基于BIM技術的建筑工程設計階段優化
——以某綜合實驗樓項目為例

馬繼國 張 野 趙剛剛 劉冒佚

(1.重慶路先峰科技有限公司，重慶 400044； 2.西南政法大學，重慶 401120； 3.重慶市城投公租房建設有限公司，重慶 400015)

引言

近年來，BIM技術在建筑工程行業高速發展，相關部門也在大力推廣。“2019年是我國推動落實《2016-2020年建筑行業信息化發展綱要》的關鍵之年，國家及各地政府對于BIM技術的重視程度不減，多地出臺指導意見，進一步推動BIM技術在更加廣泛、更加專業的領域進行應用，積極鼓勵支持BIM實現本地化應用”[1]。另外，趙雪媛[2]等人認為設計方是應用BIM技術的先行者，要將BIM技術牢牢地立足于設計階段，再帶動BIM技術立足于建筑項目全生命周期的每個階段中。

當前在應用BIM進行建筑設計的過程中，普遍存在根據二維圖紙進行三維模型“翻模”的現象，BIM的應用價值還未得到真正體現[3]。因此，如何在項目設計階段充分利用BIM技術并發揮其使用價值成為我們關注的焦點。本文將介紹西南政法大學綜合實驗樓項目來探索BIM技術在設計階段中的應用經驗及其所產生的應用價值。

1 項目概況

西南政法大學綜合實驗樓項目位于重慶市西南政法大學渝北校區圖書館兩側，建筑面積為74 705.99m2，項目總投資約2.31億元。項目包括1號和2號兩棟實驗樓，主要含有媒體技術教學實驗用房、經濟管理教學實驗用房、法庭庭審教學實驗用房、司法技術教學實驗用房及信息技術教學實驗用房等。整個擬建地塊和已有建筑圖書館構成一矩形用地，地勢北高南低，南北高差較大。

本項目1號樓、2號樓分列于已有建筑圖書館兩側，而圖書館為一棟大體量圓弧形建筑，具有極強的個性，故本方案布局形態更多考慮尋求與圖書館形成協調統一，布局上分別布置三個呈放射狀的建筑形體，與圖書館形成向心的協調構圖關系。1號樓由北至南的三個體塊之間形成多個內凹的半開放空間，2號樓三個體塊以山墻對道路和圖書館，最大化地留出與圖書館和城市道路的空間，如圖1所示。

圖1 擬建項目效果圖

2 設計階段BIM技術優化應用

2.1 日照分析

重慶是中國日照時間最短的地區之一[4]。為了確保項目建成后在冬季具有良好的日照條件，同時也要避免對相鄰圖書館產生日照遮擋影響，日照分析成為一個非常必要的環節。在原方案設計階段通過進行日照動態模擬分析充分考慮該地區的氣候條件、日照特點、地形特點、鄰近建筑的遮擋情況等因素，動態模擬分析后提出合理化建議。

(1)分析條件

重慶市地處四川盆地的東南部，地跨東經105°11′～110°11′、北緯28°10′～32°13′之間，東西長470km，南北寬450km，總面積82 402.95km2[4]。

(2)分析參數

1)地理位置：載入重慶氣象數據資料，該氣象資料來源于清華大學《中國建筑熱環境分析專用氣象數據庫》，包含了270個氣象臺站的實測數據；

2)日期：12月21日(冬至日)；

3)時間：早上6點至下午18點；

4)日照標準：重慶在大寒日(冬至日)建筑底層窗臺在8：00～16：00間日照時數不小于2h[5]。

(3)分析過程

結合《建筑日照計算參數標準GB/T 50947-2014》運用Ecotect軟件進行全天候動態模擬分析，如圖2所示。

圖2 日照動態模擬分析

(4)分析結果

經日照動態模擬分析，1號樓AA至AH軸交A1軸位置及A-F交2軸位置立面，2號樓1-1至1-15軸立面，在冬至日當天一直處于遮擋狀態，這是由于重慶的特殊地理條件及太陽運行軌跡所決定的(如圖3藍線所示)； 1號樓1/01至2軸交G軸位置立面(特指1-4層)，房間日照嚴重不充足，陽光遮擋原因是因為1號樓建筑本身突出主體部分間距較小導致； 2號樓c-A至c-M軸交3-1軸、b-A至b-F軸交2-1軸、a-D至a-H軸交1-6軸位置立面(特指1-5層)，房間日照嚴重不充足，陽光遮擋原因是由于2號樓西側與已有建筑圖書館東側位置距離過近導致，如圖3紅線所示。

