BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢

趙曉雄（北京城建華泰土木工程有限公司，北京 100000）

建筑工程設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率一直是建筑行業(yè)追求的目標(biāo)，適當(dāng)引入新的信息技術(shù)能夠?yàn)楫?dāng)前的建筑工程設(shè)計(jì)注入活力，提高設(shè)計(jì)水平。BIM技術(shù)和當(dāng)前建筑工程設(shè)計(jì)相互融合，能夠顯著提高當(dāng)前建筑工程的設(shè)計(jì)效率，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，對推動建筑工程設(shè)計(jì)發(fā)展意義重大，希望通過本文的介紹，可以進(jìn)一步加深人們對BIM技術(shù)的認(rèn)識。

1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)作為一項(xiàng)信息技術(shù)，應(yīng)用最多的行業(yè)就是土木工程行業(yè)。所謂的BIM技術(shù)，就是Building Information Modeling，在當(dāng)前的發(fā)展過程中，也被稱為建筑信息管理，主要在施工項(xiàng)目前期進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等全周期可視化模型應(yīng)用。通過建立三維模型，就可以模擬一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的所有指標(biāo)。有了有關(guān)建設(shè)項(xiàng)目的更準(zhǔn)確信息，規(guī)劃人員可以更輕松地處理這些信息，并根據(jù)這些信息進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。BIM技術(shù)的應(yīng)用離不開信息技術(shù)的支撐，在建筑工程的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行維護(hù)階段發(fā)揮著巨大的作用，在提高施工效率、節(jié)約施工成本方面效果較為顯著，是今后建筑行業(yè)發(fā)展必不可少的一項(xiàng)工程技術(shù)。BIM 技術(shù)具有模擬、協(xié)調(diào)、可視化等優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)手段，可以更好地支持建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

2 傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中存在的問題

信息技術(shù)在社會發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的推動下，在各個(gè)行業(yè)中都得到了大范圍的應(yīng)用。隨著當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐步向信息化、智能化方向轉(zhuǎn)變，一些傳統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念將無法滿足未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求和社會主體在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的需求。傳統(tǒng)建筑實(shí)踐和技術(shù)的使用也在一定程度上阻礙了建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的長期發(fā)展。

2.1 傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中存在的局限性

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)過程通常借助二維的建筑模型，可以清楚地分析建筑的外部結(jié)構(gòu)，但建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于技術(shù)的限制無法清晰地看到，這就導(dǎo)致在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)過程中沒有辦法確保對整個(gè)建筑進(jìn)行分析。應(yīng)用過去的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行建筑物外部設(shè)計(jì)之后，只能采用二維設(shè)計(jì)軟件比如PKPM 等對建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，無法確保建筑工程的設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量。由此說來，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在應(yīng)用上仍舊存在較大問題。此外，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算就是設(shè)計(jì)好外部結(jié)構(gòu)，采用規(guī)范上提供的公式進(jìn)行簡單計(jì)算，由于人為因素的影響比較大，單靠主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的分析，缺少一定的科學(xué)依據(jù)支撐，這也會使得整個(gè)建筑項(xiàng)目質(zhì)量無法保證。

2.2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式在空間設(shè)計(jì)中存在的問題

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行空間設(shè)計(jì)時(shí)，也是首先采用二維模型進(jìn)行建模，這是空間設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但在具體的應(yīng)用過程中，空間設(shè)計(jì)是立體三維模型，應(yīng)用二維模型有時(shí)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但是大部分無法確保空間設(shè)計(jì)的要求，導(dǎo)致藍(lán)圖與真實(shí)情況存在一定誤差。此外，設(shè)計(jì)師在對結(jié)構(gòu)感知上會遇到結(jié)構(gòu)性空間障礙，導(dǎo)致后期項(xiàng)目規(guī)劃受限。

2.3 表達(dá)架構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的問題

當(dāng)查看建設(shè)項(xiàng)目的結(jié)果時(shí)，傳統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目以靜態(tài)格式顯示。設(shè)計(jì)企業(yè)后期進(jìn)行了大量的后期處理和渲染效果來展示施工圖，但與動態(tài)展示相比還是有很大的局限性。后處理的建筑平面圖雖然能夠從多個(gè)視角對結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，但是空間感的表達(dá)效果卻存在一定的至關(guān)體驗(yàn)，同當(dāng)前實(shí)際建筑相比，也存在較大差異。總的來說，二維的建筑圖形展示效果同三維模型相比仍舊存在較大差距，這是傳統(tǒng)建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)顯著的缺點(diǎn)。

