第二章 BIM 相关理论概述
2.1BIM 的概念
2.1.1BIM 的通用解释
从 BIM 技术出现开始，人们就想对其概念进行严格的界定，但是受到两方面因素的影响，使得难以对其进行准确的解释。一方面是因为 BIM 技术出现的时间比较晚，至今发展也不过 40 年的时间，相关的理论还不全面，无法对其进行准确的定义，或者说是无法使定义内容概括 BIM 技术涉及到的方方面面；另一方面就是因为从建筑描述系统出现开始，BIM 技术是不断发展和变化的，至今还处于不断完善和改进的过程，这样就使得相关概念的界定变得更加困难[13],无法对其进行统一的解释说明。虽然无法对 BIM 技术概念进行准确的定义，但是 BIM 技术的概念必将要包括下述几方面的内容。第一，BIM 技术涉及的内容包括建筑工程管理的方方面面，是贯穿于建筑工程项目全过程中的，而不单单是建立一个信息系统模型就可以完成的；第二，和传统的二维建筑工程设计和管理模式相比，BIM技术具有精细、高效、信息统一的优势，BIM 技术的出现改变了传统建筑工程管理粗放式的模式；第三，BIM 技术的出现必将会引起建筑业新一轮的技术变革，使建筑行业面临更大的挑战和机遇。
BIM 是英文 Building Information Modeling 的缩写，直译为“建筑信息模型”,在学术界对 BIM 技术的通用解释为：BIM 技术就是将建筑工程项目中涉及到的各种数据信息进行加工处理，形成一个具有所有设计元素信息的综合建筑工程项目数据库，并将和建筑工程项目有关的参数输入到数据库中[14],建立相应的数据模型，建筑工程项目参与方能对数据库信息进行输入、访问、修改等操作。数据库中的信息彼此之间具有一定的联系，编辑任何一个数据信息都有可能会导致其它方面信息内容的变化。
2.1.2BIM 的技术核心
在整个建筑信息系统中最为核心的技术就是数据库。数据库的建立需要计算机技术和三维数字技术的支持，是整个 BIM 技术中最为重要同时也是最难以实现的一个环节。三维模型数据库相比于一般的数据库而言具有下述特点，第一就是这个三维数据库要包括和建筑工程项目相关的所有数据信息，同时随着建筑工程项目的不断推进，数据库的数据还要进行不断的更新，即需要包括建筑工程项目从立项到运营维护阶段的各种信息；第二，三维数据库中的数据信息并不是独立存在的，各项数据信息之间具有一定的逻辑关系[15],在修改其中任何一个数据信息时都会引起其他数据信息的变化，这样才能确保不同专业信息之间的协同性。
此外，三维数据库中的信息还要能在建筑工程项目参与方中共享，即参与建筑工程项目的建设单位、施工单位、监理单位、设计单位等能直接访问数据库，并有权对数据库中的数据信息进行编辑操作。这样可以让建筑工程项目参与方能更加及时地了解建筑工程项目的实施情况，有助于工程项目参与方快速对变更内容做出反应，从而提高决策的效率，有效减少时间和成本的浪费，提高建筑工程项目的效益。
2.2 三维 BIM 与协同设计
在传统的建筑工程设计与管理模式中，以二维设计为主，建筑工程项目涉及到的五个专业采用分开设计的方法，虽然大都是使用 CAD 软件进行设计，但不同的专业使用的 CAD 软件类型不同，在完成各个专业的设计后将设计成果以二维图纸的形式展现出来，最终再将这些不同专业的图纸进行综合，大部分就是组装在一起，形成最后的设计成果。但在各个专业设计的过程中是无法进行准确的信息传递和信息共享的[16],不同专业的设计者之间也没有过多的交流信息的机会，对于某些专业设计的变更内容也无法及时做出回应，这就会影响最终各个专业设计成果的质量。随着计算机应用软件技术的发展，也出现了一些用于综合不同专业信息的软件系统，但这些应用软件始终没法真正实现不同专业之间信息的传递和共享，对于不同专业信息的协同而言无法起到根本性的作用。
BIM 技术与上述的二维设计方法和用于信息综合的软件不同，它在进行建筑工程设计之初就进行了信息传递和信息共享，并在设计的过程中和施工、运营管理的过程中随时进行信息更新，确保信息传递的准确性。建筑工程项目的任何一个参与方都能通过这个平台获得项目的信息和变更信息，使得不同专业之间的设计交流无障碍。
2.2.1 从二维 CAD 到三维 BIM 设计
现阶段，国内建筑业大部分还是以二维设计为主，将二维图纸作为设计的最终成果。这就使得目前很多建筑工程管理仍是以二维图纸为基础进行的，甚至很多建筑行业从业者对于 BIM 技术还不太了解或者是不愿意学习使用，这就给 BIM技术在建筑行业的推广带来一定的困难。