圖3 實驗樓分析結果示意(優化前)

(5)處理建議

1)優化調整了原設計方案中1號樓、2號樓的朝向和方位，由原來正北方向優化調整為朝北偏東，方位偏轉角度調整；

2)優化調整了建筑空間形態和布局，對原設計方案中在滿足空間使用功能和日照要求下，進行調換經常使用空間(如：會議室、實驗室、辦公室等)和次要使用空間(如：儲藏室、工具間、設備間等)位置；

3)充分利用自然采光，配合節能減排設備，創造良好光環境和節約能源，結合本方案框架結構特點，采用大面積開窗，背光遮擋區域房間窗洞口面積與該房間地面面積之比達到1：3；

4)為保證采光質量，減輕或消除窗眩光，工作區域防止直射陽光，工作人員的視覺背景盡量避免為窗口。

通過對原設計方案優化調整后(如圖4所示)，1號樓、2號樓建筑整體日照時間大于等于2小時，有效日照帶在8～16小時之間，滿足重慶市日照相關規范標準要求。

圖4 實驗樓調整優化后平面布置

(6)目前日照分析存在標準、軟件不統一，建筑日照與方案設計抉擇(取舍)等問題

國家出臺有關城市規劃設計規范，但是對日照分析的范圍、計算方法和具體的實施標準沒有明確的統一規定，日照分析技術相對來說比較復雜，如果分析方法、標準不同，所產生的分析結果差異性就會很大； 在建筑規劃設計過程中，早期規劃理念往往都是較為理想的，不過在項目設計實施過程中，相關日照分析的結果卻滿足不了規劃設計要求指標，而想要使得日照需要得到實現，則規劃設計會發生較大變動，最終將是規劃方案受日照因素的制約或日照分析結果受規劃方案限制而得不到滿足，以下針對西南政法大學綜合實驗樓項目舉例：

1)本項目開展日照分析工作時，對分析方法(區域分析法：可快速直觀地表現特定建筑日照關系； 窗日照分析法：最精確、嚴格，但規范除對幼兒園、中小學普通教室的采光要求達到滿窗日照標準外，其他類建筑并未對滿窗提出要求[6]； 線上分析法：主要是針對方案前期有諸多不確定因素，用于分析建筑輪廓上給定高度的日照情況)及分析軟件(眾智、天正、SketchUp 日照大師、Ecotect)進行了討論，經過分析比較最終選定的是窗日照分析法及Ecotect分析軟件。

2)本項目前期方案設計周期經歷兩年多，一直因為政策變化及控制指標不滿足要求而不斷變化，原始設計方案為17層高層建筑，建筑位于已有圖書館西側，經日照分析后發現新建建筑東側1-3層采光極差，已有建筑圖書館自下午兩點以后幾乎沒有自然采光，原有方案不斷進行設計調整但始終滿足不了日照采光要求，最終推翻原有設計方案將原有一棟高層變為兩棟6層多層建筑，布置在原有圖書館兩側。

由此可見，對日照分析相關法規政策中存在模糊不確定的問題進行細化、明確，加強地方性有關日照分析的管理辦法，優化日照技術管理規定，建立科學的日照分析標準、計算方法，確定高層建筑日照間距標準是很有必要的； 將日照分析優化提前考慮到地塊規劃設計，便于日照分析可以貫穿于整個規劃設計階段，充分考慮周邊建筑環境對建筑本身的相互影響關系。

2.2 空間規劃

現代建筑對人的使用功能需求和使用舒適度更加關注和重視，因此在進行建筑設計時，需要利用BIM技術對建筑的功能、布局等進行合理安排，將空間使用需求和建筑工藝緊密融合，從根本上提升建筑空間規劃設計[7]。

(1)原有設計方案中衛生間處在大廳居中位置，隱私性較低，達不到自然采光及通風要求，衛生間易積聚潮氣、發霉、揮發異味，衛生間直接對應公共區，為滿足室外人員使用需求，必須經由門廳進出，而門廳又緊鄰700座位的學術報告廳，報告廳正常使用時人流相對比較密集，衛生間蹲位數量滿足不了高峰期使用需求，容易出現高峰排隊現象，也會出現衛生間的異味揮發嚴重影響公共區域使用品質(如圖5)。

