BIM技術(shù)在智慧校園協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

紀(jì)曉鵬1 李?yuàn)^杰1 李 仲 郭昊栩3 楊樹英 蔡秋婉

(1.中恒信息科技(廣州)有限公司，廣州 510000； 2.中新廣州知識(shí)城財(cái)政投資建設(shè)項(xiàng)目管理中心，廣州 510000； 3.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510000)

引言

廣州實(shí)驗(yàn)中學(xué)作為黃埔區(qū)中新知識(shí)城的重點(diǎn)民生工程，擔(dān)當(dāng)著“推進(jìn)科研成果創(chuàng)新轉(zhuǎn)化，建設(shè)知識(shí)創(chuàng)造示范區(qū)，打造粵港澳大灣區(qū)高質(zhì)量發(fā)展重要引擎”的使命。項(xiàng)目位于廣州市黃埔區(qū)知識(shí)城獅龍大道與鳳湖五路交叉口西南側(cè)，用地面積103 000m2，總建筑面積183 532m2，共設(shè)置90個(gè)普通班，容納學(xué)生4 500人，估算總投資約15億元。將建設(shè)成集教學(xué)樓、宿舍樓、實(shí)驗(yàn)樓、藝術(shù)圖書樓、學(xué)生活動(dòng)中心、教育資源樓于一體的教育綜合體(如圖1所示)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)沿用傳統(tǒng)書院多軸并進(jìn)的空間秩序，同時(shí)創(chuàng)造性地提出了雙主軸規(guī)劃格局概念。在縱軸，以拾級(jí)而上呈現(xiàn)“書山有路”的傳統(tǒng)教育長(zhǎng)軸的求知問(wèn)學(xué)意象； 而在橫軸，則以貫穿高、初中部的連續(xù)拱廊形成類似“雅典學(xué)院”穿越式場(chǎng)景，致敬西學(xué)博雅教育典型場(chǎng)景。從而建立起融合中學(xué)與西學(xué)教育的縱橫向空間主題架構(gòu)，東西方教育思想的場(chǎng)所與氛圍在此形成相互呼應(yīng)。

圖1 項(xiàng)目鳥瞰圖

1 BIM應(yīng)用策劃

1.1 項(xiàng)目特點(diǎn)分析

(1)建筑設(shè)計(jì)多元化。學(xué)校建筑設(shè)計(jì)由單體建筑向復(fù)合化、群組化、建筑綜合體、微型城市發(fā)展，使學(xué)校建筑設(shè)計(jì)朝開(kāi)放性、功能復(fù)合性、空間多義性方向發(fā)展。

(2)綠色校園建設(shè)。綠色校園被認(rèn)為是生態(tài)園林和生態(tài)城市建設(shè)的重要組成部分[1]。本項(xiàng)目綠色建筑級(jí)別為三星標(biāo)準(zhǔn)，在工程規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收及備案等環(huán)節(jié)嚴(yán)格執(zhí)行建筑節(jié)能和綠色建筑三星級(jí)別的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及技術(shù)措施。

(3)多方協(xié)調(diào)難度大、周期緊。項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中參建單位多，如何保證建設(shè)管理的標(biāo)準(zhǔn)、水平及協(xié)調(diào)能力尤為重要。作為重點(diǎn)民生工程，工期緊張，而保質(zhì)保量并如期完成，對(duì)建設(shè)各方都存在挑戰(zhàn)。

(4)打造智慧校園。智慧建筑是以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、BIM、人工智能等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托的新型建筑生態(tài)模式[2]。本項(xiàng)目旨在建設(shè)利用信息化手段為基礎(chǔ)，將教學(xué)、科研、管理和校園生活進(jìn)行充分融合形成一體化環(huán)境的智慧校園。

1.2 組織架構(gòu)

項(xiàng)目成立全過(guò)程BIM專項(xiàng)小組，在項(xiàng)目前期和設(shè)計(jì)階段，以建設(shè)單位為中心，成立工作組并建立“雙向”工作聯(lián)系模式。組織架構(gòu)以企業(yè)內(nèi)部體系為保障層和聯(lián)絡(luò)組為BIM工作指揮中心，執(zhí)行組為BIM工作實(shí)施層，并由設(shè)計(jì)全過(guò)程BIM顧問(wèn)團(tuán)隊(duì)統(tǒng)籌、指導(dǎo)和落實(shí)各項(xiàng)BIM工作(如圖2所示)。

