建筑信息模型（BIM）与建筑大数据

以下为书籍节选内容：

第 1 章 BIM 与建筑大数据（1.1 BIM 及其含义）

影响自然环境的直接和间接主要影响源之一[1]。一方面，受近 30 年来20%的行业增速麻痹，整个建筑行业管理粗放，管理创新能力弱，企业与行业的转型升级步履艰难；另一方面，世界各国对环境问题日益重视并陆续颁布了更严格的环境法规。这使得建筑行业转型升级以提升其能源和资源使用率的需求迫在眉睫[2]。建筑行业是数据量和业务规模最大的大数据行业之一。建筑大数据驱动的管理和决策是建筑行业与企业转型升级的关键；然而，建筑全生命周期数据源的孤立性和数据碎片化为建筑大数据的合理、可持续利用及领域导向的建筑大数据价值发现带来了极大挑战[3]。 

BIM（building information model/modelling，建筑信息模型）是建筑设施物理与功能特征的数字化表达，其为建筑全生命周期的各种决策提供可靠的共享信息资源。BIM 内包含了多维的 CAD（computer-aided design，计算机辅助设计）数据以支持建筑全生命周期多参与方的决策与协同。《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》（国办发〔2017〕19 号）提出“加快推进建筑信息模型（BIM）技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用，实现工程建设项目全生命周期数据共享和信息化管理，为项目方案优化和科学决策提供依据，促进建筑业提质增效。”近几年，发改委、住建部、交通部、水利部、国家电网、铁路总公司和各省市都相续推出了 BIM 实施指南、标准和指导建议等。当前，BIM已成为了计算机、建筑、土木和管理等学科交叉领域产业界和学术界的研究热点。

1974 年，Chuck Eastman 所提出的“building description system”[4]，它主要指在考虑建筑属性基础上，利用信息技术对图形进行编辑和元素组成的处理。该系统也通常被认为是 BIM 的原型。2003 年，Autodesk 发布《BIM 白皮书》，标志着 BIM 在建设设计的全面产业化。

尽管 BIM 技术越来越成熟，其应用也从最初的建筑设计逐步辐射到了建筑全过程，包括：勘察规划、建筑设计、施工管理和运维管理等。BIM 的应用领域也 从最初的民用建筑扩展到了现在的工业建筑、高速铁路、高速公路、水利水电、国家电网等，其应用范围也从传统基建扩展到了新基建领域。然而，国内建筑信息模型（BIM）与建筑大数据 外学术界和产业界还没有形成对 BIM 的统一定义。 

英国 BIM 标准定义 BIM 为：“Data beyond graphics. The creation and use of coordinated, internally consistent, computable information about a building project indesign and construction。”[5]该定义认为 BIM 不仅仅只是包含图形数据，更重要 的是囊括了设计和施工过程中创建和使用的一致且可计算的工程建设项目数据。

美国国家 BIM 标准委员会对 BIM 的定义是：“BIM is a digital representation of physical and functional characteristics of a facility. A BIM is a shared knowledge resource for information about a facility forming a reliable basis for decisions duringits life-cycle; defined as existing from earliest conception to demolition”[6]。该定义从两个层面定义 BIM：狭义定义和广义定义。首先，BIM 是设施功能和物理特性的数字化表达。从该层面上看，BIM 是一种数字化表达，其表现形式是计算机数据。因此，该层面所定义的内容和范围跟英国 BIM 标准的定义相似。通常，第一个层面的 BIM 定义可视之为 BIM 的狭义定义。其次，BIM 面向全生命周期科学决策提供基础设施可靠共享知识资源。该定义也被认为是 BIM 的广义定义。因为该定义中的共享知识资源指的内容就是设施的数字化表达，也即 BIM 的狭义定义。BIM 的广义定义是对 BIM 狭义定义的延伸。

由于美国国家 BIM 标准委员会对 BIM 的定义更具代表性，本部分将结合其定义深度论述 BIM 定义的几个关键词，以明确 BIM 同 CAD、数据和建筑等的内在区别与联系。

