民用建筑設計BIM應用實踐與反思

魏 欣， 劉 熠

(1 中南建筑設計院股份有限公司， 湖北 武漢 430071；2 法國公共工程學院， 法國 卡尚 94230)

近十年，建筑行業的數字化、信息化技術得到長足的發展，BIM技術作為新一代建筑信息技術得到廣泛應用。調研數據表明：BIM技術在施工階段的應用案例遠多于設計階段；BIM技術在設計階段的應用價值被多數業主忽視低估。本文選取幾個典型公共建筑項目設計階段的BIM技術應用案例，展示民用建筑設計中BIM技術應用對于提高設計品質、減少返工、提高效率等方面的獨特優勢；反思民用建筑設計中BIM技術大面積應用推廣難的問題。

1 BIM概念與理念

BIM的全稱是建筑信息模型(Building Information Modeling) 。BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術，提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。借助包含建筑工程信息的三維模型，大大提高建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項目的相關利益方提供一個工程信息交換和共享的平臺。BIM理念起源于美國，BIM技術是十多年來在建筑設計行業中新興的工程數字化設計方式，創建的建筑信息模型能實現全方位的建筑設計及控制、檢測等工作。

2 BIM技術在民用建筑設計中的應用點

設計階段BIM應用目標是減少設計錯誤、優化設計、提高設計品質。設計階段BIM應用內容宜包含：場地分析、參數化設計、性能化分析、設計方案比選、制圖表達、量化統計、管線綜合、可視化、裝配式建筑等。1)場地分析包含傾斜攝影、土方平衡、豎向設計分析等;2)參數化設計包含結構優化、幕墻分格、車位排布等;3)性能化分析包含日照、風環境、視線、能耗、聲學、消防疏散、交通、污染物擴散等; 4)設計方案比選包含建筑功能布局、外觀造型、空間優化等; 5)量化統計包含模型單元數量統計、屬性信息統計等;6)管線綜合包含碰撞檢查、凈高分析、凈高優化等; 7)可視化包含模型展示、漫游動畫、虛擬現實等;8)裝配式建筑包含部件標準化設計、構造節點設計等。

3 BIM技術在民用建筑設計中的實踐

3.1 土方平衡分析

武漢天河機場T3航站樓是一座規模大、功能復雜的交通綜合體建筑，建筑面積49.5 萬m2。項目建設用地地勢不平，呈西高東低、南高北低，西側有自然湖泊，洪水設防水位25.4 m。場地區域大。每改變1 cm的標高帶來的是大量土方調整和投資增加。在項目設計階段，我們通過創建整體場地模型，將不同地形高程區間分為藍、綠、黃、紅四種顏色方案(圖1)。BIM軟件快捷獲取各設計標高所產生的土方量，將這些高程數據結合最高洪水設防水位，通過對比三個不同方案土方工程量和經濟成本后，確定建筑地坪標高以及場地坡度(圖2)。

圖 1 武漢天河機場場地標高分析

圖 2 武漢天河機場土方平衡模擬分析

3.2 風環境模擬

在鄂州市公共衛生臨床中心項目的投標階段，通過創建場地與建筑BIM模型，依據實測數據設置風環境邊界條件，利用BIM技術模擬夏季季風，快捷獲取距地面高度1.5 m處的風環境數據(圖2)，模擬表明有較大面積的區域保持了1.0～3.5 m/s的風速，未出現超過5 m/s的風環境。

在項目設計階段通過分析模擬結果，優化了建筑物造型，在保證人體舒適度的情況下，也使得空氣新鮮度保證在一個高水平位置，創造了一個良好的醫療環境與氛圍。

3.3 凈高分析與管線綜合

鐵投·碳匯大廈是一個綜合辦公大廈，建筑面積7.85萬m2，項目在管理上采用以設計為龍頭的EPC總承包模式，對統籌規劃和協同運作有較高的要求。如圖3所示，大廈3層某處，管線多且走廊寬度為2000 mm，風管貼梁底安裝，水管道位于風管下方，橋架十字交叉位于最下層。此處多根橋架進入電井，最低處凈高為2650 mm，進核心筒水電井區域采用綜合支吊架。

