新形势下的 BIM 发展之路——OpenBIM 技术破 解中国 BIM 发展困局

一、新形势

全球数据化战略 

在 2015年 10月 26日至 29日召开的中国共产党第十八届中央委员会第五次全体会议上，“十三五”规划提出实施国家大数据战略，旨在全面推进我国大数据发展和应用，加快建设数据强国，推动数据资源开放共享，释放技术红利、制度红利和创新红利，促进经济转型升级。至此，大数据战略上升为国家战略。2016年5月23日，美国发布“联邦大数据研发战略计划”，旨在为在数据科学、数据密集型应用、大规模数据管理与分析领域开展和主持各项研发工作的联邦各机构提供一套相互关联的大数据研发战略，维持美国在数据科学和创新领域的竞争力。由此可见，数据化转型能够提高政府与企业的管理与决策能力，数据化转型是未来国家战略的必争之地。 

数字城市是落实国家大数据战略的重要载体。城市是人们经济、政治和社会生活的中心，是人类文明的标志之一。据最新统计数据，2018年中国的城镇化率已经接近60%。从技术的角度看，数字城市是以空间信息为核心的城市信息系统体系。空间信息是指与空间地理位置相关的数据及对应的人文、社会经济信息，城市信息系统体系则是指相互联系的、大量的城市信息系统的有机结合体。而有机结合体，是指数字城市中的各个信息系统遵循共同的数据标准，具有共同的基础数据，并在一定程度上相互补充、相互兼容。

数据共享是数字城市建设需要解决的核心问题。城市中的建筑与基础设施是人们生活与工作最重要的物理空间，数字城市的建设亟须将既有、正在和未来建设的建筑与基础设施数据化。如何在统一的数据标准与规范基础上，实现公共建筑、商业建筑、旅游建筑、科教文卫建筑、交通运输类建筑、市政基础设施等的数据化，是一项复杂而庞大的数字工程。据不完全统计，中国有约 400亿平方米的既有建筑，每年增加约 20亿平方米的新增建筑，对建筑数据处理的市场需求巨大，需要投入大量的专业人员采用最新的建筑信息模（BuildingInformation Modeling, BIM）技术，产生高质量、及时、准确的 BIM 数据。然而，当前只有不到 1% 的建筑行业专业人员在参与 BIM 数据的产生工作，且产生的数据质量参差不齐，因此，我国城市的建筑与基础设施的数据化建设任重而道远。

中美贸易摩擦持续

另一个引起广泛关注的新形势，是中美贸易摩擦持续。相关研究表明，中美贸易摩擦的根本原因是美国维护其贸易主导地位。中美贸易摩擦的本质是美国加大对中国技术升级的封锁，压缩中国快速发展的空间，后果是中国发展对美国技术依赖的风险加大。 

2001年 12月 11日，中国正式加入世界贸易组织，成为其第 143个成员。一方面，它有利于中国参与国际经济合作和国际分工、促进经济发展，有利于促进技术进步、产业升级和经济结构调整；另一方面，加入世贸组织对我国的弱势产业是一个严峻的挑战，例如中国建筑行业广泛使用的CAD、BIM 技术。近几年，由于单边主义抬头，美国单边增加对其他国家的关税，使得自由贸易体系受到严重挑战。 

从 2016年开始，中国两大科技巨头——中兴和华为先后被美国制裁：美国商务部对中兴通讯实施出口限制措施；禁止所有美国企业购买华为设备，美国商务部工业与安全局又禁止华为从美国企业购买技术或配件。美国政府通过非市场行为给中国企业造成了巨大的影响和损失。这也给国内所有科技企业敲响了警钟，如果单方面依赖美国高科技企业，一旦被禁止使用美国企业的软硬件产品，则企业的正常生产、国家的经济安全都将受到严重威胁。中国高新技术产业化升级，亟须寻找更为安全的替代解决方案，或尽快培育形成独立自主可控的解决方案。

二、中国BIM发展困局

BIM 发展现状 

近几年来，我国建筑企业的经营形势日趋严峻，劳动力成本大幅度提升、资源严重浪费以及管理不善等，导致投资成本增加、工期延误和安全问题频发。为走出困境，建筑行业各类企业纷纷响应国家提出的建筑产业化、信息化政策，改变传统的粗放型发展模式，从商业模式创新、产品创新、管理创新等方面寻找新的发展道路。 

