BIM 正向設計技術在住宅設計中的應用

文／趙璨、駱思羽、徐靜波 中國中建設計研究院有限公司 北京 100037

引言：

BIM 技術在國內的應用越來越多，隨著國家的大力支持，BIM 正向設計技術的也在不斷發展，得到了越來越多專家、工程設計和施工單位的關注，這些關注也把BIM正向設計技術的發展帶入了全新的階段。BIM 正向設計技術因其具有可視化、參數化、共享化、集成化等特點，在國內很多工程中已經廣泛使用，常見的比如在房屋建筑、橋梁、地鐵等工程設計、及其建設和管理中廣泛運用。因此，本文就BIM 正向設計技術在我國的住宅建筑工程中的運用進行了探討，以期推動BIM 技術不斷發展。

1、BIM 正向設計的意義

BIM 正向設計的提出是建筑行業發展、建筑設計轉型、建筑技術升級的綜合體現，也是跨行業的信息軟件技術、實時表現技術、數據統計分析技術與專業設計技術的高度融合的起點。BIM 正向設計技術是走向“節約型”設計的有效途徑，走向企業數字化的重要支撐力量，成為了勘察設計企業進軍市場的必要能力。BIM 最大價值體現在住宅設計階段，精準的三BIM 維設計模型是實現信息交流與流通的有效工具，做到建筑工程信息之間的信息傳遞和共享，是BIM 技術的核心和基礎保證，也是改善建筑住宅設計工程質量的重要方式和基礎。

2、BIM 技術在建筑設計中的特點

2.1 可視化特點

過去的建筑規劃設計工作大多是通過電腦、筆記本等進行建筑設計的效果演示，并進行建筑物現場的模擬仿真，便于工作人員準確掌握建筑設計的具體尺寸。傳統的建筑造型不僅要借助外部的輔助手段來進行仿真演示，還要有相當的想象力，在腦海中用虛擬影像來描繪出建筑物的真實形象。BIM 技術在工程設計中的運用是非常必要的，它能迅速地為設計人員提供一個模型，便于設計人員參考和討論，并據此展開修改和改進。

2.2 協調性特點

在進行工程設計時，設計師必然要與其他專業的建筑師進行溝通交流，并進行合作。BIM 正向設計技術在進行協作設計時，必須事先與其他設計者確定協作模式和工作過程。BIM 正向設計技術的協作設計是一種并行的工作方式，通過BIM 正向設計技術進行協作，能夠確保不同領域的建筑師實時地進行數據的交流，實現高效地協作。

2.3 模擬性特點

在工程建設開始前，工程的規劃還處于一個理論層面，不能準確地判定建筑住宅工程建設中的工程設計是否具有可行性，在工程建設中容易產生各種問題，導致工程出現巨大損失。所以，在工程開工之前，應對工程設計中可能出現的問題進行分析。

通過BIM 正向設計技術，可以在系統平臺上建立一個基于BIM技術的建筑物設計方案，通過對建筑物的建模，可以獲得一些參考的資料數據，對不符合要求的資料數據進行修正。最后，通過BIM 技術仿真模擬，修正數據實現對結構再驗證。多年的實踐應用表明，BIM 技術所獲得的資料數據具有很高的可信度。所以，在工程設計中，可以充分運用BIM 技術進行工程建設，并運用BIM 技術對工程建設中存在的問題進行有效地剖析，并能在工程開工之前，對各種問題進行預處理，確保工程建設的正常進行。

2.4 優化性特點

建設工程設計并非一朝一夕之功，整個工程的設計流程經過了反復的修正與改進，各行業之間的設計師們都會齊心協力，進行著反復地論證和改進。BIM 技術能在很大程度上降低不同行業不同專業之間的設計誤差，并通過BIM 技術對所有的變更進行實時地修正，節約了建模反復修改的過程。BIM 正向設計技術還具備自動檢測系統的能力，能夠對可能存在的缺陷進行檢測，從而大大地提升了系統的工作效率。

