基于建筑信息模型的建筑多專業協同設計流程分析

王巧雯， 張加萬，， 牛志斌

(1.天津大學 建筑學院，天津 300072；天津大學 軟件學院，天津 300354)

信息媒介的廣泛普及使計算機技術被推到一個新的高度，能夠利用計算機技術解決問題的領域越來越多，同時也帶來了諸多便利.比如在建筑行業，隨著BIM技術的問世，傳統工程領域的許多問題與不足都得到了緩解、控制及解決.可以說，BIM是建筑行業的轉折點.而與此同時，單純的利用計算機技術無法與建筑行業建立聯系、提供服務，BIM，作為一種面向建筑設計的新型軟件技術，正是其中的關鍵紐帶.BIM的出現也推動了計算機軟件技術的應用與發展.

在建筑行業，隨著建筑項目設計愈發復雜，建設速度日趨加快，對協同設計的要求越來越高.單純利用平面二維圖紙進行各專業間協同設計的方式，已不能滿足信息化進程不斷發展的趨勢[1].自2003年Laiserin將建筑信息模型(building information model, BIM)在業界推廣，引起普遍關注和討論以來，BIM技術已越來越多地運用到建筑項目的設計、施工、運維等各個環節中，帶來了建筑設計思維模式與技術應用的變革[2].其中，多專業協同設計是BIM技術革新的一個重要方面，也是BIM價值的集中體現[3].

1 BIM技術與協同設計

1.1 BIM技術概述

BIM起源于20世紀70年代中期.美國喬治亞理工大學建筑與計算機學院的查克·伊斯曼(Chuck Eastman)博士提出的“建筑物計算機模擬系統(building description system)”[4-5]理念，是BIM的雛形.20世紀80年代后，歐洲部分學者稱這種方法為“product information models”.隨后2002年歐特克公司(Autodesk)副總裁Phil G. Bernrstein在收購RTC公司(Revit Technology)后正式提出BIM這一術語.而BIM不是一個簡單的定義，它涵蓋的內容非常豐富、范圍涉及也十分廣泛.2009年，美國麥克勞-希爾建筑信息公司(McGraw-Hill Construction)在“BIM的商業價值(The Business Value of BIM)”調研報告中率先給出了BIM的定義，將其描述為創建、應用數字化模型對項目進行設計、施工和運營的過程.經過幾十年的發展，BIM技術在實際工程中應用也愈發廣泛，其定義也在不斷豐富與完善.目前較為完整的是美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology)對BIM的定義：BIM是一種對工程項目物理特性和功能特性的數字化表達，并且可以為建筑全生命周期里的決策提供可靠信息共享知識資源庫[6].通俗的說，BIM可以理解為利用三維可視化仿真軟件將建筑物的三維模型建立在計算機中，這個三維模型包含建筑物的各類幾何信息和非幾何信息，是一個建筑信息數據庫.同時，從互聯的角度，BIM 也是基于開放性標準的、協同模式下的共享數字模型，具有可視化、模擬性、協同性和現實化的應用特點[7].通過在BIM 模型中進行添加、提取、修改和更新模型信息等操作，建筑生命周期的每個階段各項目參與方可在統一的工作平臺環境上協同作業，實現了設計信息的集成和整合，也使得協調、交流、溝通和決策過程更加順暢、高效.

21世紀前，因受計算機發展水平的限制，BlM僅能作為學術研究的對象，難以在實際應用中發揮作用.進入21世紀后，隨著計算機技術的不斷成熟，BlM技術在全球范圍內迅速得到發展.美國、新加坡、英國、韓國、日本、北歐等國家和地區先后制定了規范標準，并在工程項目中得到廣泛的應用.在中國自2004年引入BlM以來，一直方興未艾，到2013年左右，開始進入一個快速發展的時期，很多省市陸續發布了自己的BlM指南及相關文件，BIM迎來了全面發展的時期.

1.2 BIM協同設計

協同設計是實現信息儲存、轉換和共享過程，不僅包括設計各個專業之間、項目上下游參與方之間的協同，還包括二維與三維設計之間的配合以及項目全生命周期的信息傳遞[8].建筑工程領域中，協同設計一般分為二維協同設計和三維協同設計.二維協同設計是以計算機輔助繪圖軟件的外部參照為基礎的文件級協同，是一種基于二維圖紙的定期更新的階段性協同方式[9]；三維協同設計是在同一環境下，各專業人員基于三維模型進行的平行設計，通過信息共享、溝通協作完成同一項目的一種協同模式.

