对于BIM技术内涵, 国内迄今未达成统一意见, 国内BIM技术的研究亦未形成统一方法, 这使BIM研究成果很难量化, 现有相似的研究成果难以对比, 也使后续研究难以整合、集成现有研究成果。由于建筑全生命周期涉及人员、专业及标准较多, BIM技术的研发并非单独1项或几项研究可完成, 此时, 一个统一、规范、科学、被研究者普遍接受的研究方法至关重要。斯坦福大学CIFE中心提出的Horseshoe方法对此有借鉴意义。该研究方法, 一方面, 规范研究过程有助于进一步整合、集成现有研究成果;另一方面, 量化研究成果质量, 便于后续研究对现有研究的接受、对比和选择, 从而实现科研成果的共享。

BIM, 即建筑信息模型, 这一概念最早在20世纪70年代由美国佐治亚理工大学的Chuck Eastman博士提出^[1], 意为building information modeling, 旨在集成建筑几何信息、建筑构建性能信息和功能需求, 将每个建筑项目全生命周期内的信息集成到特定的建筑模型中。经过研究与发展, 这一概念被逐步拓展完善。如今BIM技术内涵已由最初的建筑工程计算机集成化应用技术拓展为以集成化技术为核心的建筑全生命周期工程活动^[2]。美国国家建筑信息模型标准 (national building information modeling standard, NBIMS) 将BIM定义为^[3]:“通过使用计算机可识别的标准化信息模型来提高建筑规划、设计、建造、运营及维护的过程, 该模型包含与建筑相关的所有信息, 并以一种全生命周期内可用的格式被建立或收集”。至此, BIM 技术内涵为:用一个数据库作为存放工程几何、非几何数据信息的唯一知识库, 使工程的规划、设计、施工、管理、拆除等各阶段的相关人员都能使用该数据库存储、获取、传递、使用所需连续、即时、可靠、一致的信息, 该数据库可从工程诞生开始, 为其全生命周期提供可信赖的信息共享知识资源。因此, BIM 可理解为涵盖工程生命周期中不同阶段的数字模型及针对这些模型的信息集成和协同工作过程。

BIM研究目前是建筑科学、信息技术与经济管理的交叉学科, 大量论文属于跨学科研究, 国家重点项目“建筑业信息化关键技术研究和应用”根据研究内容, 将BIM研究分为:BIM标准研究、BIM应用软件研究、基于BIM 的工程管理以及BIM经验总结研究^[4]。BIM研究分类情况如图1所示。

结合对BIM技术内涵的阐释以及参考文献[5], 认为BIM 技术是利用BIM软件的研发与应用, 改进建筑工程设计、施工、运维及拆除等过程的技术, 包括BIM数据标准和BIM应用软件2部分, 后文所述BIM技术及BIM技术研究方法重在BIM应用软件部分。BIM 技术有3个要素:BIM 应用点、BIM 应用软件及BIM 应用标准^[5]。BIM 应用点指BIM技术应用于建筑全工程的实际功能点, 将BIM技术应用于建筑全生命周期的哪个环节、做哪些分析或模拟工作、可以解决哪些实际问题;BIM 应用软件指为实现BIM应用点, 需要应用或研发的BIM软件。此处BIM软件也可代指BIM平台, BIM应用软件的研发与应用包含新BIM应用软件的开发和现有BIM软件的二次开发与完善2个层面;BIM 应用标准指支撑BIM 应用点以及BIM应用软件间相互协同工作的标准, BIM技术的应用标准特指数据标准, 不包括工作人员间的交付标准。因此, BIM技术的研发过程应有如下步骤。

