信息化（BIM技术）对工程建设领域生产与教学的影响分析

    黄雷 刘萍

    摘 要：作为工程建设领域信息化前沿技术的代表，BIM技术对工程建设领域生产实践与专业教学的巨大影响主要体现在两个方面：一是可模拟性;二是引起协同工作方式和管理模式的巨大变革。文章对此展开分析，并提出了相应的应对措施。

    关键词：信息化;BIM技术;工程建设领域;教学;预建造;模拟;协同工作

    1 工程建设领域信息化的代表技术BIM技术概述

    信息化的定义最早是被日本学者Tadao Umesao于20世纪60年代，在他的文章《论信息产业》中首次提出。当时的定义是“信息化是指通讯现代化、计算机化和行为合理化的总称。”其中通讯现代化是离不开计算机技术的。而行为合理化是指按公认的合理标准、规范对信息进行获取、转化并使用，在有明确的标准和规范的前提下，同样可以利用计算机技术对海量且近似度高的信息进行识别、统计、分析、判断，进而做出准确决策或提出决策建议。因此，最大化利用计算机对信息进行处理和运用是信息化的核心。我国是在1997年召开的第一届全国信息化工作会议上，对信息化和国家信息化做出了明确的定义：“信息化是指培育、发展以智能化工具为代表的新的生产力并使之造福于社会的历史过程。国家信息化就是在国家统一规划和组织下，在农业、工业、科学技术、国防及社会生活各个方面应用现代信息技术，深入开发广泛利用信息资源，加速实现国家现代化进程。”此次大会还总结出实现信息化的6个要素：开发利用信息资源、建设国家信息网络、推进信息技术应用、发展信息技术和产业、培育信息化人才、制定和完善信息化政策。2006年印发的《2006—2020国家信息化发展战略》中，补充“信息安全”这一要素，将之前6个要素增加为7个要素。这些都体现了我国对各行各业信息化的重视。

    工程建设领域的信息化同样是大势所趋，近年的发展如火如荼。其重要性，往小了说，有利于进一步实现工程建设管理更科学、质量更优、效率更高、风险更低、损耗更小等;往大了说，它是实现城镇信息化和智能化，乃至实现国家信息化和智能化不可或缺的重要基础之一。代表工程建设领域信息化的前沿技术就是建筑信息模型（Building Information Modeling）技术，简称BIM技术。到目前为止，BIM技术在国外已被广泛运用。例如美国，2012年工程建设领域采用BIM技术的比例高达71%;再如英国，2011年在其内阁政府办公室发布的一份文件中就明确要求：到2016年，建设项目全面使用协同的3D-BIM，并将全部的文件以信息化进行管理;还有如亚洲的新加坡、日本、韩国和北欧的瑞典、芬兰、挪威等国家也都在工程建设领域积极推进和普及BIM技术的应用。[1]我国从2011年到2016年，陆续出台了《2011～2015年建筑业信息化发展纲要》《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》《2016～2020年建筑业信息化发展纲要》等一系列计划、政策及意见，体现了国家对建筑业信息化与BIM技术研究、推广及应用的高度重视。事实是，从2011年以来，国内建筑业信息化程度逐步提高，进行BIM技术应用实践与教学、科研的企业和高校越来越多。

