超高層辦公樓建筑多專業協同BIM正向設計

(廣東省建筑設計研究院，深圳 518000)

1 工程概況

1.1 項目概況

民生互聯網大廈項目位于廣東省深圳市前海港深現代服務業合作區，桂灣片區開發二單元05街坊。總建筑面積約25萬m2，最大建筑高度180m，大樓集甲級寫字樓、會議及商業等多種配套服務為一體，項目整體效果如圖1所示。

圖1 項目整體效果圖

1.2 工程特點與難點

項目位于前海填海區，結構形式復雜，構造節點多且設計施工難度高。為了在限定的時間內高質量完成設計施工的全部工作，項目參建方需深度應用BIM技術，充分發揮BIM的精確化[1]、可視化[2]、協同化[3]工作的優勢，提高工作效率、降低開發成本、提升建筑品質。實現提升工程協同效率的目標。

2 BIM正向設計和協作流程

建筑信息模型(Building Information Modeling)是一個設施物理特征和功能特征的數字化表達,是該工程相關方的共享資源,為工程全壽命期內的所有決策提供可靠的信息支持。建筑信息管理(Building Information Management)是指利用數字原型信息支持工程全壽命期信息共享的業務流程組織和控制。建筑信息管理的效益包括集中和可視化溝通、更早進行多方案比較、可持續分效設計、多專業集成、施工現場控制、竣工資料記錄等[4]。

2.1 BIM應用目標

目前在建筑行業,BIM被認為是可提高生產率、提高項目質量和進行持續性建設的重要方向。在許多國家,BIM都是強制實施的。早期的BIM用戶都已經提高了效率和生產率,獲得了變革的收益,這使得他們在行業中獲得了競爭優勢[5]。

民生互聯網大廈項目以打造全過程BIM應用為目標，在設計過程中實現圖紙由Revit正向設計出圖，并通過BIM可視化優勢對設計方案進行了數百個位置的設計優化，有效提高了設計品質[6]。BIM模型從設計階段至施工階段由不同的單位維護，即設計階段BIM模型由設計單位負責和施工階段BIM模型由施工單位負責。每個階段結束后向下一個主體單位移交，保持主體模型的唯一性，減少重復建模，確保了模型信息的無損傳遞。設計模型在施工階段順利進行了施工深化，并將進度、技術參數、商務算量等信息與模型相互關聯，在施工階段設計BIM團隊定期進行施工BIM模型審核，幫助施工單位達成應用BIM技術實現施工管理的目標。

為實現設計的團隊的BIM正向設計化，需在開展工作之前建立理論基礎。我院在多年的BIM應用基礎上，總結出一個從未接觸正向設計的團隊需要以下四個階段來實現BIM正向設計目標(如圖2)，分別是建模能力，出圖能力，多專業協同設計能力和迭代提效能力。只有具備了上一個層級的能力后，才能向下一個層級突破[7]。

圖2 Revit設計技術門檻

我院相關設計團隊經多年積累已具備第一第二層級的能力，本項目在此基礎之上向第三個層級突破。因此本項目的BIM正向設計應用目標為多專業設計協同[8]。

2.2 人員架構

本項目組建了一支包含多專業、項目經驗豐富的施工圖設計和BIM團隊(如圖3)，主要有兩個組，第一組主要負責施工圖設計，項目管控。另一組主要負責項目BIM正向設計技術層面的支持與管理。設計團隊在實施過程中，針對模型的創建流程，梳理了模型創建標準和BIM正向設計實施流程，結合現有BIM構件資源庫，模型樣板進行了設計優化。在實施過程中，以降本提效為價值應用核心。結合設計過程，在不同設計深度繪制不同的設計模型，力求得到基于BIM的設計價值利用最大化。在設計團隊未完全掌握BIM設計出圖之前，由BIM團隊在技術和協同層面對正向設計組進行技術支持有利于項目推進，避免設計返工。相較于施工圖設計團隊的自己摸索，節約了研究成本。