随着社会的不断进步，建筑设计的意义早就已将超越了人们的基本需求，建筑设计仅能满足人们对于建筑使用功能的要求远远是不够的，这也是现代很多异形建筑层出不穷的一个原因，人们对于美感的关注对于建筑设计而言更加重要。
曲面是建筑行业中常使用的一种设计手法，这也并非是现代人的专利，从古代开始人们就对曲面的应用很感兴趣，并将其应用于建筑设计中，但二维图纸是一种平面设计方法，无法展现曲面等几何形状[17].在这种情况下，人们为了更好的展现设计成果，不得不另辟蹊径，而三维设计正好可以弥补二维设计的不足，满足人们更多的设计要求。
利用二维图纸进行建筑设计，对设计师的空间想象能力要求比较高，设计师需要根据二维图纸想象建筑内部的结构特征。但是即使设计师能想象出建筑内部的结构也无妨将其以一种连续的方式展现在二维图纸上。但三维设计方式可以实现建筑工程项目三维立体展示的目标，利用 BIM 技术可以对建筑工程项目进行虚拟模拟，设计师可以对建筑工程项目有一个直观的了解，不需要再进行凭空的想象。同时，BIM 技术不仅能展示建筑工程项目的空间结构，还能显示建筑工程项目使用的材料特性等具体内容，设计师可以根据自己的需要进行数据库访问，这样可以让设计人员对建筑工程项目有一个更加全面的了解。
此外，BIM 三维设计还能将较为复杂的几何结构以一种比较直观的方式展现出来，例如比较着名的国家大剧院、鸟巢体育场等都属于外观机构较为复杂的建筑，二维设计无法对其进行全面的展示，但 BIM 三维技术却能将设计的成果直接模拟出来，使人能直接看到建筑工程项目的效果[18].虽然，BIM 三维设计方法能较为直观的展示建筑工程项目的几何空间结构，但这不是 BIM 技术唯一的功能特点，BIM 技术还包括很多其它方面的数据信息，如建筑工程的材料、力学原理、物理性质等，这些非几何信息的存在使得 BIM 技术的功能变得更加强大，一些在二维设计中需要人工完成的任务就可以通过输入相关数据而自动生成，例如建筑施工需要使用的各种二维图纸。
2.2.2BIM 设计与传统三维设计的区别
BIM 三维设计和传统的三维设计都能实现建立三维模型和虚拟现实的目标，但由于依托的技术方法存在不同使得二者之间也存在的一定的区别。BIM 设计与传统三维设计的区别主要表现在下述几个方面：
1、二者在设计功能方面存在一定的差异，传统的三维设计只能完成构建三维效果图和虚拟现实两项任务，而 BIM 三维设计不仅能完成这两项任务还具有设计、分析数据、管理项目等功能，即 BIM 三维设计的功能要远远多于传统三维设计方法；2、传统三维设计方法没有基于建筑工程项目参数的模型，而 BIM 三维设计方法具有参数化模型，这个模型的存在能进行自动的相关数据计算和统计，使得BIM 技术更加智能化；3、传统三维设计方法的协调性较差，而 BIM 三维设计技术则具有很强的协调性，不仅能根据输入的数据对后期施工过程和运营管理过程进行指导，还能根据各个专业的数据信息自动进行协同性检查，从管道位置、机构设计、建筑设计等角度对建筑工程项目进行直接的观察，可以发现各个专业设计之间存在的矛盾和冲突，并及时做出有效的处理和调整，这不仅有助于在设计成果交付前进行设计变更，从而减少设计的失误和偏差，还能节约大量的人力和物力[19],降低建筑工程项目的成本；4、传统三维设计方法是以二维图纸为基础进行设计的，数据之间不存在逻辑关系，而 BIM 三维设计方法中的数据信息具有很强的逻辑关系，编辑一处数据就能实现三维数据库中所有相关数据的更新，可以减少因设计变更而导致的信息错误；5、相比于传统三维设计方法，BIM 三维设计具有可视化设计的特点，现代建筑物的结构越来越复杂、形态越来越奇怪，需要布置的管道越来越多，如果单凭设计师的想象能力很难满足设计的要求，而 BIM 三维设计可以让设计师直观的看到建筑工程的各个方法的结构和布置情况，这样可以大大减小设计师的压力，从而使得设计成果的质量更加符合设计需要。6、基于 BIM 的设计流程相比于传统的二维设计流程，更符合现代设计理念的表现和达到设计要求。
2.3BIM 协同设计的实现方法
BIM 协同功能的实现需要建筑工程项目参与各方的积极配合，只有相关人员对此种设计方法比较支持才能确保最终协同功能的实现。BIM 协同设计的实现需要遵守一定的流程规则，以确保各项工作都能按照相应的顺序进行[20].BIM 协同设计的工作流程大概分成下述几个步骤：第一步，需要建造师进行基础模型创建，这一环节的工作是为其它专业模型的建立提供基本的标准；第二步，需要结构专业、建筑专业和电气专业共同完成，即结构工程师要建立相应的结构模型、建筑师要对第一步建立的模型进行细化处理，机电工程师要建立机电模型，这些模型的建立应以第一步建筑师创建的基础模型为基础进行；第三步，建筑信息系统要对三个专业输入的数据信息进行碰撞检查[21],检查其中是否存在矛盾现象，如果没有问题就会直接生成施工图，如果存在管线交叉施工碰撞则要返回到第二步重新进行各个专业的模型设计，直到无专业碰撞现象发生。
