1. BIM的相關(guān)概念

美國不同領(lǐng)域?qū)IM的概念不盡相同。從此次調(diào)研的情況來看，與BIM相關(guān)的概念有Building Information Modeling、Building Information Management、Civil Integrated Management（CIM），以及Bridge Information Modeling（也叫BIM）。包括美國聯(lián)邦交通部在內(nèi)的多個(gè)交通領(lǐng)域部門更傾向于使用CIM來定義用于在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、管理和維護(hù)的全過程的信息化技術(shù)。

為了維持報(bào)告的一致性和連貫性，并與國內(nèi)的概念相統(tǒng)一，本報(bào)告仍然使用“用于公路等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域全生命期的3D模型和信息化技術(shù)”這個(gè)概念。

2. BIM的起源和發(fā)展

BIM從提出到逐步完善，再到工程建設(shè)行業(yè)的普遍接受，經(jīng)歷了幾十年的歷程。1975年Chuck Eastman教授在AIA Journal上發(fā)表的文章中首次提出了“Building Description System”的工作原型。20世紀(jì)80年代，人們逐步開始研究討論相關(guān)實(shí)施技術(shù)，包括三維建模、自動成圖、智能參數(shù)化組件、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、實(shí)施施工進(jìn)度計(jì)劃模擬等。20世紀(jì)90年代，BIM研究的發(fā)展在全球范圍得到廣泛的認(rèn)可。2000年以后BIM相關(guān)建模技術(shù)、軟件開發(fā)與應(yīng)用逐漸成熟，形成了一批以Autodesk、ArchiCAD及Bentley等為代表的知名軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)與公司。2008年起，BIM研究和應(yīng)用在全球范圍內(nèi)都迎來了爆炸式的增長，已經(jīng)在房屋建筑師和設(shè)計(jì)單位中廣泛應(yīng)用，成為建筑行業(yè)最熱門的技術(shù)之一。

得益于計(jì)算技術(shù)、軟件技術(shù)、建筑技術(shù)和多樣性的客戶需求，美國很早就開始了建筑行業(yè)信息化研究，BIM技術(shù)是其中的一個(gè)重要成果，其研究與應(yīng)用都走在了世界前列。

目前，美國大量房屋建筑項(xiàng)目已經(jīng)開始應(yīng)用BIM，組建了各種BIM協(xié)會，并出臺了各種BIM標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)McGraw Hill的調(diào)研，2007年美國工程建設(shè)行業(yè)采用BIM的比例為28%，至2009年增長為49%，到2012年已經(jīng)達(dá)到了71%。74%的建筑承包商已經(jīng)在應(yīng)用BIM技術(shù)，超過了建筑師（70%）及機(jī)電工程師（67%）。2016年，有超過四分之三的人贊同BIM技術(shù)的全面應(yīng)用。BIM的價(jià)值在不斷被認(rèn)可。

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化是BIM技術(shù)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。各個(gè)BIM軟件平臺都有自己的數(shù)據(jù)格式，要實(shí)現(xiàn)平臺間數(shù)據(jù)交換，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，即BIM信息標(biāo)準(zhǔn)體系。

在美國，BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括國際ISO標(biāo)準(zhǔn)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)、各州標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)和協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)等。IFC標(biāo)準(zhǔn)體系也正在推動交通基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)BIM標(biāo)準(zhǔn)，其中道路部分主要由韓國牽頭、橋梁部分主要由法國牽頭、鐵路部分主要由中國牽頭。美國建筑行業(yè)的BIM標(biāo)準(zhǔn)比較龐雜，公路行業(yè)的BIM標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，此外，還有Open Bridge Information Model（OpenBrIM 2.0）、Land Topography（LandXML）、National Bridge Inventory（NBI）、Bentley OpenBridgeiModel等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言，目前美國的BIM標(biāo)準(zhǔn)仍然處于起步階段，種類繁雜，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)用階段。掌握核心技術(shù)軟件商對數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化并不積極，各自建立了自己的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并排斥與其他軟件的兼容性。IFC等標(biāo)準(zhǔn)目前仍只能在不同軟件平臺之間傳遞部分BIM信息，大量有價(jià)值的信息丟失在轉(zhuǎn)換過程中。

目前，在在公路交通行業(yè)應(yīng)用較多的BIM相關(guān)信息標(biāo)準(zhǔn)主要有：

（1）開放式橋梁信息模型（OpenBrIM 2.0）。由美國聯(lián)邦高速公路管理局和紅方程公司聯(lián)合開發(fā)的一種開放式橋梁信息模型標(biāo)準(zhǔn)。

（2）LandXML。一種描述地形、公路路線、管道系統(tǒng)和其他土地測量相關(guān)的信息和開發(fā)的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)。