BIM技術的發展為目前的三維協同設計提供了全新運作軌跡，BIM協同設計是一種新的設計表達范式，也是一種設計、交流、組織和管理的新方式，利用BIM的三維可視化技術和信息的交互共享特點，使建筑、結構和設備專業人員在統一數字化模型上進行協同設計，使BIM技術下的協同設計成為建筑設計過程本身的一部分，不再是一種設計外的附屬技術或縫縫補補的加載技術.比較BIM技術下的協同設計(以下簡稱BIM協同設計)與傳統三維協同化設計，可以發現，在協同設計的內容、效率，模型信息以及與二維圖紙的關聯性上都較具明顯優勢，如表1所示.

表1 BIM協同設計與傳統三維協同設計對比

2 BIM協同設計工具及模式分析

2.1 BIM平臺的選擇

BIM協同設計應用，在建筑項目的不同專業、不同階段，需要多種相關軟件配合.根據具體設計項目需求，正確選擇合適的軟件平臺，對協同設計至關重要.在BIM平臺的選擇上，不僅要考慮實際工程項目設計需求、設計人員的軟件應用水平，還要注重軟件供應商的支持力度以及后續的培訓指導，同時，同系列下不同軟件之間的信息共享及雙向交互的能力也是選擇時需要關注的問題.目前多家公司基于建筑信息模型理念的核心共識，致力于研發、推廣BIM設計軟件及應用平臺，常用的BIM軟件平臺主要來自4家：歐特克(Autodesk)、Bentley、達索系統(Dassault Systems)和Graphisoft，這些軟件產品各自有BIM設計特性及數據交換接口.其中，Autodesk Revit系列軟件作為較成熟的三維參數化BIM平臺，目前在建筑設計市場中占據最大份額，應用較為廣泛，不僅擁有獨立協同設計平臺，還兼具全專業的多項功能集成.從軟件應用上看，Revit 系列軟件包括Revit建筑、Revit結構和 Revit機電，分別用于建筑設計、結構設計以及設備(給排水、采暖、空調、電氣)設計的專業建模.其技術邏輯在于通過參數化建模方式，采用數據庫集成平臺，為設計項目在各階段提供實時、準確的設計信息.構建的BIM模型攜帶豐富的對象信息，可自動生成二維平面圖紙，支持自動更新，支持符合 IFC 標準的文件格式載入與輸出，支持文件鏈接、共享和參照引用，從而為建筑項目持續設計和多專業協同工作提供了技術保障.目前，最新版本Revit 2018 已推出，新功能中實現NWD/NWC文件的鏈接，可更加方便地進行多軟件的設計協調.故本文主要采用Autodesk公司的Revit系列軟件作為信息模型的構建平臺，并以此對BIM協同設計的協同模式進行分析.

2.2 基于Revit的協同模式分析

BIM技術下的協同設計一般可分為專業內與專業間兩種協同模式，通常采用工作集方式或文件鏈接方式.

(1)工作集方式是一種“工作共享”的工作模式，即采用同一BIM數據模型的實時協同設計方式.該方式利用工作集的形式對中心文件進行劃分，工作組成員在本地終端對服務器中的同一個BIM模型同步并行設計，并將各自的設計內容及時同步到文件服務器上的中心文件中，成員之間可以根據權限相互借用，既可以相互參看雙方的設計進程與最新成果，也可以進行某些建筑圖元的交叉設計，實現成員間的實時信息傳遞與數據共享.該方式可實現多人按照項目不同專業、不同區域同步創建模型的需求，也可滿足多人針對同一模型同時編輯的需求.但是，該模式在設計較大工程項目時，由于中心文件將承載所有設計信息，其響應速度、整體穩定性都較弱，占用的硬件資源比文件鏈接模式多且要求高，且需建立權限管理機制，在軟件平臺上實現繁瑣有余，所以一般適用于關聯性小的專業之間，或者專業內部的協同設計.

(2)文件鏈接方式，即在設計之初各專業統一項目模板文件，采用統一軸網、標高系統，各專業建立各自的BIM模型文件，最后在同一場地模型或者主體項目模型上鏈接組裝，合并為一個模型.該方式相對簡單、便捷，可依據需要隨時加載模型文件，響應速度快，對軟硬件的需求也相對較低.但數據相對分散且鏈接后的BIM模型沒法進行編輯，只能作為空間定位參考及可視化展示，同步協作性與及時性較低.一般更適宜于專業間的協同設計.

從既往經驗看，建筑項目的BIM協同設計實踐，一般需根據項目的規模、類型、難度以及團隊人員結構、硬件平臺等實際情況，選擇其中一種工作方式，要么工作集方式，要么文件鏈接方式.隨著建筑項目的日趨復雜，尤其面對大型建筑項目，單一的協同工作方式難以完成協同設計任務，且建筑項目設計本身也是多專業協同作業的產物.面對建筑行業發展的新特點、新挑戰，積極探討、驗證工作集和文件鏈接兩種方式的有機組合與聯動協同，構建通用數據環境(CDE)，實現建筑信息轉換的及時性、完整性及準確性，形成基于Revit的集成協同新方法.

