BIM技術在中南大學湘雅五醫院項目中的應用

孫 昱 諶紅杰 劉文堯

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙 410012）

1 工程概況

1.1 項目介紹

中南大學湘雅五醫院工程項目位于長沙市天心區，北臨新谷路，西臨果子園路，南臨環保大道，東側為仙姑嶺公園。項目凈用地面積約186.93畝，總建筑面積52.42萬m2，計劃總投資48.49億元。該項目主要用途為綜合醫院與貴賓醫院，分為南、北兩棟醫院，功能主要包括三部分，地下室為醫療配套、設備機房與車庫，裙房1～4層為門診中心及醫技中心，塔樓5～10層為病房樓。

醫院規劃總病床數2 500張（其中南棟1 700床，北棟800床）,可有效緩解長株潭三市乃至全省人民群眾的看病就醫問題。項目被列為湖南省重點建設項目、首批PPP示范項目，市委、市政府“六個走在前列”建設項目和區委、區政府重大民生項目。

湘雅五醫院工程建筑方案設計由美國Payette完成（湖南省院輔助）, 初步設計由湖南省建筑設計院完成（Payette 輔助），施工圖設計由湖南省院完成。（中南（大學湘雅五醫院效果圖如圖1所示）。

1.2 工程特點和難點

1）本工程規模巨大，單體面積大，設計與模型搭建工作量大，而且涉及的專業眾多，協調和模型檢查工作量巨大；

2）參與企業眾多，信息量大，溝通成本高。值得一提的是，由于湘雅五醫院方案是由美國的Payette公司主導完成的，因此在設計階段我院必須長期和美方進行緊密有效的溝通；

3）邊設計、邊施工、邊修改的“三邊工程”建設模式，極大縮短了設計周期，加大了BIM技術實施的難度；

4）業主方科室需求各異，存在眾多不確定改動因素；5）無同等體量的醫院的成熟BIM項目案例參考。

2 BIM組織與應用環境

2.1 應用目標

基于項目特點與需求，初步擬定BIM設計的目標包括：

1）醫療項目功能復雜，需求變化多，用于溝通的時間成本巨大，應用BIM技術的可視化和預建造特點將問題清晰化、前置化；

圖1 中南大學湘雅五醫院項目效果

2）專業及分包廠商眾多，需要強有力的協同協調平臺進行統籌工作，便于傳達信息并使得信息來源單一可靠；

3）設備管線復雜，采用BIM設計對管線排布和空間做最大程度優化；

4）解決與復雜環境的關系，同時為業主運維及市民導航應用預留可能性，具有積極的社會效應。

基于此，中南大學湘雅五醫院采取了從方案開始的全過程BIM設計方式，其中土建專業實現了正向設計的目標。機電、景觀、內裝及醫療等專業根據專業特點和工程實際情況，在不同的時間點進行不同深度的介入。具體不同階段BIM應用的目標如表1所示。

表1 各階段BIM應用目標

2.2 團隊組織

項目由湖南省院建筑一院牽頭并完成建筑、結構設計，其它相關分部門配合完成機電、景觀、醫療工藝等專業。BIM經理同時承擔執行設總與第二結構專業負責人工作，以便協調工作。正向設計中專業設計人員即是建模人員。由于項目巨大，本項目還配備了一名二次開發人員，通過編程解決設計人員一些重復性問題、軟件不便實現的功能等，以及對設計人員的完成模型進行一定的批量處理，以保證同時滿足設計生產周期和模型交付標準的需求。

2.3 軟件配置

針對各軟件的特點，結合已有研究和相關工程的經驗[1,2]，選擇合適軟件，并配套使用了公用服務器等硬件設備。各場景中應用軟件如表2所示。

3 BIM應用

3.1 應用概覽

Payette的方案設計階段即采用了BIM設計，全部采用 Revit+Rhino的設計方式。我方在方案階段介入后，沿用BIM設計理念，進行無縫對接。但由于中美規范及模型的要求不統一，我方從2017年7月開始重新全部重建方案模型，并考慮到后期出圖及交付要求，提前對模型進行拆分，然后接力此模型進入到初設及施工圖階段。

從方案到施工圖，各專業基于三維軟件為工作平臺協同工作，將問題前置，避免后期出現大量錯、漏、碰、缺問題。建筑專業100%初設圖紙及70%施工圖為Revit繪制，另外部分圖紙考慮到效率問題，為 Revit導出后進行加工。

