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摘 要：BIM的应用可使设计企业改进设计模式、提升设计产品价值、提高市场竞争力，但是在国内的众多设计企业尚未得到推广应用。为了给BIM后发设计企业在实现设计模式转变过程中提供系统的理论指导，在回顾BIM应用的代表性文献的基础上，按照技术、价值、合作关系等要素把BIM应用划分为BIM进入期、BIM技術扩展期与BIM普及期3个阶段，提出了各阶段基于BIM的设计模式演变路径，可将其概括为进入期新模式识别组建、扩展期迭代升级、普及期深化，以呼和浩特轨道交通2号线为例验证了该路径的可行性。基于BIM的创新设计模式逐渐成熟，其在一定程度上颠覆了传统的二维设计模式，本文提出的设计模式演变路径可推广至水利水电设计企业，促进其数字化、信息化转型升级。
关键词：BIM;后发设计企业;设计模式;演变路径
中图分类号： TV222
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.027
引用格式：尤林奇，王楠，史玉龙.基于BIM技术体系的设计模式创新研究[J].人民黄河，2021，43（9）：139-143.
Research on Design Pattern Innovation Based on BIM Technology System
YOU Linqi， WANG Nan， SHI Yulong
（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003，China）
Abstract： BIM （Building Information Modelling） technology helps design firms to improve design pattern， product value and market competitiveness. However， it has not been used in most design firm. In order to offer the guidance for latecomer firms during the transformation of design pattern， this paper divided the period of BIM application into Entrance Period， Expanding Period and Popularized Period based on reviewing related paper and technology， value and cooperation factors， then coming up with design pattern evolving path based on BIM technology during each period. In the end， discussing and verifying the specific process of design pattern evolving by analyzing the case of Hohhot Rail Transit Project. To conclude， the evolving path has overturned the traditional design pattern to some extent and extended to the whole hydropower design firm. It has promoted the digitization and informatization of the design firm.
Key words： BIM; latecomer design firms; design pattern; evolving path
BIM （Building Information Modelling）作为工程建设信息交换与共享的平台，可有效提高建筑工程信息集成化程度[1]，其应用可使设计企业改进设计模式、提升设计产品价值、提高市场竞争力，虽然被引进国内已历时17 a，但是在众多设计企业尚未得到推广应用。究其原因有以下几方面：一是开展BIM应用创新的先发设计企业较少且都是大型设计企业，可供参考、借鉴的案例少;二是BIM应用的阶段多、涉及面广，以何种规模与方式开展BIM应用尚不明确;三是设计企业局限于价值链而非网格化思维，跨领域合作意识弱;四是开展BIM开发应用前期需要投入大量成本，但短期内在实际项目上难以产生效益。为了给BIM后发设计企业在实现设计模式转变过程中提供系统的理论指导，本文在回顾BIM应用的代表性文献的基础上，按照技术、价值、合作关系等要素对BIM应用阶段进行划分，并提出基于BIM的设计模式演变路径，以呼和浩特轨道交通2号线一期工程为例验证其可行性。
1 BIM应用的代表性文献述评