3 BIM多專業協同設計流程與工作框架構建

BIM協同設計是一種點與中心的信息交流模式，各參與方之間的信息交流具有唯一性與連續性[10]，該信息溝通模式將來自不同方面的數據整合在一個平臺上，實現了專業內、專業間的數據交流以及建筑全生命周期中信息最大化共享與轉換，從而保證了建筑設計的高效率、高質量和低返工.BIM技術的核心是建筑信息的共享與轉換，而協同設計水平的關鍵在于建筑數據共享度和工作協調度的高低.BIM協同設計的實現，離不開一個好的協同技術平臺，而一個科學的設計工作流程也同等重要.本研究針對協同設計中信息交換及時性、完整性及準確性等問題，以實現專業內及專業間設計信息的高效共享為導向，探索現有協同模式的有機組合，形成集成協同方法及技術路線，構建一體化協同設計方法與流程.

Revit集成協同方法聚集了工作集方式和文件鏈接方式的優點，實現了兩種方式的優缺點互補.原則上專業內協同設計多采用工作集方式、專業間的協同設計多采用文件鏈接方式，有時兩種工作方式并用.整個協同設計流程以BIM模型為核心，基于Revit平臺，在設計階段的每個過程進行雙向的信息協同，設計人員實現了在同一平臺、同一標準、同一環境下進行設計，各專業實時共享數據、信息，并在工作集平臺上交流溝通，共同完成設計，實現了同步與共享，如圖1所示.這種模式區別與 “時間順序”的傳統設計模式，各專業內、專業間實行并行設計，縮短了設計周期，提高了團隊設計的無縫對接程度，優化了項目整體設計效率和質量.

圖1 BIM多專業協同設計流程框架

前期準備階段：該階段作為協同設計的基礎，首先對設計項目進行定位評審，通過審批后，主要工作有兩項，一是完成BIM模型質量交付標準、建模精確度的選定工作以及確定Revit軟件中坐標、樣板等技術準備事宜；二是建立BIM模型平臺，包括統一各專業模板文件，統一軸網、標高系統，建立各專業BIM模型文件及鏈接組裝；在同一專業BIM模型中建立中心文件夾，根據需求劃分工作集并設定相關權限，本流程構架按照建筑、結構、機電三種專業來進行劃分，建立BIM平臺、中心文件、地方文件鏈接，各設計人員應嚴格按照BIM設計流程進行設計，實現共同設計建模及后續流程.

協同實施階段：在方案設計階段，設計單位按戶主需求進行建筑方案設計，主要以建筑專業設計人員專業內協同設計為主，同時結構、機電等其他專業設計人員即時參與，也存在專業之間的設計，在方案設計中，結構設計師、機電設計師在建筑設計師建立的建筑BIM模型基礎上，根據各自專業的需求進行設計，完成各專業BIM模型，共同完成初期協同過程.協同方式以工作集協同方式為主，兼有文件鏈接方式；在施工圖階段，以多專業協同設計為主，主要工作是對各專業的碰撞沖突等問題進行處理及優化，不斷修改完善專業設計，完成專業間的協調作業.將建筑BIM模型相對應的結構BIM模型、設備BIM模型進行組合，完成各專業的整體模型，并以滿足相應專業規范為前提，在BIM協同設計平臺上將多專業模型組合成一個全信息中心BIM模型，進行碰撞檢測及優化，生成BIM施工模型與二維施工圖圖紙，指導后續的生產、施工過程.此階段協同方式以文件鏈接方式為主，并含有地方文件信息微調的工作集方式.

4 BIM多專業協同設計應用實踐——以模塊化住宅項目為例

項目為小型模塊化住宅(簡稱模塊房)設計建造，50 m2規格，共兩種戶型，即A1(集中式)和A2(兩段式)，設有客廳、起居室、臥室、衛生間4種功能.A1和A2模塊房均為木板樣板房，采用歐松板作為預制構件，板材尺寸為1.22 m×1.22 m方形，以1.22 m為模數，臥室與衛生間的尺寸均為1.22 m的倍數，以便于工廠模數化生產及建造施工，減少材料損耗.該項目為BIM多專業集成設計項目，以Revit軟件作為設計平臺，采用基于Revit的集成協同方法.在設計過程中，建筑、結構與水暖電專業采用統一數據模型開展協同設計工作，并通過協同化的管理，有效避免了專業間的沖突，實現了基于Revit的BIM多專業協同設計，如圖2所示.

