BIM正向設計實踐中若干關鍵技術研究

(廣東省建筑設計研究院，廣州 510010)

1 前言

BIM技術已得到建筑工程各參與方的重視。作為建筑工程項目的源頭，設計企業應重視BIM技術和設計本身的結合，既要為上游的設計企業技術與管理創新服務，同時銜接好下游施工企業的BIM應用。目前，翻模的技術思路占據著BIM技術領域的大半江山，除管線綜合有明顯的效益外，BIM技術在設計階段其他方面的應用并不突出。應從正向的角度去思考BIM技術與設計的結合，即從BIM正向設計去尋求設計本身更好的發展。

BIM正向設計通常是指基于BIM技術“先建模，后出圖”的設計方法。BIM正向設計是對傳統項目設計流程的再造，各專業設計師集中在三維信息化平臺實現工程設計，有別于以往的設計模式。新技術的應用會對原有工程設計模式產生沖擊，引發人們對于BIM正向設計方法的思考。本文正是在這樣的大技術背景下，基于建筑工程項目實踐，對BIM正向設計分別從項目管理、企業ISO執行標準、BIM技術標準、三維設計方法、BIM軟件應用研發、協同管理平臺等方面進行研究探討，有針對性地提出解決方案或建議，如圖1。

圖1 BIM正向設計研究關系圖

2 BIM正向設計項目管理

項目管理在建筑工程實施過程中始終把控著工程的前進方向。項目管理對質量體系、進度流程、人員架構等多方面進行了規定[1]。因此，本文就這幾方面的內容，對BIM正向設計過程中如何有效管理進行了探討。

2.1 設計企業ISO管理標準的衍生

提升工程設計管理質量，提升企業服務信譽，贏得市場和發展是國內眾多設計企業引進國際標準化組織(ISO)的質量管理體系的主要目的。現在設計企業引入質量管理標準(ISO9001)的版本涉及設計、開發、生產、安裝和服務多個領域。這套標準主要包含八大原則：以顧客為關注焦點； 領導作用； 全員參與； 過程方法； 管理的系統方法； 持續改進； 基于事實的決策方法； 與供方互利關系[2]。

這些原則足以體現質量管理的重要性，引入BIM正向設計，將會從人員架構，工作流程，成果文件等方面產生影響，這將意味著質量標準的管理內容需要不斷衍生變化。設計企業ISO管理標準的衍生變化主要體現在以下幾個方面[3]：

1)交付成果：BIM技術所體現出來的三維可視化功能，將進一步要求各專業不僅要提交傳統的設計成果，還要提交BIM成果文件。而對于BIM成果文件，在技術標準中需要對各階段的模型精度和模型內容進行規定[4]；

2)電子化辦公：交付BIM模型時，其中重要的一個環節是對BIM模型的質量審核。另外BIM正向設計技術要求的是協同式辦公，要求質量校審文件能在協同平臺上與模型進行關聯，便于實時查看相關審核文件。這將加快推進質量管理體系的電子化辦公的全面覆蓋；

3)人員配置：BIM技術工種，BIM技術協調工種，BIM技術應用成果文件審核，協同管理平臺工作權限的設置等內容的新增，這意味著將產生新的職能崗位和職責；

4)策劃表格優化：成果文件、技術工種以及辦公模式的演變都將要求對原有的ISO表格進行更新和優化。比如，根據BIM正向設計需要增加ISO表格：BIM專項評審表、BIM模型檢測及校審表、BIM模型交付記錄表等。

2.2 設計流程的演變

設計流程的演變不僅體現在實施過程的變化，還包括工作模式、協同方法等方面變化。而BIM軟件的功能應用、設計方法和協同平臺的迭代演化流程不同程度上影響著整個設計進程。如方案階段，利用多種BIM軟件，在概念設計階段建立真實的地形模型，由于設計的方案推敲、計算土方量、經濟技術指標統計等內容，并實時導出數據。而這些數據內容將支撐著整個協同平臺運行。