2.3 協同流程

傳統設計模式下各專業間相對獨立,信息溝通以人為主,溝通較少或溝通不暢,與業主、施工等的溝通也缺乏有效的可視化工具。往往造成設計錯誤、返工等問題。

基于BIM的協同設計是通過BIM軟件和環境,以BIM數據交換為核心的協作方式取代或部分取代了傳統設計模式下低效的人工協同工作,使設計團隊打破傳統信息傳遞的壁壘,實現信息之間的多向交流。減輕了設計人員的負擔、提高了設計效率、減少了設計錯誤,為智慧設計、智慧施工奠定了基礎,與智慧城市的宗旨是一致的。一般情況下可以把設計企業的協同工作分為基于數據的設計協同和基于流程的管理協同兩個層面,下文主要描述基于流程的協同[9]。”

本項目在施工圖設計過程中進行的多專業配合與協同，下表是各專業協同設計過程中各專業提資及設計協調會開展情況。(表1)本協作流是在原施工圖正向設計流程基礎上，結合BIM正向設計的特點總結而出[10]。

圖3 設計組人員組成

BIM技術支持組人員構成：

BIM技術負責人：鄭昊；設計人：荊娜，陳景川，沈曉琳。

多專業配合樣例：

表1 多專業協同流程

序號專業配合工作提出專業接收專業設計內容BIM工作施工圖設計啟動會1施工圖設計啟動會全專業全專業明確設計內容及注意事項,明確設計原則和統一技術條件準備各專業基礎中心文件;統一原點,軸網;確定各專業模型間的鏈接關系;2結構建立第一版模型結構建筑確定結構主體施工圖階段設計協調會3建筑提第一版提資視圖,防火分區建筑各專業作為機電專業設計的參照底圖結構專業配合依據建筑鏈接結構配合視圖;建筑視圖分三層,建模視圖、配合底圖視圖、出圖視圖,其中配合底圖視圖與出圖視圖為關聯視圖;請注意這是底圖,非建筑出圖視圖;4設備專業給各專業提機房、管井機電專業建筑管井、機房定位、面積需求請注意在提資視圖5結構提資,梁柱資料結構專業各專業明確開洞情況,同時明確梁高,機電專業在設計過程中應規避大梁;及時更新鏈接6管線初步綜合設計建筑結構、機電建筑根據初步設計對凈高要求復核各專業現有設計成果是否能滿足需求;同時對建筑平面設計進行優化;BIM負責人協助建筑專業解決發現的問題施工圖階段設計協調會7建筑提第二版提資視圖(平、立、剖),材料做法、防火分區建筑各專業根據上一輪設計討論后設計優化的機電出圖配套視圖階段性BIM模型/模型歸檔8水、暖提資給電(用電量)水、暖電氣在專用提資視圖并顯著標注9機電專業提資大于800的洞口、集水井、排水溝給建筑、結構機電建筑、結構在專用提資視圖并顯著標注施工圖階段出圖協調會10建筑大樣繪制(衛生間詳圖、電梯詳圖、樓梯、墻身大樣)建筑建筑大樣在建筑視圖中表達11建筑復核凈高,并繪制墻身大樣建筑建筑大樣12結構繪制模板圖結構各專業各專業復核橫向、豎向管線位置13管線綜合各專業各專業建筑再次復核凈高是否能滿足需求BIM負責人統一解決各專業設計過程中遇到的問題;BIM負責人組織管線綜合協調會;14各專業修改優化施工圖各專業各專業機電專業完成管線末端調整、利用施工圖模型直接生成圖紙、并基于該圖紙進行注釋、標注等圖紙細致化工作;15洞口復核結構機電復核洞口確保留洞準確16校對各專業各專業17由三維導出二維滿足政府各部分的審圖要求的全套圖紙各專業各專業完善圖紙說明、復核圖紙缺漏完善出圖成果

圖4 步驟2、3：結構提資建筑的配合視圖

圖5 步驟7：建筑的防火分區明確圖紙

圖6 步驟12：結構繪制的模板圖

圖7 步驟14：各專業修改優化施工圖

圖8 步驟14：各專業修改優化施工圖(局部)

