基于BIM的虛擬設(shè)計技術(shù)在北京坊項目中的實踐

潘多忠

(深圳市首嘉工程顧問有限公司，深圳518054)

1 前言

隨著信息化時代的到來，工程建設(shè)行業(yè)(Architecture、Engineering and Construction，簡稱 AEC)經(jīng)歷了圖板和計算機輔助設(shè)計時代(Computer Aided Design，簡稱CAD)。CAD的迅速普及，讓建筑師、工程師們甩掉了畫圖板，從傳統(tǒng)的手工繪圖、設(shè)計和計算中解放出來，提高了建筑設(shè)計效率，縮短了建筑工程周期。

傳統(tǒng)CAD二維設(shè)計時代存在不可避免的缺陷。由CAD繪圖所得的圖形本質(zhì)上還是二維的點、線、面等簡單圖元信息，難以表達建筑構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)及構(gòu)件屬性信息等方面的內(nèi)容，且建筑設(shè)計方案應(yīng)業(yè)主要求不斷進行優(yōu)化、更改，造成CAD圖紙表達的設(shè)計方案與實際要求不符，設(shè)計上極易出現(xiàn)重大失誤。傳統(tǒng)建筑設(shè)計過程完全基于CAD二維圖紙，而建筑物本質(zhì)上是一種三維實體。進入施工階段后，二維圖紙承載的設(shè)計信息必須在工地現(xiàn)場以三維形式施工展現(xiàn)，這種情況下，必將考驗工程施工相關(guān)人員二維到三維的空間思維能力，且施工圖紙極難避免錯、漏、碰、缺的問題，比如:設(shè)備管線碰撞打架、圖紙中未完全標明預(yù)留孔洞、孔洞的位置和尺寸標錯、遺漏管線、管道貫穿承重柱等等，不僅影響建筑的美觀，損傷結(jié)構(gòu)承載構(gòu)件，反復(fù)拆卸安裝還影響工期，增加了建造成本。

當前我國正逢“十二五”規(guī)劃時期[1]，我國已成為世界上最大的建筑市場之一，同時也是世界上對資源需求和消耗量最多的國家之一。城鎮(zhèn)建設(shè)高速發(fā)展，工程建設(shè)領(lǐng)域作為我國支柱產(chǎn)業(yè)之一，自建國以來一直依靠投資驅(qū)動和規(guī)模擴張而實現(xiàn)，與可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略大局相悖。可持續(xù)發(fā)展要求不能損害后代子孫謀取幸福的權(quán)利，而目前由建筑物造成的溫室氣體排放占到了全球總排放量的三分之一[2]，每年建筑物所消耗的能源占全球能源的30% ～40%[3]。改變工程建設(shè)行業(yè)這種粗放型的生產(chǎn)管理模式，實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)、自動化以及數(shù)字化管理已迫在眉睫。BIM(建筑信息模型)的提出，使得建筑工程項目的可視化、質(zhì)量控制、協(xié)同以及降低成本等方面成為了可能。BIM技術(shù)以3D建筑信息模型為共享信息源，使建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上各參與單位信息創(chuàng)建、收集和整理的重復(fù)工作量降至最低。BIM對于設(shè)計方法、設(shè)計標準和設(shè)計流程帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，BIM使我們能夠更加自信地進行非現(xiàn)場預(yù)制，從而向集約化、工業(yè)化生產(chǎn)邁出重大的一步。

2 BIM與虛擬設(shè)計技術(shù)

BIM技術(shù)運用于工程項目，它貫穿了項目規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維管理及后續(xù)的改造和拆除階段。30多年前，美國喬治亞技術(shù)學(xué)院與計算機專業(yè)的查克·伊斯曼博士[4]就提出了“基于BIM技術(shù)所創(chuàng)建的虛擬建筑模型”(圖1)。通過該模型可以實現(xiàn)建筑物全生命周期中信息共享。模型中不僅包含了大量建筑材料、建筑構(gòu)造、工藝等信息，還有建造一個建筑所需的各種組成部分，包括建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備管理、工程量統(tǒng)計、成本計算、物業(yè)管理等各階段信息。

