美国建筑信息模型（BIM）技术发展及应用情况

1. BIM的相关概念

美国不同领域对BIM的概念不尽相同。从此次调研的情况来看，与BIM相关的概念有Building Information Modeling、Building Information Management、Civil Integrated Management（CIM），以及Bridge Information Modeling（也叫BIM）。包括美国联邦交通部在内的多个交通领域部门更倾向于使用CIM来定义用于在基础设施建设、管理和维护的全过程的信息化技术。

为了维持报告的一致性和连贯性，并与国内的概念相统一，本报告仍然使用“用于公路等基础设施领域全生命期的3D模型和信息化技术”这个概念。

2. BIM的起源和发展

BIM从提出到逐步完善，再到工程建设行业的普遍接受，经历了几十年的历程。1975年Chuck Eastman教授在AIA Journal上发表的文章中首次提出了“Building Description System”的工作原型。20世纪80年代，人们逐步开始研究讨论相关实施技术，包括三维建模、自动成图、智能参数化组件、关系数据库、实施施工进度计划模拟等。20世纪90年代，BIM研究的发展在全球范围得到广泛的认可。2000年以后BIM相关建模技术、软件开发与应用逐渐成熟，形成了一批以Autodesk、ArchiCAD及Bentley等为代表的知名软件开发团队与公司。2008年起，BIM研究和应用在全球范围内都迎来了爆炸式的增长，已经在房屋建筑师和设计单位中广泛应用，成为建筑行业最热门的技术之一。

得益于计算技术、软件技术、建筑技术和多样性的客户需求，美国很早就开始了建筑行业信息化研究，BIM技术是其中的一个重要成果，其研究与应用都走在了世界前列。

目前，美国大量房屋建筑项目已经开始应用BIM，组建了各种BIM协会，并出台了各种BIM标准。根据McGraw Hill的调研，2007年美国工程建设行业采用BIM的比例为28%，至2009年增长为49%，到2012年已经达到了71%。74%的建筑承包商已经在应用BIM技术，超过了建筑师（70%）及机电工程师（67%）。2016年，有超过四分之三的人赞同BIM技术的全面应用。BIM的价值在不断被认可。

数据的标准化、通用化是BIM技术协调和数据交换的基础。各个BIM软件平台都有自己的数据格式，要实现平台间数据交换，需要建立统一的数据标准，即BIM信息标准体系。

在美国，BIM技术标准主要包括国际ISO标准、美国国家标准、各州标准、企业和协会标准等。IFC标准体系也正在推动交通基础设施相关BIM标准，其中道路部分主要由韩国牵头、桥梁部分主要由法国牵头、铁路部分主要由中国牵头。美国建筑行业的BIM标准比较庞杂，公路行业的BIM标准正在制定中，此外，还有Open Bridge Information Model（OpenBrIM 2.0）、Land Topography（LandXML）、National Bridge Inventory（NBI）、Bentley OpenBridgeiModel等相关标准。

总体而言，目前美国的BIM标准仍然处于起步阶段，种类繁杂，但远远达不到实用阶段。掌握核心技术软件商对数据格式的标准化并不积极，各自建立了自己的数据标准，并排斥与其他软件的兼容性。IFC等标准目前仍只能在不同软件平台之间传递部分BIM信息，大量有价值的信息丢失在转换过程中。

目前，在在公路交通行业应用较多的BIM相关信息标准主要有：

（1）开放式桥梁信息模型（OpenBrIM 2.0）。由美国联邦高速公路管理局和红方程公司联合开发的一种开放式桥梁信息模型标准。

（2）LandXML。一种描述地形、公路路线、管道系统和其他土地测量相关的信息和开发的数据模型标准。

（3）美国国家桥梁数据库（NBI）。美国桥梁的数据库。该数据主要包含了桥梁的记录，如描述桥梁所有者权限、位置、路线的功能分类、桥梁历史、设计标准、桥梁结构、桥梁跨径信息和一组预定义桥梁组件（用于评估）。该组件包含桥面板、上部结构、下部结构、通道及通道保护、涵洞。

（4）Bentley OpenBridgeiModel。Bentley?系统软件公司于2015年公布的一种桥梁信息建模标准，该标准作为Bentley公司i-model计划的一部分，但该桥梁信息建模标准目前尚未发布。

经过多年发展，美国的BIM及BIM相关软件门类繁多，研发公司主要有Autodesk、Bentley、Google、Trelligence等。其中在土木建筑领域市场占有率较高的主要是Autodesk和Bentley公司 ( bentley软件、BIM解决方案咨询QQ:3621561725)。