圖9 步驟10:繪制大樣

2.4 應用軟件

結合該項目實際情況，本項目以Autodesk Revit 建模為主，在需要時應用其他軟件加以輔助[11-12](表3)。

表2 BIM正向設計所需相關軟件

軟件工具設計階段公司軟件專業功能方案設計初步設計施工圖設計TrimbleSketchup造型●●AutodeskRevit建筑結構機電●●●Navisworks協調管理●●天正天正BIM建筑●●●鴻業HYBIMSPACE機電●●廣廈GSRevit結構●●互聯立方Isbim機電●●

其中建筑設計主要應用天正BIM軟件，在結構出圖主要依托廣廈GSRevit軟件，在機電建模及管線綜合中主要應用了鴻業BIMspace軟件，部分應用了互聯立方的isbim插件。

配套族庫主要應用于天正BIM和鴻業BIMSpace配套族庫，以上兩款軟件的配套族庫基本滿足70%設計需求，剩余30%族庫來自于我院歷年積累的項目族庫。

2.5 模型深度與標準

2.5.1 模型深度等級建立原則[13]

階段適用性原則：采用BIM進行正向設計，在設計過程中的各個實施階段中，滿足當前實施階段的設計深度表達和BIM應用需求即可。

階段可繼承性原則：模型建立過程中，需要考慮到下一實施階段的可繼承性問題，預防設計工作的重復勞動，提高工作效率。

階段成果滿足工程標準原則：模型建立后的形成的成果文件，需滿足現行有關工程文件的表達深度要求。

2.5.2 模型深度等級劃分概念

各專業工程對象單元設計深度由幾何圖形深度等級(LOD)[14]定義如下：

(1)LOD100等級：工程對象概念體量、符號模型建模，包含基本占位輪廓、粗略尺寸、方位、總體高度或線條、面積、體積區域。

(2)LOD200等級：工程對象單元近似形狀建模，具有關鍵輪廓控制尺寸，包含其最大尺寸和最大活動范圍。

(3)LOD300等級：工程對象單元基本組成部件形狀建模，具有確定的尺寸，可識別的通用類型形狀特征，包含專業接口(或連接件)、尺寸、位置和色彩。能反映關鍵性的設計需求或施工要求。

(4)LOD400等級：工程對象單元安裝組成部件特征建模，具有準確的尺寸，可識別的具體選用產品形狀特征，包含準確的專業接口(或連接件)、尺寸、位置、色彩和紋理。

2.5.3 模型深度等級深度要求

模型信息內容包括幾何信息和非幾何信息。

模型信息滿足階段性的需求，即工程設計的表達需求，BIM應用需求、和圖紙文件所需要表達的工程文件編制深度需求等。

本項目在設計階段滿足LOD300深度等級，在施工階段將設計院傳遞下來的模型深化至LOD400深度。

2.5.4 Revit出圖標準制定

是否有個好用的Revit樣板是項目能否順利實施的前置條件(圖10)。為保證項目的順利出圖，我們針對單位、文字樣式，尺寸樣式等基礎設置內容，以及線樣式、對象樣式、 圖層顏色、出圖設置等內容統一設置(圖11)，形成符合本項目特點的出圖樣板。

圖10 Revit出圖模板

圖11 revit線型線寬設置

3 BIM輔助設計應用

3.1 建筑專業BIM應用

3.1.1 雙曲幕墻建筑邊線定位

本項目立面為優美的雙曲幕墻 ，每層樓板邊緣都不一致，邊緣定位困難[15]。如采用傳統CAD方式，根據立面確定逐層收分，不僅效率低下而且不準確。本項目通過外方提供的幕墻模型與圖紙[16]，經模型深化，逐層定位樓板邊緣，確保樓板邊緣的準確性，成果如圖12。

圖12 雙曲幕墻的建筑樓板邊線定位

3.1.2 室外景觀模擬與幕墻優化

本項目地上建筑為三棟超高層辦公樓，設計人員利用BIM模型對該樓幕墻觀感性進行評估。制作了室內VR 360全景制作，力求真實反映從從B棟看A棟和C棟的景觀與立面效果。實施效果如圖13。