不管是SU+CAD模式還是BIM模式，都可以借助渲染軟件如lumion、escape等快速實現效果圖、分析圖、視頻的可視化效果，更好地幫助設計師和業主評估項目建成后的效果。整個過程都可以在方案協調節點會議中得到有效把控，方案階段工作流程見表1。

表1 方案階段BIM設計工作內容及相關會議

階段專業設計內容BIM工作方案設計啟動會概念及方案設計建筑建筑形體創作體量建筑方案平面及平立面設計體量到revit構件建筑建筑綠建分析Revit導入綠建軟件方案比選會概念及方案設計結構柱位布置結構柱建筑機電設計指標數據體量&空間劃分方案深化會概念及方案設計機電接收建筑提供的機電指標數據輸入參數化體塊機電機房布置機房體量模型方案確定會

初步設計階段，借助方案模型和初步設計BIM模型，以及VR、視頻和動畫可以準確評估各類空間關系，幫助設計師更好地優化設計方案。初步設計階段工作流程見表2。

表2 初步設計階段BIM設計工作內容及相關會議

設計階段專業設計內容BIM工作初步設計啟動會初步設計建筑平面布置墻、門、窗、立面、板初步設計結構豎向及平面布置梁板柱初步設計協調會初步設計機電機房布置三維拉伸模型初步設計機電路由設計二維線初步設計機電管井布置拉伸模型初步設計階段成果協調會初步設計全專業凈高把控管線路由評估初步設計全專業管線預綜合管線路由評估初步設計成果驗收

施工圖設計階段，基于BIM正向設計的項目可以在整體層面提高設計效率，減少后期改圖、施工配合出現問題的可能。由于模型包含參與設計的所有專業，很多設計問題都可以及時被發現，有效提高了設計質量。施工圖設計協調會將與實際項目實施深度和難度相結合，合理安排協調會次數。施工圖階段設計協調第一時段工作流程見表3。

表3 施工圖階段設計協調會第一時段工作內容

專業配合工作提出專業接收專業設計內容BIM工作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設備專業給各專業提機房、管井機電建筑管井、機房定位、面積需求請注意在提資視圖結構提資,梁柱資料結構各專業明確開洞情況、梁高,機電專業在設計過程中應規避大梁及時更新鏈接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

2.3 項目崗位與職責

BIM正向設計能夠有效解決設計中常見的碰撞、設計深度不夠等問題，但綜合考慮現有設計人員對BIM軟件的熟悉程度和設計效率，可在BIM設計中增設BIM負責人。在原設計體系的基礎上，對原有設計人、工種負責、審核人的工作內容進行優化調整。BIM技術負責人的主要工作內容如下：

1)總體負責項目BIM應用的規劃和實施；

2)解決項目實施中可能遇到的各類BIM問題；

3)組織各專業劃分工作集，組織各專業統一各專業模型深度，組織各專業BIM視圖樹，控制各專業鏈接關系，統一各專業視圖樣板；

4)負責模型技術交底、模型維護及通過建模對項目的質量、效率提升等問題做分析總結報告；

5)負責模型深度控制，滿足合同或設計、施工需求；

6)參與模型碰撞問題協調會，匯總具體問題，記錄會議確定的碰撞解決方案并跟進核查管線碰撞問題的落實情況；

7)組織并完成各項擴展BIM應用。

2.4 正向設計的進階措施

為推進BIM正向設計技術在設計企業的可持續發展，以及促進各專業工程設計人員加快適應BIM正向設計的工作模式，應逐層深入加大對設計人員的培訓力度，見圖2。

圖2 BIM正向設計技術門檻

第一個層級是熟悉軟件，要求各專業設計人員熟練掌握建模軟件，并將二維圖紙轉化為三維模型。第二個層級是實現模型到圖紙，懂得各專業的三維設計方法，以及建模軟件轉化為二維CAD圖紙處理方法。第三個層級是利用模型實現設計配合，掌握三維設計流程，充分利用三維模型實現各專業的設計提資。第四個層級是掌握各專業間的協同處理方法，通過多次設計協調實現組織層面的設計效率提升。

