基于建筑信息模型技術的建筑設計研究

李達耀，劉 驍，朱英華

(1.北部灣大學，廣西 欽州 535424；2.欽州市結構健康監測工程技術研究中心，廣西 欽州 535000)

1 引言

BIM(Building Information Modeling),也稱為建筑信息化模型技術,與傳統建筑模型技術相比,三維下的建筑設計模型構建便是BIM技術最大的亮點[1]。它以現實工程建設數據和計算機技術為基礎,在一個工程建設項目未完工或者設計階段,構建出其虛擬數字化模型,同時通過計算機平臺實時整合并修改工程建設項目各個節點的關鍵信息,以保證關鍵信息在建筑工程全生命周期內的互通性。在大數據平臺技術的協助下提高所有參與工程建設及后期運維人員對項目各個節點的掌控力。并對未來建筑設計可能產生的問題提早解決或者排除,以達到規避風險、節省工期、縮減項目全生命周期的造價成本等效果。

2 建筑信息模型技術的應用價值

傳統建筑設計,在設計順序上通常是“先建筑,再結構,最后水電”的模型構建順序。由于各個專業的不同、各個節點的復雜錯綜，使得傳統設計在人員對接上可能發生信息阻礙、溝通欠缺等諸多難題,導致不同設計單元的版本存在矛盾及差異[1，2]。在軟件使用上，傳統建筑設計不同專業一般需要不同軟件的參與。傳統設計過程的缺陷及其設計軟件的種類繁多,各有各的優劣, 從而使大部分應用于各個施工階段的數據和通信處于隔離狀態，導致的大量數據丟失，進而給工程項目的實施與竣工造成了一定的風險。通過BIM技術在項目設計階段建設的數據信息可視化、集成化處理，建設工程項目可以優化施工方案、縮短工期，以實現建筑施工現場效益的最大化,經濟成本效益最優化。BIM技術是一種多維模型信息集成技術，其關鍵點在“信息”，即模型內涵蓋建筑更多層次的信息。其應用價值有以下幾點。

2.1 有利于實現對建設項目全生命周期的管理

在建設項目的建設階段中，BIM翻模技術對建設項目完工后進行形象化和智能化管理至關重要[3]。BIM翻模技術允許項目參與方提取并追蹤相關有價值性的數據，例如組件狀況，規格模數，維護與操作指南，保修校準等。因此，BIM技術可以使其能夠參與到建設項目的全生命周期的設計，對建設項目的各個階段都能實現很好的實時控制，實現建設項目的設計由管理人員通過建筑信息管理平臺，在整個生命周期內進行運維活動，有利于實現對建設項目全生命周期的管理。

2.2 實現設計視圖的三維性

BIM技術圍繞一個綜合的數據模型，建筑師，土木工程師，結構工程師等各種參與者,根據其對建筑設計的需求提取與構成視圖及信息。其可視化功能使得參與者不但可以在建筑施工之前就能以三維視圖形式審視建筑物，而且在項目生命周期里自動更新建筑視圖。雖然傳統建筑設計軟件Auto CAD等也具有三維視圖效果,但是其對計算機的硬件要求較高,同時無法對各個構件進行渲染,使得建筑思維變得局限[4，5]。BIM技術確保項目能夠收集到更多更準確的數據，并將其存儲在模型中，并以三維模型加以展示，從而真正實現建筑設計的三維性[6],同時,將已建成模型與現代VR技術進行鏈接,利用其真實觀賞效果可漫游實景感受，并且任意角度導出全景、VR及效果動畫，實時把控方案效果審閱，提前預知實施效果。同時達到快速審查、會審、交底驗收目的。