4.1 建筑與結構專業協同設計

在設計初始階段，建筑師與結構設計師首先根據協同管理的權限設置和時間分配，通過建筑工作集和結構工作集來實現單獨作業和協同工作，形成各自的BIM模型，并通過文件鏈接方式開展進一步設計協同工作.在本例的模塊化住宅中，所有的模塊化住宅構配件(歐松板)均以單元部品的形式存儲在各個專業的BIM族庫文件中，相同型號的歐松板建筑、結構部品模型在尺寸造型、承擔荷載等方面均可完美匹配.針對每一塊木板情況，各專業設計人員均可使用各專業軟件進行文字編碼和設計修改，使得建筑師與結構師可以共同完成從設計到施工土建一體化的模塊組裝過程，便于后續的現場裝配，提高了設計效率，降低了出錯率.

圖2 BIM多專業協同設計在小型模塊化住宅項目中的應用

4.2 建筑與MEP專業協同設計

建筑與MEP(Mechanical/Electrical/Plumbing 統稱為MEP，即機電、暖通、給排水等專業)的協同同樣涉及到一個二度協同的問題，管道綜合設計本身就是一個基于工作集方式協同的過程，并通過文件鏈接方式進行后續設計協同工作.在模塊化住宅中，首先建筑專業為水、暖、電等專業設定吊頂參考圖和制定高度(2.44 m)；其次，MEP各個專業之間在設計中要相互協調，在保證設計意圖的前提下，確保各專業管線布置、預留位置等問題之間互不沖突，并將統一的修改意見整合到全信息中心設計BIM模型上；最后，經過反復協同，將修改變更意見同步反饋到建筑、結構專業模型上，并集成存儲在全信息中心施工BIM模型中.

4.3 模塊化設計、施工及后期協同作業

模塊化設計是標準生產在工業化時代的集中表現，是區別于傳統工業生產方式的新模式.建筑BIM協同設計可實現統一設計標準、規范化的模塊數據接口、標準模塊按需輸入與輸出以及模塊多樣化組合設計等要求，具有獨特的優勢.在該例中，全信息中心BIM模型包括設計BIM模型，還包括工廠預制加工所需的生產制造BIM模型，首先利用各類分析模擬軟件對A1和A2模塊化住宅的性能及預制構件的屬性進行評估和分析，將結果信息反饋到建筑設計以及工廠制造中.隨后在對BIM模型中的文字、圖形等進行二次的優化和完善，并通過Revit導出與建造專業軟件相連，指導預制生產，協同整個模塊化住宅設計建造過程.在后續施工以及運維階段，各專業人員將裝配建造以及后期運維的動態實施數據載入到信息模型中，生成建筑施工BIM模型及運維BIM模型，形成模塊住宅BIM模型組[11]，并統一存儲在BIM模型數據庫中，從而實現基于BIM的建筑協同設計以及后期的建筑管理應用.

4.4 案例小結

建筑信息模型是BIM協同設計的核心，該項目小組圍繞模型建立展開BIM協同設計研究，其成果主要體現在多專業信息模型和設計、建造一體化的Revit集成協同工作方式上.經過總結整理,有3點反思：

(1)該案例是一種基于模塊化設計建造的試驗性研究，基于Revit平臺從設計向施工的推進中，深刻體會到綜合運用工作集、文件鏈接方式是設計、建造高效協同的有效手段.

(2)Revit集成協同方法的應用主要在設計階段多專業的協同配合上，改變了傳統的設計流程及協作模式，在設計成本和建造工期的控制上，效果明顯，但同時在操作過程中也發現，盡管Revit有 Revit Structure 及 Revit MEP的專業系列軟件，但多個專業在同一個平臺上操作從項目信息利用、設計效率以及協同程度上仍與預期有一定差距，期待進一步探索研究.

(3)在Revit集成協同方法運用中，也暴露出Revit應用局限性與協同設計潛在問題.以下兩方面的研究，有助于進一步提高BIM協同設計的效益最大化：建立統一數據標準，完善上、下游數據的承接與共享，可降低各專業之間信息傳遞中數據缺失和出錯現象.合理設定各部門各專業使用權限、分工職責、設計時間、工作流程等細節問題，以便更加合理、高效地發揮BIM協同優勢，進一步提高協同設計的配合度.

5 結語

BIM協同設計是建筑協同設計上的一次革新，但目前尚處于起步階段，面臨不少挑戰，在信息、工程以及管理層面上都存在一些應用問題和技術短板，同時建筑行業各專業之間的協同也需要一個相互接受和適應的過程，設計組織架構上仍需細化，信息的傳遞和共享途徑也有待進一步標準化.相信隨著 BIM 技術應用及軟件平臺的不斷深化，各專業族庫的不斷完備，BIM協同設計的流程體系和相關標準將日趨規范.BIM也將逐步改變以“建模為主”的單一技術應用方式，逐步形成以“協同應用”為導向多維發展模式，成為建筑行業新的動能增長點.