針對各專業工程設計人員的BIM培訓內容主要包括建模培訓和出圖培訓。培訓計劃可參考表4。此外，也可以從ISO質量管理標準、協同管理模式等多個方向展開培訓。

表4 BIM正向設計培訓計劃

培訓專項建模培訓出圖培訓培訓內容在明確BIM基礎建模軟件平臺的條件下,懂得各專業模型的三維設計方法。視圖管理器的控制,圖框的制作與修改,模型不同版本的對比,視圖樣板的制作與選用,出圖管理等。培訓教程《BIM正向設計項目管理指引》和《BIM正向設計技術標準》等企業標準。考核內容在規定時間內根據圖紙建立Revit模型。能夠在規定時時間內完成模型的出圖,能夠正確應用和修改視圖樣板。

3 BIM設計企業技術標準

本文所介紹的設計企業BIM技術標準主要包括模型管理，不同設計階段BIM流程管理，以及三維設計方法三個方面的內容，希望為設計企業應用BIM進行正向設計提供成套的、可實踐的技術標準及細則，以提升在BIM設計模式下的工作效率和工作質量。

3.1 BIM模型管理

BIM正向設計最終的成果文件除了傳統內容外，還包括BIM技術應用所得到的成果內容。這些成果文件大部分都將通過BIM技術來實現，所以有必要對成果的數據來源，即BIM數據模型進行管理。模型管理的目的在于為整個三維設計制定統一的模型標準，實現上下游設計階段的模型對接，避免數據在繼承過程中丟失。在協同平臺中傳遞可參照的基礎數據。

Revit通過各類族來搭建三維模型，包括設計圖面表達也是需要通過族來實現。工程項目類型的千差萬別決定了三維模型需要龐大的族來支撐。BIM模型最為基礎的就是對族進行管理，本文結合工程設計的需求，提出了新型族庫管理工具的建設架構[5]。主要功能需求見圖3。

圖3 族庫管理工具功能需求

在Revit平臺上各專業工種的協同方法，主要體現在兩個方面，一是通過中心文件進行協同，主要應用于專業內的協同操作和部分專業間的協同操作。另外一個是通過鏈接文件進行協同，它與傳統的CAD協同方式較為接近，可將各專業模型文件作為獨立的文件提資。

除了以上內容外，BIM模型管理還包括項目樣板管理、命名規則、色彩規則、模型內容、模型拆分、成果管理和模型深度等級等內容。

3.2 BIM設計流程

以項目管理指引所制定的各設計階段的流程為基礎，企業技術標準從工作內容、BIM應用要點等方面精細拆分和細化。與初始、中間和最終模型的劃分方式[6]不同的是，模型將以項目管理中制定的主要協調會為劃分依據，結合設計進度逐步完善設計模型和提取設計成果。

結合時段的劃分概念，在每個設計階段模型深度和表達方式也將按劃分時段來體現。比如，初步設計階段主要流程包括：初步設計第一時段模型的建立、初步設計第二時段模型的建立、初步設計最終版模型的建立。在此時間范圍內各專業應根據工程復雜程度按進度計劃分批次完成該時段設計的工作。時段模型的劃分以各設計階段流程所劃分的設計協調會為節點。如圖4為初步設計階段管線預綜合流程。

圖4 初步設計階段管線預綜合流程

3.3 三維模型的設計方法

三維模型是BIM正向設計中基本的數據載體，通過分析現階段BIM軟件的使用情況[7]，以及參照協同設計平臺對基礎模型數據的應用需求，對于搭建基礎數據模型的設計方法展開描述，將對基于Revit的正向設計軟件研發提供基礎理論方法。本文以Revit為基礎軟件平臺，結合對建筑、結構、機電專業BIM正向設計需求、流程和方法的研究分析，對BIM正向設計中的Revit模型搭建、非幾何信息添加、施工圖生成提出相應的解決方案。