2.3 有效減少設計變更及縮短設計周期

建筑項目的設計過程的科學化、合理化是保證設計質量與進度的前提[7]，在建筑設計階段發現并且減少由于設計文件而導致的設計變更,將大大提高施工質量和節省工期。BIM技術能夠應用于施工現場規劃各個階段的相關任務,它允許項目涉及者能夠處在整個工程建設項目生命周期中去進行提取建設數據信息和可視化其項目的建設進度。同時建筑信息模型技術的應用能夠將模型的各個專業領域(建筑方面、結構方面、設備方面)等在設計階段時,集成到一個建筑模型中，在BIM技術中設置相應的檢測規則,即可進行相應碰撞核驗,導出詳細的檢驗報告,高效查找碰撞的管道和行架的構件和位置,通過碰撞核驗可以發現風管水管相交概率點、空調管道的合適高度，在施工前避免不必要的錯誤,節省人力物力，大幅度提高碰撞核驗的控制精度，改善處在建設項目過程中所可能發生的修改變更。有效地減少了設計變更及縮短了設計周期。

2.4 實現對施工成本預測性控制

在傳統設計中,建筑模型信息往往停留在各個構件板塊模數上,例如構件尺寸、構件位置等繪圖數據。由于傳統建筑設計過程缺乏對于建筑模型定額定量匯總的技術手段,因此無法在施工前期進行相對精準有效的造價估算。BIM信息翻模技術允許涉及者可視化其項目的進度和相關的造價成本[8]。同時BIM技術的使用提高了工程變更、設備、人工更改的精確性。并且提供了用于提取和分析成本，評估方案和變更影響的方法，因此能實現對施工成本的預測性控制[9]。

3 建筑信息模型技術在建筑設計階段的探究

建筑信息模型技術應用在建筑設計階段的設計要點主要包括[10]：建筑模型設計、結構模型設計和機電模型設計。

3.1 建筑模型設計

建筑模型設計包括房間布置、碰撞檢查等分應用點[11]。傳統建筑設計一般采用CAD、SKETCHUP等模型設計軟件進行設計。但由于各個軟件的不兼容性，傳統建筑設計模型設計一般需要在不同軟件中重復建模才能完成設計工作。利用BIM技術的建筑模型設計則一般采用天正CAD設計平臺對建筑圖紙進行初步設計，接著以計算機系統所支持的特定格式文件通過Revit鏈接或者導入模塊將初步設計圖紙直接連接BIM for Revit[12～14]。然后基于圖紙進行初步建筑軸網翻模，最后通過已建軸網模型完成建筑設計。此外，還能采用的BIMfor Revit套包，通過其自帶土建建模板塊能夠自動進行房間識別及模型調整。

相比于傳統的建模技術，基于BIM技術的建筑模型設計不需要在不同軟件重復建模，僅需要通過對項目三維模型雛形進行修改就能得到理想建筑模型，利用BIM技術構建三維模型能夠更加直觀的表達建筑物效果。同時還能對已建模型進行碰撞分析及修改，最大程度的降低成本,減少資源消耗[15～17]。

3.2 結構模型設計

結構設計相對于建筑設計,其主要針對該項目柱、梁及板等房屋結構構件設計及布置,傳統的結構設計軟件有PKPM、ETABS 和3D3S等軟件。由于建筑結構的多樣性,其結構設計軟件同樣種類繁多,這也就使得設計者在軟件選擇上需要花費額外的時間和浪費較多的精力，使工作效率無法提高。再者基于PKPM、ETABS 和3D3S等傳統設計軟件的結構設計模式存在不夠直觀、各個專業分散非協同以及無法準確參數化等問題,從而導致與現代建筑設計開始出現嫌隙,無法適應現代建筑更新換代和無法滿足其對可視化、精確化、數字化等更高要求[18，19]。

利用BIM技術的結構模型設計，將滿足Revit系統要求的建筑結構模型鏈接,創建包含梁板配筋面積計算信息的建筑主體結構模型。利用Revit軟件的結構功能板塊,通過各個構件屬性分模塊進行屬性修改(包括形狀規格、材料配置、顏色等模數修改),接著根據項目要求及當地建筑設計規范進行各個構件設計,待構件屬性修改完成,最后進行構件布置,從得到結構模型。并且，利用BIM技術的結構模型設計，由于其通過結合配筋信息與建筑平法標注信息,能夠直接于該管理平臺創建滿足國家設計標準的結構施工圖,無需通過CAD進行二次建模，從而大大節約了時間成本。此外,基于BIM 技術,還能夠提供高清構建模型,對已建混凝土、鋼筋等結構構件進行實物工程量匯總,通過web端和移動端以輕量化模型展示,使其獲得更佳的展示效果。