黄奇荣等[2]以珠三角光启科学中心项目为例，介绍了BIM在高支模工程中的应用情况;张国兴等[3]对BIM技术在建筑业施工成本控制中的应用现状进行了调研，结果表明应用BIM的施工企业均不同程度减少对预算的更改，但存在技术水平低、标准不同等情况;曹庭等[4]阐述了BIM在水利工程全生命周期中的应用现状，分析了应用误区并提出解决方案，认为BIM在水利行业的应用仍处于起步阶段;汤漩[5]总结了轨道交通设计企业应用BIM的3种模式，认为BIM的应用打破了传统设计模式的局限、为项目设计管理带来全新的活力;徐钰德等[1]分析了BIM应用于水利工程施工管理的特点和优势，提出了适用于水利工程施工管理的应用模式;王诗玉等[6]以天池抽水蓄能电站为例，建立了基于BIM的抽水蓄能电站智慧化管理平台;王欣等[7]以某输水箱涵工程为例，介绍了BIM在施工场地布置、工程量统计、技术交底和质量管理4个方面的应用情况。 目前，国内不少轨道交通设计单位对BIM的应用处于先进水平，尤其在管线综合（简称管综）设计中的应用取得较好效果。万传军等[8]介绍了中国铁建电气化局集团有限公司在无锡地铁2号线建设中对BIM的应用情况，其根据二维设计图纸和现场勘测资料，基于BIM形成三维模型，进行碰撞检测及管线布局优化，以指导现场施工。王欣睿[9]介紹了京张高铁清河站基于BIM进行辅助设计的方法，其解决了管线碰撞、复杂空间验证、净高排查、优化设计和三维交底问题。沈亮峰[10]介绍了南京地铁10号线城西路站建设中设计团队+BIM团队协作的管综设计优化模式，BIM团队在基础设计阶段主要对2D管线进行翻模，在协同合作阶段通过管综模型整合和碰撞检测对2D设计图纸进行辅助校核，在项目实施中两技术团队仍独立存在，并未真正实现技术融合和企业技术创新。
国内外专家学者针对基于BIM的创新理论进行了大量研究。唐晓灵等[11]基于BIM工作流程建立了BASS模型，分析并预测了BIM技术的发展趋势;吴贤国等[12]从技术创新行为的角度将BIM分为技术支持、创新网络、数据互通和企业吸收能力4个层面，并利用SEM构建了BIM 技术创新行为诱导机制模型，用于分析BIM技术的创新行为影响路径;王涛等[13]将BIM体系的应用视为创新网络重置，从路径创造和交易区创建两个角度建立理论模型，结合多重案例进行验证，认为刺激建设工程创新网络重置是激发建设工程创新的主要原因;刘慧等[14]对BIM的5种模式进行创新价值定位，按渐进式创新、结构式创新、模块化创新、系统性创新及根本性创新进行了BIM应用价值的探索。
Taylor等[15]提出4种 BIM 应用模式，认为随着企业应用BIM经验的增加，将以可视化模式—协调模式—分析模式—供应链集成模式的顺序演变。Grilo等[16]从可互操作性的角度出发，基于项目网络成员的互动模式将 BIM应用模式划分为交流模式、协调模式、合作模式、协同模式及通道模式。
综上所述，BIM的应用涉及项目设计、施工、运维等全生命周期的各个阶段。笔者认为，BIM对后发设计企业设计模式的影响过程与颠覆式创新的实质[17]有所关联，即普遍存在于项目设计、施工、运维等各个阶段。因此，研究基于BIM技术体系的设计模式演变路径，对后发设计企业如何逐步利用BIM技术实现设计模式的创新具有重要意义。基于此，本文结合案例分析，试图对现有研究的不足进行补充和完善，揭示基于BIM技术体系的设计模式演变客观规律。
2 基于BIM技术体系的设计模式演变路径分析
2.1 BIM应用阶段划分
BIM可应用于设计、施工与运维等项目全生命周期中，笔者认为，无论是在设计、施工还是运维管理中应用BIM，一般都要经历进入期、扩展期与普及期3个阶段。
第一阶段，BIM进入期。后发设计企业基于对自身设计难点的分析与市场洞察，发现传统二维设计模式存在的致命缺陷，即面对复杂结构的设计时，设计人员很难通过想象及时发现设计缺陷和漏洞，从价值层面、技术层面与合作层面突破瓶颈。首先，后发设计企业通过识别，选择生产技术、生产工具升级的方式逐步实现技术升级;其次，技术升级的过程中可以带来产品价值的升级;最后，技术升级的过程中可以寻求合作，与非设计专业的BIM人员开展合作，实现技术匹配，以迅速越过BIM的初期技术壁垒。
第二阶段，BIM扩展期。后发设计企业已具备一定程度的BIM应用能力，BIM软件已融入设计过程中，为进一步提高技术实力，一方面，设计企业开始探索多专业协同设计模式，完善产品生产体系，进一步提升产品价值，提供更为多样化的产品形式;另一方面，设计企业加强技术协同，强化合作，稳固合作关系，为后续市场扩展积累外部力量。
第三阶段，BIM普及期。后发设计企业通过技术演进，形成独有的技术优势，表现为BIM全专业协同设计、基于BIM的设计产品可视化交付等;在技术优势的基础上，对技术成果进行包装，形成高附加值的数字产品;同时，持续与有关跨行业企业进行合作，打造企业共赢圈。
2.2 设计模式核心要素分析
基于BIM技术体系的后发设计企业设计模式演变主要涉及价值、技术和合作关系等核心要素，在BIM应用的不同阶段，各要素间呈现动态复杂的关系，其在市场、技术和合作关系层面具有以下特征。