1)建筑三維設計

在利用Revit軟件進行建筑設計時，流程和設計階段的時間分配將會與傳統的模式有較大區別。Revit建筑設計是以三維模型為基礎的，圖紙作為設計的衍生品。Revit為建筑設計提供了部分常見的構件。企業技術標準給出了軸網、標高、普通墻、疊合墻、幕墻、屋頂、樓梯等建筑基本構件的建模方法。在施工圖繪制方面，可通過“詳圖線”、“模型線”、“線處理”、“平面區域”等命令來深化處理平立剖等圖紙視圖。

2)結構三維設計

樁基承臺、梁、剪力墻、結構柱等作為結構設計的基本組成構件，Revit中提供了對應的構件創建命令，可直接調用。從細節處理上來講，如，剪力墻樓板開洞，可通過無實體窗的窗族去表達，并在該窗族的平面視圖上增加詳圖線，以滿足剪力墻開洞的平面表達[5]，見圖5。

圖5 剪力墻細節處理

結構中最為復雜的要屬鋼筋這一塊，混凝土結構構件在設計過程中都需要表達鋼筋。對此，企業標準針對每一種構件的鋼筋模型都提出相應的表達方法，如外立面飾線的結構部分，通過利用Revit中提供的“輪廓族”，再利用“內置模型”搭建實體建模，并利用剖切視圖建立視圖鋼筋[8-10]，見圖6。

圖6 結構天溝模型和鋼筋表達

模型搭建后，最終都是要服務于設計出圖。通過分析CAD出圖和Revit出圖兩者的效益，以及分析BIM軟件的出圖功能，企業標準對結構專業各類設計圖紙提出相應的成圖方法，如表5所示，為模板圖組成繪制方法。

表5 模板圖組成繪制方法

項目推薦做法結構構件輪廓三維建模后配合可見性設置進行顯示梁截面標記采用標簽族進行注釋梁編號標記采用標簽族進行注釋板截面標記采用標簽族進行注釋板填充通過過濾器設置相應的條件后配合可見性設置進行填充定位標注采用“尺寸標注”命令進行標注標高標注采用“標高”命令進行標注

3)機電三維設計

暖通、電氣、給排水各專業模型搭建方面，各專業工作內容主要體現在管道類型、管材選用和連接、閥門組件、末端設計，機組設備等方面。單一的軟件使用并非高效的設計方法，可借助第三方設計軟件來完成，如天正、鴻業等，圖7為天正消防水“布置噴頭”命令窗口，通過添加相應的噴頭布置設計參數，滿足設計人員快速建模需求。

圖7 天正消防水“布置噴頭”工具

4 BIM正向設計協同管理平臺

從應用功能方面考慮，BIM正向設計協同管理平臺的功能應包含基于模型的協同、文件管理、權限管理、非幾何信息的存儲、一校兩審的需求等方面； 從協同流程模式方面考慮，BIM正向設計協同管理平臺應能夠在基本業務、設計迭代及成果輸出、協同提資、質量控制、會審及碰撞過程中得到體現； 從現有的CAD協同管理模式方面考慮，當前的工程設計協同管理模式應滿足BIM技術背景下的工程設計。這些都是在搭建BIM正向設計管理平臺所需要考慮的方向。

4.1 數模分離架構平臺

目前主流的BIM設計平臺有Autodesk AutoCAD、Autodesk Revit、Bently Microstation、Trimble Tekla，ArchiCAD等。建模及操作軟件均基于上述5套軟件，并在其基礎上進行二次開發實現各類擴展功能。然而，設計過程中的關鍵流程，如圖紙管理、校對批注、歸檔、詳細的權限控制等功能，均無法直接在BIM平臺進行實現。因此，如何高效契合現有BIM核心軟件、通過內外部數據交互使得BIM管理與企業生產經營管理有機結合，是推行協同平臺的關鍵。

