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新形勢下的 BIM 發展之路——OpenBIM 技術破 解中國 BIM 發展困局

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  當前,傳統建筑行業在全球數據化戰略的大背景下面臨著巨大的機遇和挑戰。新形勢下,國際環境錯綜復雜,中美貿易摩擦持續。中國建筑行業對美國 CAD 與 BIM 軟件的嚴重依賴,限制了中國建筑業在轉型升級時對自主技術路線的選擇。本文直面當前中國 BIM 發展困局,總結 CAD 發展教訓,分析 BIM 核心問題,討論不同 BIM 技術方案的優缺點,提出適合中國國情、更具優勢的多元軟件平臺解決方案,指出開放合作、引入競爭,走可持續發展的 OpenBIM 技術路線,是中國 BIM 實現自主可控、從跟隨到超越的方向性選擇。

一、新形勢

全球數據化戰略

在 2015年 10月 26日至 29日召開的中國共產黨第十八屆中央委員會第五次全體會議上,“十三五”規劃提出實施國家大數據戰略,旨在全面推進我國大數據發展和應用,加快建設數據強國,推動數據資源開放共享,釋放技術紅利、制度紅利和創新紅利,促進經濟轉型升級。至此,大數據戰略上升為國家戰略。2016年5月23日,美國發布“聯邦大數據研發戰略計劃”,旨在為在數據科學、數據密集型應用、大規模數據管理與分析領域開展和主持各項研發工作的聯邦各機構提供一套相互關聯的大數據研發戰略,維持美國在數據科學和創新領域的競爭力。由此可見,數據化轉型能夠提高政府與企業的管理與決策能力,數據化轉型是未來國家戰略的必爭之地。

數字城市是落實國家大數據戰略的重要載體。城市是人們經濟、政治和社會生活的中心,是人類文明的標志之一。據最新統計數據,2018年中國的城鎮化率已經接近60%。從技術的角度看,數字城市是以空間信息為核心的城市信息系統體系??臻g信息是指與空間地理位置相關的數據及對應的人文、社會經濟信息,城市信息系統體系則是指相互聯系的、大量的城市信息系統的有機結合體。而有機結合體,是指數字城市中的各個信息系統遵循共同的數據標準,具有共同的基礎數據,并在一定程度上相互補充、相互兼容。

數據共享是數字城市建設需要解決的核心問題。城市中的建筑與基礎設施是人們生活與工作最重要的物理空間,數字城市的建設亟須將既有、正在和未來建設的建筑與基礎設施數據化。如何在統一的數據標準與規范基礎上,實現公共建筑、商業建筑、旅游建筑、科教文衛建筑、交通運輸類建筑、市政基礎設施等的數據化,是一項復雜而龐大的數字工程。據不完全統計,中國有約 400億平方米的既有建筑,每年增加約 20億平方米的新增建筑,對建筑數據處理的市場需求巨大,需要投入大量的專業人員采用最新的建筑信息模(BuildingInformation Modeling, BIM)技術,產生高質量、及時、準確的 BIM 數據。然而,當前只有不到 1% 的建筑行業專業人員在參與 BIM 數據的產生工作,且產生的數據質量參差不齊,因此,我國城市的建筑與基礎設施的數據化建設任重而道遠。


中美貿易摩擦持續

另一個引起廣泛關注的新形勢,是中美貿易摩擦持續。相關研究表明,中美貿易摩擦的根本原因是美國維護其貿易主導地位。中美貿易摩擦的本質是美國加大對中國技術升級的封鎖,壓縮中國快速發展的空間,后果是中國發展對美國技術依賴的風險加大。

2001年 12月 11日,中國正式加入世界貿易組織,成為其第 143個成員。一方面,它有利于中國參與國際經濟合作和國際分工、促進經濟發展,有利于促進技術進步、產業升級和經濟結構調整;另一方面,加入世貿組織對我國的弱勢產業是一個嚴峻的挑戰,例如中國建筑行業廣泛使用的CAD、BIM 技術。近幾年,由于單邊主義抬頭,美國單邊增加對其他國家的關稅,使得自由貿易體系受到嚴重挑戰。

從 2016年開始,中國兩大科技巨頭——中興和華為先后被美國制裁:美國商務部對中興通訊實施出口限制措施;禁止所有美國企業購買華為設備,美國商務部工業與安全局又禁止華為從美國企業購買技術或配件。美國政府通過非市場行為給中國企業造成了巨大的影響和損失。這也給國內所有科技企業敲響了警鐘,如果單方面依賴美國高科技企業,一旦被禁止使用美國企業的軟硬件產品,則企業的正常生產、國家的經濟安全都將受到嚴重威脅。中國高新技術產業化升級,亟須尋找更為安全的替代解決方案,或盡快培育形成獨立自主可控的解決方案。