2.4BIM 信息的特性
2.4.1BIM 信息的复杂性
BIM 技术就是通过建立一个参数化模型，依托计算机技术，将和建筑工程项13目相关的数据全都输入到模型中，从而对建筑工程项目进行虚拟的一个过程。除了构建参数化模型，应用 BIM 技术的一个重点内容就是建筑工程项目的数据信息的存储，这些数据信息的容量比较大，包括建筑工程项目各个方面的内容，涉及到建筑工程管理的各个环节[22]从结构数据信息到材料特性信息再到工艺信息等，不仅仅是构建三维模型的几何信息，还包含很多非几何信息，甚至像门窗等一些细节部位的信息都要包含其中。简而言之，就是利用 BIM 技术在计算机中建立了一个和现实建筑工程项目完全一样的虚拟建筑，现实中需要使用到的信息内容要按照一一对应的原则全部输入到计算机中，以确保虚拟建筑和现实建筑之间的一致性。
在建筑工程管理的全过程中，按照一般的划分方法可以将其划分成四个阶段，分别为准备阶段、设计阶段、施工阶段以及运营维护阶段。不同阶段涉及到的参与方不同，但无论是哪一个阶段都会有很多利益关系牵涉其中，按照参与建筑工程管理的方式不同，可以将众多的建筑工程项目参与方分成两种类型，一种是直接参与建筑工程管理活动的单位，如建设单位、设计单位、监理单位、施工单位等；另一种是间接参与建筑工程管理活动的单位，如政府相关机构、社会相关利益群体等[23].不同建筑工程项目参与方需要的信息不同，产生的信息也不同，而将这些原本就比较复杂的信息综合在一起后，其复杂程度又会成倍的增加。通常而言，一个 BIM 数据库中应包括设施管理、运营评估、法律法规、日照分析、视线模拟、成本预算、施工图纸等各种不同专业范围的信息。由此显而易见，BIM信息具有复杂性的特征。
2.4.2BIM 信息的延续性和一致性
美国的一个专业机构总结了 BIM 技术在建筑业中 25 种不同的应用方式，其中的具体的内容就不再详细介绍，但在这 25 中不同应用中有三种是较为普遍的应用方式，分别是在规划设计阶段的建筑物周边环境模型和价值评估以及建设施工阶段档案模型应用，这三种应用方式可以体现出 BIM 信息传递是具有延续性的。其实，从实践角度出发，也能证明 BIM 信息要具有延续性和一致性的特性[24].
首先，BIM 技术应用于建筑工程管理的全过程中，三维数据库中的信息包括了建筑工程管理各个阶段的信息，便于项目参与方能全面了解工程项目的情况。
如果 BIM 信息不具备延续性的特性，在建筑工程项目推进的过程中出现信息丢失或信息错误的情况，将会影响后序工作，严重者甚至会导致以后的工作都是以错误数据为基础进行的，从而给建筑工程项目带来不可挽回的损失。鉴于此，建筑工程项目中产生的信息要符合延续性和一致性的要求，而 BIM 系统作为建筑工程项目信息的载体，自然要使得数据库中存储的信息具有延续性和一致性的特性。
其次，由传统建筑工程管理模式存在的弊端可以看出，关于工程资料数据信息不全的现象很普遍，这一现象的存在将会影响建筑工程项目交付使用后的运营维护工作。而 BIM 实际上就是建筑工程项目在计算机中的一个缩影[25],其中的数据信息就好比传统建筑管理模式中的工程资料数据，如果出现缺失将会给以后的运营管理工作带来极大的困难。
再次，BIM 技术具有的协同特点也可以确保 BIM 信息的延续性和一致性。BIM技术为不同专业的设计师提供了一个信息共享的平台，设计师可以对其中的数据信息进行编辑，但编辑后的数据信息会及时反馈到其它设计师负责的领域中，使得各个专业之间的数据信息同步更新，从而保证了 BIM 信息的延续性和一致性。
最后，BIM 技术是实现建筑业信息化的重要手段，BIM 模型构建是建立在信息化的基础上的[26].BIM 的主要功能就是对复杂的数据信息进行管理，它可以将复杂、无规则的数据变得具象化、条理化，最终形成一个系统化的数据库，完成对数据输入、存储、处理和访问的过程。这个过程就可以保证 BIM 信息的延续性和一致性。
2.5 本章小结
本章介绍了 BIM 的相关概念，分析了 BIM 与协同设计中与三维设计的区别以及实现 BIM 协同设计的方法，总结了 BIM 信息的各种特性。同时从技术核心方面对 BIM 进行了介绍，形成了一个立体的 BIM 概念。