眾所周知，設(shè)計決定了建筑成本的70%，設(shè)計階段的造價控制至關(guān)重要。理想的工程項目開展過程，應(yīng)在施工前解決工程中遇到的一切問題，而不是在施工中解決[5]。圖2是項目決策時機影響曲線:曲線1表示成本對項目投資的影響，前期對成本影響率高，后期對成本的影響小;曲線2表示工程項目實際成本隨項目實施不斷增加;綜合曲線1和曲線2，項目成本控制的最佳時機為前期，后期處于失控狀態(tài);曲線3對應(yīng)我們現(xiàn)在的工程項目開發(fā)模式，即大量時間花在施工階段，已經(jīng)錯過了最佳成本控制時機。采用BIM，最重要的一個功能之一，就是把曲線3的成本控制峰值從施工階段移到曲線4的概念設(shè)計階段和初步設(shè)計階段，以實現(xiàn)對項目成本可控。

圖1 虛擬建筑模型

圖2 項目決策時機(The M acLeam y curve)

當前，工程建設(shè)項目在全生命周期內(nèi)無法有效進行信息溝通。通常情況下，建筑項目都有成百上千份文件，建筑圖(平面圖、立面圖、剖面圖、總平面等等)、結(jié)構(gòu)圖、設(shè)備機電圖、建筑模型、規(guī)范和技術(shù)說明等每份文件都是一個個獨立的信息孤島，單純依靠二維平面圖極難解讀這些孤立的文件所表達的準確信息，難以保證各專業(yè)間進行高效、正確的協(xié)同。協(xié)同(圖3)不是購買某個軟件，是一個設(shè)計全流程的梳理和改革，涵蓋協(xié)同的研究、檔案的研究、標準的研究、流程的研究、知識和質(zhì)量管理研究的整合。

BIM的核心技術(shù)是3D虛擬現(xiàn)實和中央數(shù)據(jù)庫。傳統(tǒng)建筑項目歷經(jīng)方案設(shè)計階段、初步設(shè)計以及施工圖設(shè)計階段，涉及數(shù)以百計的公司(包括材料供應(yīng)商、分包商、建筑公司、建筑設(shè)備供應(yīng)商等)、成百上千個素質(zhì)參差不齊的施工人員、大量項目文件且文件格式不統(tǒng)一、無數(shù)張圖紙以及不斷變更的建筑設(shè)計，傳統(tǒng)的繪圖方式下進行任意一張圖紙的變更都會造成不可預(yù)知的工程錯誤，且建筑構(gòu)件間的碰撞檢測大都依賴于設(shè)計人員的三維空間想象能力，幾乎不可能靠人工實現(xiàn)項目相關(guān)行業(yè)及從業(yè)人員之間的協(xié)同作業(yè)。隨著BIM信息化時代的到來，運用3D虛擬現(xiàn)實和中央數(shù)據(jù)庫技術(shù)，中央數(shù)據(jù)庫(圖4)用于管理和保存建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電等構(gòu)件的相關(guān)信息，包括:基本信息(材質(zhì)、裝飾)、構(gòu)造信息(幾何尺寸、位置、方向、連接方式、節(jié)點做法等)、物理信息(安全等級、強度等級、裂縫控制等級、防水等級、防腐等級、防銹等級、抗凍等級、防火等級、熱傳導(dǎo)、聲傳導(dǎo)、抗震等級、設(shè)計使用年限、耐久性、抗暴性能、抗風(fēng)等級等)、編碼信息、生產(chǎn)信息和用途信息等。項目相關(guān)人員對模型進行任意改動，都能即時在中央數(shù)據(jù)庫進行更新，進而更新整個模型，實現(xiàn)了各專業(yè)之間協(xié)同作業(yè)。

三維建筑模型與施工計劃的結(jié)合，實現(xiàn)了BIM基于時間維度的4D應(yīng)用。通過虛擬施工過程，模擬各種施工方案，自動選擇一種快速、低成本、高質(zhì)量的施工方案，并隨著項目的不斷開展，可根據(jù)實際情況不斷修正施工方案。采用BIM模型指導(dǎo)現(xiàn)場施工(圖5)，使得施工人員依據(jù)3D模型完成工作成為可能[6]。目前，BIM在我國建筑行業(yè)，正逐步得到運用:上海現(xiàn)代建筑設(shè)計集團有限公司[7]設(shè)計的世博文化中心、世博上海案例館、世博上汽通用企業(yè)館、世博奧地利館、湖州喜來登溫泉度假酒店、合肥濱湖國際會展中心等[8]。借助于先進的 BIM應(yīng)用軟件 Revit，CCDI中建國際設(shè)計[9]先后主持承建并完成了許多大型工程建設(shè)項目，其中世博會國家電網(wǎng)館該工程于2008年底發(fā)布建筑設(shè)計方案，到2009年4月28日開工建設(shè)，2009年12月底完成土建，最終于2010年5月1日正式對外開放。整個工程總建筑面積5 560 m2，卻歷時短短一年時間，大大縮短了建筑周期。