1）设施（facility） 

纵观 BIM 定义，并没有任何词汇涉及建筑。然而，BIM 却定义为建筑信息模型，其根本原因在于对 Facility 的定义。一方面，建筑是设施的组合。任何一个建筑都是由许许多多的墙、门、窗等设施构成。定义了设施，也就定义了建筑。另一方面，设施的定义更广，适用于更多领域。各个领域都包含设施，这也使得BIM 的定义可以推广到更多领域。例如，当详细定义国家电网所涉及的所有设施时，BIM 就推广到了国家电网领域，形成电网信息模型（grid information modelling/model）。又如，对道路基础设施进行详细定义后，BIM 就可以推广到交通道路领域，形成道路信息模型（road information modelling/model）。正是由于 BIM 未将其定义局限于建筑，这使得 BIM 具有更广阔的应用范围。这也是当前交通部、水利部、国家电网和铁路总公司等都在大力推动 BIM 的原因。当前 BIM 之所以称之为“建筑信息模型”，主要原因在于 BIM 标准主要围绕建筑领域的设施进行定义。 

2）数字化表达（digital representation） 

数据是数字化表达的成果形式，数据的表现形式为计算机文件。近年来，随着信息技术的发展，传统的 CAD 也从 2D 升级到了 3D，形成 3D CAD 设计。因此，一个潜在的问题是：传统的 CAD 也是 3D 设计，其跟 BIM 有什么本质区别？通常，传统的 CAD 被视作概念设计，每一张 CAD 图纸都是由一堆设计人员可以读懂的点、线和面构成。从计算机思维的角度看，计算机只能理解这些点、线和面为计算机图形学的点、线和面，并不能真正读懂它们的真实含义。因此，传统的 CAD 仅仅只是电子化或者信息化。而 BIM 的数字化表达不仅从形状上将设施定义为点、线和面的组合。更重要的是，BIM 的数字化还包含对每个设施的语义定义，使得计算机可以认知一组点、线和面所表达的真实设施是什么。同时，BIM的数字化还包含建筑全过程对设施功能和物理特性的增量表达。 

3）功能和物理性质（physical and functional characteristics） 

物理性质是指真实世界客观存在的性质，如设施的形状、体积、表面积、长、宽、高和颜色等。功能性质是指人为赋予的一些性质。例如，人为赋予一个区域为停车位等。除了语义定义外，BIM 所详细定义的功能和物理性质，为建设项目全过程的方案优化、智慧仿真和科学决策建立数据基础。 

4）共享知识资源（shared knowledge resource） 

共享知识资源可以从“共享”、“知识”和“资源”三个角度分别解释。从共享的角度上看，BIM 要实现共享，就需要有标准。BIM 的标准涉及设计标准、交付标准、存储标准等，以满足建设项目全过程不同阶段不同业务的使用需求。从知识的角度上看，知识是本体，也是黑格尔所说的“存在”，对应计算机程序里“对象”的概念。因此，知识首先需要有语义支撑，语义是 BIM 区别于传统CAD 的首要知识。从资源的角度上看，其共享的内容就是设施的功能和物理性质，对应 BIM 的狭义定义。 

5）可靠基础（reliable basis） 

建筑全过程涉及的数据各式各样，其数据的精度、真假度也各不相同。BIM旨在提供可靠的建设项目全过程数据，其可靠性可从三个方面进行评价：一致性、完整性和关联性。一致性是指不同阶段不同参与方对相同设施相同属性的描述应该一致，从而通过相互校验解决数据虚假等问题。完整性是指 BIM 对设施的描述应该是完整的，不应该存在“数据孤岛”和“数据断层”等问题。关联性是指 BIM还应准确、完整的描述数据之间的关联关系，如空间的相互邻接关系、管道之间的链接关系、空间和设施的包含关系等。 

6）决策（decision） 

决策是 BIM 的最终目标和核心价值。只有实现了建设工程项目全过程的科学决策，BIM 的价值才能充分体现。而科学决策又取决于可靠的共享知识资源。因此，BIM 的狭义定义是积累可靠共享知识资源的过程，需要人、财和物等资源的持续投入。只有实现了科学决策，提升了全过程的工作效率，节约了实际成本，BIM 才真正实现其价值，促进建筑业的提质增效和可持续健康发展，服务建筑产业现代化。