圖13 室內外幕墻效果觀感模擬

3.1.3 坡道、夾層施工圖BIM協同設計與復核

圖14 坡道夾層協同設計

該位置夾層非常復雜(如圖14), 通過搭建三維模型，發現凈高不滿足要求的地方，在模型推敲多種解決方案，直至徹底解決問題。傳統設計方式只能通過畫剖面來解決，不直觀且設計效率低下，無法全面真實反饋實際問題。通過BIM模型協同的方式能夠暴露設計缺陷，幫助設計師綜合權衡找到一條較好的解決方案[3]。

3.2 結構專業BIM應用

3.2.1 斜柱定位

本項目的結構柱全部為斜柱，定位困難。如何有效定位斜柱、確保結構計算的正確性和結構體系的安全性是本項目的一大難題。因此我們采用BIM技術輔助結構豎向定位，確保計算模型中斜柱位置與雙曲幕墻保持一致性(圖15)。

圖15 結構斜柱定位流程

3.2.2 結構正向設計示意圖

本項目嘗試了廣東省院與廣廈科技聯合開發的GSRevit結構正向設計軟件，實現了部分模型出圖。結構正向設計流程如圖16。使用GSRevit之前，我們只能采用設計師出圖+建模的方式滿足BIM對結構的需求，在應用GSRevit軟件之后，我們設計模型與計算模型融為一體，減少了后期建模與模型調整的時間，進一步釋放設計人員的工作量。

圖16 結構正向設計流程

3.2.3 精確預留結構孔洞設計流程

傳統設計模式中預留預埋是由機電安裝單位與土建總包團隊負責的，易出現洞口留錯、留漏的問題。本項目在設計階段進行基于BIM的管線綜合和預留孔洞設計，所留洞口經結構專業復核，開洞大小及不會影響結構強度后出留洞圖給施工單位(如圖17)。施工單位僅需按模型位置留洞，避免洞口留錯留漏的問題。

圖17 項目留洞流程

3.3.4 專項報告-重點管控位置復核

通過對復雜位置的模型復核與重點審查(圖18)，可以幫助設計人員和業主掌握該處的凈高、空間情況。減少設計出錯的可能、同時幫助施工人員理解設計意圖。該項工作極大減少了發生設計變更的可能性，也是確保設計質量的重要支撐。

圖18 復雜設計部位的BIM驗證

3.3.5 地質模型的建立以及樁基礎復核

通過搭建地質模型(圖19)，幫助設計人員評估樁基樁長情況，確保每根樁都打入地基持力層[16]。本項目位于前海填海區，地質情況復雜，結構穩定性要求高。通過該項復核工作，我們可以了解本項目的樁基設計是否符合設計規范，端承樁是否打入持力層。

圖19 樁長樁基礎復核

3.3 施工階段應用

3.3.1 BIM施工場地布置

BIM平面布置直觀、用于前期場地策劃，可有效利用現場場地，對施工前期準備幫助很大。成果如圖20。該項應用顯著提升了施工人員對項目的了解程度，較平面更直觀方便[17]。

圖20 項目施工場地布置

3.3.2 BIM施工塔吊模擬

通過模擬塔吊爬升情況，合理安排塔吊爬升進度，避免塔吊搖臂碰撞風險(圖21)。

圖21 塔吊模擬

3.4 VR、AR技術輔助設計與定位

3.4.1 VR應用

根據室內精裝方案，分院利用BIM模型快速拉出室內精裝模型，導入VR軟件進行瀏覽，該技術成本低，效果較好，具有一定的新穎性(圖22)。

圖22 VR模擬

3.4.2 管線綜合圖——AR顯示

AR顯示解決了管線綜合圖過于凌亂的痛點，解決了施工人員不方便查看模型的問題，方便在施工過程中使用模型(圖23)。

圖23 通過圖紙掃描即可實現AR呈現

3.4.3 球圖應用

通過搭建重點部位的球圖(圖24)，可以幫助設計人員評估該位置360°空間觀感。

圖24 球圖應用

3.5 4D施工模擬技術

圍繞同一個模型和同一個計劃可以方便展開設計、計劃、成本、質量信息業務。通過施工模擬復核施工單位的施工進度計劃，從而有效降低施工過程中的返工。利用BIM技術模擬施工總控計劃，結合BIM模型上負載的時間、進度、工程量信息，對施工過程中需要投入的資源、總體施工節奏進行更加直觀的呈現，既可以為施工資源投入進行均衡性評估，也為計劃和調整提供數據支持，還可以針對潛在風險制定應急預案，最終提高計劃的可實施性(圖25)。