3 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

3.1 建筑模型的可視性

視覺上的可見性，就是呈現(xiàn)給觀看者的視覺形象。過去的設(shè)計(jì)技術(shù)無法對設(shè)計(jì)師和業(yè)主產(chǎn)生視覺影響。AutoCAD、PKPM、天正建筑配筋圖生成的平面圖、立面圖、剖面圖和結(jié)構(gòu)圖，都是二維平面圖，供人們在腦海中構(gòu)建最終模型，但是這就需要設(shè)計(jì)人員需要有很多想象力，即使有3D 模擬能力，也無法觀察到建筑物的真實(shí)情況，它代表的是只有在項(xiàng)目完成后才能看到的線性圖。但是，BIM技術(shù)允許設(shè)計(jì)人員通過3D建模、真實(shí)效果渲染和動畫表示等功能預(yù)覽其狀態(tài)。

3.2 不同工種的協(xié)調(diào)一致性

項(xiàng)目通常分為幾個(gè)方面。這些方面由幾個(gè)項(xiàng)目的專業(yè)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，稍后將進(jìn)行整合。項(xiàng)目包括幾個(gè)專業(yè)，所有專業(yè)設(shè)計(jì)師都創(chuàng)建自己的設(shè)計(jì)，工作量很大，架構(gòu)很混亂。不同部門之間存在重大溝通問題，最終方案尚未達(dá)成一致，增加了工期，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。BIM技術(shù)允許基于相同的3D模型設(shè)計(jì)不同的專業(yè)之間節(jié)省溝通和整合時(shí)間，最大限度地提高不同專業(yè)之間的分工效率，防止由于過早溝通而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，提高了建筑的整體質(zhì)量。

3.3 整體優(yōu)化性

從方案的提出、設(shè)計(jì)到項(xiàng)目的建設(shè)和完成，再到后期的模型運(yùn)行，整個(gè)過程中BIM 應(yīng)用就是一個(gè)不斷改進(jìn)和數(shù)據(jù)填充的過程，其整體的優(yōu)化性也能夠得到更直觀的表現(xiàn)，在BIM 中，數(shù)據(jù)的應(yīng)用性、時(shí)效性變得隨機(jī)起來，也不存在之前的數(shù)據(jù)缺乏、設(shè)計(jì)周期長、設(shè)計(jì)效率低下等問題。其次，BIM技術(shù)的整體優(yōu)化性還在一定程度上將建筑工程的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化存儲，這樣在后期的模型改建、外觀重新設(shè)計(jì)等方面都可以直接調(diào)用，也可以在之前的3D 模型中進(jìn)行二次修改、完善，不用再進(jìn)行重復(fù)的建模等工作。

3.4 各模型之間的關(guān)聯(lián)性

在BIM 中，建筑與結(jié)構(gòu)模型的維度不同，整體等價(jià)，相互關(guān)聯(lián)。使用已建立的模型，設(shè)計(jì)人員可以獲得所有相關(guān)的對象，在原有模型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，當(dāng)設(shè)計(jì)者對建筑的某一部分進(jìn)行改動時(shí)，其他相關(guān)部分和最終的仿真結(jié)果也得到動態(tài)跟蹤。隨著更改的進(jìn)行，從公共數(shù)據(jù)庫中的所有設(shè)計(jì)人員收到的信息也會更新，此功能顯著減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，并使設(shè)計(jì)人員更容易分析和改進(jìn)架構(gòu)。

3.5 模型可繪制性

對建筑物和構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)、升級和優(yōu)化后，即可得到最終的3D效果圖。BIM可以提供建筑設(shè)計(jì)和施工階段所需的規(guī)劃圖、立面、剖面、鋼筋等圖紙以及報(bào)告。此功能支持將所有2D 圖紙通過數(shù)字化技術(shù)集成到當(dāng)前的模型中去。采用出圖功能，也可以及時(shí)打印出想要的圖紙。

