美國BIM技術發展情況
1. BIM的相關概念
美國不同領域對BIM的概念不盡相同。從此次調研的情況來看，與BIM相關的概念有Building Information Modeling、Building Information Management、Civil Integrated Management（CIM），以及Bridge Information Modeling（也叫BIM）。包括美國聯邦交通部在內的多個交通領域部門更傾向於使用CIM來定義用於在基礎設施建設、管理和維護的全過程的信息化技術。
為了維持報告的一致性和連貫性，並與國內的概念相統一，本報告仍然使用“用於公路等基礎設施領域全生命期的3D模型和信息化技術”這個概念。
2. BIM的起源和發展
BIM從提出到逐步完善，再到工程建設行業的普遍接受，經歷了幾十年的歷程。1975年Chuck Eastman教授在AIA Journal上發表的文章中首次提出了“Building Description System”的工作原型。20世紀80年代，人們逐步開始研究討論相關實施技術，包括三維建模、自動成圖、智能參數化組件、關係數據庫、實施施工進度計劃模擬等。20世紀90年代，BIM研究的發展在全球範圍得到廣泛的認可。2000年以後BIM相關建模技術、軟件開發與應用逐漸成熟，形成了一批以Autodesk、ArchiCAD及Bentley等為代表的知名軟件開發團隊與公司。2008年起，BIM研究和應用在全球範圍內都迎來了爆炸式的增長，已經在房屋建築師和設計單位中廣泛應用，成為建築行業最熱門的技術之一。
（二）美國建築行業BIM技術應用情況
得益於計算技術、軟件技術、建築技術和多樣性的客戶需求，美國很早就開始了建築行業信息化研究，BIM技術是其中的一個重要成果，其研究與應用都走在了世界前列。
目前，美國大量房屋建築項目已經開始應用BIM，組建了各種BIM協會，並出臺了各種BIM標準。根據McGraw Hill的調研，2007年美國工程建設行業採用BIM的比例為28%，至2009年增長為49%，到2012年已經達到了71%。74%的建築承包商已經在應用BIM技術，超過了建築師（70%）及機電工程師（67%）。2016年，有超過四分之三的人贊同BIM技術的全面應用。BIM的價值在不斷被認可。
（三）美國BIM信息標準發展現狀
數據的標準化、通用化是BIM技術協調和數據交換的基礎。各個BIM軟件平臺都有自己的數據格式，要實現平臺間數據交換，需要建立統一的數據標準，即BIM信息標準體系。
在美國，BIM技術標準主要包括國際ISO標準、美國國家標準、各州標準、企業和協會標準等。IFC標準體系也正在推動交通基礎設施相關BIM標準，其中道路部分主要由韓國牽頭、橋樑部分主要由法國牽頭、鐵路部分主要由中國牽頭。美國建築行業的BIM標準比較龐雜，公路行業的BIM標準正在制定中，此外，還有Open Bridge Information Model（OpenBrIM 2.0）、Land Topography（LandXML）、National Bridge Inventory（NBI）、Bentley OpenBridgeiModel等相關標準。
總體而言，目前美國的BIM標準仍然處於起步階段，種類繁雜，但遠遠達不到實用階段。掌握核心技術軟件商對數據格式的標準化並不積極，各自建立了自己的數據標準，並排斥與其他軟件的兼容性。IFC等標準目前仍只能在不同軟件平臺之間傳遞部分BIM信息，大量有價值的信息丟失在轉換過程中。
目前，在在公路交通行業應用較多的BIM相關信息標準主要有：
（1）開放式橋樑信息模型（OpenBrIM 2.0）。由美國聯邦高速公路管理局和紅方程公司聯合開發的一種開放式橋樑信息模型標準。
（2）LandXML。一種描述地形、公路路線、管道系統和其他土地測量相關的信息和開發的數據模型標準。
（3）美國國家橋樑數據庫（NBI）。美國橋樑的數據庫。該數據主要包含了橋樑的記錄，如描述橋樑所有者權限、位置、路線的功能分類、橋樑歷史、設計標準、橋樑結構、橋樑跨徑信息和一組預定義橋樑組件（用於評估）。該組件包含橋面板、上部結構、下部結構、通道及通道保護、涵洞。
（4）Bentley OpenBridgeiModel。Bentley®系統軟件公司於2015年公佈的一種橋樑信息建模標準，該標準作為Bentley公司i-model計劃的一部分，但該橋樑信息建模標準目前尚未發佈。