3.2 前期方案配合階段

3.2.1 配合方案設計

主要進行地下室的平面方案設計、交通流線方面的推敲工作，以補充美國Payette公司方案設計的不足（如圖2～5所示）。

圖2 包含場地和地下室的整體模型

圖3 交通流線模擬與路徑推敲

圖4 機房布置及主路由推敲

圖5 層高及機械車位可行性推敲

3.2.2 無人機傾斜攝影實景模型

在項目尚未全面啟動時，與美方對接景觀設計過程中發現了問題，對現場的永久支護及擋墻標高產生了質疑，因此，進行無人機傾斜攝影建模(模型如圖 6所示)來進行論證和輔助設計工作。

圖6中與山體樹林相連的即為焦點所在的擋墻。論證過現場擋墻的標高與設計的擋墻標高一致后，轉而論證美方提供的方案階段Revit場地模型與Rhino景觀模型的標高的正確性。

圖6 實景模型截圖

通過實景模型分別與Revit及Rhino模型結合，發現是 Rhino模型整體正負零設計的問題（如圖 7所示）。在排除錯誤之后，仍然需要對這部分景觀重新設計，找到相對合理的標高。從剖面來看，后期覆土要自然過渡到頂板的景觀，荷載又不能太大，很自然的需要將現有標高抬高，根據剖面可以抬高3m左右（如圖8所示）。

圖8 結合模型剖面圖

根據參數化工具去尋找最優的坡面，保證山體連續同時覆土荷載最優（如圖9所示）。同時根據網格劃分的方式，算出每一個網格的平均覆土厚度，作為結構計算的荷載依據，避免荷載估算錯誤的情況發生。

圖9 確定最優坡面

景觀專業最后根據建筑與結構專業確認的空腔結構，將景觀標高定在70.20m，比之前預判的低了1m，但比原來的設計高了2m。此部分結構空腔的全過程設計，充分體現了BIM思維下的設計方式的特點，即可視化協作、有理化推敲、落地化設計，成果逼近最優解，且不會出現因與現狀沖突而做反復修改的狀況。

3.2.3 其他準備工作

團隊為設計階段做了大量準備工作，主要包括指定項目標準、目標、技術路線，準備項目所需的樣板文件、族文件，開發有可能用到的插件功能。

3.3 設計實施階段

初步設計階段從2017年7月初開始至2017年9月13日。此階段全專業全過程采用了BIM設計，并進行了包含出圖在內的多項技術應用，極大地豐富了初步設計成果，為項目的落地和后期實施提供了可靠的保障。

施工圖階段為2017年9月13日開始，2017年12月 15日第一版較完整的土建過程圖紙誕生，2018年3月15日和6月5日帶上機電專業，又分別出了兩次較完整的圖紙。2018年7月，項目順利地通過了施工圖審查。

3.3.1 正向設計

BIM正向設計指設計師將所設想的空間直接通過可視化建模展現出來，各專業通過協同平臺進行溝通后，再進行圖紙制作的過程（如圖 10所示）。區別于傳統設計各專業工作空間與信息獨立的特點，BIM正向設計過程中信息交流更加頻繁，信息量更大，但由于其可視直觀的特點又能提高溝通效率、保證信息準確，因此對提高工程質量有極大幫助[3,4]。BIM 正向設計中實現的三維預建造模式，提前將問題暴露并解決，相比于后期變更，具有更大的經濟效益。

湖南省院建筑一院堅持BIM正向設計，已有多個成功項目案例，但專業如此眾多、體量如此巨大的項目還是第一次，因此也面臨了許多挑戰。

圖10 正向設計出圖截圖

3.3.2 醫療工藝設計

近年來國內 BIM技術應用與研究已經取得一定成果，逐步顯示出其在經濟性和有效性兩方面的優勢，但是在醫療建筑領域的應用尚無成熟經驗可循，具體能帶來的優勢和效用尚無定論[5-7]。在分析醫院建設項目特點的基礎上，針對湘雅五醫院項目的個性，參考已有的BIM項目經驗，建筑一院將醫療工藝作為獨立專業，與建筑專業人員配合，進行空間布置（如圖11所示）。具體考慮了：1）潔污、干濕、鬧靜等不同角度的分區；2）普通和重癥病房、醫護人員辦公區、公共區域、探視通道、無菌物品存放區、滅菌區、去污區、潔凈走道用餐區、輔助用房等功能布置；3）核醫學科、放射科、檢驗科、病理科，手術室等重要科室專項優化。