圖 3 鄂州市公共衛生臨床中心風環境模擬圖

圖 4 鐵投·碳匯大廈復雜區域管線綜合報告

在設計階段，跟據凈高控制表對BIM模型進行凈高分析，并將凈高分析結果形成報告和模型提交至建設方審核，根據審核意見修改，提前發現可能不滿足凈空要求的位置，及時對設計進行優化。基于BIM模型進行三維管線綜合排布，合理的對整個空間管線進行優化，解決管線碰撞問題，區別于傳統二維中通過對點位分析來代替整個區域，減少各方協調周期，減少施工過程中因管線排布不合理而帶來的損失。

本項目設計階段充分發揮了以設計為龍頭的EPC項目優勢，設計和施工都按照統一的BIM標準實施全過程BIM應用。BIM技術優化業主投資分配，提升關鍵功能檔次。在BIM技術的支持下，功能布局、空間凈高、裝飾裝修等設計階段的內容得到更高效的調整和優化，基本實現施工階段零變更，大幅提升項目品質。

3.4 正向設計、模型出圖

武漢天河機場南工作區南航綜合保障樓項目實現全專業落地的BIM正向設計。以“真實建造”的邏輯創建和組織模型，并通過“模型出圖”，使設計師創建的模型從施工圖設計階段順利延續到深化設計以及施工階段[1]。

BIM正向設計要求從模型中創建圖紙，保證圖模一致，模型與圖紙互相關聯。本項目從初步設計階段開始全程進行BIM正向設計，全專業設計人員基于Revit軟件創建模型、協同設計。出圖是設計中工作量非常大的一部分內容，在BIM技術的支持下，各專業的設計人員有了較好的系統協作，大家在同一模型條件下進行制圖，而且可以根據需要實時變更，因此其最大的優勢是設計人員可以更加直接快捷地對模型和圖紙進行不斷修改，同時保證圖紙與模型100%一致。在傳統的2D平面圖旁，補充3D模型圖，更直觀、清晰的表達建筑空間與效果，大幅提高設計圖紙的質量(圖5)。

雖然在設計階段運用BIM需要投入一定時間成本，但對于整個設計及出圖品質在初期有很大的提升，能將以往在施工階段才發現的問題提前解決，也減少了返工帶來的重復工作量，證明BIM技術可以在建立較為完整3D模型的基礎上達到又快又準的出圖效率。

圖 5 武漢天河機場南工作區南航綜合保障樓-BIM正向設計施工圖

3.53D可視化協同設計

湖北黃石奧林匹克體育中心項目設計和施工階段都遵從統一的項目級BIM標準，設計階段應用多種BIM技術實現。如圖6所示，在湖北黃石奧林匹克體育中心項目中，全民健身館和游泳館全專業通過Revit軟件創建施工圖設計模型，在3D視圖中協同設計、多專業配合。

在傳統的專業合作中，設計圖紙提資后進行的修改是無法同步更新的，而在BIM信息集成平臺的協助下，各專業的模型及圖紙信息都可以在第一時間內完成更新，減少了溝通修改的時間差；比如，發生沖突最多的設備專業與室內專業，也能同時完成建模，只需利用碰撞檢查的功能，就能直觀明了的發現問題，大大提高設計效率、節約成本；而在項目管理中能大幅度減少施工階段的拆改，節約項目成本，利用3D可視化功能進行協同設計能夠很好的促進設計人員建立3D思維方式，使得專業間協同配合更直觀，更為高效地應用各種建筑信息和數據開展分析。[2]證明項目設計階段采用BIM協同工作能提升設計效果，確保決策的高效性和準確性。