    2 BIM技术对工程建设领域生产实践与专业教学的影响分析

    2.1 BIM技术对工程建设领域生产实践的影响分析

    BIM技术的实质就是将小到一栋具体的建筑物，大到一个综合的建设项目，在其全生命周期内所涉及的所有信息进行信息化，即利用计算机技术对这些信息进行获取、转化、处理（储存、加工、统计、分析等）、传播和应用。笔者通过近年来BIM技术相关课程教学与真实项目应用实践经验的总结，认为BIM技术对工程建设领域产生的巨大影响主要体现在两个方面：一是，BIM技术源于其强大的可模拟性，降低了工程建设领域虚拟仿真（模拟建造）的门槛，提供了大多数普通从业人员都能掌握的强大便捷的模拟工具和技术手段，通过对复杂静态实物和动态实施过程的真实模拟，使得隐藏的问题被发现和解决在施工正式实施之前，从而真正实现工程建设更科学的管理、更优的质量、更高的效率、更低的风险、更小的损耗。二是，通过BIM技术生成的建设项目BIM模型，集中储存了最完整的项目信息，再结合BIM技术强大的信息（数据）处理与传播功能，必将引起工程建设领域协同工作方式和管理模式的巨大变革。

    就同大型演出前需要彩排、重大行动前需要演习一个道理。任何复杂活动正式开展前，都需要进行尽量真实的预演或模拟。这样的预演或模拟，可以是真人在真实的环境中进行，也可以利用现代信息技术在计算机所创造的虚拟环境中进行。在计算机技术日新月异的今天，后者由于成本低、风险小、可控性高等众多优点，正被越来越广泛地应用于各行各業。工程建设活动通常需要较长的时间、复杂的流程和各种资源的巨大投入，一旦过程中发生问题往往会造成严重损失和恶劣影响。因此一个建设项目，在正式开工建设前需要事先对项目建成后的功能、建造的成本以及建造的过程进行模拟。建设项目的勘察、设计（可研或方案、初步、施工图）阶段实质就是对项目建成后的功能和安全性等进行一次全面的模拟;建设项目的招投标阶段主要是对建造成本的模拟（预算），并对建造过程进行一个初步的模拟（施工组织设计）;施工前的准备阶段，会对建造过程进行更深入的模拟，即深化施工组织设计，此时的进度计划、施工方案、质量与安全计划等比招投标阶段更详细、更具备可操作性。上述建设项目正式开工建设前的各种模拟，笔者将之统称为“预建造”，其阶段称为“预建造阶段”或“预建造环节”，与施工阶段相对应。建设项目越是复杂，就越是要详细、真实地做好预建造环节的各种模拟，否则施工中就会出问题，一旦施工中出问题将会造成难以挽回的巨大损失。过去，由于建设项目信息数据量庞大且信息数据间存在广泛联系的客观原因，设计师想要修改之前的设计是比较困难的，而且容易出现错误和遗漏;现在，得益于BIM技术对庞大信息进行高效处理和管理的能力，以及对相关信息进行自动关联的功能，修改设计不再是令设计师头疼的难题，出错率也大大降低。过去，建设项目预算是靠专业人员对照施工图纸来计算工程量，这是一项耗时较长、重复度高、计算烦琐且容易出现错漏的工作，而且不同的人算出的结果也容易不一致;现在，得益于BIM模型储存了建设项目几乎所有的几何与非几何信息，其中就包含工程量信息，因此，只要BIM模型精度够高，模型算量在模型建成之时就已经自动生成，只要再根据相应标准进行转换就可以获得准确性和一致性非常高的工程算量。过去，由于对施工过程的模拟只能是二维的、静态的构成施工组织设计的各种文字和图表，对于复杂构件和节点或复杂重要的施工过程，其中存在的很多问题只有在实际实施过程中才会暴露出来，由此造成的损失无可避免;现在，依靠BIM模型丰富、完整、准确的项目信息，以及BIM技术强大的三维可视化功能和把模型信息与虚拟时间相关联的功能，不仅能模拟任意静态实物，还能模拟施工过程这样的动态过程，把问题在施工前暴露出来，从而减少甚至避免损失。