圖2 組織架構(gòu)

1.3 BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)是保證BIM順利有效應(yīng)用的基礎(chǔ)[3]。因此，項(xiàng)目前期準(zhǔn)備階段，根據(jù)項(xiàng)目所屬BIM環(huán)境，積極響應(yīng)國(guó)家、廣東省及廣州市地方BIM標(biāo)準(zhǔn)，以《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51212-2016)、《廣東省建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ/T 15-142- 2018)、《廣州市民用建筑信息模型(BIM)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(DB4401/T 9- 2018)、《廣州市建筑信息模型(BIM)施工應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(DB4401/T 25-2019)等作為依據(jù)，編制滿足項(xiàng)目要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、方案等，并作為BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)文件貫穿項(xiàng)目全過(guò)程(如圖3所示)。

圖3 BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

2 BIM設(shè)計(jì)全過(guò)程集成應(yīng)用

2.1 基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計(jì)

三維協(xié)同設(shè)計(jì)是企業(yè)提高BIM設(shè)計(jì)效率的必要手段[4]。基于本項(xiàng)目前期策劃階段工作的順利開(kāi)展，BIM三維模型協(xié)同設(shè)計(jì)作為實(shí)施階段的第一步，其完整的實(shí)施流程和精細(xì)化BIM模型的創(chuàng)建，對(duì)項(xiàng)目上下游企業(yè)間的協(xié)同、BIM模型后期延續(xù)應(yīng)用及項(xiàng)目整體質(zhì)量控制等方面尤為重要。

本項(xiàng)目BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在方案階段模型推敲和比選，初步設(shè)計(jì)階段單體功能規(guī)劃和布局，施工圖設(shè)計(jì)階段專業(yè)深化及協(xié)同優(yōu)化，以及各階段BIM模型的延續(xù)和數(shù)據(jù)的傳遞。本節(jié)主要選取項(xiàng)目部分應(yīng)用進(jìn)行闡述：

圖5 陶磚幕墻

(1)“不濕鞋”的風(fēng)雨連廊

學(xué)校作為師生學(xué)習(xí)、生活和工作的主要場(chǎng)所，考慮南方多雨及為提升校園生活的體驗(yàn)感，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于BIM模型平臺(tái)，通過(guò)三維協(xié)同輔助學(xué)校整體布局規(guī)劃，在學(xué)校各個(gè)功能板塊間設(shè)置風(fēng)雨連廊，對(duì)連廊及其與單體連接處進(jìn)行模型精細(xì)化處理，再通過(guò)場(chǎng)景應(yīng)用類的BIM軟件進(jìn)行模擬和驗(yàn)證，保證下雨天連廊處不積水、師生在不同建筑間穿行“不濕鞋”的效果(如圖4所示)。

圖4 風(fēng)雨連廊

(2)“多樣的”陶磚

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)校各單體外立面主要采用陶磚幕墻的形式，凸顯了濃厚的教學(xué)文化韻味。針對(duì)陶磚幕墻BIM模型，先采用Revit創(chuàng)建自適應(yīng)嵌套族(即陶磚單元)，再結(jié)合Revit+Dynamo形成參數(shù)化單元幕墻，最后通過(guò)參數(shù)控件調(diào)整陶磚單元的形式、規(guī)格及間距等，形成不同的排布形式和效果，以便陶磚外立面方案的優(yōu)化和選擇。“多樣的”陶磚立面，使項(xiàng)目各單體呈現(xiàn)不同的外裝飾風(fēng)格，BIM三維參數(shù)化協(xié)同也極大提高了設(shè)計(jì)的工作效率(如圖5所示)。

(3)“豐富的”活動(dòng)中心

項(xiàng)目活動(dòng)中心集成了廚房、公共食堂、室內(nèi)游泳館、室內(nèi)體育館、空中體育場(chǎng)及能源中心，其功能豐富也使多專業(yè)協(xié)同成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程包括視覺(jué)協(xié)同和綜合協(xié)調(diào)兩部分[5]，視覺(jué)協(xié)同方面主要在BIM三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理分析和布置各功能區(qū)域(如食堂、體育館座位的合理設(shè)計(jì))，提高設(shè)計(jì)溝通效果； 綜合協(xié)調(diào)方面主要體現(xiàn)在解決多專業(yè)間的協(xié)調(diào)碰撞(如機(jī)電設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)等)，提高設(shè)計(jì)整體質(zhì)量(如圖6所示)。