圖5 AutodeskAEC總部大樓BIM模型指導(dǎo)施工

將3D模型和施工進度、項目成本結(jié)合起來，實現(xiàn)了5D施工管理，減少或避免設(shè)計時的錯誤，節(jié)約了成本。相比傳統(tǒng)制造行業(yè)，建筑行業(yè)始終在生產(chǎn)效率方面無法與之匹敵。據(jù)不完全統(tǒng)計:在一個工程項目中有大約30%的施工過程需要返工、60%的勞動力資源被浪費、10%的材料浪費損失現(xiàn)象。不難推算，在龐大的建筑行業(yè)中每年都有數(shù)以萬億計的資金流失。例如:上海虹橋樞紐工程，光在管線碰撞方面損失就高達5 000多萬，如果應(yīng)用BIM技術(shù)則完全可以避免此類失誤和損失[10]。

3 案例:大柵欄·北京坊

大柵欄北京坊(圖6)項目負載了北京和大柵欄地域文化的商業(yè)項目，北起西河沿街，南至廊房二條，西起煤市街，東至珠寶市街，總用地面積約3.74公頃。該項目是基于大柵欄C地塊中臨街的8個單體建筑組成的建筑集群。八大建筑各具特色，相對獨立又相互聯(lián)系。在建筑的3層設(shè)立了空中漫步體系，溝通各休憩空間，使室外空間轉(zhuǎn)換更加豐富。同時，通過大量扶梯、直梯以及步行樓梯的組合使用，形成立體式交通體系，而地下4層還建設(shè)了超大容量的車庫，解決大柵欄地區(qū)停車難問題。大柵欄北京坊整體建筑風(fēng)格延續(xù)民國建筑特色，通過集群設(shè)計，恢復(fù)了排子胡同等原有的胡同肌理，同時與勸業(yè)場、謙祥益等多處文保建筑共融。八大建筑單體以勸業(yè)場為中心鋪陳展開，謙祥益等文保建筑穿插點綴其間。設(shè)計采用了整體和分棟結(jié)合的模式，保留東西向主要胡同肌理，建筑外表皮以簡約版的民國風(fēng)格為基調(diào)，重點位置和建筑轉(zhuǎn)角恢復(fù)部分民國老建筑風(fēng)貌。沿街建筑高度均以二、三層為主，四層退后。一、二層相對連貫完整，三、四層結(jié)合漫步體系分棟組合的空間模式有利于形成獨棟式商業(yè)，便于靈活經(jīng)營。院落和轉(zhuǎn)角的組合增加了商業(yè)展示面和空間的辨識度。

基于BIM技術(shù)的建筑性能化分析包含了節(jié)能/能耗/熱工分析、日照分析、光環(huán)境分析、聲學(xué)分析等內(nèi)容，涉及的專業(yè)有建筑和機電等(圖7)。舒適性即居住環(huán)境質(zhì)量主要取決于室內(nèi)空氣質(zhì)量、熱舒適度、噪聲水平和照明采光，環(huán)境性能分析主要考慮建筑物的節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材及排放;結(jié)構(gòu)安全分析包含了結(jié)構(gòu)抗常規(guī)荷載、抗震、抗風(fēng)、抗突發(fā)災(zāi)害等方面，分析內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)有限元靜力/動力分析(動力分析分為隱式和顯式)、計算流體動力學(xué)(CFD)仿真分析、流固耦合分析、熱固耦合分析、屈曲分析等方面，分析的深度包括線性/非線性分析、彈性/彈塑性分析等;基于BIM技術(shù)對造價控制、運營管理，實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化。