    在BIM技术的影响下，组织机构中各专业之间的协同工作方式将会发生巨大变革，协同工作将变得更自动化、智能化。以建设项目设计阶段为例，设计单位各专业传统的协同工作方式具备以下特点：（1）在工作流程上一般遵循建筑设计→结构设计→电气、给排水、暖通等其他专业设计这样一个先后顺序。后面专业的大部分工作需要获得足够的前面专业传递来的信息数据后才能开展。（2）由于各专业都是以二维图形、文字等方式各自分开储存和管理本专业的信息数据，且专业之间的信息数据传递是以人工方式按照相关规定和流程进行操作，因此往往需要信息数据积累到一定的量后才会进行一次传递。这种协同工作方式不仅效率难以提高，且信息数据缺乏实时性，传递过程容易发生损失。通过BIM技术，各专业的所有信息数据被集中于唯一的BIM模型数据中心统一管理，各专业可以实时、快速地从中获得其他专业最新的信息数据，并通过该数据中心进行沟通和配合。即使某专业的信息数据发生改变，其他专业也可以自动实时地获得通知和提醒，甚至通过信息数据的自动关联实现自动修改。这样自动化、智能化的协同工作方式，同样适用于施工阶段参与项目建设的各组织机构之间的协同工作。过去，施工中有些重大问题需要参建各方约定时间和地点共同协商才能解决，现在通过以BIM模型（包含施工阶段的场地布置、施工计划、人材机等信息数据）为基础构建的信息传播与沟通的虚拟平台，参建各方可以随时随地进行问题确认和协调沟通，有效消除信息不对称、时间和空间不一致等因素对协调解决问题造成的不利影响。

    2.2 BIM技术对工程建设领域专业教学的影响分析

    BIM技术对工程建设领域专业教学的影响，同样主要来源于两个方面：可模拟性和引起协同工作方式与管理模式的变革。高职土建类专业教学的难点之一，就是要向学生清晰地表达建构筑物局部和整体、内部与外部的复杂、多样的几何形状与空间位置关系，并使学生能尽量快速地记住这些内容。难点之二，让学生在有限的教学时间内掌握复杂的工作和工艺流程这样的动态过程。解决难点一的常规做法是建设实体模型。这些实体模型无论是1∶1全尺寸的，还是缩微的，要想全面覆盖教学内容，不仅花费巨大，还需要极大的放置空间。而且，随着技术的发展，这些实体模型也需要不断的更新、更换，旧模型的拆除和新模型的建设将是一种需要长期投入大量资金的行为，一般的高职院校都难以承受。解决难点二的通常做法，校内主要是实训，校外主要是实习。由于受时间、场地、人员、设备、经费等诸多限制，校内实训无法覆盖所有必需的教学内容，比如桩基施工，一般高职院校不具备桩基施工设备和相应场地等条件，这样的实训教学无法在校内开展。校内实训无法覆盖的内容，需要校外实习来弥补。但是实习也有局限，实习的内容是受所依附的在建项目所处建设阶段限制的，也不可能覆盖剩余的所有必需内容。还是以桩基施工为例，若实习开始时，所在项目已经进入上部结构施工的阶段，实习学生就无法实习到桩基施工的相关内容。对于上述两个专业教学的难点，BIM技术可真实模拟复杂静态实物和动态实施过程的特点，为我们提供了一种省钱、省时、省空间且便于修改和更新的解决方案。用BIM技术模拟真实复杂静态实物所建立的虚拟信息化模型，几乎不需要材料成本;建模所花时间也远少于真实建造的时间;由于数字化、信息化也不需要占用任何空间;更是可以随时修改和更新。借助BIM技术强大的可视化功能，通过任意控制模型的观察角度可以使观察无死角;通过任意放大缩小模型可以使整体观察和局部细节观察进行快速转换;通过显隐控制可以使原本隐藏在内部的细节能被清晰地观察到。相比实体模型，虚拟信息化模型除了包含现实可见的几何信息，还可以包含几乎所有不可见的非几何信息，例如材质、材料物理化学性能、生产厂商、生产时间、产地等，不仅使得教学和学习的效率大大提高，而且使得教学这一信息传递过程中的信息损失大大降低。类似地，用BIM技术模拟复杂的工作和工艺流程这样的动态过程，也具备上述各项优点。但是，鉴于动态过程模拟的复杂性，教学中的实训和实习还是不可替代的，BIM技术模拟还只是一种非常有效的补充手段。随着VR（虚拟现实）、AR（增强现实）技术的不断发展和完善，BIM技术模拟动态过程的功能也会变得更加强大，不排除将来完全替代真实环境下的实训和实习的可能。