圖11 醫療工藝設計

3.3.3 綠色BIM設計

在摸索實現綠色可持續設計方面做了大量研究，包括建筑熱舒適性研究、日照分析、室外風模擬。針對病房外遮陽，Payette與省院進行了精細化研究分析。分析了各朝向病房外遮陽板結構對病房遮陽、日照、采光、視野、通風以及空調能耗等方面的影響（如圖 12～16所示），最后確定了不同朝向病房的最優遮陽結構，初步評估可以節省9%的空調能源消耗。通過研究BIM的綠色設計，實現節能環保的同時為建筑設計的“綠色探索”注入高科技力量。

圖12 病房日照分析

圖13 病房遮陽分析

圖14 建筑自然采光分析

圖15 室外風環境分析

圖16 場地噪聲分析

3.3.4 外墻裝配式設計研究

裝配式外墻具有以下優點：1)土建無需設置構造柱、過梁以及磚墻，因此大幅縮短施工時間；2）裝配式外墻和門窗整體在工廠組裝，可以保證質量，減少工程質量因為現場施工以及高空作業造成的影響；3）由于現場大量的裝配作業，比原始現澆方式大大減少了施工作業，施工垃圾、噪音等都可以大幅減少。

基于能耗分析，確定了遮陽和外立面造型后，考慮到裝配式外墻的優點，在Revit中分組、歸并、深化，得到外立面裝配式模塊統計，制作模型并供甲方參考（如圖17-18所示）。

需要特別說明的是，此部分研究、設計及工廠樣品生產工作已經完成，但最終是否全面采用仍未確定。

圖17 裝配式模塊分組

圖18 過程樣品

3.3.5 模型檢查

模型檢查包含了碰撞檢查、凈高檢查、規范性檢查及設計不合理等檢查。由于軟件的局限性，我們采用了多種軟件檢查方式(如表3所示)，同時也在過程中通過校審人員在模型中漫游發現了大量問題。

表3 模型檢查方式與特點

3.3.6 管線綜合

傳統的機電施工圖在很多復雜空間用一種近似的表達方式，精度不高，因此在現場安裝階段，會出現很多空間不合理的問題。同時，由于五醫院地下室層高緊張，而開挖深度對工程造價影響較大，因此，空間優化具有不菲的經濟價值。

在五醫院項目中，我們在初步設計甚至方案階段就進行機電主要管線的優化和論證，通過管線的有理化排布，實現空間的合理利用，確保層高和凈高符合要求。方案階段與初步設計階段分別做了一版地下室的機電模型（如圖 19所示）。前期的兩版模型，起到的主要是層高、機房布置等方案論證的作用。

圖19 初步設計階段地下室機電模型

圖20 施工圖階段的管線綜合

圖21 機房的布置優化

施工圖階段條件變化較多，之前兩版模型沒有繼續深化，項目組重建新的模型。這一階段管線綜合建模過程中發現了多處可優化空間，如原方案中的空調水管與排水管需更改路由方案（如圖 20所示）、機房優化布置（如圖21所示）和機械車位可行性逐一排查（如圖 22所示）。管線綜合的工作，排除了所有凈高不足的問題，并通過優化挽救了多處機械車位，帶來了很大的經濟效益。

圖22 負二層機械車位檢查與優化

3.3.7 二次開發及編程式模型處理

除了前文已經提及的在模型檢查等方面的應用，整個設計過程中，二次開發基本是無處不在，貫穿始終。Revit平臺與Cad平臺類似，都屬于國外軟件，基礎功能強大，但在習慣和標準上與內地有很大出入，因此，有必要利用平臺的開放性進行一定的本地化開發。在此項目設計過程中，為解決實際遇到的問題并提升管理效率等，進行了多項二次開發，主要應用如下：

1）模型檢查

每一層結構模型，都需要進行大量梁板柱的扣減工作，同時也需要考慮交付時的設計信息表達，此類批量化的工作特別適合利用編程代碼去程式化處理（如圖23所示）。

圖23 針對模型檢查的二次開發應用效果圖

圖24 生成地質模型并與地下室模型組裝

2）地質模型

通過對地勘單位提供的Excel表格數據及Cad柱狀圖的程式化處理，然后生成能準確反映分層地質的模型，并能實現與地下室模型進行剪切。相比傳統設計方式，更加直觀和準確（如圖24所示）。