二、中國BIM發展困局

BIM 發展現狀

近幾年來,我國建筑企業的經營形勢日趨嚴峻,勞動力成本大幅度提升、資源嚴重浪費以及管理不善等,導致投資成本增加、工期延誤和安全問題頻發。為走出困境,建筑行業各類企業紛紛響應國家提出的建筑產業化、信息化政策,改變傳統的粗放型發展模式,從商業模式創新、產品創新、管理創新等方面尋找新的發展道路。

BIM 技術是建筑 CAD 技術從基于點線面的二維表達向基于對象的三維形體與屬性信息表達的轉變。BIM 技術成為實現建筑企業生產管理標準化、信息化以及建筑產業化的重要技術基礎之一,被普遍認為將是繼 CAD 技術之后的又一重大技術革命,得到了廣大建筑企業的充分重視和大力投入。然而,BIM 技術在大量項目的實踐過程中,卻普遍遭遇工程技術人員主動性不足、整體參與度低、數據產生慢、數據歸檔難的困境,多數企業并未認識到 BIM 帶來的經濟效益和社會效益。


BIM 發展問題分析

為什么 BIM 項目在實踐過程中會出現這樣的困境?具有多年 BIM 應用實踐經驗的項目負責人認為,當前 BIM 發展過程中主要存在如下問題:BIM 標準缺失,模型數據互操作性差,數據的完整性和復用性不強,數據難以集成為有效信息;業主、設計、施工、監理各方利益不一致,很難建立開放透明、數據有效傳遞的 BIM 環境;BIM 數據生產與現場施工人員的職責缺乏一一對應關系,工程人員在完成自己日常工作的同時還要為他人創建模型,受到了工程現場人員的普遍抵制;BIM 數據生產成本過高,需要配置高性能的圖形工作站和獨立的建模人員。以上問題如果不能得到有效解決,BIM 發展將會難以得到普及應用。


BIM 應用價值分析

建筑行業各方都非常關心 BIM 的應用價值,但由于缺少一個完全一樣的工程項目用常規方法和 BIM 方法分別做一遍再進行對比分析的案例,BIM 應用價值的定量分析難度變得較大。業內通常認為,BIM 應用可以有效減少施工過程中的返工數量,返工對建造成本有著直接的影響。有學者對359個項目就返工對建造成本的影響進行了定量研究,發現僅返工的直接成本就占項目總建造成本的 5% 左右,返工最主要的原因是設計錯漏和業主變更,同時返工也是工期拖延和工程質量降低的主要因素。因此,通過 BIM 應用,提高項目設計質量、減少設計錯漏、降低項目溝通門檻、減少業主變更,都可以最大程度地減少返工,從而節省由于返工所產生的直接成本,降低項目總建造成本。


三、CAD與BIM發展的教訓與機遇

CAD 發展的教訓

作為一個獨立自主的經濟體,CAD 產業具有重大的戰略意義,其作用于技術創新的源頭,關系整個國家的設計能力。1989年美國工程科學院評選出近 25年來全球 7項最杰出的工程技術成就,其中,第4項是CAD/CAM。1991年 3月,美國政府發表跨世紀的國家關鍵技術發展戰略,列舉了6大技術領域中的 22項關鍵項目,而 CAD/CAM 技術與其中的兩大領域 11項項目緊密相關。

然而,中國經過幾十年的發展,在高端 3D的CAD領域,國產軟件幾乎全軍覆沒,在中低端還有一些幸存的奮斗者;而基于國外 CAD 軟件的二次開發,是工業軟件自主發展的一個“超級陷阱”。許多 CAD 外商乘著二次開發的浪潮進入中國市場,扶持了大量的二次開發集成商,很快在業內形成了“二次開發一面倒”的景象,眾多國外軟件的界面集合了諸多二次開發商的智慧,最終造成了二次開發軟件商與用戶對國外軟件的強烈依賴。


BIM 發展的機遇

BIM 是否會重復 CAD 的覆轍?如果再發展 30年,在BIM 領域,國產軟件是否依然是在國外 BIM 軟件的基礎上進行二次開發,用戶最終不得不強烈依賴國外 BIM 軟件?筆者認為,如果打破壟斷,就會得到不一樣的答案。CAD 時代,國外軟件廠商壟斷的核心是數據標準,且這個數據標準是不公開的,只能通過國外軟件的二次開發進行讀取和操作,所以難以擺脫對國外軟件的依賴。

CAD 時代沒有主動權,是因為缺少公開的 CAD 數據標準。與 CAD 時代不同,BIM 時代提供了建筑行業的工業基礎類(Industry Foundation Classes,IFC) 標準,這個標準是開放的國際 BIM 數據標準。如果充分利用和發展這樣一個國際 IFC 標準,就可以逐漸發展自主的 BIM 專業軟件,并和不同的 BIM 專業軟件進行數據交互,從而形成一個圍繞 IFC 標準的多種 BIM 專業軟件共存和競爭的 BIM 生態圈,而不是被國外一家或兩家 BIM 軟件公司所壟斷。