4 BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 建筑設(shè)計(jì)前期的仿真模擬設(shè)計(jì)要點(diǎn)

BIM 技術(shù)需要對建筑項(xiàng)目的真實(shí)情況進(jìn)行綜合分析，然后才能進(jìn)行模型的虛擬構(gòu)建。因此，施工單位在開展項(xiàng)目施工工作前，利用BIM技術(shù)對項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)營、施工過程進(jìn)行詳細(xì)分析，模擬應(yīng)急響應(yīng)。確保建筑物可以存在于設(shè)計(jì)階段，幫助我們解決各種問題，并針對問題提出有效的解決方案。在應(yīng)用BIM 技術(shù)時(shí)，必須對建筑施工的所有流程、內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析，然后再進(jìn)行項(xiàng)目的模擬施工。以上步驟將幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目中隱藏的問題，討論問題并達(dá)成共識解決方案。

4.2 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)中的動態(tài)控制實(shí)際應(yīng)用

在建模設(shè)計(jì)方案中，BIM技術(shù)通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，促進(jìn)模型改進(jìn)，使模型更加準(zhǔn)確。隨著更多信息和數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，BIM 技術(shù)改進(jìn)了建模技術(shù)，捕獲了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并幫助設(shè)計(jì)師創(chuàng)建了更好的設(shè)計(jì)解決方案。通過在實(shí)際施工前對項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)行建模，并根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃分析施工過程，人們可以隨時(shí)隨地觀察施工進(jìn)度，將施工計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行比較，提出問題等。經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)分析，不僅有效減少了實(shí)際施工中的變化，而且根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和計(jì)劃，對實(shí)際施工中各項(xiàng)目的材料損失和價(jià)格進(jìn)行分析，并采取行動。施工過程中材料浪費(fèi)、財(cái)務(wù)損失等受到一定程度的管理。綜上所述，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，不僅保證了設(shè)計(jì)方案在施工過程中的成功運(yùn)用，還減少了施工過程中的資源損失。

5 具體工程應(yīng)用案例

5.1 工程概況

某理工學(xué)院科研樓實(shí)驗(yàn)室和公共走廊線路具有復(fù)雜性，共有7個(gè)系統(tǒng)，包括特殊設(shè)計(jì)，局部走廊線路最多29條（包括線路在內(nèi)的3個(gè)大型通風(fēng)系統(tǒng)）。在設(shè)計(jì)階段引入建筑信息模型（BIM）技術(shù)，并在施工階段根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以解決合理的管道布置問題，保證管網(wǎng)的高度，確保項(xiàng)目的順利實(shí)施。

5.2 BIM技術(shù)的實(shí)施情況

BIM允許建筑信息化作為一種數(shù)據(jù)工具進(jìn)行交互，應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、施工和管理。如果數(shù)據(jù)完整且詳細(xì)，這不僅對規(guī)劃和施工階段有很大幫助，而且對建筑物的后續(xù)維護(hù)也有很大幫助，與此同時(shí)也能夠幫助設(shè)計(jì)人員以最快的速度參與工作，提高運(yùn)維效率。

5.3 工作流程

在設(shè)計(jì)階段，BIM人員首先根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)制定專門的服務(wù)方案并建立工作流程進(jìn)行干預(yù)。在創(chuàng)建多專業(yè)BIM模型后，BIM人員首先規(guī)劃管道進(jìn)入具有空間限制的密集管道區(qū)域模擬其可行性，設(shè)計(jì)單元重復(fù)多個(gè)設(shè)計(jì)，通過BIM技術(shù)建模分析，提出了有針對性的優(yōu)化計(jì)劃，并進(jìn)行多次修改，保證設(shè)計(jì)方案的可行性。

5.4 出屋面風(fēng)管位置的調(diào)整

完成的建筑物安裝了幾口管道井。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的要求，各種通風(fēng)管（支撐管）被放置在電纜管道中，并從屋頂椽板結(jié)構(gòu)中拉出，原設(shè)計(jì)風(fēng)管的截面尺寸較大，按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)，會在很多地方與橫梁發(fā)生碰撞，無法穿過橫梁。