圖5 方案優化前

業主對衛生間后期使用和維護非常重視，為滿足業主使用需求，經過BIM可視化方案論證及通風分析驗證，消防控制室可以設置在密閉且通風不佳的位置，衛生間可設置在靠外墻窗位置，于是進行設計方案房間布局調整。將衛生間調整至原消防控制室位置，并進行一定空間擴充增加蹲位數量，將消防控制室調整至原衛生間相鄰管理間位置，同時也滿足消防控制室直通室外的規范要求，原有衛生間位置變更為管理用房并預留出學術報告廳出入衛生間的走廊通道。調整后(如圖6)的衛生間布局既能滿足學術報告廳使用標準蹲位、小便器數量，也滿足了室外人員使用衛生間的流線和學術報告廳的人員流線不交叉，又保證衛生間具有自然采光、通風良好使用性能，同時又不影響門廳和學術報告廳的室內空氣質量，最終建筑設計方案達到衛生、健康、文明的目標，體現了人性化設計與管理[8]。

圖6 方案優化后

(2)原有設計方案中，女衛生間和清潔間布置在外墻靠窗位置，經BIM可視化及室內采光分析，發現女衛生間蹲便隔板遮擋使自然采光系數降低，清潔間完全遮擋盥洗間自然采光及自然通風，降低了衛生間空間利用率及使用舒適度，如圖7所示。

圖7 方案優化前

結合BIM模型對原設計方案在不影響使用功能的前提下進行調整，將原有男衛生間與女衛生間的位置對調，原先靠窗位置蹲便間取消，靠墻側變更為小便器； 將原有清潔間及盥洗間位置對調，盥洗間緊鄰外墻窗戶設置，清潔間為不經常使用空間，可以放在密閉空間位置。調整后(如圖8)衛生間及盥洗間空間布局更為規整通透，既能滿足當前樓層人員使用標準(蹲位、小便器數量)，又保證衛生間、盥洗室具有自然采光、通風良好使用性能，同時提升了空間利用價值及使用舒適度。

圖8 方案優化后

(3)目前空間規劃存在滿足法規要求和后期使用合理性之間角逐取舍(就低不就高)問題傳統建筑設計整體空間布局在方案設計階段已基本定形，后期通過初步設計、施工圖設計階段進行優化調整。目前國家層面有關空間規劃專項標準規范不是特別完善，地方對建筑空間規劃要求又結合當地實際需求，項目空間規劃布局深化協調時往往會發生滿足法規要求和后期使用合理性角逐取舍，大部分為了保證工程進度和投資成本，選擇滿足法規要求即可。以下針對西南政法大學綜合實驗樓項目舉例：

圖9 凈高合規性檢查

1)本項目地下車庫中有兩根結構柱布置在機動車行車路線上，行車本應直線通過，結果需要走S線才能通過，從設計圖紙上看起來沒什么特別影響，但是進行三維行車模擬時，就發現行車流線很受限制而且對行車安全也存在很大的安全隱患。BIM行車模擬報告反饋業主并提出優化建議，進行設計協調會討論后不做修改，原因如下：其一，柱子間行車間距正好滿足規范要求，暫未考慮后期使用合理性； 其二，如果修改設計，要對上下層結構受力重新計算，上下層空間布局都要調整，調整后又要重新走圖紙審查流程，會造成項目進度延后，成本增加等。最后，建設單位在滿足規范要求和后期使用合理性之間選擇了前者。

2)本項目地上主體B區樓梯間整體寬度5.8m，梯段寬度2.1m，樓梯井寬度1.6m，樓梯井寬度設置過大，設計圖紙表達中看不出有任何問題，但是通過BIM人流疏散模擬分析驗證后發現，上下課及緊急疏散期間屬于人員流動密集區，容易發生推搡踩踏墜落事件，存在極大的安全隱患。BIM將人流疏散模擬分析報告問題反饋業主并提出優化建議，進行設計協調會討論后不做修改，原因如下：其一，樓梯井寬度設置滿足公共建筑規范，規范中只明確不宜小于規定值； 其二，樓梯井要修改樓梯間長度已固定，加寬梯段休息平臺就沒有可變空間，只能縮短樓梯井寬度，單要重新計算臨近教室面積； 其三，樓梯間要更改窗戶也要隨之移動位置，會影響外立面造型調整。最后，建設單位基于時間成本考慮，在滿足規范要求和后期使用合理性之間選擇了前者。