这些大型软件公司凭借对BIM的深刻理解以及多年的研发投入和积累沉淀，形成了各自的BIM解决方案系列软件，占据了国际绝大部分市场。建筑行业的BIM软件已经较为成熟，基本达到买来即用的程度，但在公路、桥梁、隧道、水运工程方面的软件还在不断发展完善中，存在一些专业领域的空白，没有一套BIM软件能够达到买来即用的程度，需要在基础平台上进行各专业二次开发才能满足应用需求。

目前Autodesk公司最为核心的BIM软件是Autodesk Revit，除此之外还有Autodesk Inventor、Autodesk Infraworks 360、Autodesk Civil 3D、Autodesk Navisworks、Autodesk Vault等一系列软件来支持BIM在工程全生命期的应用。同时，Autodesk公司建立了大型的服务器集群，将相关的软件功能集成到云平台，通过云计算的方式为客户提供服务。

Bentley BIM产品线包括Architecture、Structural、Mechanical System、Electrical、Piping和Site等。Bentley产品在道路、桥梁、市政、水利等基础设施领域也有着广泛的应用。

美国既存在独立的、主要承担BIM工作的公司，也鼓励设计、管理等相关人员直接应用BIM技术进行设计、建造和管理。美国BIM的人才队伍大体可分为BIM软件开发人才、BIM软件应用人才两大类，BIM软件应用人才有可以进一步细分为设计、建造、管理等专业人才。得益于全球领先的软件教育、软件研发大环境和深厚的技术沉淀，美国在BIM软件开发人才方面有着得天独厚的优势，相关人才储备在世界各国是最充裕的。

在美国，BIM软件的研发公司担负推广BIM软件和培养BIM应用人才的主要责任。首先，客户人才培养是BIM研发公司与客户产品服务的一部分，研发公司主动帮助客户培训技术人员，以熟练掌握BIM软件的相关技能；其次，所有的BIM软件都对高校免费开放，鼓励高校研究人员和学生了解并掌握BIM技术；再次，针对行业主管部门，比如联邦及各州交通部，BIM研发公司也会通过产品宣传和技术培训等手段，提高行业主管部门的BIM技术水平，以促进软件的推广应用。此外，设计和施工企业为提高生产效率、降低人员成本，也乐于培训相关员工，使其掌握BIM应用技术。

通过BIM研发公司的不断努力和相关各方在项目实践中的切身体会，美国BIM软件应用的人才队伍逐渐壮大，整个行业的BIM技术水平也得到不断提升。

（六）建筑信息模型（BIM）技术在美国交通领域的应用现状

BIM技术在美国已广泛运用在建筑领域，并在美国公路等交通行业项目的规划设计、施工和运营维护中进行了成功的尝试，但与建筑领域相比，尚处于从传统的二维设计向三维设计、应用BIM技术的过渡阶段。

1. 公路交通行业的BIM应用水平

美国公路交通行业BIM技术主要应用在三维模型设计优化和方案展示、施工机械控制方面，并开始在项目的维护和资产管理中应用，在提高项目安全性、控制成本、提高效率方面展现了良好的效果。但是，对于电子文档的法律地位仍然存在巨大争议。

目前，有4个州已经明确要求在设计阶段应用三维模型，有30个州正在对三维模型的效益进行评估或试验。

图9 工程设计阶段三维模型应用比例

很多施工企业已经或正在开始试用带有自动导引设备（Automatical Machine Guidance，AMG）系统的设备，以求提高控制精度、节约人力成本，部分项目业主也开始利用BIM技术进行施工质量管理。

BIM解决方案咨询QQ:3621561725

图10 施工阶段三维模型应用比例

已经有2个州将BIM技术用于运维阶段，32个州正在开展评估或试验。运维阶段主要利用BIM技术管理智能数据采集、建立公路数据目录和公路资产管理，以及对已建成项目三维数据模型的维护。

BIM解决方案咨询QQ:3621561725

BIM解决方案咨询QQ:3621561725

图11运维阶段三维模型应用比例

总的来看，BIM技术在美国交通行业的应用仍处于起步阶段，虽然已经展现了一定的效益，并吸引了很多关注。但多数人仍然认为，这一技术只是对现有技术的改进和提高，并不能引起行业颠覆性的变化，与房屋建筑行业不同，在交通领域所带来的效益尚不明确，因而更多的处于尝试和观望阶段。