（1）在技术层面，BIM应用强调的是利用成熟的技术降低产品创新成本，打造富有特色的新产品，并通过不断的技术演进形成技术优势。首先，后发设计企业通过价值分析，找出自身痛点问题与产品价值问题;其次，后发设计企业逐步优化现有生产工具与生产方式，快速实现技术升级;最后，随着后发设计企业技术的成熟，形成技术优势，保障产品的多样性与合作的多维性。
（2）在价值层面，BIM应用重点在于产品的多维赋能，并最终以数字化形式进行产品交付。首先，后发设计企业在技术层面上开展技术识别，发现产品价值漏洞，并开始弥补现有产品的不足;其次，参考成功企业的产品类目，对老产品进行价值赋能，打造新产品;最后，后发设计企业不断进行产品迭代升级，借助自身技术优势，对产品进行凝练与包装，形成价值升级的数字化产品。
（3）在合作层面，后发设计企业最初难以独立构建BIM价值网络，企业开展价值活动往往依据专业分工与自主独立的上下游企业协作，建立BIM价值网络。首先，后发设计企业在进入BIM领域初期，设计师很难快速掌握相应的BIM软件工具，学习成本高，此时应通过内外联合寻求技术支持，解决转型初期的困难;其次，随着技术升级和应用经验不断积累，与上下游企业的合作关系由最初的单向依赖演变成稳固合作的双向依赖;最后，后发设计企业通过与BIM价值网络成员的交流沟通等促进价值网络融合，形成市场和技术优势，构成统一的企业生态系统。
综上所述，后发设计企业开展BIM应用的不同阶段所涉及的价值、技术和合作关系呈不同状态。在价值层面，后发设计企业由低价值产品优化起步，迅速扩张以优化现有产品结构;在技术层面，后发设计企业的技术由简至繁，起初基于成熟技术的简化、重组和融合，经持续性创新形成自身的特色和优势，最终打造并形成技术优势;在合作关系层面，设计企业间的关系由单向依赖演变为双向依赖，形成合作共享、价值链条复杂交替的网状关系。 2.3 设计模式演变路径分析
基于BIM技术体系的设计模式演变路径如图1所示。
在BIM进入期，演变路径是新设计模式识别组建。一方面，后发设计企业通过消除设计痛点来实现产品价值的升级;另一方面，后发设计企业可以寻求专业技术人员的技术支持，与合作企业共享资源，探寻全新的合作模式。
在BIM技术的扩展期，演变路径是迭代升级。伴随着设计模式的不断更新，形成多维数字化设计的新设计模式，产品的类型进一步增多，产品的设计价值进一步提升。同时，设计企业与合作伙伴的关系也因不断的技术协同、强化合作而变得稳固，各方受益也因此得到了进一步提升。
在BIM的普及期，演变路径是深化。设计模式趋向于以全流程数字化为基础、跨行业合作为契机、数字产品为形式的资源共享模式。为了不断扩展市场，后发设计企业通常持续开展技术升级，保持技术优势，打造与包装全新的数字产品。同时，通过跨行业合作实现上下游企业（产业）生态共赢。
3 案例分析
呼和浩特轨道交通2号线一期工程南起阿尔山路站、北至塔里东路站，正线全长27.308 km，全部为地下线路，其中管综涉及专业多、土建设计空间小、结构复杂且变更多，设计时间短、任务重，业主要求以高精度的BIM设计模型来指导现场施工。
3.1 BIM应用阶段划分
按照上述方法对BIM在该工程的应用阶段进行划分，见图2。
（1）BIM进入期。在项目初期即BIM进入期，项目设计人员多采用传统的CAD+现场经验的二维设计方式，根据复杂多变的管线设计任务和业主对设计成果的要求，在二维设计方式难以满足需求的情况下，项目组人员开始了解和使用BIM技术。
（2）BIM扩展期。在项目前中期即BIM扩展期，项目组人员同BIM技术人员开展合作，开始进行BIM应用策划，制定建模标准、建模规则，创建建模环境，根据二维提资初步建立BIM模型，并根据设计变更和现场要求修改模型。
（3）BIM普及期。在项目中后期即BIM普及期，在时间紧迫的情况下，先修改二维图纸再修改三维模型的设计模式已无法适应轨道交通项目设计频繁变更的需要，项目组采用BIM人员直接了解需求并修改、二维专业设计人员校审的方式，即以BIM设计人员为中心的设计模式（BIMer-Center Design Pattern，简称BCDP模式），满足了项目节点和质量要求。同时，尝试研发BIM+产品，推动了企业数字化生产和转型。
3.2 设计模式演变路径
呼和浩特轨道交通2号线设计模式演变路径与上述后发企业设计模式演变路径一致，见图3。通过加強合作、提升价值与技术升级实现了传统的二维设计模式赋能升级，演变为BCDP模式，初步实现数字化生产转型。
（1）进入期新设计模式识别组建。①价值识别，传统价值升级。项目开始阶段，设计方主要采用传统二维设计模式，各专业设计人员根据设计规范和经验以CAD二维设计为主，在价值层面主要以传统二维图纸为载体体现设计价值。②技术识别，改善设计痛点。在技术层面，存在二维设计无法可视化检测碰撞、各专业设计沟通协同性差、对随现场情况变化而产生的设计频繁变更处理慢等问题，花费大量时间得出的二维图纸并不能满足现场要求，这是需要改善的痛点。③合作识别，探寻合作模式。基于识别的设计痛点，二维设计人员探寻与BIM专业人员建立合作关系，利用BIM的可视化、协同化等优势解决上述问题。