四、BIM應用技術方案分析

單一軟件平臺

(1) 專業性不足、效率低

國內 BIM 應用從 2012年開始,經過 7年的發展,逐漸形成了以采用 Autodesk(美國)、Bentley(美國)、Dassault (法國)公司分別提供的單一軟件平臺為主導,用于工業與民用建筑、市政工程的 BIM 技術路線。主要用戶是第三方BIM 咨詢單位,此外包含部分設計企業、施工單位的 BIM 中心等。工作模式基本是在收到工程項目的二維CAD圖紙后,在規定的時間內進行三維模型的創建(又稱專業翻模)、管線綜合、碰撞檢查、工程量價統計、施工進度模擬、VR/AR制作等。

房建形式的民用建筑、軌道交通車站、鐵路站房、污水處理廠房等主要采用 Autodesk 的 Revit 軟件;市政道路線型工程主要采用 Bentley 的 MicroStation 軟件;大型市政橋梁工程則主要采用 Dassault 公司的 CATIA 軟件。大多數企業選擇單一軟件平臺的最主要因素是用單一軟件平臺可以避免不同專業軟件之間的數據格式不兼容問題。

以上三個軟件具備通用建模的能力,除了對計算機硬件資源要求高以外,還有一個突出的缺陷,即缺少專業創造、專業分析的能力。所以在模型創建的過程中,如果沒有相應的二次開發和基礎構件庫的積累,效率都比較低。這使得市場上出現了一些小型軟件公司或團隊通過二次開發,提高以上三個軟件的建模效率。這與中國 CAD 發展階段非常相似。

雖然二次開發工具或插件從一定程度上提高了基于二維圖紙的翻模效率,但是由于這種工作模式中的大多數建模人員不是該項目的專業設計人員,甚至大多數缺少豐富的專業設計經驗,對于復雜的非規則設計所建立的三維模型與設計意圖存在差距。另一方面,建模人員所做的工作滯后于設計工作,當建模人員完成三維模型時,由于當前快節奏的設計要求,設計圖紙可能已經發生修改,進入下一版本,所以這種工作模式下的三維模型與設計意圖出現版本錯位在所難免。而這些三維模型除了建模人員(團隊)以外,很少經過項目專業設計人員、業主方設計管理人員深入細致地查看與確認。而項目施工管理人員也由于不具備深入細致查看三維模型的條件,依然以原有的二維 CAD 設計圖紙進行施工管理。所以,不少經歷過實際項目檢驗的業主認為,BIM 并未產生預期的價值,對 BIM 應用滿意度降低,這正是建筑業界普遍關注的 BIM 發展困局。


(2) 市場風險加大

采用單一軟件平臺還存在以下隱性風險。如果同 CAD 時代一樣,中國的建筑與市政工程 BIM 軟件最終被 Autodesk、Bentley 公司壟斷市場,形成一家獨大的局面,所有建筑產業鏈上的企業在 BIM 軟件采購上將喪失定價權。在軟件授權模式方面,Autodesk、Bentley 公司基于其壟斷地位,都在推動永久許可證轉年租許可證模式,這會進一步增加建筑行業信息化轉型升級的成本。

當前,我國重大的公共建筑與基礎設施都采用 Autodesk、Bentley 公司的 BIM 軟件進行建模,產生的數據以這兩家公司私有的數據格式(未對外公開,僅以二次開發的方式獲?。┍4?,這意味著后續的土木工程大數據及數字城市的應用都離不開產生原始數據的 BIM 軟件,存在潛在的數據安全問題。

目前,國家將大數據戰略提上日程,中美貿易摩擦持續,美國對中國高新技術產業升級采取更大的非市場化干預,如果美國禁止中國企業使用 Autodesk、Bentley 公司的 BIM 軟件產品,中國 BIM 發展之路隨時有被中斷的風險。


多元軟件平臺(OpenBIM 技術路線)

(1) 專業性強、效率高

要真正解決以上單一軟件平臺工作模式的問題,必須跳出中國 BIM 發展只能依賴單一軟件平臺的思維模式,尋求一種能讓項目多方共同參與的多元軟件平臺的工作模式,即 OpenBIM 技術路線。OpenBIM 是基于開放的 IFC 標準和工作流程,協同完成建筑的設計、施工和運營的一種方法。其由 BUILDING SMART 和一些使用開放的 BUILDING SMART 數據標準的主要軟件供應商提出,最早由兩家歐洲軟件供應商——GRAPHISOFT 和 Tekla 發起,并得到多個國際組織的支持。