Revit等BIM基礎建模平臺中，對于每一個幾何模型都分配唯一的ID值。正向設計平臺可充分利用這一數據值進行跟蹤，并在獨立的數據庫中，對版本、狀態等信息進行單獨存儲，以實現校對、審核審定、工作量統計等功能。因此，當僅對構件的非幾何屬性(如批注、狀態參數、強度屬性)進行編輯時，僅修改MySQL數據庫中相應鍵值，而不對具體Revit模型中的參數進行修改，能極大降低Revit運算復雜度，提高BIM模型設計效率。這正是“數模分離”的核心所在。結合設計企業的設計管理工作模式，可建設如圖8所示的BIM正向設計平臺架構。

該架構中，數據層分別對二三維模型文件、構件非幾何數據分別存儲，通過中間層完成整合后，在應用層提供統一的功能，避免工作過程中反復調用不同的軟件、平臺，而造成數據的不一致。

從搭建細節上考慮，平臺數據層將參照項目管理規定中制定的人員崗位職責，設置平臺人員組織角色并劃分角色權限； 參照技術標準規定中BIM模型管理等內容，合理提取模型數據，平臺文件層間參照整體的BIM設計流程，劃分整體的圖檔架構； 企業管理對接層將從設計、質量、經營、圖檔等方面實現對接。在協同實施過程中將逐步優化相關管理和技術標準的內容。

4.2 業務流程迭代演化

平臺的建設開發過程除了把握“數模分離”這一關鍵存儲技術外，另外一點就是要考慮如何將平臺功能融入到整個BIM正向設計流程中去，形成高效的設計業務流程。

項目基本流程，前期階段主要是錄入基本的工程數據信息，計劃進度安排； 設計階段主要是完成設計成果的圖檔管理，進度協調； 出圖階段主要是將成圖文件、BIM模型，通過ISO相關資料進行復核，完成出圖蓋章和圖文歸檔。

圖8 BIM平臺架構

圖9 BIM正向設計基本業務流程

從圖9迭代業務流程可以看出，整個協同平臺的數據來源于質量管理、設計團隊、經營管理等工程模塊，通過錄入各模塊數據信息至協同平臺中，實時查看了解工程項目的人員、進度、設計圖紙模型、ISO質量、圖檔歸檔等內容。使得平臺架構流程與項目管理、技術標準的內容更契合。而整個業務流程的迭代演化也將體現在圖檔管理、質量管理、提資管理等方面。

協同平臺的圖檔歸檔作用就在于，通過建立相應的文件層級目錄，存儲不同階段的提資單、校審意見等文件，并通過BIM模型中構件ID值一一對應關系，在校審單中可直接查閱對應構件的局部三維視圖、二維圖紙、查閱構件參數等功能。

在項目質量全流程控制環節，基于協同平臺后，在傳統的一校兩審、施工監測等環節，可采用模型校審、模型批注及修改跟蹤。在對質量控制上，也可根據BIM應用深度，對相關強條、技術措施，通過技術手段直接寫入到BIM模型參數中，對出圖成果進行強制要求，在出圖校對時進行相應的提醒。

與現有ISO管理中的提資過程相同，設計人員在提資時，也需要填寫提資單并提交相應的提資成果至接收人。而在應用BIM模型進行提資后，設計人員可直接勾選相應構件、模型視圖、模型視圖內對應的云線對象后，直接生成電子版的提資單，并通過對模型信息的存儲以滿足提資資料留痕的要求。當接收人接收提資單后，可直接定位到對應的模型視圖中進行查閱。

5 BIM正向設計軟件GSRevit研發

圖10 板荷載管理界面

分析BIM技術軟件在民用建筑領域的使用情況，Revit軟件作為基礎建模平臺的情況占多數。故以Revit軟件，作為正向設計GSRevit系統的基礎平臺。結合技術標準中提及的建筑結構三維設計方法，用于支撐基礎功能的研發。GSRevit系統的研發過程主要從三個方面展開需求分析：