（2）扩展期迭代升级。①新技术、新产品的形成。基于上述问题，BIM专业人员通过与各专业二维设计人员沟通，确定BIM应用的实施计划、BIM应用策划、软硬件环境配置、技术架构，根据各专业二维设计提资初步建立土建和部分管综模型，进行管综修改、设计流程优化、成果提交和BIM深度应用及拓展，最终初步形成基于BIM技术的新产品。同时，根据项目需求和以往经验制定建模与信息标准，以规范和确保BIM在后续项目的应用。②稳固合作关系。BIM专业人员根据项目具体情况和合作模式，采用图4所示的外链和工作集划分的私有云实时协同的BIM技术架构模式，将管综模型和土建模型中心文件布置于服务器，二者通过外链模型互相链接显示，各专业BIM设计人员在本地通过中心文件实时协同，以提高建模和修改效率。③提升设计价值。在BIM扩展阶段，项目设计模式仍是以二维专业设计人员为中心的设计模式，即BIM设计人员根据相关专业二维设计人员的提资及沟通进行建模、碰撞检测和二维专业图纸校审，二维设计人员对BIM人员校审过的模型进行专业校审，最后将符合设计要求的模型提交业主、施工方、装修方等参建单位，如图5所示。设计方由于提供了更形象、更丰富的设计成果，因此大大提升了设计价值。此阶段虽然尚未发挥BIM技术的全部优势，但传统的设计模式已经因BIM技术的融入而开始不断迭代升级，从二维走向三维。
（3）普及期深化。①确定合作模式并巩固。在该工程建设的中后期，由于以二维专业设计人员为中心的设计模式已无法适应轨道交通项目设计的频繁变更性、时间紧迫性和业主对设计成果要求的特殊性，因此基于BIM将设计模式、合作模式进行优化和改进，BIM设计人员根据前期制定的设计标准、积累的管综设计专业规范，直接同参建各方沟通，按照“四个要求”（即管综调节技术要求、设计变更要求、业主的时间要求、施工和装修的空间要求）对现场提出的设计变更直接进行三维调节，并将设计成果提交专业设计人员校核，实现了“正向设计”即BCDP正向协同设计流程（见图6）。②BIM+新技术。在全专业协同设计的基础上，BIM技术的应用不断扩展深化，并逐步形成跨维融合的产品，如BIM+VR、BIM+AR等，为设计审查、设计产品交付等提供了全新的技术路线，丰富了设计成果的展现形式，设计企业提升了核心竞争力、拓展了技术广度。③设计增值，形成体系。新的设计体系在该工程项目施工过程中发挥了巨大作用。在新店站站厅层土建已施工完成的情况下，发现在有限的土建空间内综合管线排布不下，且经过各专业设计人员沟通和重新设计都无法解决问题，为此项目组基于BCDP，经现场实地考察，同参建各方、各专业人员设计积极沟通，通过修改管线尺寸、在BIM模型中不断进行方案调整，最终提出的方案避免了对已完成土建的拆除重建，大大节省了项目成本、缩短了工期。在该工程项目建设过程中，BIM设计人员采用BCDP对两个站的管综模型进行了数十次的调整，力争做到每次调整“零碰撞”，修改和完善原设计方案不合理的地方千余处，使设计效率提高60%、成本节省近百万元。 综上所述，BIM技术在工程设计模式深化阶段创造重大价值的同时，使设计模式演变成了由全专业、全参建方参与的BCDP模式，基于该模式，二维专业设计人员和BIM设计人员合作，甚至项目参建各方都发生了深入的跨专业、跨行业融合。在此项目实施过程中，BIM专业人员通过技术储备掌握了管综专业设计知识，二维专业设计人员认识、学习和逐步掌握BIM技术，实践中培养了一批既懂专业又懂BIM的复合人才。此外，在技术层面，形成了企业独有的全专业BIM实施和设计模式，探索出BIM可视化交付的技术路线，为形成企业独有的、具有市场竞争优势的BIM+产品（如三维图纸和工程数据化交付平台等）奠定了技术基础。
4 结 语
BIM在呼和浩特轨道交通2号线的应用实践，印证了笔者提出的后发设计企业基于BIM的设计模式演变路径的可行性，其可为相关行业后发设计企业的数字化生产转型提供理论和实践指导。基于BIM技术体系的三维数字化设计模式是较为成熟的设计模式，其在一定程度上颠覆了传统的二维设计模式，可推广至水利水电行业设计企业使用，促进其数字化、信息化转型升级。
参考文献：
[1] 徐鈺德，王铭岩，杨叶娟.基于BIM的水利工程施工管理模式及应用流程[J].人民黄河，2019，41（8）：138-143.
[2] 黄奇荣，武俊，刘曦，等.BIM技术在高大模板施工中的应用[J].施工技术，2017，46（增刊2）：621-624.
[3] 张国兴，徐玲玲，黄飞玉，等.BIM技术在施工阶段的成本控制现状研究[J].河北建筑工程学院学报，2018，36（3）：65-67.
[4] 曹庭，王嘉斌，宦如胤.BIM技术在水利工程设计施工运维中的应用[J].水利科学与寒区工程，2018，1（7）：67-69.
[5] 汤漩.BIM技术在我国城市轨道交通项目设计管理中的应用[J].施工技术，2018，47（增刊1）：1475-1478.
[6] 王诗玉，杨建州，王宁波.基于BIM技术的抽水蓄能电站智慧建设管理[J].人民黄河，2019，41（6）：152-155.
