Building Information Modeling (BIM): Trends, Benefits, Risks, and Challenges for the AEC Industry
SALMAN AZHAR, PH.D., A.M.ASCE
ABSTRACT: Building information modeling (BIM) is one of the most promising recent developments in the architecture, engineering, and construction (AEC) industry. With BIM technology, an accurate virtual model of a building is digitally constructed. This model, known as a building information model, can be used for planning, design, construction, and operation of the facility. It helps architects, engineers, and constructors visualize what is to be built in a simulated environment to identify any potential design, construction, or operational issues. BIM represents a new paradigm within AEC, one that encourages integration of the roles of all stakeholders on a project. In this paper, current trends, benefits, possible risks, and future challenges of BIM for the AEC industry are discussed. The findings of this study provide useful information for AEC industry practitioners considering implementing BIM technology in their projects.
T
he architecture, engineering, and construction (AEC) industry has long sought techniques to decrease project cost, increase productivity and quality, and reduce project delivery time. Building information modeling (BIM) offers the potential to achieve these objectives (Azhar, Nadeem et al. 2008). BIM simulates the construction project in a virtual environment. With BIM technology, an accurate virtual model of a building, known as a building information model, is digitally constructed. When completed, the building information model contains precise geometry and relevant data needed to support the design, procurement, fabrication, and construction activities required to realize the building (Eastman et al. 2008). After completion, this model can be used for operations and maintenance purposes. Fig. 1 depicts the typical applications of BIM at different stages of the project life cycle.
Figure 1. Different components of a building information model: MEP = mechanical, electrical, and plumbing (Courtesy of Holder Construction Company, Atlanta, GA).
A building information model characterizes the geometry, spatial relationships, geographic information, quantities and properties of building elements, cost estimates, material inventories, and project schedule. The model can be used to demonstrate the entire building life cycle (Bazjanac 2006). As a result, quantities and shared properties of materials can be readily extracted. Scopes of work can be easily isolated and defined. Systems, assemblies, and sequences can be shown in a relative scale within the entire facility or group of facilities. Construction documents such as drawings, procurement details, submittal processes, and other specifications can be easily interrelated (Khemlani et al. 2006).
BIM can be viewed as a virtual process that encompasses all aspects, disciplines, and systems of a facility within a single, virtual model, allowing all design team members (owners, architects, engineers, contractors, subcontractors, and suppliers) to collaborate more accurately and efficiently than using traditional processes. As the model is being created, team members are constantly refining and adjusting their portions according to project specifications and design changes to ensure the model is as accurate as possible before the project physically breaks ground (Carmona and Irwin 2007).
It is important to note that BIM is not just software; it is a process and software. BIM means not only using three-dimensional intelligent models but also making significant changes in the workflow and project delivery processes (Hardin 2009). BIM represents a new paradigm within AEC, one that encourages integration of the roles of all stakeholders on a project. It has the potential to promote greater efficiency and harmony among players who, in the past, saw themselves as adversaries (Azhar, Hein et al. 2008).BIM also supports the concept of integrated project delivery, which is a novel project delivery approach to integrate people, systems, and business structures and practices into a collaborative process to reduce waste and optimize efficiency through all phases of the project life cycle (Glick and Guggemos 2009).
APPLICATIONS OF BUILDING INFORMATION MODELING
A building information model can be used for the following purposes:
- Visualization: 3D renderings can be easily generated in house with little additional effort.
- Fabrication/shop drawings: It is easy to generate shop drawings for various building systems.For example, the sheet metal ductwork shop drawings can be quickly produced once the model is complete.
- Code reviews: Fire departments and other officials may use these models for their review of building projects.
- Cost estimating: BIM software has built-in cost estimating features. Material quantities are automatically extracted and updated when any changes are made in the model.
- Construction sequencing: A building information model can be effectively used to coordinate material ordering, fabrication, and delivery schedules for all building components.