1)能夠在Revit直接建模、結構計算和生成施工圖，包括了模型及荷載輸入、生成有限元計算模型、自動成圖、裝配式設計、基礎設計等功能。

2)能夠實現滾動式結構設計：三維結構模型隨著設計深度的變化，可不斷添加需要的信息，譬如加偏心、加荷載、加鋼筋信息等。

3)秉承著一個三維模型往下傳遞延伸的理念，模型中只保存一套墻柱梁板信息，即使施工圖階段修改了模型，仍可進行結構計算。

GSRevit系統實現了結構快速建模、幾何模型直接用于結構計算、自動成圖及裝配式設計等功能，大大降低BIM應用門檻，有力地推動了BIM技術在結構設計中應用，幫助工程師從AutoCAD走向Revit完成BIM結構正向設計[11]。

5.1 幾何模型及荷載輸入

GSRevit軟件在Revit中，對各類結構構件獨立開發出荷載輸入模塊，設計師在針對某一項結構構件荷載輸入時，可通過對話框輸入各種類型的結構荷載，荷載輸入后程序將以共享參數和擴展數據形式存于Revit文件中。在墻柱梁板荷載對話框中可看到，一個荷載由4項內容組成：荷載類型、荷載方向、荷載值和所屬工況。

圖11 梁鋼筋圖

荷載類型有10種，可選擇的12種工況為：重力恒、重力活、水壓力、土壓力、預應力、雪、升溫、降溫、人防、施工、消防和風荷載。如圖10為板荷載管理界面。

5.2 Revit模型計算分析

利用Revit模型進行計算分析的設計思路主要是，將搭建的三維模型通過構件剖分形成有限元模型，并生成相應格式標準的計算數據，存儲于模型文件中。計算完成后，將有限元模型再次轉換為三維模型，整個過程不會對原有的三維模型產生影響。實現這一過程需要先解決計算模型與施工圖模型的統一問題。GSRevit通過在形成有限元模型時智能判斷如何分段來實現施工圖模型的直接計算，保證計算模型和施工圖模型的統一。

5.3 自動成圖編制

結構設計是通過計算軟件進行計算分析后，再進行設計圖紙的表達。利用計算數據自動形成設計圖的技術要點主要體現在以下幾個方面：

1)讀取GSSAP、PKPM、YJK等結構計算軟件的計算結果；

2)將構件計算內力、配筋信息參數數據存儲到結構構件中，并利用Revit標簽工具表達到設計圖面中；

3)根據計算結果實現梁、墻構件的自動分段，對屬于同一跨梁或同一墻肢的構件自動合并；

4)為梁、墻、板、柱各類結構構件創建鋼筋標記族，利用共享參數功能將鋼筋信息表達到設計圖面中；

收集了全國各地設計企業的繪圖方法，開發了出圖習慣設置和一套施工圖自動成圖功能，用于滿足不同地區的圖面表達要求。如圖11所示，為軟件自動生成梁鋼筋圖的表達樣例。

6 小結

本文針對設計企業開展BIM正向設計工作存在的困難，結合現階段BIM軟件發展現狀、設計企業BIM技術的應用水平、CAD模式下的專業協同情況，對實現BIM正向設計的若干關鍵技術展開研究。主要工作包括以下幾個方面：

1)編制設計企業《BIM正向設計項目管理指引》，引領工程設計管理人員，從BIM設計流程、設計崗位職責、質量管理體系等多個層面，在BIM正向設計實施過程，思考和建設有效管理機制。

2)編制設計企業《BIM正向設計技術標準》，將從模型管理、設計流程內容、三維設計方法等方面，指導專業設計人員快速掌握BIM正向設計技術，實現BIM正向設計過程的逐層進階。

3)研發出基于Revit平臺的建筑結構設計系統GSRevit。主要用于解決結構快速建模、直接計算、自動成圖及裝配式結構深化設計等需求，從而滿足建筑結構BIM正向設計需要。

4)提出的基于BIM正向設計的新型信息化管理平臺及業務邏輯，以及數模分離式的存儲架構及業務信息流轉的方法，將為BIM正向設計協調平臺的建設提供理論基礎。