[7] 王欣，冯利军.BIM技术在输水箱涵施工阶段的应用研究[J].人民黄河，2019，41（4）：135-138，158.
[8] 万传军，王孝忠.基于BIM技术的地铁出入口综合管线工艺优化方法[J].城市轨道交通研究，2018，21（5）：112-114，120.
[9] 王欣睿.基于BIM的综合交通枢纽管线综合设计研究：以京张高铁清河站设计为例[J].铁道标准设计，2019，63（9）：97-100，125.
[10] 沈亮峰.基于BIM技术的三维管线综合设计在地铁车站中的应用[J].工业建筑，2013，43（6）：163-166，159.
[11] 唐晓灵，易小海.BIM技术在建筑业企业中的扩散趋势研究[J].施工技术，2016，45（18）：25-28，62.
[12] 吴贤国，刘倩，张立茂，等.BIM技术创新行为诱导机制研究[J].施工技术，2015，44（18）：33-39.
[13] 王涛，刘慧，郑俊巍.BIM技术应用对建设工程创新影响机理研究[J].科技进步与对策，2016，33（16）：12-16.
[14] 刘慧，王孟钧，MIROSLAW J S，等.BIM在建设工程项目中的创新价值初探[J].科技管理研究，2016，36（8）：194-200.
[15] TAYLOR J E， BERNSTEIN P G. Paradigm Trajectories of Building Information Modeling Practice in Project Networks[J].Journal of Management in Engineering，2009，25（2）：69-76.
[16] GRILO A， RICARDO J G. Value Proposition on Interoperability of BIM and Collaborative Working Environments[J]. Automation in Construction，2010，19（5）： 522-530.
[17] 冯立杰，杜靖宇，王金凤，等.颠覆式创新视角下后发企业价值网络演变路径[J].科学学研究，2019，37（1）：175-183.
【责任编辑 张智民】
关键词：BIM;后发设计企业;设计模式;演变路径
中图分类号： TV222
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.027
引用格式：尤林奇，王楠，史玉龙.基于BIM技术体系的设计模式创新研究[J].人民黄河，2021，43（9）：139-143.
Research on Design Pattern Innovation Based on BIM Technology System
YOU Linqi， WANG Nan， SHI Yulong
（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003，China）
Abstract： BIM （Building Information Modelling） technology helps design firms to improve design pattern， product value and market competitiveness. However， it has not been used in most design firm. In order to offer the guidance for latecomer firms during the transformation of design pattern， this paper divided the period of BIM application into Entrance Period， Expanding Period and Popularized Period based on reviewing related paper and technology， value and cooperation factors， then coming up with design pattern evolving path based on BIM technology during each period. In the end， discussing and verifying the specific process of design pattern evolving by analyzing the case of Hohhot Rail Transit Project. To conclude， the evolving path has overturned the traditional design pattern to some extent and extended to the whole hydropower design firm. It has promoted the digitization and informatization of the design firm.