BIM 技术是建筑 CAD 技术从基于点线面的二维表达向基于对象的三维形体与属性信息表达的转变。BIM 技术成为实现建筑企业生产管理标准化、信息化以及建筑产业化的重要技术基础之一，被普遍认为将是继 CAD 技术之后的又一重大技术革命，得到了广大建筑企业的充分重视和大力投入。然而，BIM 技术在大量项目的实践过程中，却普遍遭遇工程技术人员主动性不足、整体参与度低、数据产生慢、数据归档难的困境，多数企业并未认识到 BIM 带来的经济效益和社会效益。

BIM 发展问题分析

为什么 BIM 项目在实践过程中会出现这样的困境？具有多年 BIM 应用实践经验的项目负责人认为，当前 BIM 发展过程中主要存在如下问题：BIM 标准缺失，模型数据互操作性差，数据的完整性和复用性不强，数据难以集成为有效信息；业主、设计、施工、监理各方利益不一致，很难建立开放透明、数据有效传递的 BIM 环境；BIM 数据生产与现场施工人员的职责缺乏一一对应关系，工程人员在完成自己日常工作的同时还要为他人创建模型，受到了工程现场人员的普遍抵制；BIM 数据生产成本过高，需要配置高性能的图形工作站和独立的建模人员。以上问题如果不能得到有效解决，BIM 发展将会难以得到普及应用。

BIM 应用价值分析

建筑行业各方都非常关心 BIM 的应用价值，但由于缺少一个完全一样的工程项目用常规方法和 BIM 方法分别做一遍再进行对比分析的案例，BIM 应用价值的定量分析难度变得较大。业内通常认为，BIM 应用可以有效减少施工过程中的返工数量，返工对建造成本有着直接的影响。有学者对359个项目就返工对建造成本的影响进行了定量研究，发现仅返工的直接成本就占项目总建造成本的 5% 左右，返工最主要的原因是设计错漏和业主变更，同时返工也是工期拖延和工程质量降低的主要因素。因此，通过 BIM 应用，提高项目设计质量、减少设计错漏、降低项目沟通门槛、减少业主变更，都可以最大程度地减少返工，从而节省由于返工所产生的直接成本，降低项目总建造成本。

三、CAD与BIM发展的教训与机遇

CAD 发展的教训 

作为一个独立自主的经济体，CAD 产业具有重大的战略意义，其作用于技术创新的源头，关系整个国家的设计能力。1989年美国工程科学院评选出近 25年来全球 7项最杰出的工程技术成就，其中，第4项是CAD/CAM。1991年 3月，美国政府发表跨世纪的国家关键技术发展战略，列举了6大技术领域中的 22项关键项目，而 CAD/CAM 技术与其中的两大领域 11项项目紧密相关。 

然而，中国经过几十年的发展，在高端 3D的CAD领域，国产软件几乎全军覆没，在中低端还有一些幸存的奋斗者；而基于国外 CAD 软件的二次开发，是工业软件自主发展的一个“超级陷阱”。许多 CAD 外商乘着二次开发的浪潮进入中国市场，扶持了大量的二次开发集成商，很快在业内形成了“二次开发一面倒”的景象，众多国外软件的界面集合了诸多二次开发商的智慧，最终造成了二次开发软件商与用户对国外软件的强烈依赖。

BIM 发展的机遇

BIM 是否会重复 CAD 的覆辙？如果再发展 30年，在BIM 领域，国产软件是否依然是在国外 BIM 软件的基础上进行二次开发，用户最终不得不强烈依赖国外 BIM 软件？笔者认为，如果打破垄断，就会得到不一样的答案。CAD 时代，国外软件厂商垄断的核心是数据标准，且这个数据标准是不公开的，只能通过国外软件的二次开发进行读取和操作，所以难以摆脱对国外软件的依赖。 

CAD 时代没有主动权，是因为缺少公开的 CAD 数据标准。与 CAD 时代不同，BIM 时代提供了建筑行业的工业基础类（Industry Foundation Classes，IFC） 标准，这个标准是开放的国际 BIM 数据标准。如果充分利用和发展这样一个国际 IFC 标准，就可以逐渐发展自主的 BIM 专业软件，并和不同的 BIM 专业软件进行数据交互，从而形成一个围绕 IFC 标准的多种 BIM 专业软件共存和竞争的 BIM 生态圈，而不是被国外一家或两家 BIM 软件公司所垄断。