圖25 4D施工模擬

3.6 質量安全管理

基于BIM的項目管理軟件可以提升項目的精細化管理水平(圖26)，通過該平臺，可將現場出現的或問題與模型對接，通過收集等設備實時發送上傳，基于云實現數據同步，并通過多種表現形式在模型中顯示現場的實際情況，協助管理人員對現場出現的問題進行直觀管理。平臺支持追蹤問題的處理過程，直至歸檔結束，既起到了問題的督促作用，又有效防止管理中的遺漏現象，提高了質量安全管理的靈活性和可靠性[18]。

圖26 質量安全管理手機端

4 應用效果評價

(1) 從設計質量層面來說，本項目采用 BIM 正向設計技術進行設計，兼顧造型、節能、環保等多方優勢，實現業主需求。通過BIM可視化特點累計發現超過100條問題意見，在施工過程中設計變更顯著少于同類項目30%以上，有效減少現場的返工與浪費。

(2) 從設計效率層面來說，從正向設計中獲得效益不簡單地是從單專業或者個人設計效率中獲得效益，而是從多專業協同中獲得更高的效率。從而在整個設計周期中做到比傳統設計模式更快更好。

(3) 基于高細度的BIM模型，設計、施工團隊共同協同與優化，目前全樓平均凈高提升200mm以上。考慮項目位于深圳前海核心區的地理位置，創造了設計口碑。

(4) 在深化設計階段協調各專業排布、全面考慮現場實施的不利因素，提前修改、提前規避返工或拆改，確保現場能按圖施工，保證了工期進度。

(5) 綜合效益層面，本項目秉承 BIM 落地實施的理念，通過全參與方分共同努力，形成了可實施、可推廣、可創效的高品質設計-施工BIM協同之路。

BIM使更多的信息被儲存在同一地方。擁有一個能夠自動更新所有圖紙的動態模型可以為建筑師節約更多時間,減少倉促的變更也使他們有更多時間去考慮其他問題。BIM不僅是個創建文檔的軟件,也是一個可以在設計的不同階段輔助設計的工具。它支持渲染以加強與客戶的交流,也支持可視化來完成設計工程團隊內的決策。任務間的流動性可以節約成本和精力,而且對施工期間的協調也有幫助[19]。

5 總結

5.1 創新

本工程站在設計施工的角度實現建設項目全生命周期的BIM技術應用，BIM技術應用點眾多，實現了全專業的應用。本項目從BIM正向設計、BIM輔助設計等角度全面推進工程應用，降低了損耗，取得了不錯的效益。

應用BM技術,可大幅度提高建筑工程的集成化程度,促進建筑業生產方式的轉變,提高投資、設計、施工乃至整個工程生命期的質量和效率,提升科學決策和管理水平。對于投資,有助于業主提升對整個項目的掌控能力和科學管理水平、提高效率縮短工期、降低投資風險;對于設計,支撐可持續設計、強化設計協調、減少因“錯缺、漏、碰”導致的設計變更,促進設計效率和設計質量的提升;對于施工,支撐工業化建造和綠色施工、優化施工方案,促進工程項目實現精細化管理、提高工程質量、降低成本和安全風險;對于運維,有助于提高資產管理以及物業使用和應急管理水平[20]。

本項目期望通過建筑信息模型(BIM)與建設管理模式的協同和融合過程,并結合大型復雜群體項目的特點和難點,梳理和建立一系列的流程,找出一種有效集成的管理方式改變傳統模式種種弊端,推進傳統建設管理模式的變革[21]。

5.2 展望

盡管本項目的BIM應用覆蓋建設階段全生命周期和全專業，但在項目級BIM應用的標準化、大數據的分析匯總、與其他行業的數據交換方面還有進一步的研究空間，希望本項目的BIM及時應用經驗能為日后BIM技術的發展起到推動作用。