1-乒乓球健身場地;2-籃球健身場地;3-羽毛球健身場地; 4-全民健身廳; 5-觀眾休息廳；6，10-預留運營；7-競賽指揮；8-比賽池底；9-比賽大廳圖 6 湖北黃石奧林匹克體育中心-游泳館剖切軸測

3.6 標準化設計

武漢雷神山醫院建筑面積7.99萬m2，整體規劃按照最高標準的傳染病醫院設計，是一個專為新冠病毒肺炎重癥患者建造的全國最大規模的抗疫應急醫院(圖7)。

圖 7 武漢雷神山醫院標準化設計

1)醫院整體采用裝配式鋼結構設計建造。在非常有限的時間內，設計團隊充分利用裝配式建筑的特點優化項目總體平面布局，在裝配式建筑的結構系統、外圍護系統、設備管線系統和內裝系統上，按照工業化快速建造的要求完成了模塊一體化集成設計，運用BIM信息化管理技術，在各參建方的共同努力下，順利完成了這樣一個全球關注的特殊工程項目建設，也同時為醫護人員安全使用提供了信心保障。[3]

2)根據醫療建筑的特點，利用BIM技術將醫療建筑中的功能模塊進行拆分和標準化設計，將設計轉化為成熟的產品，有利于提升設計質量和效率。

該項目將“魚骨狀”隔離醫療區大模塊拆分成重復率高的小模塊，建筑、結構、機電、裝修、設備等全專業精細化參數化建模，添加材質、尺寸、設備參數等構件信息。優化了醫療建筑單元標準化設計，方便同類型醫療建筑的設計提取和復用。項目設計階段中利用成熟的 BIM 模塊化產品進行 BIM 設計，大大提升了設計質量和速度，所見即所得，進一步更可延伸至裝配式建筑的工廠加工，現場拼裝，解決項目工期緊張的矛盾[4]。

4 反思

通過筆者的應用實踐表明，基于BIM的3D設計技術優勢明顯，可以有效的提升品質、減少浪費。當下設計院推廣普及BIM技術應用也碰到了一些障礙，基于BIM的設計模式，還沒有變成一種主流的工作方式。有人把原因歸結為3D設計比2D設計考慮的設計因素多，導致工作量大周期長，不能適應市場的高周轉要求；也有人把原因歸結為BIM工具軟件還不夠先進；還有人把原因歸結為利益分配失衡，設計院通過BIM技術輔助設計，后期建造運維問題前置，提前解決減少變更，給業主提供了增值服務，同時對設計人員能力要求提高了，工作量大了，但設計院、設計師并未得到相應的報酬補償。

面對這些問題，從根上解決問題的策略就是知識軟件化。依據DIKW 金字塔模型(圖8)，BIM實現了數據的承載和建筑信息的表達，但還沒有實現知識驅動。BIM作為一種與現實建筑相對應的建筑信息模型，本質上是建筑信息數據庫；如果我們設計知識和內隱的設計經驗顯性化、結構化、數字化；繼而把知識軟件化，就會實現更加智能的設計。最容易知識軟件化的就是規范標準的軟件化，僅僅把規范標準軟件化就會帶來巨大的效率提升，如把設計規范標準軟件化，就能實現智能審圖；把綠色建筑標準軟件化，就能實現綠色建筑智能評價、碳排放智能評價。所以，BIM技術融合知識自動化技術，大幅提升BIM工作效率，是BIM技術大面積普及應用的關鍵力量。

圖 8 DIKW金字塔模型

5 結束語

科學技術和信息化技術日益發展，BIM得到了進一步的發展和應用，其重要性也越來越明顯，體現出了較強的優勢和價值。如今，在建筑設計階段的BIM技術應用逐漸得到更廣泛的認可和發展，并取得了可觀的經濟和社會效益。相信在不久的將來，BIM技術會在知識自動化、人工智能的加持下，會得到普及應用，在建筑設計中發揮更加高效的作用，并推進我國工程建設行業信息化發展上升到更高的水平。