圖6 活動(dòng)中心

2.2 基于BIM的可視化建筑性能分析

本項(xiàng)目建筑節(jié)能和綠色建筑要求達(dá)到三星級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行建筑性能模擬，能有效控制建筑實(shí)體的建筑環(huán)境與系統(tǒng)的整體性能。在整個(gè)工程的實(shí)施過(guò)程中，以三維設(shè)計(jì)為主導(dǎo)線索，模擬分析與BIM設(shè)計(jì)同步，通過(guò)不斷模擬優(yōu)化 BIM 設(shè)計(jì)參數(shù)[6]。根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，建筑性能分析模擬主要針對(duì)各建筑區(qū)域或功能房間，通過(guò)BIM對(duì)其進(jìn)行光照、通風(fēng)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及火災(zāi)疏散等進(jìn)行分析優(yōu)化。本節(jié)主要選取項(xiàng)目部分模擬分析進(jìn)行闡述：

(1)“上課中”的教室

教室作為使用率最高的場(chǎng)所，其重要性不言而喻，為了給師生營(yíng)造一個(gè)最佳的上課環(huán)境，在進(jìn)行項(xiàng)目BIM建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50099-2011)，先對(duì)教室的空間和座位進(jìn)行合理布置，形成BIM參數(shù)化模型； 再通過(guò)性能分析軟件Ecotect Analysis對(duì)模型進(jìn)行光照和通風(fēng)分析優(yōu)化，其平均采光系數(shù)達(dá)4.0%以上、自然通風(fēng)平均值為2.19m·s-1，滿足使用功能需求； 最后將優(yōu)化后的模型交互到BIM場(chǎng)景應(yīng)用類軟件，對(duì)特殊位置處(如最后排、最前排、邊座和角座)進(jìn)行第一視角模擬，分析上課時(shí)學(xué)生的視覺(jué)效果，以達(dá)到最優(yōu)的座位排布效果(如圖7所示)。

圖7 普通教室—性能分析

(2)“表演中”的報(bào)告廳

本項(xiàng)目報(bào)告廳需滿足各種校園活動(dòng)表演、報(bào)告會(huì)及學(xué)術(shù)交流等，為提高舞臺(tái)表演觀賞性，通過(guò)BIM設(shè)計(jì)進(jìn)行座位參數(shù)化布置并分析優(yōu)化； 同時(shí)，為提高報(bào)告廳收音效果，通過(guò)EASE軟件對(duì)其進(jìn)行專項(xiàng)聲學(xué)分析優(yōu)化。基于BIM建筑性能分析，為項(xiàng)目創(chuàng)造一個(gè)最佳的活動(dòng)表演或交流匯報(bào)環(huán)境。

(3)“比賽中”的體育館

為保證體育場(chǎng)使用的安全消防性能，項(xiàng)目上以“體育賽事?tīng)顟B(tài)下”(人群密集)作為模擬環(huán)境，基于BIM設(shè)計(jì)模型下，確定建筑平面布局，尤其樓梯、門等安全出口的布置； 通過(guò)Pathfinder軟件對(duì)模擬環(huán)境進(jìn)行參數(shù)設(shè)定[7](如各區(qū)域滿負(fù)荷下人員數(shù)量、人員速度及肩寬等)并運(yùn)行計(jì)算，結(jié)果以三維可視化動(dòng)態(tài)的效果展示人員疏散的全過(guò)程，并分析和優(yōu)化各疏散路徑和出口的擁擠情況和疏散時(shí)間(如圖8所示)。

圖8 體育場(chǎng)—疏散模擬

2.3 基于BIM的專業(yè)深化設(shè)計(jì)

BIM深化設(shè)計(jì)不僅能提高多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)質(zhì)量，提前發(fā)現(xiàn)和解決專業(yè)間碰撞問(wèn)題,而且能結(jié)合其安裝工藝，分析布局合理性，不斷完善和提升設(shè)計(jì)品質(zhì)。本項(xiàng)目BIM深化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在陶磚外立面深化、不規(guī)則幕墻深化、體育館鋼結(jié)構(gòu)屋架深化、室內(nèi)裝飾裝修及機(jī)電深化等應(yīng)用。本節(jié)主要選取陶磚外立面深化設(shè)計(jì)和機(jī)電深化設(shè)計(jì)兩部分進(jìn)行闡述：