- Conflict, interference, and collision detection: Because building information models are created to scale in 3D space, all major systems can be instantly and automatically checked for interferences.For example, this process can verify that piping does not intersect with steel beams, ducts, or walls.
- Forensic analysis: A building information model can be easily adapted to graphically illustrate potential failures, leaks, evacuation plans, and so forth.
-
Facilities managem
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附录A 译文
建筑信息模型(BIM)：趋势，收益，风险，和建筑、工程与施工行业面临的挑战
摘 要：建筑信息模型（BIM）是一种在建筑、工程和施工（AEC）行业最有前途的新技术之一。通过BIM技术，可以构建一个精确的数字虚拟模型。这种模型，被称为建筑信息模型，可用于设施的规划、设计、施工和运行。它可以在模拟环境中展示目标建筑内容，帮助建筑师、工程师和施工人员发现潜在的规划、设计、施工或运行问题。BIM代表了AEC行业内的一个新模式，它促进项目的所有利益相关者进行角色整合。在本文中，将就当前的趋势、收益、可能的风险，以及AEC行业所面临未来的挑战进行讨论。本研究的结果将为AEC行业的从业者在其项目中实施BIM技术提供借鉴。
0 引言
建筑、工程和施工（AEC）行业一直在寻求降低项目成本；提高生产质量和生产力水平；缩短项目交付时间的技术。建筑信息模型（BIM）通过在虚拟环境中模拟施工项目，为此提供了可能。采用BIM技术，数字化地建立一个精确的虚拟建筑模型，称为建筑信息模型。建筑信息模型在构建完成后，包含精确的几何形状和相关的数据信息，能够支持实现建设所需的设计、采购、制造和施工活动。此外，该模型还可用于建筑物的运行和维护。图1描述了BIM技术在项目生命周期不同阶段的典型应用。
建筑信息模型能够表征建筑的空间、几何关系、地理信息、建筑材料的数量和属性，提供成本估计，材料清单和项目进度表。该模型可用于演绎整个建筑生命周期。因此，材料的数量和属性可以很容易地获取；工作范围可以很容易地划分和界定；系统、组件和序列可以在整个设备或设备组内以相对比例来展示；图纸、采购明细、交付过程，和其他说明书等施工文件可以很容易地关联。
BIM可以被视为一个虚拟过程，它不仅包括各个学科、各个方面，也包括单个虚拟模型中的设备系统，它允许所有设计团队成员（业主、建筑师、工程师、承包商、分包商、供应商）进行比传统方法更精确、有效的合作。随着模型的构建，团队成员可以根据项目说明书和设计更改不断调整和完善各自的部分，以保证模型在项目施工之前尽可能的精确。
（a）建立物流规划模型 （b）整合结构与设备、电气和管道模型
（c）构建排序模型 （d）设备信息模型
图1 建筑信息模型的不同组成部分
需要着重注意的是，BIM不仅仅是软件，它是一个过程和软件的集合。BIM不仅意味着使用三维智能模型，它还引起了工作流程和项目交付过程中的重大变化。BIM代表了AEC行业内的一个新模式，它促进了项目的所有利益相关者进行角色整合。它能够提高那些过去将自己视为竞争者的项目参与者的效率，促成他们的和谐共处。BIM还支持集成项目交付，这是一种整合利益相关者、系统、业务结构和施工为一体，从而在项目生命周期各阶段减少浪费、提高效率的新型项目交付方法。