四、BIM应用技术方案分析

单一软件平台

（1） 专业性不足、效率低

国内 BIM 应用从 2012年开始，经过 7年的发展，逐渐形成了以采用 Autodesk（美国）、Bentley（美国）、Dassault （法国）公司分别提供的单一软件平台为主导，用于工业与民用建筑、市政工程的 BIM 技术路线。主要用户是第三方BIM 咨询单位，此外包含部分设计企业、施工单位的 BIM 中心等。工作模式基本是在收到工程项目的二维CAD图纸后，在规定的时间内进行三维模型的创建（又称专业翻模）、管线综合、碰撞检查、工程量价统计、施工进度模拟、VR/AR制作等。 

房建形式的民用建筑、轨道交通车站、铁路站房、污水处理厂房等主要采用 Autodesk 的 Revit 软件；市政道路线型工程主要采用 Bentley 的 MicroStation 软件；大型市政桥梁工程则主要采用 Dassault 公司的 CATIA 软件。大多数企业选择单一软件平台的最主要因素是用单一软件平台可以避免不同专业软件之间的数据格式不兼容问题。

以上三个软件具备通用建模的能力，除了对计算机硬件资源要求高以外，还有一个突出的缺陷，即缺少专业创造、专业分析的能力。所以在模型创建的过程中，如果没有相应的二次开发和基础构件库的积累，效率都比较低。这使得市场上出现了一些小型软件公司或团队通过二次开发，提高以上三个软件的建模效率。这与中国 CAD 发展阶段非常相似。 

虽然二次开发工具或插件从一定程度上提高了基于二维图纸的翻模效率，但是由于这种工作模式中的大多数建模人员不是该项目的专业设计人员，甚至大多数缺少丰富的专业设计经验，对于复杂的非规则设计所建立的三维模型与设计意图存在差距。另一方面，建模人员所做的工作滞后于设计工作，当建模人员完成三维模型时，由于当前快节奏的设计要求，设计图纸可能已经发生修改，进入下一版本，所以这种工作模式下的三维模型与设计意图出现版本错位在所难免。而这些三维模型除了建模人员（团队）以外，很少经过项目专业设计人员、业主方设计管理人员深入细致地查看与确认。而项目施工管理人员也由于不具备深入细致查看三维模型的条件，依然以原有的二维 CAD 设计图纸进行施工管理。所以，不少经历过实际项目检验的业主认为，BIM 并未产生预期的价值，对 BIM 应用满意度降低，这正是建筑业界普遍关注的 BIM 发展困局。

（2） 市场风险加大

采用单一软件平台还存在以下隐性风险。如果同 CAD 时代一样，中国的建筑与市政工程 BIM 软件最终被 Autodesk、Bentley 公司垄断市场，形成一家独大的局面，所有建筑产业链上的企业在 BIM 软件采购上将丧失定价权。在软件授权模式方面，Autodesk、Bentley 公司基于其垄断地位，都在推动永久许可证转年租许可证模式，这会进一步增加建筑行业信息化转型升级的成本。 

当前，我国重大的公共建筑与基础设施都采用 Autodesk、Bentley 公司的 BIM 软件进行建模，产生的数据以这两家公司私有的数据格式（未对外公开，仅以二次开发的方式获取）保存，这意味着后续的土木工程大数据及数字城市的应用都离不开产生原始数据的 BIM 软件，存在潜在的数据安全问题。 

目前，国家将大数据战略提上日程，中美贸易摩擦持续，美国对中国高新技术产业升级采取更大的非市场化干预，如果美国禁止中国企业使用 Autodesk、Bentley 公司的 BIM 软件产品，中国 BIM 发展之路随时有被中断的风险。

多元软件平台（OpenBIM 技术路线）

（1） 专业性强、效率高

要真正解决以上单一软件平台工作模式的问题，必须跳出中国 BIM 发展只能依赖单一软件平台的思维模式，寻求一种能让项目多方共同参与的多元软件平台的工作模式，即 OpenBIM 技术路线。OpenBIM 是基于开放的 IFC 标准和工作流程，协同完成建筑的设计、施工和运营的一种方法。其由 BUILDING SMART 和一些使用开放的 BUILDING SMART 数据标准的主要软件供应商提出，最早由两家欧洲软件供应商——GRAPHISOFT 和 Tekla 发起，并得到多个国际组织的支持。 