1) 通过观察实际工程案例, 从实际需求中挖掘BIM应用点, 其核心是通过观察实际作业过程, 发掘可通过BIM技术改进的现有作业方法的不足。

2) 从BIM功能点中提取出数字化参数化模型, 设计原型软件框架。

3) 通过BIM应用软件的研发与应用弥补BIM应用点所提不足。

4) BIM应用软件的数据存储、获取、传递及应用应满足BIM应用标准, 若标准中暂未覆盖, 则对标准予以科学补充。

总之, BIM应用点是核心, BIM应用软件是实现方法, BIM应用标准是支撑。

BIM技术的价值和重要性体现在整体价值和局部价值2方面^[5]。局部价值指单个BIM应用点的开发和完善, 即将BIM技术应用于建筑工程的某个阶段或某个环节, 解决局部实际问题或提高局部工作效率所带来的价值。整体价值指建筑工程各阶段、各专业充分利用BIM技术所带来的聚合价值, 即实现建筑工程全生命周期信息共享, 避免信息重复录入, 从而降低社会成本, 提高工作质量和工作效率。BIM技术研究的终极目标即实现整体价值。BIM技术整体价值的实现是一个系统工程, 需要各专业研究人员携手共同完成。一方面, 其需要具备建筑全生命周期各阶段、各环节的BIM应用软件, 另一方面也需要BIM应用标准支持。

目前, 我国各科研机构对BIM技术的研究相对分散, 尚未形成一套完整的技术体系;各企业单位也只将BIM技术应用到某一个或某几个建设项目的部分建设过程中, 还不能在建筑设计、施工管理及运营等全生命周期内连续应用BIM技术。这使我国BIM技术的应用暂时停留在局部价值。因此, 实现BIM技术整体价值的过程是一个工程浩大的整合、集成过程, 需要将已有各专业背景人员BIM研究予以整合。此时, 一个统一、规范、科学、被研究者普遍接受的研究方法至关重要:①可使后续研究侧重提出通用方法解决共性问题, 避免针对实际项目开展雷同研究;②可量化研究成果质量, 便于对比相似研究;③可打破不同研究间专业壁垒, 便于进一步整合、集成研究成果。

BIM技术在国内的研究历史并不长, 已有研究推动了BIM技术在国内的实际应用且为研究者探索适用国内研究现状的研究方法积累了素材。这类研究^[6]的开展一般遵循如下步骤:①通过参与实际设计工作, 发现现有设计流程中有可能通过BIM技术可提高的不足;②提出预想的系统或方法, 并通过软件原型设计与测试案例验证可行性;③通过一个实际示范工程展示新方法或新工具, 验证其在实际应用中的价值, 并发现改善空间。针对此类研究, 斯坦福大学CIFE中心于2006年提出Horseshoe方法, 规范研究过程, 量化研究成果质量。该方法及其理念被后续的研究广泛采用, 为后续高质量的研究奠定基础。

该方法因流程图似马蹄铁, 如图2所示, 而被称为Horseshoe方法。这一方法在斯坦福大学CIFE中心近10年的研究中均有体现。CIFE中心发现使用该方法开展研究的学生, 能够更容易、更快、更充分地理解彼此的工作, 更容易实现可靠的研究成果。

BIM研究成果的价值主要体现在所提方法或原型软件可解决实际问题及实现新的BIM应用点。这要求研究所针对的实际问题可被清楚地识别、表述和量化, 清楚研究所针对的目标群体、使用范围及持续时间。研究问题的定义要方便量化评估研究成果且有可量化的度量标准, 如效率提高率、劳动力减少量、运算时间缩短量。

这是Horseshoe方法中规范性最弱的一步, 即通过直觉确定解决问题的方向, 将实际问题与理论相联系。在对实际问题的认识和已掌握BIM技术的基础上, 运用直觉找到研究方向, 即运用哪些已有BIM技术、是否开发新的BIM软件或在哪款已有BIM软件上进行二次开发。

严谨的问题定义和清晰的直觉可以帮助研究者确定研究所依赖的现有BIM技术所在的领域, 进而进行文献综述。此阶段文献综述应从3方面展开。

1) 回顾研究相近实际问题或文献中关于BIM技术的案例分析, 进一步完善对实际问题的发掘, 确定已有BIM技术的不足, 为研究问题的存在、普遍性和量化方法提供支撑。

2) 寻找有助于解决所发掘实际问题的已有BIM技术。一些现有BIM技术不需要扩充或修改, 可直接被研究者使用, 完成BIM应用点的部分功能。

3) 发现现有BIM技术在解决所挖掘实际问题中的不足。通常, 现有BIM技术只能解决部分BIM应用点功能, 或者只在特定情况下能满足BIM应用点功能需求。研究者需要改进该理论或提出新的理论, 并开发新的BIM应用软件或在已有BIM应用软件上进行二次开发, 解决所挖掘的实际问题, 这也是研究的科学价值所在。