圖6 北京大柵欄項目BIM模型

圖7 建筑性能化分析內(nèi)容

BIM技術(shù)運用貫穿了工程項目的整個過程(圖8)。在設(shè)計階段，對建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電等關(guān)鍵構(gòu)件建立參數(shù)化模型，采用BIM軟件三維可視化技術(shù)，對建筑模型進行所見即所得的虛擬現(xiàn)實展示，彌補了工程相關(guān)各方人員因缺乏對傳統(tǒng)建筑圖紙的理解能力而造成的交流不足，實現(xiàn)工程設(shè)計與施工階段的三維可視化。借助BIM模型，在項目進入施工階段之前，即可掌控和管理整個工程的施工進度、材料成本和質(zhì)量，施工企業(yè)亦能依此在工程項目投標階段獲得競標優(yōu)勢。借助BIM對施工過程的模擬，項目管理方能直觀地了解整個施工安裝環(huán)節(jié)的時間節(jié)點、安裝工序，施工方也可對原有安裝方案進行優(yōu)化和改善，并將優(yōu)化后的結(jié)果進行BIM歸檔，從而為其他相類似工程提供借鑒。

圖8 BIM運用

項目在方案設(shè)計階段利用BIM技術(shù)對建筑物不同方案的性能做各種分析、模擬、比較，對項目的重點或難點部分進行可建性模擬，按月、日、時進行施工方案的分析優(yōu)化，從而得到高性能的建筑方案;同時積累的信息不但可以支持建設(shè)階段降低成本、縮短工期、提高質(zhì)量，而且可以為建成后的運營、銷售、維護、改建、擴建、交易、拆除、使用等服務(wù)。增設(shè)相關(guān)人員制定BIM策略、協(xié)調(diào)項目BIM的使用、確定使用進度、共享活動、質(zhì)量控制、建模職責(zé)并落實到BIM執(zhí)行計劃中、確定各專業(yè)設(shè)計中的BIM使用，為可施工性研究和現(xiàn)場使用接受或創(chuàng)建BIM模型，確定碰撞檢查職責(zé)，提高了設(shè)備管線綜合設(shè)計能力和工作效率，優(yōu)化了管線設(shè)計(圖9)，及時排除施工環(huán)節(jié)可能遇到的碰撞沖突，避免了管線碰撞。減少因碰撞沖突導(dǎo)致的變更申請，提高了生產(chǎn)效率，降低由于施工協(xié)調(diào)造成的成本增長和工期延誤。

圖9 大柵欄項目管線優(yōu)化

BIM工作團隊把所有圖紙和信息通過三維協(xié)同等手段統(tǒng)一管理，并進行可視化展現(xiàn)，搭建了業(yè)主方、設(shè)計方、施工方、監(jiān)理方、顧問方等多方共同利用的可視化平臺，有效地控制設(shè)計階段可能產(chǎn)生的問題，盡可能在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、合理掌控項目變更行為，形成科學(xué)的設(shè)計方案，將設(shè)計、施工和管理成本盡可能在施工之前加以控制，準確傳遞了工程建設(shè)資料和信息，提高工作效率并保障施工階段效果。

BIM模型進行施工進度的模擬(圖10)，將BIM施工進度管理用于工程項目，真實地展現(xiàn)了整個建筑的施工過程，編制了合理的施工方案，將設(shè)計、成本、進度三部分關(guān)聯(lián)起來，節(jié)省了建筑項目評估預(yù)算所花費的時間，提高了預(yù)算準確性，增強了項目預(yù)算可控性、施工過程的可預(yù)見性，提前發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計和施工中的問題。

圖10 虛擬施工

在二維CAD時代，無法存儲自動計算工程量的必要信息，必須依靠人工、CAD的二次開發(fā)或者專門的造價計算軟件才能實現(xiàn)，不僅需要消耗大量的人工，而且項目設(shè)計方案的不斷變更及調(diào)整模型，計算所得的工程量統(tǒng)計數(shù)據(jù)也往往落后于最新的設(shè)計方案，得到的數(shù)據(jù)也往往失效。BIM基于共享數(shù)據(jù)庫，根據(jù)設(shè)計方案可以非常容易地對各類構(gòu)件進行統(tǒng)計分析，提供真實的工程量信息(圖11)。通過BIM獲得的工程量統(tǒng)計，可以用于建筑工程的成本估計、在業(yè)主預(yù)算范圍內(nèi)尋找最優(yōu)設(shè)計方案以及施工開始、進行和完成后的工程量決算。