1 建筑信息建模的应用
建筑信息模型可用于下列目的：
(1)可视化：可以很容易地生成3D渲染。
(2)制作/施工图：易生成各种建筑系统施工图，例如，在模型完成后可以快速生成金属管道施工图。
(3)代码审查：消防部门和其他人员可以利用这些模型审查建筑项目。
(4)成本估算：BIM软件内置了成本估算功能。当在模型中有任何更改时，将自动提取并更新材料数量。
(5)施工顺序：建筑信息模型可以有效地协调材料订购和制造，并递交所有建筑构件的清单。
(6)冲突、干涉、碰撞检测：因为建筑信息模型在三维空间中构建，所以所有主要系统都可以实时地自动检查干扰。例如，此过程可以确保管道不与钢梁，管道或墙壁交叉。
(7)案例分析：建筑信息模型可以很方便地说明潜在的故障、泄漏、疏散计划等。
(8)设施管理：设备管理部门可用它进行翻修、空间规划和维护操作。
建筑信息模型的关键优势在于它能在集成数据环境中对建筑物各部分进行精确的几何展示。其他相关优点如下：①更快、更有效的流程：信息便于共享，能够增值和重复使用。②更好的设计：可以严格分析建筑方案；快速执行模拟，并以性能为基准，从而得到改进和创新的解决方案。③全寿命成本和环境数据可控：环保性能更可预测；生命周期成本更好理解。④更高的产品质量：文档输出自动化，灵活便捷。⑤自动化装配：数字产品数据可应用于下游工艺，并可用于结构系统的制造和装配。⑥更好的客户服务：精确的视图帮助更好地理解方案。⑦生命周期数据：需求、设计、施工和运行信息可用于设备管理。
在收集了32个重大项目的数据后，斯坦福大学的综合设施工程中心关于BIM优势作了如下报告：①消除了40%的未列入预算变更。②与传统成本估算相比，估计精度在3%以内。③生成成本估算所需的时间缩短了80%。④通过碰撞检测节省了合同价值10%的成本。⑤减少了7%的项目时间。
2 BIM在AEC行业的作用：现状与未来趋势
在这一部分，基于两个问卷调查的结果，对BIM在AEC行业的作用、现状和未来趋势进行了讨论。麦格劳·希尔公司发布了一份关于2008年BIM在AEC行业的应用情况的全面的市场分析报告，并基于由美国的82位建筑师、101位工程师、80个承包商和39位业主共同完成的问卷调查的研究，对2009年的趋势作出了预测。其中主要研究成果如下：
(1)建筑师是BIM最主要的用户—43%的建筑师在他们60%以上的项目中使用了BIM；而承包商是最少的用户，近一半（45%）的承包商只在他们不足15%的项目中使用了BIM，仅有四分之一（23%）在他们60%以上的项目中使用BIM。
(2) 82%的BIM用户认为BIM对公司的生产力有着非常积极的影响。
(3) 79%的BIM用户表明，使用BIM可以改善项目成果，例如减少了信息请求（RFI）和现场协调问题。
(4) 66%的受访者认为，采用BIM可以增加项目投标成功率。
(5) 66%的用户提到，BIM对他们外部工程实践有适度影响。
(6) 62%的BIM用户打算2009年在30%以上的项目中使用BIM。
该报告预测，BIM的预制能力将广泛应用于降低成本和提高工作质量。总的来说，BIM应用有望于在企业内部和整个AEC行业扩大。
Kunz, J和 Gilligan, B为确定BIM的应用价值和有助于成功的因素，进行了一项问卷调查，主要研究成果如下：①在过去的一年里，BIM在设计和施工各个阶段的使用量显著增加。②BIM用户覆盖设计和建筑行业的各个部门，并在美国各地运作。③BIM的主要应用领域是施工文档开发，概念设计支持，和项目前期规划服务。④BIM的使用降低了具有类似合同结构的整体风险。⑤在调查的时候，绝大多数公司将BIM用于3D、4D的冲突检测、规划和可视化服务。⑥使用BIM可提高生产力以及项目人员的参与度，并减少意外事故的发生。⑦建筑行业的资深建筑信息建模师们指出了一个缺陷，并预测BIM的使用需求将随时间呈指数增长。