3）錨桿及樁基優化

一萬多根地下錨桿的生成和長度統計，是基于Revit的二次開發自動實現的，這用傳統方式幾乎無法完成的，或者需要花費數周的時間但結果仍然無法保證準確。此工作為施工單位節省了數周時間，也使得下料更為準確。

利用二次開發，根據地質模型，錄入計算公式及多個限定條件，批量生成滿足要求的錨桿，并利用明細表統計。比施工圖更能指導施工。現場施工最終參考模型導出的長度進行施工（如圖25-26所示）。

圖25 二次開發自動求得樁長

圖26 錨桿長度統計和樁基二次開發應用截圖

3.3.8 輕量化云平臺應用

考慮到五醫院的模型有Rhino、Revit、無人機傾斜攝影等不同軟件格式，且數據量龐大，需要一個整合及輕量化平臺。對比了多家平臺，最終采用 Revzito，中文名瑞思圖。該平臺輕量化程度高，能流暢的拖動五醫院全專業模型。利用輕量化軟件Revizto每周將全專業模型合并，于例會上討論問題并記錄存檔。

同時將模型共享到云端（阿里云），隨時更新，以便多方共享信息及交流，也方便進行項目管控。具體應用包括：對于二維圖紙難以表述清楚的復雜空間，即時三維空間模型交底（如圖 27所示）；基于模型的線上溝通，及時解決施工方和甲方的問題（如圖28所示）。該平臺的使用，使得項目問題可追溯，權責分明、過程清晰、信息公開。

圖27 應用云平臺模型即時復雜空間交底

圖28 基于Revizto平臺模型的交流

4 總結

4.1 BIM應用效果

1）初步設計與施工圖設計能在極短的時間內順利、高質量完成，很大原因在于Payette與湖南省院在方案階段基于BIM充分分工合作及交流；

2）設計方的主動性問題很少，因為BIM提前預判了問題，在充分協同的情況下進行設計，極大地減少了變更單的數量；

3）五醫院的BIM設計貫穿了整個設計過程，后期服務及施工階段也仍然在發揮作用，未來在運維、知識傳遞等領域也大有可為。

4.2 主要創新點

1）根據項目特點，結合使用本地工作站和云服務器平臺，對超大體量、空間結構復雜的建筑綜合采用分層分塊分專業建模，參數化建模，整體合模。應用輕量化模型進行溝通和項目管控，充分發揮BIM正向設計的優勢。

2）對醫院建筑進行專業的醫療工藝設計，結合綠色建筑分析、二次開發與編程處理、無人機傾斜攝影等，技術上推進BIM正向設計的深度實現。

4.3 經驗教訓

（1）堅持正向設計。在湘雅五醫院項目中，盡管由于三邊工程特質和眾多專業不同步，沒有達到最理想的情況，但仍然是寶貴的BIM工程經驗。

（2）對于大型項目，應堅持按專業及樓層的拆分原則，保證單個模型的數據量不宜超150M，不應超350M。分層拆分的原則也更加符合施工單位進行模擬的需求。

（3）正向設計不嚴格等同于Revit或Rhino等軟件出圖，只要設計思維是順序的，設計與制圖可以視為兩個獨立階段，在實際工程中，應根據情況合理選擇，以滿足進度、效益等多方位效益。

（4）針對工程問題選取合適技術應用。本項目中眾多技術應用是為更好解決工程問題而非應付，陸續解決的問題很多，獲得的效果也廣受認可。

（5）Revizto云平臺的作用可以進一步加大，主要工程管控人員和技術負責人可以擁有各自的賬號及權限，從項目方案階段至竣工完成，溝通信息全部如實記錄于此。可以極大的加快溝通，避免信息轉達錯誤、責任不清晰、問題無法追溯、資料難以查找等問題，真正讓項目的不可見但又至關重要的決策信息可視化。

（3）除了設計方，甲方、總包及施工單位，在BIM協作上參與有限，并沒有完全發揮其作用，這是行業內很多項目的遺憾，也是效益無法最大化的一個現實痛點。從實際出發，業主方主導實現的BIM項目一定是最大化BIM價值的工程。