦或是对传统CAD技术的更新和完善，而仅停留在工程项目的设计阶段。BIM是以建筑模型为载体而承载多维数据信息的大型数据库，涵盖了工程项目全寿命周期所需的不同阶段的信息，包括项目规划、建筑设计、工程施工、运维管理等，而且这些信息是互通的，负责不同阶段的项目人员可以随时访问BIM数据库，获取他们所需的相关信息，协同工作，并及时反馈，因此BIM也可以视为集合了项目各个阶段实施情况的共享协作信息平台，为项目全寿命周期的高效率运作提供了新的可能。从这个角度上来说，将BIM称之为“工程信息模型及其应用”似乎更加准确。可以从三个角度来解读BIM：
1. BIM是集成了N维数据的信息模型。BIM使用了可视化的建筑模型作为信息载体，使得传统的信息表达变得更加智能而易于理解和接受，而这个载体承载的不仅仅是简单的三维几何参数信息，而是项目工程全寿命周期各个阶段的所有数据信息。将BIM视为承载N维数据的信息模型，是因为此模型所搭载的数据信息的维度取决于使用者，或者说是使用目的。若是简单的三维展示，那么此时的BIM模型就是三维几何参数模型，它搭载的是项目各个构件单元的空间几何参数信息，若在此基础上融合了时间这一因素，则可发展成为四维（4D）模型，若用户意图在初期设计阶段对成本进行简单估算，亦或是在投标阶段进行工程量计算，则可发展为融入成本计算的5D模型，继而还可以发展成为结合其他方面的N维模型。
2. BIM是促进协同工作与可视化分析的重要工具。协同设计的范围应扩展至整个工程全寿命周期，涵盖项目规划、建筑设计、施工建造、运营管理至工程服役结束整个周期。从这个角度来讲，协同设计的要求也意味着其顺利开展不仅需要设计单位的参与，同时开发商、施工企业、后期运维管理单位等都必须参与进来，因而是一项跨时间和跨地域的联合活动，这种运作方式允许不同阶段不同专业的相关人员可以得到第一手资料，并通过各种交流媒介，如设计企业内部搭建虚拟交流平台，按照统一的用户界面，遵循统一的标准（如现阶段的IFC格式标准），提出各自的建议和看法，形成良性的反馈链，进而促进信息数据的高效率传递、优化和改善。协同工作的运作方式如图1所示。
BIM也开启了可视化应用的大门。可视化可理解为利用计算机成像技术将各种抽象的数据信息转化为具体的图形图像，基于该原理，由于BIM自身具有较高的可视化程度，可以直接利用BIM模型实现可视化为后续的各种分析提供了保证，因而BIM是一种极佳的人机交互工具。BIM的出现为可视化应用提供了新的可能，例如可以用BIM技术实现施工上的四维模拟、紧急情况的疏散演练、日照分析、节能分析等。北京CBD核心区的“中国尊”便利用了BIM技术针对建筑的安全性进行理论分析模拟，例如对一层大堂及标准办公层进行突发状况的烟气和人员疏散模拟等。
3. BIM是一种信息整合与信息共享的平台。传统的建筑模式是各环节进行明确分工，使得不同阶段不同专业的生产品质与效率得到了极大的提升。然而分工的同时却忽略了整合，这使得工程管理效率愈来愈低。必须认识到的是，分工细致化带来便利的同时也拉大了各专业间沟通的鸿沟，后果便是竣工后的产品不尽人意，有各种各样的瑕疵。BIM的价值在于对细致化分工造成的信息孤岛进行高效整合，利用建筑构件以行业认可的标准进行可视化表达，使各司其职的员工不仅对自己负责的作业了如指掌，也可以方便地查看别人的作业内容。因此，BIM的出现将从根本上改变行业各专业间的合作生产方式，由传统的分散孤立生产转入协同运作、集成发展的新型工作模式，这不仅为工程实施带来效率上的实质性提高，也极大地降低了项目运作过程中的利益损失。
二、BIM课程理论教学架构
从服务本科教学的角度出发，任课教师需对BIM有着全面深刻的理解，教学物资应本着深入浅出、因地制宜、贴合实际的原则，以期达到理想的教学效果。而BIM课程教学架构可解构为理论讲解和实际操作两部分[3]。
课堂教学和上机操作结合的教学方法，能够让学生正确理解BIM的基本概念、原理和方法，掌握应用商业软件进行BIM建筑、结构和机电建模技术、BIM在规划设计、施工管理和运维管理的应用技术、BIM系统开发技术，并了解BIM的发展趋势和方向。就BIM理论部分的讲解而言，可就BIM基本概念和现阶段应用领域等方面进行，以下的教学纲要可作为教学参考。
（一）BIM基本概念
1. 结合中国建筑业发展概况和信息技术的发展水平，以及土建行业信息化发展过程存在的主要问题，以此引出BIM诞生的背景;
2. 讲解BIM的定义、基本概念和国内外发展历程，并对比传统二维CAD技术，探讨当前的BIM技术与其二者之间的异同点和优缺点。
（二）BIM主要应用领域
1. 讲解BIM作为承载N维数据信息的载体的原理和运作方式;
2. 讲解BIM实现多维数据信息传递的支撑手段和信息标准，如IFC格式标准等[4]。
3. 讲解协同工作与可视化分析处理的定义和原理;
4. 讲解协同工作在建筑业信息化的发展蜕变、几种不同的工作模式以及实际土建行业各企业、各单位内部之间以及外部之间实现协同工作的方法和手段;
5. 讲解可视化分析的定义和工作原理及应用的必要性;
6. 讲解可视化分析与协同工作之间的联系，例举实际工程案例实现可视化分析的事例;
7. 讲解BIM是如何实现协同工作与可视化分析的过程;
8. 讲解可视化分析与协同工作之间的联系，例举实际工程案例实现可视化分析的事例。
9. 讲解信息整合与信息共享的概念、组织模式与发展历程;