由此可得出，建筑空間布局規劃中不能只局限于單方面優化，要從建筑空間規劃功能性、經濟型、協調性等方面考慮。建議后續項目規劃設計時BIM技術就融入，能夠為規劃設計提供更優質的咨詢服務，提升整個項目的建設品質。

2.3 合規性檢查

本建筑設計采用二維、三維聯動設計協同，彌補了傳統二維設計信息表達不清的不足，在設計過程中以BIM模型為載體，對單專業和多專業間設計協同進行沖突分析、合規性檢查，從而達到方案設計的最優化。后勤走道凈寬1 350mm，走道內管線密集，走道梁底凈高3 450mm，下方安裝有風管、消防噴淋管、空調熱水管及電氣橋架，考慮管線綜合排布，扣除保溫層厚度、支吊架預留空間后，走道凈高只能達到1 600mm，凈高不滿足規范使用要求，經BIM專業深化后空調熱水回水管沿走道另一側更改路由，排煙風管改為900mm×200mm，水泵房送風管更改路由,如圖9所示。優化后走道滿足凈高使用需求、滿足后期維護檢修空間。

設計階段利用BIM技術共提出合規性檢查問題256項，如表1所示。其中土建專業問題主要集中在圖紙缺少信息、圖紙構件不符或缺失、室內外標高銜接有誤、降板處梁高不足、構件多余、構件碰撞等； 機電專業問題主要集中在管道與路由錯誤、凈高不足、圖紙內容缺失、機電與建筑不符、機電構件布置錯誤不合理、建筑功能空間不滿足機電使用需求等。

表1 合規性問題檢表

2.4 多專業協同深化

傳統建筑設計基本是二維圖紙設計，各專業設計師都是獨立負責完成本專業的繪圖設計，在設計過程中沒有實現多專業的協同設計，最終設計圖紙勢必會存在各專業的碰撞和沖突問題。而BIM技術的應用可以對整個建筑設計過程進行一次提前模擬，這就相當于一個全方位的三維圖審過程。在此過程中大批量隱藏在設計圖紙中的問題得以直觀顯現，這些暴露問題可能不牽涉設計強規強條，但跟各專業協同配合緊密相關(比如空間位置交叉沖突)，在以往的單專業設計審查過程中很難被發現。本次建筑設計運用BIM技術和精益實踐原則規劃設計團隊的組織結構、工作模式以及團隊間協同溝通方式，方便在設計過程中快速高效識別錯誤，減少錯誤并限制錯誤的擴散[9-10]。

在機電管線深化設計過程中，利用數字化協同平臺提取所需的其他專業模型，在智能軟件中完成沖突分析、檢測，導出沖突分析報告，而后經過協同平臺分享給各專業負責人進行沖突調整，線上進行相關沖突問題分析討論，最終確定沖突問題解決方案，各方確認模型無誤后更新原有模型版本，同時導出各專業管線綜合平面圖紙，使用方通過平臺下載客戶端或直接手機掃描二維碼查看最新版本模型及圖紙，如圖10所示。

圖10 數字化設計協同

3 結語

本文以實際項目為例，闡述了BIM在設計階段的主要應用價值，包括：進行日照分析與優化從而提升建筑采光效能； 通過空間規劃優化建筑內部布局的合理性； 通過合規性檢查使設計符合更高于規范要求，圖紙施工問題前置解決，大大減少后期施工變更； BIM技術應用榮獲了國家省市專業大獎及示范項目，提升了項目影響力并獲得了業主方的認可。BIM技術為建筑設計的工作效率和質量提供了強有力的技術支持，已成建筑行業發展的必然選擇。

在本次項目實踐中認識到，BIM技術在現階段設計應用存在缺少統一工作標準資源數據庫和異地協同設計效率低下。未來可通過建立大數據網絡字典庫，行業或設計單位可以獲得統一的設計標準和規范，來保障設計成果的統一性和準確性，實現正確的設計過程管理。還可以通過改變傳統的設計組織結構、工作及團隊協同溝通方式，把BIM技術更高效地應用到設計階段過程中去。基于設計協同管理平臺，通過二三維聯動使專業之間的數據、信息可視化共享，設計人員可以實現跨部門、跨地區分享交流成果，進行設計評審或設計沖突討論。