（四）美國BIM軟件研發與應用現狀
經過多年發展，美國的BIM及BIM相關軟件門類繁多，研發公司主要有Autodesk、Bentley、Google、Trelligence等。其中在土木建築領域市場佔有率較高的主要是Autodesk和Bentley公司( bentley軟件、BIM解決方案諮詢QQ:3621561725)。
這些大型軟件公司憑藉對BIM的深刻理解以及多年的研發投入和積累沉澱，形成了各自的BIM解決方案系列軟件，佔據了國際絕大部分市場。建築行業的BIM軟件已經較為成熟，基本達到買來即用的程度，但在公路、橋樑、隧道、水運工程方面的軟件還在不斷髮展完善中，存在一些專業領域的空白，沒有一套BIM軟件能夠達到買來即用的程度，需要在基礎平臺上進行各專業二次開發才能滿足應用需求。
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用。同時，Autodesk公司建立了大型的服務器集群，將相關的軟件功能集成到雲平臺，通過雲計算的方式為客戶提供服務。
Bentley BIM產品線包括Architecture、Structural、Mechanical System、Electrical、Piping和Site等。Bentley產品在道路、橋樑、市政、水利等基礎設施領域也有著廣泛的應用。
（五）美國BIM人才隊伍建設概況
美國既存在獨立的、主要承擔BIM工作的公司，也鼓勵設計、管理等相關人員直接應用BIM技術進行設計、建造和管理。美國BIM的人才隊伍大體可分為BIM軟件開發人才、BIM軟件應用人才兩大類，BIM軟件應用人才有可以進一步細分為設計、建造、管理等專業人才。得益於全球領先的軟件教育、軟件研發大環境和深厚的技術沉澱，美國在BIM軟件開發人才方面有著得天獨厚的優勢，相關人才儲備在世界各國是最充裕的。
在美國，BIM軟件的研發公司擔負推廣BIM軟件和培養BIM應用人才的主要責任。首先，客戶人才培養是BIM研發公司與客戶產品服務的一部分，研發公司主動幫助客戶培訓技術人員，以熟練掌握BIM軟件的相關技能；其次，所有的BIM軟件都對高校免費開放，鼓勵高校研究人員和學生了解並掌握BIM技術；再次，針對行業主管部門，比如聯邦及各州交通部，BIM研發公司也會通過產品宣傳和技術培訓等手段，提高行業主管部門的BIM技術水平，以促進軟件的推廣應用。此外，設計和施工企業為提高生產效率、降低人員成本，也樂於培訓相關員工，使其掌握BIM應用技術。
通過BIM研發公司的不斷努力和相關各方在項目實踐中的切身體會，美國BIM軟件應用的人才隊伍逐漸壯大，整個行業的BIM技術水平也得到不斷提升。
（六）建築信息模型（BIM）技術在美國交通領域的應用現狀
BIM技術在美國已廣泛運用在建築領域，並在美國公路等交通行業項目的規劃設計、施工和運營維護中進行了成功的嘗試，但與建築領域相比，尚處於從傳統的二維設計向三維設計、應用BIM技術的過渡階段。
1. 公路交通行業的BIM應用水平
美國公路交通行業BIM技術主要應用在三維模型設計優化和方案展示、施工機械控制方面，並開始在項目的維護和資產管理中應用，在提高項目安全性、控制成本、提高效率方面展現了良好的效果。但是，對於電子文檔的法律地位仍然存在巨大爭議。
目前，有4個州已經明確要求在設計階段應用三維模型，有30個州正在對三維模型的效益進行評估或試驗。
圖9 工程設計階段三維模型應用比例
很多施工企業已經或正在開始試用帶有自動導引設備（Automatical Machine Guidance，AMG）系統的設備，以求提高控制精度、節約人力成本，部分項目業主也開始利用BIM技術進行施工質量管理。
BIM解決方案諮詢QQ:3621561725
圖10 施工階段三維模型應用比例
已經有2個州將BIM技術用於運維階段，32個州正在開展評估或試驗。運維階段主要利用BIM技術管理智能數據採集、建立公路數據目錄和公路資產管理，以及對已建成項目三維數據模型的維護。
BIM解決方案諮詢QQ:3621561725
BIM解決方案諮詢QQ:3621561725
圖11運維階段三維模型應用比例
總的來看，BIM技術在美國交通行業的應用仍處於起步階段，雖然已經展現了一定的效益，並吸引了很多關注。但多數人仍然認為，這一技術只是對現有技術的改進和提高，並不能引起行業顛覆性的變化，與房屋建築行業不同，在交通領域所帶來的效益尚不明確，因而更多的處於嘗試和觀望階段。