10. 讲解BIM支撑信息整合与信息共享的手段，以及在工程项目全寿命周期运作的重要性和应用案例。
三、BIM课程案例教学架构
着眼于国内外BIM的应用导向，从服务于学生实际应用的角度出发，以例举支持BIM不同阶段不同专业的软件，并进行教学操作演示，结合实际工程案例及学术讲座向学生介绍如何运用BIM技术为工程项目带来实质上的便利性。
1. 例举支持BIM各阶段的实用软件，并对其中几项常用软件进行操作演示。国外的BIM软件有：Autodesk公司BIM系列软件，Revit设计、碰撞检测、施工规划和制造软件，Navisworks設计评审解决方案软件、Ecotect建筑生态与环境模拟分析软件、Civil 3D测量、设计、分析与制图软件等;Open BIM联盟的BIM系列软件：SketchUp直接面向设计方案创作过程的设计软件、ArchiCAD制图软件、Tekla Structures钢结构软件、MagiCAD系列软件等;Bentley的BIM系列软件：MicroStation参数化建模和设计系统软件、AECOsim Building Designer软件、AECOsim Energy simulator耗能计算与分析模块软件、Facility Manager软件、Navigator三维设计校审系统;国外的BIM软件有：PKPM系列软件、北京盈建科软件、天正软件、鸿业软件、探索者软件、广联达系列软件、鲁班系列软件等。
2. 讲解BIM在规划和设计阶段的应用
该阶段BIM应用相对成熟，能实现三维设计，实现信息共享和协调设计、优化和智能设计以及基于BIM的性能设计，并将设计的结果可视化展示。工程案例如上海金虹桥国际中心，占地3.55万平方米，建筑总面积26万平方米。该项目初期根据设计图纸，并结合现场测绘数据，建立BIM模型以进行各构件的碰撞检查，以及时发现错误并更新设计图纸，优化设计。在实际操作中，发现设备层由于各种管线交叉密布、错综复杂，构件之间的碰撞问题尤为突出：15层设备层检查出存在7处影响较大的碰撞点，标准层4处，地下室16处。
3. 讲解BIM在施工阶段的应用
BIM在施工阶段的应用主要有施工模拟及安全分析、招投标成本预算以及施工质量监管。施工模拟及安全分析能实现施工过程优化，能进行施工方案比选，能实现施工进度规划和施工安全管理[5]。
4. 讲解BIM在運维阶段的应用
在建筑生命期中，设计和施工的费用占总费用的15%，而运维的费用占到总费用的60%，因此提高运维管理的技术手段和效率十分必要。BIM常应用在设备设施管理、系统逻辑、维护维修管理等。工程案例如上海浦东国际机场T1航站楼运维方面的BIM应用。该项目成功运用BIM技术实现运维信息三维可视化、运维信息共享以及运维管理决策。管理者或用户可对不同区域的不同构件通过三维模型输出可视化的运维信息，亦可通过BIM信息共享实现日常的设备维护、管理、租赁等。
5. 在学生对BIM理论和实际操作有了一定认识的基础上，邀请土木行业BIM技术的著名学者进行相关学术讲座，作为BIM课程的其中一个重要环节。
四、结束语
在进行BIM技术的实际教学和开展相关讲座的过程中，发现大部分本科生对于BIM的定义、内涵以及在土木所发挥的引领作用浑然不知。BIM在土木行业的飞速发展及广泛应用，是时代发展的必然趋势，土木工程专业教学必须与时代接轨，而通过优化BIM的实际教学，使学生更好地了解和掌握BIM技术，已显得至关重要。
BIM是集多维数据信息模型、协同工作技术、数据信息集成技术与可视化技术等多功能为一体的综合技术的象征，这也意味着传统的计算机辅助设计教学已远远不能满足现代三维全寿命周期的设计要求，因而选用某种软件进行示范性地教学是无法完整地诠释BIM技术。
BIM教学可从理论讲解与实际案例两个角度出发，既让学生对BIM的理论基础有着本质上的认知，又在此基础上通过枚举支持BIM不同阶段不同专业的软件，并结合相应的具体案例和学术讲座，阐释BIM在实际土木行业中的应用价值，二者相辅相成、相得益彰，可使学生对BIM技术有一个全面的认识和了解，为其以后的三维设计工作奠定坚实的基础。
参考文献：
[1]H Edward Goldberg. BIM and the Building Information Model（ AEC in focus column）[J].CADalyst，2007，21（1）：56-58.
[2]Tamera L. Mc Cuen，Patrick C Suermann， and Matthew J 84Krogulecki. Evaluating Award-winning BIM Projects Using the National Building Information Model Standard Capability Maturity Model[J].Journal of Management in Engineering，2012，27（2）： 224-230.
[3]刘照球，李云贵.土木工程专业BIM技术知识体系和课程架构[J].建筑技术，2013，44（10）：913-916.
[4]刘照球.基于IFC标准建筑结构信息模型研究[D].同济大学， 2010.
[5]刘照球，万福磊，李云贵.BIM内涵及其在设计与施工中的价值分析[J].建筑科学，2014，30（7）：80-85.