項目完成后，物業(yè)管理部門對建筑物進行運維管理，需要的不只是常規(guī)的二維CAD設(shè)計圖紙，還需要真正反映目前建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝、材料使用等與運營維護相關(guān)的文檔和資料。BIM將整個項目相關(guān)的建筑構(gòu)件、設(shè)備信息存放于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，從中可以獲取完整的建筑物全局信息相關(guān)的數(shù)據(jù)，利于后續(xù)的物業(yè)管理。發(fā)揮BIM模型的三維可視化和數(shù)據(jù)記錄的優(yōu)勢，對關(guān)鍵構(gòu)件、設(shè)備在實際使用過程中進行快速定位、跟蹤，合理制定維護計劃，分配專項專人進行維護工作，避免建筑物出現(xiàn)突發(fā)情況，并對重要部件、設(shè)備跟蹤維護工作的歷史記錄，為未來建筑物的翻新、改造、修繕、擴建等過程中提供詳盡的歷史信息。不僅如此，BIM模型與樓宇自動化系統(tǒng)的結(jié)合，可在災(zāi)害發(fā)生時，實時動態(tài)顯示建筑物內(nèi)部緊急狀況的方位，規(guī)劃出合適的營救路線，救援人員由此做出正確的現(xiàn)場判斷，提高營救行動的成功率。

4 小結(jié)

本文運用BIM虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合大柵欄·北京坊工程實例，研究了虛擬設(shè)計和虛擬施工的過程。BIM虛擬設(shè)計技術(shù)具備如下優(yōu)點:

圖11 工程量統(tǒng)計

1)BIM模型采用3D可視化，易理解、清晰、直觀;

2)基于BIM模型中央數(shù)據(jù)庫，解決項目相關(guān)專業(yè)的協(xié)作問題;

3)由于BIM技術(shù)在早期減少了設(shè)計和施工錯誤、縮短了施工時間，可節(jié)約工程成本;

4)BIM自身的局限性限制了BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域的普遍運用;

5)現(xiàn)有的BIM軟件仍在發(fā)展變化之中，無法滿足建筑項目的全部功能需求，且軟件本身過于龐大、復(fù)雜，難以進行有效使用;

6)BIM的使用需要進行大量培訓(xùn)、購置軟件及硬件，這方面會發(fā)生額外費用;

7)創(chuàng)建BIM模型，涉及多方面技術(shù)人員以及更多前期準備工作;

8)BIM的優(yōu)點之一是快速進行變更，但在訂購需要較長交付周期的相關(guān)物品時，BIM可能破壞采購與施工整體過程，導(dǎo)致朝令夕改的情況出現(xiàn);

9)BIM項目的責(zé)任問題、質(zhì)量問題、知識產(chǎn)權(quán)問題，會造成建筑師與承包商相互拒絕共享BIM模型;

10)當前，BIM還屬于新興學(xué)科，沒有形成完整的體系，BIM行業(yè)的從業(yè)人員皆是原先二維時代的設(shè)計人員，培養(yǎng)BIM行業(yè)的工程技術(shù)人才已成為緊迫的任務(wù)。

[1]中共第十七屆中央委員會第五次全體會議，2010，http:∥news.xinhuanet.com/politics/2010-10/27/c-12708501.htm

[2]Autodesk，可持續(xù)設(shè)計分析和建筑信息模型，2010，http:∥images.autodesk.com/apac_grtrchina_main/files/bim_autodesk.pdf

[3]Autodesk，支持建筑信息模型的可持續(xù)性設(shè)計在改善商業(yè)建筑性能方面的優(yōu)勢，2010，http:∥images.autodesk.com/apac-grtrchina-main/files/zhichijianzhu.pdf

[4] Patrick MacLeamy，http:∥www.danieldavis.com/macleamy/

[5]何關(guān)培.“BIM”究竟是什么[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(3):111-117.

[6]邱闖.BIM先鋒談基于建筑信息建模(BIM)的工程項目管理革命[J].聯(lián)合建設(shè)管理先鋒，2011

[7]高承勇，王國儉.現(xiàn)代設(shè)計集團BIM實踐之路，國家人社部“BIM在建筑工程中的應(yīng)用”高級研修班課程，2013

[8]高承勇，上海現(xiàn)代建筑設(shè)計集團BIM應(yīng)用實踐與發(fā)展對策思考[J].中國建設(shè)信息，2012，20:22-25.

[9]過俊，陳宇，趙斌.BIM在建筑全生命周期中的應(yīng)用[J].建筑技藝，2010，209-214.

[10]柳娟花.基于 BIM的虛擬施工技術(shù)應(yīng)用研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2012