（3）美國國家橋梁數(shù)據(jù)庫（NBI）。美國橋梁的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)主要包含了橋梁的記錄，如描述橋梁所有者權(quán)限、位置、路線的功能分類、橋梁歷史、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁跨徑信息和一組預(yù)定義橋梁組件（用于評估）。該組件包含橋面板、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、通道及通道保護(hù)、涵洞。

（4）Bentley OpenBridgeiModel。Bentley?系統(tǒng)軟件公司于2015年公布的一種橋梁信息建模標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)作為Bentley公司i-model計(jì)劃的一部分，但該橋梁信息建模標(biāo)準(zhǔn)目前尚未發(fā)布。

經(jīng)過多年發(fā)展，美國的BIM及BIM相關(guān)軟件門類繁多，研發(fā)公司主要有Autodesk、Bentley、Google、Trelligence等。其中在土木建筑領(lǐng)域市場占有率較高的主要是Autodesk和Bentley公司 ( bentley軟件、BIM解決方案咨詢QQ:3621561725)。

這些大型軟件公司憑借對BIM的深刻理解以及多年的研發(fā)投入和積累沉淀，形成了各自的BIM解決方案系列軟件，占據(jù)了國際絕大部分市場。建筑行業(yè)的BIM軟件已經(jīng)較為成熟，基本達(dá)到買來即用的程度，但在公路、橋梁、隧道、水運(yùn)工程方面的軟件還在不斷發(fā)展完善中，存在一些專業(yè)領(lǐng)域的空白，沒有一套BIM軟件能夠達(dá)到買來即用的程度，需要在基礎(chǔ)平臺上進(jìn)行各專業(yè)二次開發(fā)才能滿足應(yīng)用需求。

目前Autodesk公司最為核心的BIM軟件是Autodesk Revit，除此之外還有Autodesk Inventor、Autodesk Infraworks 360、Autodesk Civil 3D、Autodesk Navisworks、Autodesk Vault等一系列軟件來支持BIM在工程全生命期的應(yīng)用。同時(shí)，Autodesk公司建立了大型的服務(wù)器集群，將相關(guān)的軟件功能集成到云平臺，通過云計(jì)算的方式為客戶提供服務(wù)。

Bentley BIM產(chǎn)品線包括Architecture、Structural、Mechanical System、Electrical、Piping和Site等。Bentley產(chǎn)品在道路、橋梁、市政、水利等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

美國既存在獨(dú)立的、主要承擔(dān)BIM工作的公司，也鼓勵(lì)設(shè)計(jì)、管理等相關(guān)人員直接應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和管理。美國BIM的人才隊(duì)伍大體可分為BIM軟件開發(fā)人才、BIM軟件應(yīng)用人才兩大類，BIM軟件應(yīng)用人才有可以進(jìn)一步細(xì)分為設(shè)計(jì)、建造、管理等專業(yè)人才。得益于全球領(lǐng)先的軟件教育、軟件研發(fā)大環(huán)境和深厚的技術(shù)沉淀，美國在BIM軟件開發(fā)人才方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，相關(guān)人才儲備在世界各國是最充裕的。

在美國，BIM軟件的研發(fā)公司擔(dān)負(fù)推廣BIM軟件和培養(yǎng)BIM應(yīng)用人才的主要責(zé)任。首先，客戶人才培養(yǎng)是BIM研發(fā)公司與客戶產(chǎn)品服務(wù)的一部分，研發(fā)公司主動幫助客戶培訓(xùn)技術(shù)人員，以熟練掌握BIM軟件的相關(guān)技能；其次，所有的BIM軟件都對高校免費(fèi)開放，鼓勵(lì)高校研究人員和學(xué)生了解并掌握BIM技術(shù)；再次，針對行業(yè)主管部門，比如聯(lián)邦及各州交通部，BIM研發(fā)公司也會通過產(chǎn)品宣傳和技術(shù)培訓(xùn)等手段，提高行業(yè)主管部門的BIM技術(shù)水平，以促進(jìn)軟件的推廣應(yīng)用。此外，設(shè)計(jì)和施工企業(yè)為提高生產(chǎn)效率、降低人員成本，也樂于培訓(xùn)相關(guān)員工，使其掌握BIM應(yīng)用技術(shù)。

通過BIM研發(fā)公司的不斷努力和相關(guān)各方在項(xiàng)目實(shí)踐中的切身體會，美國BIM軟件應(yīng)用的人才隊(duì)伍逐漸壯大，整個(gè)行業(yè)的BIM技術(shù)水平也得到不斷提升。