Key words： BIM; latecomer design firms; design pattern; evolving path
BIM （Building Information Modelling）作为工程建设信息交换与共享的平台，可有效提高建筑工程信息集成化程度[1]，其应用可使设计企业改进设计模式、提升设计产品价值、提高市场竞争力，虽然被引进国内已历时17 a，但是在众多设计企业尚未得到推广应用。究其原因有以下几方面：一是开展BIM应用创新的先发设计企业较少且都是大型设计企业，可供参考、借鉴的案例少;二是BIM应用的阶段多、涉及面广，以何种规模与方式开展BIM应用尚不明确;三是设计企业局限于价值链而非网格化思维，跨领域合作意识弱;四是开展BIM开发应用前期需要投入大量成本，但短期内在实际项目上难以产生效益。为了给BIM后发设计企业在实现设计模式转变过程中提供系统的理论指导，本文在回顾BIM应用的代表性文献的基础上，按照技术、价值、合作关系等要素对BIM应用阶段进行划分，并提出基于BIM的设计模式演变路径，以呼和浩特轨道交通2号线一期工程为例验证其可行性。
1 BIM应用的代表性文献述评
黄奇荣等[2]以珠三角光启科学中心项目为例，介绍了BIM在高支模工程中的应用情况;张国兴等[3]对BIM技术在建筑业施工成本控制中的应用现状进行了调研，结果表明应用BIM的施工企业均不同程度减少对预算的更改，但存在技术水平低、标准不同等情况;曹庭等[4]阐述了BIM在水利工程全生命周期中的应用现状，分析了应用误区并提出解决方案，认为BIM在水利行业的应用仍处于起步阶段;汤漩[5]总结了轨道交通设计企业应用BIM的3种模式，认为BIM的应用打破了传统设计模式的局限、为项目设计管理带来全新的活力;徐钰德等[1]分析了BIM应用于水利工程施工管理的特点和优势，提出了适用于水利工程施工管理的应用模式;王诗玉等[6]以天池抽水蓄能电站为例，建立了基于BIM的抽水蓄能电站智慧化管理平台;王欣等[7]以某输水箱涵工程为例，介绍了BIM在施工场地布置、工程量统计、技术交底和质量管理4个方面的应用情况。 目前，国内不少轨道交通设计单位对BIM的应用处于先进水平，尤其在管线综合（简称管综）设计中的应用取得较好效果。万传军等[8]介绍了中国铁建电气化局集团有限公司在无锡地铁2号线建设中对BIM的应用情况，其根据二维设计图纸和现场勘测资料，基于BIM形成三维模型，进行碰撞检测及管线布局优化，以指导现场施工。王欣睿[9]介紹了京张高铁清河站基于BIM进行辅助设计的方法，其解决了管线碰撞、复杂空间验证、净高排查、优化设计和三维交底问题。沈亮峰[10]介绍了南京地铁10号线城西路站建设中设计团队+BIM团队协作的管综设计优化模式，BIM团队在基础设计阶段主要对2D管线进行翻模，在协同合作阶段通过管综模型整合和碰撞检测对2D设计图纸进行辅助校核，在项目实施中两技术团队仍独立存在，并未真正实现技术融合和企业技术创新。
国内外专家学者针对基于BIM的创新理论进行了大量研究。唐晓灵等[11]基于BIM工作流程建立了BASS模型，分析并预测了BIM技术的发展趋势;吴贤国等[12]从技术创新行为的角度将BIM分为技术支持、创新网络、数据互通和企业吸收能力4个层面，并利用SEM构建了BIM 技术创新行为诱导机制模型，用于分析BIM技术的创新行为影响路径;王涛等[13]将BIM体系的应用视为创新网络重置，从路径创造和交易区创建两个角度建立理论模型，结合多重案例进行验证，认为刺激建设工程创新网络重置是激发建设工程创新的主要原因;刘慧等[14]对BIM的5种模式进行创新价值定位，按渐进式创新、结构式创新、模块化创新、系统性创新及根本性创新进行了BIM应用价值的探索。
Taylor等[15]提出4种 BIM 应用模式，认为随着企业应用BIM经验的增加，将以可视化模式—协调模式—分析模式—供应链集成模式的顺序演变。Grilo等[16]从可互操作性的角度出发，基于项目网络成员的互动模式将 BIM应用模式划分为交流模式、协调模式、合作模式、协同模式及通道模式。
综上所述，BIM的应用涉及项目设计、施工、运维等全生命周期的各个阶段。笔者认为，BIM对后发设计企业设计模式的影响过程与颠覆式创新的实质[17]有所关联，即普遍存在于项目设计、施工、运维等各个阶段。因此，研究基于BIM技术体系的设计模式演变路径，对后发设计企业如何逐步利用BIM技术实现设计模式的创新具有重要意义。基于此，本文结合案例分析，试图对现有研究的不足进行补充和完善，揭示基于BIM技术体系的设计模式演变客观规律。
2 基于BIM技术体系的设计模式演变路径分析
2.1 BIM应用阶段划分
BIM可应用于设计、施工与运维等项目全生命周期中，笔者认为，无论是在设计、施工还是运维管理中应用BIM，一般都要经历进入期、扩展期与普及期3个阶段。
第一阶段，BIM进入期。后发设计企业基于对自身设计难点的分析与市场洞察，发现传统二维设计模式存在的致命缺陷，即面对复杂结构的设计时，设计人员很难通过想象及时发现设计缺陷和漏洞，从价值层面、技术层面与合作层面突破瓶颈。首先，后发设计企业通过识别，选择生产技术、生产工具升级的方式逐步实现技术升级;其次，技术升级的过程中可以带来产品价值的升级;最后，技术升级的过程中可以寻求合作，与非设计专业的BIM人员开展合作，实现技术匹配，以迅速越过BIM的初期技术壁垒。