研究问题的确定, 即待开发BIM应用点的明确, 通常需要研究者在分析所挖掘实际问题和已有BIM技术的基础上, 将所挖掘的实际问题拆分成一系列BIM应用点, 部分BIM应用点已可通过现有BIM技术实现, 现有BIM技术暂未覆盖的BIM应用点即为针对所挖掘的实际问题的研究问题。解决研究问题的方法就是BIM应用软件 (或原型软件) 的研发。

好研究的关键是提出好的研究问题, 研究问题的好坏在于是否可测试。提出研究问题, 即明确待开发的BIM应用点后, 研究者应思考可以用什么量化指标来衡量解决这一问题方法的有效性, 以及在哪种范围内该方法具有通用性, 即所研发BIM应用软件的有效性和通用性。研究问题的提出定义了研究范围, 在研究范围内的研究问题被有效解决即标志着研究任务的完成。

明确待开发BIM应用点后, 研究者根据需要开始各种研究任务以完成BIM应用软件的研发:进一步的文献研究、访谈、调查、案例分析、实践观察、本体开发、原型软件设计等。研究者要考虑需要多少测试实例 (或采访对象或调查个体) 证明所研发BIM应用软件的普遍性。研究结果的测试通常是最关键的研究任务, 研究人员应在研究过程中经常考虑和完善测试计划。一个好的测试计划应易懂、可重复, 即如果另一个人做了同样测试, 也会得出同样结论。CIFE中心常用的测试方法如下。

基本上所有BIM研究都需要进行案例对比分析。这类测试方法通常通过改变既有案例不同输入参数的值, 将所开发BIM应用软件的模拟结果 (或原型软件的预期结果) 与案例实测结果做对比, 验证所开发BIM应用软件 (或原型软件) 的可行性及正确性。

研究人员可向BIM专家及所发掘实际问题的应用领域的专家询问求证BIM应用软件 (或原型软件) 的开发是否有意义以及该领域中重要概念是否充分涵盖。更好的方法是, 针对实际问题, 通过BIM应用软件的计算分析得出研究结果的计算值, 而后让专家就BIM应用点的结果给出自己的预测结果, 通过对比专家的预测结果和BIM应用软件的计算结果, 验证所开发BIM应用软件 (或原型软件) 的可行性及正确性。

研究人员将其所研究的BIM应用点从实践中分离出来, 组织相关专业人员通过研讨会测试的形式模拟。测试过程中, 参与者完成BIM应用点中的指定工作, 而后, 将研讨会测试中通过传统的执行方法得到的测试结果与所开发BIM应用软件 (或所设计原型软件) 的分析结果对比。理想情况下, 通过对比2种方法的过程及结果, 突出新方法的积极影响和改进效果。研讨会测试是目前证明新研发BIM应用软件有效性和通用性的有效途径。

研究结果需要解决研究问题。更重要的是, 研究结果的实用性与通用性可以通过测试得到验证。BIM技术研究中, 研究结果通常是新研发的BIM应用软件 (或原型软件) 。

目前, BIM技术研究的价值通常体现在局部价值, 即可完善BIM应用点。研究对知识的贡献也可体现在:通过研发新的BIM应用软件 (或原型软件) , 拓展现有BIM技术理论, 为日后研究人员展开进一步研究奠定基础, 也为BIM技术整体价值的实现积累素材。

BIM技术研究的现实意义体现在:通过BIM应用软件 (或原型软件) 的研发, 解决研究最初发现的实际问题。

在类似BIM的新兴研究领域, 研究者使用一个达成共识的通用研究方法开展研究大有裨益。总之, Horseshoe方法适用于BIM研究中提出新的方法及设计新的原型软件等方面的研究, 可帮助研究者设计可管理且可执行的研究计划, 取得科学严谨且具有实际应用价值的科研成果。

BIM技术研究方法在实现BIM整体价值的过程中具有重要作用。Horseshoe方法满足现阶段国内BIM技术研究的需求。