    高职土建类专业的课程体系、课程设计及教学组织实质包含了对工程建设领域协同工作方式与管理模式的一种模拟、一种再现。因此，BIM技术因其信息化特点所引起的工程建设领域协同工作方式和管理模式的巨大变革，毋庸置疑也会延伸影响到相关专业领域的教学。

    3 针对影响采取的措施

    通过上述分析，可以得出结论：BIM技术给工程建设领域生产实践与专业教学带来的主要影响是有利的。如何充分利用好有利影响，可以采取如下几项措施：（1）充分利用好BIM技术的可模拟性。目前，各种专业虚拟仿真软件在教学中运用的越来越多，它的优点是制作精良、互动性强、视觉效果好等。但是缺点也比较明显：无法覆盖所有的教学内容，功能相对固定;开发周期长、更新速度慢;费用高昂，只适合单位购买，教师和学生个人难以承受。对比这些专业虚拟仿真软件，BIM技术可模拟性的重要性就不仅体现在功能强大，还体现在它的易用性方面，使得每一位普通专业教师、学生都能用它为教学和学习服务。并且特别适合碎片化教学内容中的复杂静态实物与动态过程的模拟，制作周期短、更新方便。因此，落实到日常的教学中，不仅要开设BIM建模与模型应用的专门课程，还需要将BIM技术嵌入到每一门专业课程的教学中。每一位教师和学生都应培养BIM思维，任何事物、任何事情都要想一想能否信息化，能否用BIM技术来模拟。（2）BIM技术引起的工程建设领域协同工作方式和管理模式的巨大变革，最终是要落实到基于现代信息技术的管理制度、工作流程及规范标准上。这些制度、流程和标准不是一拍脑袋即可得，不可能一蹴而就。因此，工程技术人员、教师和学生都应该积极参与到BIM技术的真实项目实践中，通过“制定（制度、流程和标准）→执行（实践）→修改→再执行（再实践）”这一螺旋上升的方式，使制度、流程和标准在实践过程中不断完善，这样才能使BIM技术真正落地，真正地充分发挥信息化对提升工程建设领域品质所起的作用。（3）教师和学生要想参与到BIM技术的真实项目实践中，需要加强BIM技术应用方面的校企合作、工学结合。校企合作分为两种模式：一种模式是院校提供场地，设备等硬件，企业提供实际项目案例，教师、学生与企业工程技术人员共同合作进行项目实践。另外一种模式是通过顶岗实习的方式，企业提供实训基地，学生参与到企业的BIM項目实际案例中去。[2]（4）以典型BIM建模软件Revit为例，BIM技术应用得好不好，丰富的标准化、参数化族资源是重要条件之一。族就好比精密机械设备中的各种零部件。标准化、参数化族资源，在生产实践和专业教学中是通用的。一旦形成品种丰富、标准优化、及时更新、管理科学、具备自主知识产权的族资源库，将会为所有者带来丰厚的回报。而族资源库建设又是一项持续、烦琐、量大的工作。因此，无论企业还是学校，都应注重加强日常族的制作、收集、优化、更新和管理，加强族资源的知识产权保护。

    参考文献：

    [1]罗中.BIM技术引入建筑工程项目管理课程教学实践探讨.山西建筑，2015-09，41（27）：249-250.

    [2]苑晨丹，张延涛，王春林.应用型人才培养模式改革下的建筑信息模型技术应用标准研究.中国标准化，2016-11，（11）：221-222.