有研究表明，在公路建設階段全面應用BIM技術，可以節約大約3%的建設成本，其來源主要包括：提高完善設計的效率、減少由於構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技術減少對現場技術人員的需求等等。
2. 聯邦公路局對應用BIM的態度。
美國聯邦公路局鼓勵、支持採用BIM技術，但受限於法律，不能強制推廣，只能通過有限的補助進行刺激。各州根據對BIM技術的認識、自身的條件自由選擇BIM的應用和推廣方式，多數的州交通局正在關注、試用BIM技術，也還有少部分州對BIM技術仍然不感興趣。
3．項目立項和設計階段的應用
項目立項階段，可以利用BIM技術的可視化三維模型向業主及公眾闡述、展示設計方案，並在更廣泛的範圍內聽取意見，以獲得支持，目前很多案例都取得了良好的效果。
在設計階段，利用BIM技術進行模擬分析、虛擬建造，可以提前發現設計中存在的不足。部分案例認為，採用BIM技術有效提高了技術複雜、方案多變工程設計方案優化的效率，降低了設計成本，並減少了大量在建設期間的變更。
4．工期安排和造價控制中的應用
通過BIM技術將3D模型和時間維度進行結合，形成4D模型，可以更方便的進行施工進度模擬，更加準確的協調施工順序，減少在時間維度上的衝突，使施工進度安排更為合理。如美國161號高速公路4段項目，總長6.5英里的收費高速公路，位於達拉斯沃斯堡大都會區，包含45座橋樑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個月以內完成。建設方通過BIM 4D模型進行施工進度模擬，改進施工進度安排，改善項目各參與方協調，有效控制了項目工期，使項目在規定的時間內順利完成。
BIM解決方案諮詢QQ:3621561725
圖12 美國161號高速公路BIM模型
在4D模型的基礎上，增加各模型構件相關的費用信息，就形成了包括成本的5D模型（反映與實際成本相關數據的時間、空間、工序維度關係的數據庫），將成本彙總、統計、拆分對應起來，可以實時讀取建造過程中的費用清單，便於更精確的進行施工過程中的備工備料，更有效地進行費用成本控制。
如北塔蘭特高速公路，總長13.5英里，總造價為25億美元，通過在4D模型基礎上對BIM模型進行劃分，增加費用信息，採用電子化工作流程，實施獲取相關的材料成本信息、人工成本信息，進行了精細化工程費用管控的嘗試。
圖13 北塔蘭特高速公路BIM模型
據介紹，目前有9個州正在嘗試使用4D和5D技術來改進項目工程管理，並提供更準確的項目成本估算。
5．在施工中的應用
美國人工成本高，為降低工程成本，一些企業已經開始利用BIM模型作為AMG的施工控制信息，代替施工放樣測量，以提高施工質量和效率，目前主要是在土方和路面施工中嘗試應用這一技術。在建的北卡羅萊納州U-0071 East End Connector項目中的部分設備就採用了這一技術。
目前達到的技術水平是在施工機械上加裝控制電腦、測量定位、控制及傳感設備，在導入BIM三維設計數據後，通過GPS進行精準定位施工，提供施工控制數據，指導操作手作業。很多企業正開發更加自動化的設備。
圖14 智能施工機械（AMG）
6．BIM技術在後期運營維護中的應用
美國已經有將三維設計模型應用於項目運維階段的案例，如將3D數據運用於公路數據目錄和公路資產管理，並根據實際情況修正3D模型，建立基於完工狀態的，更準確的3D設計模型等。BIM模型中所有關於構件信息，包括項目的空間信息、材料、數量等維護階段所需要的所有信息，將會利用統一的數據格式存儲起來，並在項目使用壽命期間不斷得到豐富和維護。
BIM模型結合運營維護管理系統後，能夠發揮在空間定位和數據記錄方面的優勢，以更合理的制定維護計劃，提高維護效率。對一些重要工程和設備還採用跟蹤維護工作歷史記錄的方式，對設備的適用狀態提前作出判斷。如美國I-15項目為9.5英里長的州際公路改擴建工程，包括5處互通立交和24座橋樑，通過搭建企業級工程內容管理平臺，創建了一個綜合項目框架來管理該項目的所有文件資料，建立竣工BIM系統，該系統可以通過網頁和移動終端快速掌握工程建設細節、歷史維護情況等運營維護期間所需信息，並對這些信息進行實時更新。
圖15 BIM技術在運營維護中的應用
艾三維軟件，專注基礎設施行業軟件解決方案！BIM技術交流群：657652939（乾貨分享）
下方更多，路橋BIM應用案例
閱讀更多 艾三維BIM 的文章