為了解決這個(gè)問題，在BIM 技術(shù)的幫助下與現(xiàn)場專業(yè)設(shè)計(jì)師進(jìn)行合作，部分改變了8 層風(fēng)道的布置平面，改變了橫管的橫截面尺寸和部分位置。管道井中的立管進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。然后進(jìn)行整條管道的施工深化，即第二次管道貫通，所有管道均基于滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，考慮施工可取性并符合后續(xù)運(yùn)營和維護(hù)要求的假設(shè)。

放置和倒置在BIM模型中完成。在完成管道的詳細(xì)BIM模型后，BIM團(tuán)隊(duì)從模型中導(dǎo)出了幾張?jiān)敿?xì)的圖紙，顯示了每根管道的平面位置和管板的高度，這些都是在各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中考慮的。深度圖包括每個(gè)設(shè)施的總體規(guī)劃、每個(gè)實(shí)驗(yàn)管的概述、走廊管的概述以及實(shí)驗(yàn)墻的每個(gè)穿透的孔徑視圖。

5.5 水平管線的布設(shè)調(diào)整

科研樓共有七座專門設(shè)計(jì)的設(shè)施。除了傳統(tǒng)的消防、高壓、低壓和排水系統(tǒng)外，還有凈水和冷水供應(yīng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)和變風(fēng)量控制系統(tǒng)。在氧氣、氣體等的供應(yīng)系統(tǒng)中，局部走廊的管道數(shù)量最多為29條。607 實(shí)驗(yàn)室及其相鄰走廊是整個(gè)科研樓最密集的部分。實(shí)驗(yàn)室有19 個(gè)風(fēng)管，面積約200m2，天花板2.7m。在原設(shè)計(jì)中，外風(fēng)管（630×400）和風(fēng)管（800×400）沿著6樓的走廊與607實(shí)驗(yàn)室相連，恒溫恒濕。走廊現(xiàn)有管線最低高度僅為3.2m，新建臨時(shí)吊頂設(shè)計(jì)為3.1m，不可能只考慮上面兩根管子的橫截面尺寸。

為滿足自由空間設(shè)計(jì)要求，BIM團(tuán)隊(duì)對607室及相鄰走廊的管道布局進(jìn)行了廣泛考慮，以達(dá)到最佳解決方案。通過重復(fù)對BIM 模型的分析和模擬，從風(fēng)管復(fù)雜的607房間中提取了可用的空間，將室外風(fēng)管和恒溫恒濕風(fēng)管挪至當(dāng)前的房間中去，并在允許范圍之內(nèi)對立管進(jìn)行了更換，以此來完成設(shè)計(jì)方案的深化。通過這個(gè)深化方案，在一定程度上不僅保證了607房間的吊頂高度為2.7m，滿足設(shè)計(jì)要求，也保證了走廊的設(shè)計(jì)高度凈高滿足3.1m，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5.6 應(yīng)用效果和問題分析

科研樓采用BIM 技術(shù)預(yù)先定位，消除了大部分設(shè)計(jì)缺陷，減少了設(shè)計(jì)階段的返工。管道建設(shè)的深入工作在BIM3D 可視化環(huán)境中進(jìn)一步完成，這樣可是設(shè)計(jì)方、施工方、監(jiān)理方等各個(gè)單位都深入到模型重建工作中來，對方案的整體設(shè)計(jì)、優(yōu)化有著更加清晰地認(rèn)識。此外，通過各個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與BIM團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合深化后的圖紙進(jìn)行施工，消除了單個(gè)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出的圖紙和其他專業(yè)人員“打架”的局面。

6 結(jié)語

由上述可知，在建筑工程設(shè)計(jì)中引入BIM 技術(shù)的優(yōu)勢較為明顯，在建筑設(shè)計(jì)的精度以及準(zhǔn)確性方面均有明顯提高，通過具體的工程實(shí)例應(yīng)用，BIM 技術(shù)的應(yīng)用效果也更加明顯，希望通過本文的介紹，BIM 技術(shù)在今后的建筑工程設(shè)計(jì)中可以得到更大范圍的應(yīng)用，為促進(jìn)我國建筑工程行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。