采用多元軟件平臺,各專業設計人員都可以選擇最適合、最優秀的 BIM 專業軟件進行 BIM 設計,在設計的過程中清楚、準確地表達自己的專業意圖,產生三維模型,通過 BIM軟件生成所需要的二維 CAD 圖紙。三維模型表達的是設計人員自己的設計意圖,而且設計意圖的修改由其自己完成,再生成新版二維 CAD 圖紙。目前基于單一軟件平臺工作模式出現的三維模型與設計意圖存在差距和不同步的問題,將迎刃而解。

建筑設計師可以選擇SketchUp軟件進行建筑方案設計,選擇 ArchiCAD 軟件進行建筑施工圖設計;結構工程師可以選擇優秀的 YJK 或 PKPM 軟件進行結構分析與設計,選擇 Tekla 軟件進行鋼結構深化設計;水暖電工程師可以選擇專業的 MagiCAD 或 Rebro 軟件進行機電專業設計及深化。這些專業 BIM 軟件的最大特點及優勢在于它的專業性,且對計算機硬件資源要求不高,深受專業設計師的喜愛。此外,與單一軟件平臺中的軟件相比,無需二次開發支持就能非常高效、準確地表達設計師的意圖,且無需第三方進行翻模工作。


(2) 數據交互是瓶頸,需重點解決

采用多元軟件平臺最大的困難在于如何解決不同專業軟件之間的數據共享與交換問題,這是 BIM 技術最核心的問題。提出一個多元軟件都支持的數據標準,各種不同專業軟件都能根據共同的數據標準進行模型文件的輸入輸出,從理論上可以解決這個問題。當前,建筑行業最為廣泛支持的數據標準是前文提到的 IFC 標準,也就是從理論上可以采用基于 IFC 標準的 BIM 協同解決方案。這種解決方案能夠使各專業的軟件各施所長、信息共享,實現多專業的協同,這是 BIM 技術的目標。然而,在實踐過程中,普遍發現不同專業軟件在輸入其他專業軟件輸出的 IFC 模型文件時存在或多或少的數據丟失現象,這使得基于 IFC 標準的 BIM協同解決方案受到了質疑。

針對這個問題,上海交大 BIM 研究中心進行了深入系統的研究,最終發現問題是不同專業軟件在輸入其他專業軟件輸出的 IFC 模型文件時,對非本專業的構件類型解析存在問題。為解決該問題,該 BIM 研究中心圍繞 IFC 標準開展了大量基礎性研究,自主研發了天磁 NMBIM 軟件,從 1.0版到最新發布的 4.0版,能夠做到無損解析各種專業軟件輸出的 IFC 模型文件,不僅實現了各種專業軟件之間數據互通,使得數據信息從規劃、設計、施工到運營、維護、管理可以一用到底,提高協作效率,而且在碰撞檢查方面的速度和準確性也已接近國際水平,還能實現項目組人員之間通過互聯網進行審閱批注的高效溝通交流。天磁 NMBIM 4.0軟件能在絕大多數臺式機和筆記本上流暢運行,大大降低了 BIM 應用推廣的門檻。


(3) 多種專業軟件相互競爭,有利于技術進步

采用多元軟件平臺,并不排斥相同類型的專業軟件。這不僅可以充分發揮各種不同專業軟件的特點,實現優勢互補,還能引入同類專業軟件的相互競爭,更有利于技術進步。多元軟件平臺使得中國建筑行業在進行專業 BIM 軟件選擇時,不會被某一公司壟斷市場,具有更大的主動權、更高的性價比。采用多元軟件平臺完成的項目,通過國際IFC 數據標準可以實現所有的專業模型數據與原有專業軟件分離,各專業模型可以快速進行數據標準化歸檔,為國家大數據戰略所必需的城市建筑與基礎設施數據化提供服務。


五、結論與展望

數字城市建設是國家大數據戰略的核心,通過 BIM 技術可為數字城市建設提供空間信息平臺所必需的建筑與基礎設施大數據。當前,依賴單一軟件平臺的 BIM 技術路線由于專業性不足,普遍遭遇專業技術人員抵制,面臨整體參與度低、數據產生慢、數據歸檔難的困境,難以支撐數字城市建設對土木工程大數據快速增長的需求。而基于開放的國際 IFC 標準的 OpenBIM 技術,使得項目各方可以自由選擇最適合、最優秀的 BIM 專業軟件進行規劃、設計、施工與運營維護管理,通過天磁 NMBIM4.0或類似專業軟件解決不同 BIM 專業軟件之間的數據交互瓶頸難題。OpenBIM 技術路線可以極大地調動各專業工程技術人員的主動性與參與度,快速提升 BIM 應用推廣率,大幅提高數據產生速度,方便數據歸檔,真正發揮 BIM 應用價值,提高各方對 BIM 應用的滿意度,有效破解中國 BIM 發展困局。


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