(1)陶磚外立面深化

在項(xiàng)目外立面陶磚幕墻BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合其構(gòu)造形式和安裝工藝進(jìn)行BIM模型精細(xì)化處理(如圖9所示)，并通過(guò)參數(shù)化進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。例如：

1)將陶磚后面的橫向L型角鋼優(yōu)化調(diào)整為橫向的鋼片置于拼接縫中，確保從正面看不到龍骨，提升美觀的效果(如圖10所示)；

2)豎向鋼通骨架往往會(huì)影響立面整體性，其油漆選色優(yōu)化可調(diào)為與背景色一致，保證了立面的整體性、純潔性(如圖11所示)。

圖9 陶磚深化-1

圖10 陶磚深化-2

圖11 陶磚深化-3

(2)機(jī)電設(shè)備深化

BIM機(jī)電設(shè)備深化是最常見(jiàn)的BIM應(yīng)用之一。項(xiàng)目機(jī)電設(shè)備BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中，沿用初步設(shè)計(jì)BIM模型，對(duì)機(jī)電各系統(tǒng)、各路由進(jìn)行深化，通過(guò)多專業(yè)協(xié)同方式解決專業(yè)間管線交圈問(wèn)題，并以“一次管綜→二次管綜→復(fù)核→出圖及會(huì)簽”的主要流程輸出深化完成設(shè)計(jì)成果，提高設(shè)計(jì)效率(如圖12所示)。

圖12 機(jī)電深化流程

2.4 基于BIM的數(shù)據(jù)融合

本項(xiàng)目結(jié)合BIM、GIS及無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，依托地理信息環(huán)境大數(shù)據(jù)，提供各種空間查詢及空間分析，為BIM在各實(shí)施階段的可視化展示、管理、決策提供技術(shù)支持(如圖13所示)。

圖13 BIM+GIS+無(wú)人機(jī)

2.5 BIM協(xié)同管理平臺(tái)

協(xié)同設(shè)計(jì)是當(dāng)下設(shè)計(jì)行業(yè)技術(shù)更新的一個(gè)重要方向，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)分散的交流模式，實(shí)現(xiàn)了信息集中存儲(chǔ)與訪問(wèn)，提高了各參建方協(xié)同工作的效率[8]。項(xiàng)目上使用廣聯(lián)達(dá)協(xié)筑云平臺(tái)作為多方BIM協(xié)同管理平臺(tái)(如圖14所示)，保證了項(xiàng)目各參建方、各專業(yè)間信息模型的無(wú)縫銜接和協(xié)同高效工作，主要體現(xiàn)如下幾個(gè)方面：

(1)成員管理機(jī)制，保障權(quán)責(zé)分明；

(2)數(shù)據(jù)文檔統(tǒng)一管理；

(3)線上工作任務(wù)發(fā)布及審批；

(4)線上成果審核。

圖14 項(xiàng)目BIM協(xié)同管理平臺(tái)

3 BIM創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 線上協(xié)同，共同戰(zhàn)“疫”

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，受疫情影響，為推進(jìn)項(xiàng)目整體BIM工作，通過(guò)云平臺(tái)功能進(jìn)行線上協(xié)同辦公，及時(shí)召開(kāi)線上視頻會(huì)議，保證了協(xié)同設(shè)計(jì)方案溝通、技術(shù)交流及成果交付等工作的順利開(kāi)展，大大提高了特殊時(shí)期的工作效率(如圖15所示)。

圖15 線上工作協(xié)同

3.2 CIM試點(diǎn)&BIM三維審查

本項(xiàng)目作為廣州市CIM平臺(tái)測(cè)試項(xiàng)目，前期積極配合有關(guān)單位開(kāi)展測(cè)試工作，并提出相關(guān)有效建議； 同時(shí)，作為廣州市施工圖BIM三維審查地試點(diǎn)項(xiàng)目范圍，積極響應(yīng)政府要求，開(kāi)展項(xiàng)目BIM審查測(cè)試工作(如圖16所示)。

圖16 廣州市BIM審查平臺(tái)