采用多元软件平台，各专业设计人员都可以选择最适合、最优秀的 BIM 专业软件进行 BIM 设计，在设计的过程中清楚、准确地表达自己的专业意图，产生三维模型，通过 BIM软件生成所需要的二维 CAD 图纸。三维模型表达的是设计人员自己的设计意图，而且设计意图的修改由其自己完成，再生成新版二维 CAD 图纸。目前基于单一软件平台工作模式出现的三维模型与设计意图存在差距和不同步的问题，将迎刃而解。

建筑设计师可以选择SketchUp软件进行建筑方案设计，选择 ArchiCAD 软件进行建筑施工图设计；结构工程师可以选择优秀的 YJK 或 PKPM 软件进行结构分析与设计，选择 Tekla 软件进行钢结构深化设计；水暖电工程师可以选择专业的 MagiCAD 或 Rebro 软件进行机电专业设计及深化。这些专业 BIM 软件的最大特点及优势在于它的专业性，且对计算机硬件资源要求不高，深受专业设计师的喜爱。此外，与单一软件平台中的软件相比，无需二次开发支持就能非常高效、准确地表达设计师的意图，且无需第三方进行翻模工作。

（2） 数据交互是瓶颈，需重点解决

采用多元软件平台最大的困难在于如何解决不同专业软件之间的数据共享与交换问题，这是 BIM 技术最核心的问题。提出一个多元软件都支持的数据标准，各种不同专业软件都能根据共同的数据标准进行模型文件的输入输出，从理论上可以解决这个问题。当前，建筑行业最为广泛支持的数据标准是前文提到的 IFC 标准，也就是从理论上可以采用基于 IFC 标准的 BIM 协同解决方案。这种解决方案能够使各专业的软件各施所长、信息共享，实现多专业的协同，这是 BIM 技术的目标。然而，在实践过程中，普遍发现不同专业软件在输入其他专业软件输出的 IFC 模型文件时存在或多或少的数据丢失现象，这使得基于 IFC 标准的 BIM协同解决方案受到了质疑。 

针对这个问题，上海交大 BIM 研究中心进行了深入系统的研究，最终发现问题是不同专业软件在输入其他专业软件输出的 IFC 模型文件时，对非本专业的构件类型解析存在问题。为解决该问题，该 BIM 研究中心围绕 IFC 标准开展了大量基础性研究，自主研发了天磁 NMBIM 软件，从 1.0版到最新发布的 4.0版，能够做到无损解析各种专业软件输出的 IFC 模型文件，不仅实现了各种专业软件之间数据互通，使得数据信息从规划、设计、施工到运营、维护、管理可以一用到底，提高协作效率，而且在碰撞检查方面的速度和准确性也已接近国际水平，还能实现项目组人员之间通过互联网进行审阅批注的高效沟通交流。天磁 NMBIM 4.0软件能在绝大多数台式机和笔记本上流畅运行，大大降低了 BIM 应用推广的门槛。

（3） 多种专业软件相互竞争，有利于技术进步

采用多元软件平台，并不排斥相同类型的专业软件。这不仅可以充分发挥各种不同专业软件的特点，实现优势互补，还能引入同类专业软件的相互竞争，更有利于技术进步。多元软件平台使得中国建筑行业在进行专业 BIM 软件选择时，不会被某一公司垄断市场，具有更大的主动权、更高的性价比。采用多元软件平台完成的项目，通过国际IFC 数据标准可以实现所有的专业模型数据与原有专业软件分离，各专业模型可以快速进行数据标准化归档，为国家大数据战略所必需的城市建筑与基础设施数据化提供服务。

五、结论与展望

数字城市建设是国家大数据战略的核心，通过 BIM 技术可为数字城市建设提供空间信息平台所必需的建筑与基础设施大数据。当前，依赖单一软件平台的 BIM 技术路线由于专业性不足，普遍遭遇专业技术人员抵制，面临整体参与度低、数据产生慢、数据归档难的困境，难以支撑数字城市建设对土木工程大数据快速增长的需求。而基于开放的国际 IFC 标准的 OpenBIM 技术，使得项目各方可以自由选择最适合、最优秀的 BIM 专业软件进行规划、设计、施工与运营维护管理，通过天磁 NMBIM4.0或类似专业软件解决不同 BIM 专业软件之间的数据交互瓶颈难题。OpenBIM 技术路线可以极大地调动各专业工程技术人员的主动性与参与度，快速提升 BIM 应用推广率，大幅提高数据产生速度，方便数据归档，真正发挥 BIM 应用价值，提高各方对 BIM 应用的满意度，有效破解中国 BIM 发展困局。