3.3 機電模型設計

建筑機電模型設計具有明顯的集成特性，各類管線和行架的碰撞核驗一直是設計的難點。傳統的碰撞核驗，采用傳統CAD等軟件,以二維圖紙的方式進行核驗。由于各類管線、橋架尺寸等構件均無法以二維圖紙形式精準呈現出來，所以將構件碰撞的風險隱患精準的反映出來顯得極為困難，同時各基本要素間又易發生沖突，從而導致管線排布難度的攀升。

基于BIM技術的機電模型設計,主要采用斯維爾BIM for Revit翻模平臺,其最大的特點就是能夠實現數據同步化，在Revit等設計軟件平臺中所修改的信息實時并且完好無缺地反饋在三維建筑模型中。

采用BIM正向一體化技術措施可轉變傳統的翻模方式，建立3D模型管理方案，在Revit、天正CAD等建模軟件功能的支持下，有利于機電構件碰撞核驗的全面開展。當發現存在碰撞核驗等方面的缺陷，便可以及時通過校準管片位置等方法減少甚至避免構件沖突。基于BIM技術的機電模型設計應用主要包括以下要點。

(1)管線布置及搬遷模擬。利用已有機電CAD格式圖紙鏈接Revit,從而進行管線布置與搬遷。

(2)碰撞核驗與管線綜合。結合Revit2軟件自帶的碰撞檢查系統,對項目存在碰撞的管線進行修正。

(3)模型漫游及管線檢查。傳統模型需要通過Fuzor等軟件來完成模型的漫游演示及施工成果展示,基于BIM技術的機電模型漫游及管線檢查則通過其自帶的三維模型漫游功能,以此對項目已修正管線進行三維漫游檢查,對其進行可行性分析，采用適量的手段加以改進，以保證管線布置的精確性。

(4)管配件工程量計算。對機電模型進行實物工程量匯總,得到管配件工程量報表,以保證項目造價分析準確性。

BIM技術最終實現的管線排布,是物理拓樸與邏輯拓樸的相互對應，它將邏輯上的機電模型在物理空間上實現。在建筑機電模型上是實現其電氣平面圖的設計。依據機電模型設計階段分析的結果修改三維模型[20]。根據系統圖,完成物理拓樸的設計。對物理拓樸進行設計,使之從功能上與邏輯拓樸對應。完成管線布置系統設計。布線系統，在實現良好的系統三維模型外,還應從建筑實際的適應性和經濟性角度對機電模型加以考慮。此機電模型的管線排布的最終完成，三維與二維之間的高效轉換，體現了BIM技術在建筑一體化設計中的優點。

4 結語

本文首先通過將傳統建筑設計與現代新型BIM建筑協同管理平臺進行分析比對,從而了解建筑信息模型具體的優劣勢所在。通過BIM的技術及其相關軟件對建筑設計階段的建筑模型，結構模型，機電模型進行研究設計模擬，充分顯示了Revit等相關BIM建筑信息管理平臺在現代建筑項目設計階段具有無可比擬的優勢。隨著設計階段的不斷深化,對建筑設計模型的要求越來越高,這就使得傳統設計的缺陷越來越明顯。而伴隨著Revit等相關BIM建筑信息協同管理平臺的出現,給現代建筑項目設計階段開辟了一個新的設計模式。雖然本文所述僅處在建筑設計階段,并未包含建筑的全壽命周期,但是BIM技術對建筑全壽命周期所帶來的便利是毋庸置疑的。它為建筑全壽命周期提供了有效的技術及管理依據，進而有效提高整個項目的經濟效益。