这些调查结果表明，AEC行业仍非常依赖传统图纸和规范来开展业务。同时，AEC行业的专业人士正逐步将BIM用于更加高效、更加智能的模型构建。据报道，绝大多数使用BIM技术的公司都大力支持这项技术。调查结果表明，用户需求的是一个不仅能支持大容量文档读写；拥有基于CAD平台的可视化功能，还支持多种设计和管理操作的BIM应用程序。BIM作为一项技术仍处于形成阶段，同时，市场解决方案仍在回应用户的特定需求中不断改善。
3 BIM的优势：案例研究
在上述调查中，AEC行业的从业人员表示，BIM的使用有利于节省时间和工程成本。然而，并没有提供数据来量化和支持这些事实。以下四个案例研究说明了在项目规划、设计、预建设和施工的各个阶段，开发和利用建筑信息模型实现的时间和工程成本节省。本节中报告的所有数据均来自领英建筑公司(HCC)，该公司是一家位于乔治亚州亚特兰大的中型总承包公司（以下称总承包商，简称GC）。
3.1 案例1：乔治亚州亚特兰大的希尔顿水族馆花园酒店
希尔顿水族馆花园酒店项目包括一个综合酒店，零售商店和一个停车场。项目详情如下：
(1)项目范围：4600万美元，484000平方英尺的酒店和停车场。
(2)交付方法：项目总监承担风险。
(3)合同类型：保证最高价格。
(4)BIM应用范围：设计协调、冲突检测和测序。
(5)BIM项目成本：90000美元，或项目预算的0.2%（业主支付40000美元）。
(6)成本效益：由于冲突消除将减少超过200000美元的成本。
(7)进度安排效益：节省1143小时。
虽然该项目在设计开发阶段尚未使用BIM技术进行设计，但是GC带领项目团队进行了该项目的建筑、结构、机械、电气、和管道模型的开发，如图2所示。这些模型是根据分包商所提供的基于设计师的图纸的详细信息所构建的。
（a）建筑模型 （b）结构模型 （c）管道模型
图2 希尔顿水族馆花园酒店项目建筑信息模型
在最初使用了可视化之后，GC开始使用这些模型进行碰撞检测分析。此项BIM应用程序使GC能够确定各种结构和机械系统之间潜在的冲突或碰撞。在设计开发阶段，项目确定了55个冲突，从而避免了124500美元的成本浪费。仅仅这个阶段就在原有建筑信息模型开发成本为90000美元的基础上节省了34500美元。在施工文档阶段，GC对模型进行了更新；对已解决的冲突进行了跟踪。每个关键冲突都通过模型查看器和一个已编号的记录了建筑或结构的每一次碰撞图像的碰撞日志与设计团队进行了共享。碰撞成本节约值是在设计变更或对以前没有发现的碰撞进行现场修改的基础上估算出来的。超过590个冲突在实际施工开始之前就被检测出来了，根据项目中发现的这些碰撞所产生的整体节约成本约为801565美元，如表1所示。为了计算净成本节约，采用保守估算的方法，假设在实际施工开始之前，75%的已识别碰撞可以通过常规做法检测到（例如，使用光表的顺序复合覆盖处理）。因此，净调整成本节约大致为200392美元。
表1 通过在水族馆酒店项目建立建筑信息建模所产生的成本和时间的节省说明
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碰撞阶段
碰撞量
成本节省估算/美元
工程队工时估计/小时
协调日期
100%设计开发冲突
55
124,500
2006.06.30
建筑（设备、电气、管道碰撞）
地下室
41
21,211
50
2007.03.28
一层
51
34,714
79
2007.04.03
二层
49
23,250
57
2007.04.03
三层
72
40,187
86
2007.04.12
四层
28
35,276
68
2007.05.14
五层
42
43,351
88
2007.05.29
六层
70
57,735
112
2007.06.19
七层
83
78,898
162
2007.04.12
八层
29
37,397
74
2007.07.03
九层
30
37,397
74
2007.07.03
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