有研究表明，在公路建设阶段全面应用BIM技术，可以节约大约3%的建设成本，其来源主要包括：提高完善设计的效率、减少由于构件间的碰撞造成的返工及变更、提高组织管理效率以降低人力消耗、通过AMG技术减少对现场技术人员的需求等等。

2. 联邦公路局对应用BIM的态度。

美国联邦公路局鼓励、支持采用BIM技术，但受限于法律，不能强制推广，只能通过有限的补助进行刺激。各州根据对BIM技术的认识、自身的条件自由选择BIM的应用和推广方式，多数的州交通局正在关注、试用BIM技术，也还有少部分州对BIM技术仍然不感兴趣。

3．项目立项和设计阶段的应用

项目立项阶段，可以利用BIM技术的可视化三维模型向业主及公众阐述、展示设计方案，并在更广泛的范围内听取意见，以获得支持，目前很多案例都取得了良好的效果。

在设计阶段，利用BIM技术进行模拟分析、虚拟建造，可以提前发现设计中存在的不足。部分案例认为，采用BIM技术有效提高了技术复杂、方案多变工程设计方案优化的效率，降低了设计成本，并减少了大量在建设期间的变更。

4．工期安排和造价控制中的应用

通过BIM技术将3D模型和时间维度进行结合，形成4D模型，可以更方便的进行施工进度模拟，更加准确的协调施工顺序，减少在时间维度上的冲突，使施工进度安排更为合理。如美国161号高速公路4段项目，总长6.5英里的收费高速公路，位于达拉斯沃斯堡大都会区，包含45座桥梁和两处大型立体交叉，总投资4.16亿美元，主体工程要求在15个月以内完成。建设方通过BIM 4D模型进行施工进度模拟，改进施工进度安排，改善项目各参与方协调，有效控制了项目工期，使项目在规定的时间内顺利完成。

BIM解决方案咨询QQ:3621561725

图12 美国161号高速公路BIM模型

在4D模型的基础上，增加各模型构件相关的费用信息，就形成了包括成本的5D模型（反映与实际成本相关数据的时间、空间、工序维度关系的数据库），将成本汇总、统计、拆分对应起来，可以实时读取建造过程中的费用清单，便于更精确的进行施工过程中的备工备料，更有效地进行费用成本控制。

如北塔兰特高速公路，总长13.5英里，总造价为25亿美元，通过在4D模型基础上对BIM模型进行划分，增加费用信息，采用电子化工作流程，实施获取相关的材料成本信息、人工成本信息，进行了精细化工程费用管控的尝试。

图13 北塔兰特高速公路BIM模型

据介绍，目前有9个州正在尝试使用4D和5D技术来改进项目工程管理，并提供更准确的项目成本估算。

5．在施工中的应用

美国人工成本高，为降低工程成本，一些企业已经开始利用BIM模型作为AMG的施工控制信息，代替施工放样测量，以提高施工质量和效率，目前主要是在土方和路面施工中尝试应用这一技术。在建的北卡罗莱纳州U-0071 East End Connector项目中的部分设备就采用了这一技术。

目前达到的技术水平是在施工机械上加装控制电脑、测量定位、控制及传感设备，在导入BIM三维设计数据后，通过GPS进行精准定位施工，提供施工控制数据，指导操作手作业。很多企业正开发更加自动化的设备。

图14 智能施工机械（AMG）

6．BIM技术在后期运营维护中的应用

美国已经有将三维设计模型应用于项目运维阶段的案例，如将3D数据运用于公路数据目录和公路资产管理，并根据实际情况修正3D模型，建立基于完工状态的，更准确的3D设计模型等。BIM模型中所有关于构件信息，包括项目的空间信息、材料、数量等维护阶段所需要的所有信息，将会利用统一的数据格式存储起来，并在项目使用寿命期间不断得到丰富和维护。

BIM模型结合运营维护管理系统后，能够发挥在空间定位和数据记录方面的优势，以更合理的制定维护计划，提高维护效率。对一些重要工程和设备还采用跟踪维护工作历史记录的方式，对设备的适用状态提前作出判断。如美国I-15项目为9.5英里长的州际公路改扩建工程，包括5处互通立交和24座桥梁，通过搭建企业级工程内容管理平台，创建了一个综合项目框架来管理该项目的所有文件资料，建立竣工BIM系统，该系统可以通过网页和移动终端快速掌握工程建设细节、历史维护情况等运营维护期间所需信息，并对这些信息进行实时更新。

图15 BIM技术在运营维护中的应用

艾三维软件，专注基础设施行业软件解决方案！BIM技术交流群：657652939（干货分享）