第二阶段，BIM扩展期。后发设计企业已具备一定程度的BIM应用能力，BIM软件已融入设计过程中，为进一步提高技术实力，一方面，设计企业开始探索多专业协同设计模式，完善产品生产体系，进一步提升产品价值，提供更为多样化的产品形式;另一方面，设计企业加强技术协同，强化合作，稳固合作关系，为后续市场扩展积累外部力量。
第三阶段，BIM普及期。后发设计企业通过技术演进，形成独有的技术优势，表现为BIM全专业协同设计、基于BIM的设计产品可视化交付等;在技术优势的基础上，对技术成果进行包装，形成高附加值的数字产品;同时，持续与有关跨行业企业进行合作，打造企业共赢圈。
2.2 设计模式核心要素分析
基于BIM技术体系的后发设计企业设计模式演变主要涉及价值、技术和合作关系等核心要素，在BIM应用的不同阶段，各要素间呈现动态复杂的关系，其在市场、技术和合作关系层面具有以下特征。
（1）在技术层面，BIM应用强调的是利用成熟的技术降低产品创新成本，打造富有特色的新产品，并通过不断的技术演进形成技术优势。首先，后发设计企业通过价值分析，找出自身痛点问题与产品价值问题;其次，后发设计企业逐步优化现有生产工具与生产方式，快速实现技术升级;最后，随着后发设计企业技术的成熟，形成技术优势，保障产品的多样性与合作的多维性。
（2）在价值层面，BIM应用重点在于产品的多维赋能，并最终以数字化形式进行产品交付。首先，后发设计企业在技术层面上开展技术识别，发现产品价值漏洞，并开始弥补现有产品的不足;其次，参考成功企业的产品类目，对老产品进行价值赋能，打造新产品;最后，后发设计企业不断进行产品迭代升级，借助自身技术优势，对产品进行凝练与包装，形成价值升级的数字化产品。
（3）在合作层面，后发设计企业最初难以独立构建BIM价值网络，企业开展价值活动往往依据专业分工与自主独立的上下游企业协作，建立BIM价值网络。首先，后发设计企业在进入BIM领域初期，设计师很难快速掌握相应的BIM软件工具，学习成本高，此时应通过内外联合寻求技术支持，解决转型初期的困难;其次，随着技术升级和应用经验不断积累，与上下游企业的合作关系由最初的单向依赖演变成稳固合作的双向依赖;最后，后发设计企业通过与BIM价值网络成员的交流沟通等促进价值网络融合，形成市场和技术优势，构成统一的企业生态系统。
综上所述，后发设计企业开展BIM应用的不同阶段所涉及的价值、技术和合作关系呈不同状态。在价值层面，后发设计企业由低价值产品优化起步，迅速扩张以优化现有产品结构;在技术层面，后发设计企业的技术由简至繁，起初基于成熟技术的简化、重组和融合，经持续性创新形成自身的特色和优势，最终打造并形成技术优势;在合作关系层面，设计企业间的关系由单向依赖演变为双向依赖，形成合作共享、价值链条复杂交替的网状关系。 2.3 设计模式演变路径分析
基于BIM技术体系的设计模式演变路径如图1所示。
在BIM进入期，演变路径是新设计模式识别组建。一方面，后发设计企业通过消除设计痛点来实现产品价值的升级;另一方面，后发设计企业可以寻求专业技术人员的技术支持，与合作企业共享资源，探寻全新的合作模式。
在BIM技术的扩展期，演变路径是迭代升级。伴随着设计模式的不断更新，形成多维数字化设计的新设计模式，产品的类型进一步增多，产品的设计价值进一步提升。同时，设计企业与合作伙伴的关系也因不断的技术协同、强化合作而变得稳固，各方受益也因此得到了进一步提升。
在BIM的普及期，演变路径是深化。设计模式趋向于以全流程数字化为基础、跨行业合作为契机、数字产品为形式的资源共享模式。为了不断扩展市场，后发设计企业通常持续开展技术升级，保持技术优势，打造与包装全新的数字产品。同时，通过跨行业合作实现上下游企业（产业）生态共赢。
3 案例分析
呼和浩特轨道交通2号线一期工程南起阿尔山路站、北至塔里东路站，正线全长27.308 km，全部为地下线路，其中管综涉及专业多、土建设计空间小、结构复杂且变更多，设计时间短、任务重，业主要求以高精度的BIM设计模型来指导现场施工。
3.1 BIM应用阶段划分
按照上述方法对BIM在该工程的应用阶段进行划分，见图2。
（1）BIM进入期。在项目初期即BIM进入期，项目设计人员多采用传统的CAD+现场经验的二维设计方式，根据复杂多变的管线设计任务和业主对设计成果的要求，在二维设计方式难以满足需求的情况下，项目组人员开始了解和使用BIM技术。
（2）BIM扩展期。在项目前中期即BIM扩展期，项目组人员同BIM技术人员开展合作，开始进行BIM应用策划，制定建模标准、建模规则，创建建模环境，根据二维提资初步建立BIM模型，并根据设计变更和现场要求修改模型。
（3）BIM普及期。在项目中后期即BIM普及期，在时间紧迫的情况下，先修改二维图纸再修改三维模型的设计模式已无法适应轨道交通项目设计频繁变更的需要，项目组采用BIM人员直接了解需求并修改、二维专业设计人员校审的方式，即以BIM设计人员为中心的设计模式（BIMer-Center Design Pattern，简称BCDP模式），满足了项目节点和质量要求。同时，尝试研发BIM+产品，推动了企业数字化生产和转型。