（六）建筑信息模型（BIM）技術(shù)在美國交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)在美國已廣泛運(yùn)用在建筑領(lǐng)域，并在美國公路等交通行業(yè)項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營維護(hù)中進(jìn)行了成功的嘗試，但與建筑領(lǐng)域相比，尚處于從傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)、應(yīng)用BIM技術(shù)的過渡階段。

1. 公路交通行業(yè)的BIM應(yīng)用水平

美國公路交通行業(yè)BIM技術(shù)主要應(yīng)用在三維模型設(shè)計(jì)優(yōu)化和方案展示、施工機(jī)械控制方面，并開始在項(xiàng)目的維護(hù)和資產(chǎn)管理中應(yīng)用，在提高項(xiàng)目安全性、控制成本、提高效率方面展現(xiàn)了良好的效果。但是，對于電子文檔的法律地位仍然存在巨大爭議。

目前，有4個(gè)州已經(jīng)明確要求在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用三維模型，有30個(gè)州正在對三維模型的效益進(jìn)行評估或試驗(yàn)。

圖9 工程設(shè)計(jì)階段三維模型應(yīng)用比例

很多施工企業(yè)已經(jīng)或正在開始試用帶有自動導(dǎo)引設(shè)備（Automatical Machine Guidance，AMG）系統(tǒng)的設(shè)備，以求提高控制精度、節(jié)約人力成本，部分項(xiàng)目業(yè)主也開始利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工質(zhì)量管理。

BIM解決方案咨詢QQ:3621561725

圖10 施工階段三維模型應(yīng)用比例

已經(jīng)有2個(gè)州將BIM技術(shù)用于運(yùn)維階段，32個(gè)州正在開展評估或試驗(yàn)。運(yùn)維階段主要利用BIM技術(shù)管理智能數(shù)據(jù)采集、建立公路數(shù)據(jù)目錄和公路資產(chǎn)管理，以及對已建成項(xiàng)目三維數(shù)據(jù)模型的維護(hù)。

BIM解決方案咨詢QQ:3621561725

BIM解決方案咨詢QQ:3621561725

圖11運(yùn)維階段三維模型應(yīng)用比例

總的來看，BIM技術(shù)在美國交通行業(yè)的應(yīng)用仍處于起步階段，雖然已經(jīng)展現(xiàn)了一定的效益，并吸引了很多關(guān)注。但多數(shù)人仍然認(rèn)為，這一技術(shù)只是對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)和提高，并不能引起行業(yè)顛覆性的變化，與房屋建筑行業(yè)不同，在交通領(lǐng)域所帶來的效益尚不明確，因而更多的處于嘗試和觀望階段。

有研究表明，在公路建設(shè)階段全面應(yīng)用BIM技術(shù)，可以節(jié)約大約3%的建設(shè)成本，其來源主要包括：提高完善設(shè)計(jì)的效率、減少由于構(gòu)件間的碰撞造成的返工及變更、提高組織管理效率以降低人力消耗、通過AMG技術(shù)減少對現(xiàn)場技術(shù)人員的需求等等。

2. 聯(lián)邦公路局對應(yīng)用BIM的態(tài)度。

美國聯(lián)邦公路局鼓勵(lì)、支持采用BIM技術(shù)，但受限于法律，不能強(qiáng)制推廣，只能通過有限的補(bǔ)助進(jìn)行刺激。各州根據(jù)對BIM技術(shù)的認(rèn)識、自身的條件自由選擇BIM的應(yīng)用和推廣方式，多數(shù)的州交通局正在關(guān)注、試用BIM技術(shù)，也還有少部分州對BIM技術(shù)仍然不感興趣。

3．項(xiàng)目立項(xiàng)和設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

項(xiàng)目立項(xiàng)階段，可以利用BIM技術(shù)的可視化三維模型向業(yè)主及公眾闡述、展示設(shè)計(jì)方案，并在更廣泛的范圍內(nèi)聽取意見，以獲得支持，目前很多案例都取得了良好的效果。

在設(shè)計(jì)階段，利用BIM技術(shù)進(jìn)行模擬分析、虛擬建造，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的不足。部分案例認(rèn)為，采用BIM技術(shù)有效提高了技術(shù)復(fù)雜、方案多變工程設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的效率，降低了設(shè)計(jì)成本，并減少了大量在建設(shè)期間的變更。