CIM平臺(tái)測(cè)試和BIM三維審查工作的開(kāi)展，有效地提高了項(xiàng)目參與人員及參建單位對(duì)CIM/BIM審查的認(rèn)識(shí)，也為本項(xiàng)目及各參建企業(yè)后續(xù)項(xiàng)目BIM審查工作奠定了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.3 基于BIM軟件的自主研發(fā)

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)約、高效落實(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于Autodesk為Revit軟件提供的API接口，可以通過(guò)API編程直接讀取到這些信息[9]，針對(duì)性的開(kāi)發(fā)功能約50項(xiàng)，增加了本項(xiàng)目及后續(xù)項(xiàng)目BIM應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。局部功能闡述如下：

(1)構(gòu)件庫(kù)管理

構(gòu)件庫(kù)管理(如圖17所示)是基于《企業(yè)族庫(kù)使用方案》與架設(shè)的云服務(wù)器，集下載/上傳/制作/瀏覽為一身，規(guī)范化企業(yè)內(nèi)部族庫(kù)的使用習(xí)慣，同時(shí)可根據(jù)項(xiàng)目需求增設(shè)專屬的“項(xiàng)目構(gòu)件庫(kù)”，能有效協(xié)調(diào)統(tǒng)一項(xiàng)目成員對(duì)各類型族的使用，提高項(xiàng)目成果的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)化。

圖17 構(gòu)件庫(kù)管理

(2)二三維聯(lián)動(dòng)

二三維聯(lián)動(dòng)(如圖18所示)主要是通過(guò)在二維(或三維)視圖下選擇相應(yīng)構(gòu)件，能自動(dòng)在三維(或二維)視圖下找到相對(duì)應(yīng)位置構(gòu)件的功能，實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)在協(xié)調(diào)溝通上能準(zhǔn)確、快速進(jìn)行定位，極大提高了設(shè)計(jì)交底、多專業(yè)協(xié)調(diào)會(huì)等的工作效率。

圖18 二三維聯(lián)動(dòng)

(3)自定義工作集

自定義工作集(如圖19所示)是項(xiàng)目成員根據(jù)自身軟件功能使用習(xí)慣，將經(jīng)常性調(diào)取的功能模塊自定義到同一面板，如“構(gòu)件可見(jiàn)性”、“構(gòu)件上色”等，提高軟件功能使用效率，以輔助提高項(xiàng)目工作。

圖19 自定義工具集

3.4 BIM+智慧校園

基于本項(xiàng)目前期可研階段中“建設(shè)BIM+智慧校園的智能化集成系統(tǒng)”的明確要求，制定工作前置方案，將BIM+智慧校園工作提前計(jì)劃和實(shí)施，制定并開(kāi)展如下6步工作：

(1)BIM+智慧校園系統(tǒng)定義；

(2)智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

(3)BIM運(yùn)維平臺(tái)調(diào)研；

(4)確定BIM運(yùn)維平臺(tái)功能模塊；

(5)分析對(duì)比(接口要求)；

(6)項(xiàng)目運(yùn)維(BIM)模型標(biāo)準(zhǔn)。

簡(jiǎn)而言之，提前將BIM運(yùn)維內(nèi)容結(jié)合到前期工作，能為BIM+智慧校園的建設(shè)工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ), 同時(shí)保證各階段數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和集成化，以便后期運(yùn)維管理使用。

4 總結(jié)與展望

本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)的集成應(yīng)用為打造綠色、健康的智慧校園奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，項(xiàng)目的建成有利于當(dāng)?shù)剡M(jìn)一步提高基礎(chǔ)教學(xué)質(zhì)量和辦學(xué)效益，推進(jìn)城市義務(wù)教育現(xiàn)代化進(jìn)程，促進(jìn)城市化建設(shè)，為中新廣州知識(shí)城實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)教育長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)打下良好的基礎(chǔ)。

基于BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)全過(guò)程中的集成應(yīng)用成果，BIM技術(shù)將延伸到項(xiàng)目建造的整個(gè)過(guò)程。接下來(lái)，項(xiàng)目BIM技術(shù)的實(shí)施將在BIM/CIM三維審查、BIM機(jī)電預(yù)制裝配式施工、BIM+智慧工地及BIM+智慧校園等方面繼續(xù)落實(shí)并深入研究，也將繼續(xù)探索BIM技術(shù)在項(xiàng)目全生命周期的應(yīng)用與價(jià)值。