3.2 设计模式演变路径
呼和浩特轨道交通2号线设计模式演变路径与上述后发企业设计模式演变路径一致，见图3。通过加強合作、提升价值与技术升级实现了传统的二维设计模式赋能升级，演变为BCDP模式，初步实现数字化生产转型。
（1）进入期新设计模式识别组建。①价值识别，传统价值升级。项目开始阶段，设计方主要采用传统二维设计模式，各专业设计人员根据设计规范和经验以CAD二维设计为主，在价值层面主要以传统二维图纸为载体体现设计价值。②技术识别，改善设计痛点。在技术层面，存在二维设计无法可视化检测碰撞、各专业设计沟通协同性差、对随现场情况变化而产生的设计频繁变更处理慢等问题，花费大量时间得出的二维图纸并不能满足现场要求，这是需要改善的痛点。③合作识别，探寻合作模式。基于识别的设计痛点，二维设计人员探寻与BIM专业人员建立合作关系，利用BIM的可视化、协同化等优势解决上述问题。
（2）扩展期迭代升级。①新技术、新产品的形成。基于上述问题，BIM专业人员通过与各专业二维设计人员沟通，确定BIM应用的实施计划、BIM应用策划、软硬件环境配置、技术架构，根据各专业二维设计提资初步建立土建和部分管综模型，进行管综修改、设计流程优化、成果提交和BIM深度应用及拓展，最终初步形成基于BIM技术的新产品。同时，根据项目需求和以往经验制定建模与信息标准，以规范和确保BIM在后续项目的应用。②稳固合作关系。BIM专业人员根据项目具体情况和合作模式，采用图4所示的外链和工作集划分的私有云实时协同的BIM技术架构模式，将管综模型和土建模型中心文件布置于服务器，二者通过外链模型互相链接显示，各专业BIM设计人员在本地通过中心文件实时协同，以提高建模和修改效率。③提升设计价值。在BIM扩展阶段，项目设计模式仍是以二维专业设计人员为中心的设计模式，即BIM设计人员根据相关专业二维设计人员的提资及沟通进行建模、碰撞检测和二维专业图纸校审，二维设计人员对BIM人员校审过的模型进行专业校审，最后将符合设计要求的模型提交业主、施工方、装修方等参建单位，如图5所示。设计方由于提供了更形象、更丰富的设计成果，因此大大提升了设计价值。此阶段虽然尚未发挥BIM技术的全部优势，但传统的设计模式已经因BIM技术的融入而开始不断迭代升级，从二维走向三维。
（3）普及期深化。①确定合作模式并巩固。在该工程建设的中后期，由于以二维专业设计人员为中心的设计模式已无法适应轨道交通项目设计的频繁变更性、时间紧迫性和业主对设计成果要求的特殊性，因此基于BIM将设计模式、合作模式进行优化和改进，BIM设计人员根据前期制定的设计标准、积累的管综设计专业规范，直接同参建各方沟通，按照“四个要求”（即管综调节技术要求、设计变更要求、业主的时间要求、施工和装修的空间要求）对现场提出的设计变更直接进行三维调节，并将设计成果提交专业设计人员校核，实现了“正向设计”即BCDP正向协同设计流程（见图6）。②BIM+新技术。在全专业协同设计的基础上，BIM技术的应用不断扩展深化，并逐步形成跨维融合的产品，如BIM+VR、BIM+AR等，为设计审查、设计产品交付等提供了全新的技术路线，丰富了设计成果的展现形式，设计企业提升了核心竞争力、拓展了技术广度。③设计增值，形成体系。新的设计体系在该工程项目施工过程中发挥了巨大作用。在新店站站厅层土建已施工完成的情况下，发现在有限的土建空间内综合管线排布不下，且经过各专业设计人员沟通和重新设计都无法解决问题，为此项目组基于BCDP，经现场实地考察，同参建各方、各专业人员设计积极沟通，通过修改管线尺寸、在BIM模型中不断进行方案调整，最终提出的方案避免了对已完成土建的拆除重建，大大节省了项目成本、缩短了工期。在该工程项目建设过程中，BIM设计人员采用BCDP对两个站的管综模型进行了数十次的调整，力争做到每次调整“零碰撞”，修改和完善原设计方案不合理的地方千余处，使设计效率提高60%、成本节省近百万元。 综上所述，BIM技术在工程设计模式深化阶段创造重大价值的同时，使设计模式演变成了由全专业、全参建方参与的BCDP模式，基于该模式，二维专业设计人员和BIM设计人员合作，甚至项目参建各方都发生了深入的跨专业、跨行业融合。在此项目实施过程中，BIM专业人员通过技术储备掌握了管综专业设计知识，二维专业设计人员认识、学习和逐步掌握BIM技术，实践中培养了一批既懂专业又懂BIM的复合人才。此外，在技术层面，形成了企业独有的全专业BIM实施和设计模式，探索出BIM可视化交付的技术路线，为形成企业独有的、具有市场竞争优势的BIM+产品（如三维图纸和工程数据化交付平台等）奠定了技术基础。
4 结 语
BIM在呼和浩特轨道交通2号线的应用实践，印证了笔者提出的后发设计企业基于BIM的设计模式演变路径的可行性，其可为相关行业后发设计企业的数字化生产转型提供理论和实践指导。基于BIM技术体系的三维数字化设计模式是较为成熟的设计模式，其在一定程度上颠覆了传统的二维设计模式，可推广至水利水电行业设计企业使用，促进其数字化、信息化转型升级。
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【责任编辑 张智民】