4．工期安排和造價(jià)控制中的應(yīng)用

通過BIM技術(shù)將3D模型和時(shí)間維度進(jìn)行結(jié)合，形成4D模型，可以更方便的進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，更加準(zhǔn)確的協(xié)調(diào)施工順序，減少在時(shí)間維度上的沖突，使施工進(jìn)度安排更為合理。如美國161號高速公路4段項(xiàng)目，總長6.5英里的收費(fèi)高速公路，位于達(dá)拉斯沃斯堡大都會區(qū)，包含45座橋梁和兩處大型立體交叉，總投資4.16億美元，主體工程要求在15個(gè)月以內(nèi)完成。建設(shè)方通過BIM 4D模型進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，改進(jìn)施工進(jìn)度安排，改善項(xiàng)目各參與方協(xié)調(diào)，有效控制了項(xiàng)目工期，使項(xiàng)目在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)順利完成。

BIM解決方案咨詢QQ:3621561725

圖12 美國161號高速公路BIM模型

在4D模型的基礎(chǔ)上，增加各模型構(gòu)件相關(guān)的費(fèi)用信息，就形成了包括成本的5D模型（反映與實(shí)際成本相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間、工序維度關(guān)系的數(shù)據(jù)庫），將成本匯總、統(tǒng)計(jì)、拆分對應(yīng)起來，可以實(shí)時(shí)讀取建造過程中的費(fèi)用清單，便于更精確的進(jìn)行施工過程中的備工備料，更有效地進(jìn)行費(fèi)用成本控制。

如北塔蘭特高速公路，總長13.5英里，總造價(jià)為25億美元，通過在4D模型基礎(chǔ)上對BIM模型進(jìn)行劃分，增加費(fèi)用信息，采用電子化工作流程，實(shí)施獲取相關(guān)的材料成本信息、人工成本信息，進(jìn)行了精細(xì)化工程費(fèi)用管控的嘗試。

圖13 北塔蘭特高速公路BIM模型

據(jù)介紹，目前有9個(gè)州正在嘗試使用4D和5D技術(shù)來改進(jìn)項(xiàng)目工程管理，并提供更準(zhǔn)確的項(xiàng)目成本估算。

5．在施工中的應(yīng)用

美國人工成本高，為降低工程成本，一些企業(yè)已經(jīng)開始利用BIM模型作為AMG的施工控制信息，代替施工放樣測量，以提高施工質(zhì)量和效率，目前主要是在土方和路面施工中嘗試應(yīng)用這一技術(shù)。在建的北卡羅萊納州U-0071 East End Connector項(xiàng)目中的部分設(shè)備就采用了這一技術(shù)。

目前達(dá)到的技術(shù)水平是在施工機(jī)械上加裝控制電腦、測量定位、控制及傳感設(shè)備，在導(dǎo)入BIM三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，通過GPS進(jìn)行精準(zhǔn)定位施工，提供施工控制數(shù)據(jù)，指導(dǎo)操作手作業(yè)。很多企業(yè)正開發(fā)更加自動化的設(shè)備。

圖14 智能施工機(jī)械（AMG）

6．BIM技術(shù)在后期運(yùn)營維護(hù)中的應(yīng)用

美國已經(jīng)有將三維設(shè)計(jì)模型應(yīng)用于項(xiàng)目運(yùn)維階段的案例，如將3D數(shù)據(jù)運(yùn)用于公路數(shù)據(jù)目錄和公路資產(chǎn)管理，并根據(jù)實(shí)際情況修正3D模型，建立基于完工狀態(tài)的，更準(zhǔn)確的3D設(shè)計(jì)模型等。BIM模型中所有關(guān)于構(gòu)件信息，包括項(xiàng)目的空間信息、材料、數(shù)量等維護(hù)階段所需要的所有信息，將會利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式存儲起來，并在項(xiàng)目使用壽命期間不斷得到豐富和維護(hù)。

BIM模型結(jié)合運(yùn)營維護(hù)管理系統(tǒng)后，能夠發(fā)揮在空間定位和數(shù)據(jù)記錄方面的優(yōu)勢，以更合理的制定維護(hù)計(jì)劃，提高維護(hù)效率。對一些重要工程和設(shè)備還采用跟蹤維護(hù)工作歷史記錄的方式，對設(shè)備的適用狀態(tài)提前作出判斷。如美國I-15項(xiàng)目為9.5英里長的州際公路改擴(kuò)建工程，包括5處互通立交和24座橋梁，通過搭建企業(yè)級工程內(nèi)容管理平臺，創(chuàng)建了一個(gè)綜合項(xiàng)目框架來管理該項(xiàng)目的所有文件資料，建立竣工BIM系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過網(wǎng)頁和移動終端快速掌握工程建設(shè)細(xì)節(jié)、歷史維護(hù)情況等運(yùn)營維護(hù)期間所需信息，并對這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

圖15 BIM技術(shù)在運(yùn)營維護(hù)中的應(yīng)用

艾三維軟件，專注基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)軟件解決方案！BIM技術(shù)交流群：657652939（干貨分享）