3、BIM 技術的住宅建筑正向設計

BIM 的正向設計技術解決了建筑工程中應用BIM 技術的“翻模”問題，這項技術為工程施工提供了一種全新的施工方法。“翻模”的產生表明，BIM 技術在工程設計中并未充分運用，沒有全部發揮BIM 技術的作用。然而，“翻模”的存在也為BIM 技術的不斷完善和優化提供了新的動力，這將對BIM 技術未來的發展產生積極的作用。

BIM 的正向設計技術是對傳統的工程設計過程進行了重新組織，在工程實施之前，工程設計人員主要圍繞BIM技術進行工程設計。BIM 技術可以實現信息共享、環境共享、有效協同、數據共享等功能，通過BIM 技術將不同領域的工程設計人員的設計結果實時呈現在BIM 技術平臺上，實現各個建筑項目的協同升級和優化。

BIM 的正向設計技術具有以下優點：首先，BIM 技術的建模是從設計師的構思入手，并且要將其置于3D 的環境中進行；第二，建立了以BIM 技術為基礎的建筑物模型，便于各個行業設計師之間的協作，并能在施工過程中實時地對數據進行修正；第三，通過BIM 技術建立的建筑物，不僅可以在初期的設計中使用，也可以在產品的最終效果發布中使用。

4、BIM 正向設計需要解決的技術問題

4.1 協同工作集模式

協作的工作可以分成兩類。

（1）屬于建筑本身范圍內，由于其設計體量過于龐大，所以必須采用分層或分區的方式進行。在一個整體的工作集合中共同工作，以處理并行的設計過程中產生的矛盾和沖突，是屬于建筑師的一種內在的協作。在常規CAD 工作方式中，這樣的情形極易發生矛盾，比如，負責平面圖和總圖紙的設計員沒有及時向變更造型和單體圖紙的設計者通報，造成了不對稱的數據，產生了大量變更的工作。對于協作工作集的模式，工作接口界面彼此明確定義。比如，一個工作集A和一個工作集 B預先設置一個許可提示。A 對B 的內容范圍進行了更改，會自動提示B 是否允許更改。文件在一個服務器上，每個員工和各相關部門都針對相同的核心文檔進行編輯，所有修改都在核心文檔中，從而確保了設計的一致性。

（2）屬于不同專業范圍（如建筑學和水電、暖通工程）的交叉領域協作。如工程規模不大，則可以將供熱、排水、電力三大學科整合成MEP 機電REVIT 模式。設計師和裝備工程師的配合，和前一種方法一樣，但在不同的領域里，他們必須有意愿去主動會商。該系統還具有防撞檢測的特性，以保證結構與管線之間不會發生碰撞。但是，軟件也做不到萬能，在正向設計的過程中，設計師必須要起到領導作用，對彼此之間的關系進行及時檢驗，以保證項目的順利進行。

4.2 出圖的標準化

在常規生產過程中，大部分的出圖過程都是在公司內制定規范完成，通過手工檢驗、天正圖集、天正圖層等軟件工具方法來進行。但大部分項目方案公司對此并不重視，常常會造成工程設計圖紙的丟失和錯漏。

若使用BIM 正向設計方案，則要預先設定圖紙自身的圖紙集和標準平面斷面的樣板圖。這種方法最大的優點是，在進行設計時，要把重復的更改和再出圖紙的方便程度都納入進去。當所有圖紙樣式、圖集、圖例符號被預置后，所有的設計更改都可以由軟件進行自動輸出，從而可以省去反復的排版和印刷浪費時間，使設計者能夠集中精力對設計進行最優。

4.3 單體指標的精確性

在過往的CAD 設計中，采用多段閉合線，通過AREA 進行數據的讀出，再由人工向EXCEL 中添加數據。該技術方法具有一定的人為隨機性，容易出現多次后人為因素造成的錯誤。因為要多次核對，最后出圖紙的精確度也不高，這就造成了在設計過程中留下的很多誤差，最后在施工圖紙時難以處理。

5、BIM 正向建筑設計與傳統建筑設計模式的對比

傳統的建筑規劃設計過程基本上是以Autocad 作為總平面的規劃制圖，以天正與CAD 融合做單體平面，以Sketch Up 作為建筑的模型設計，以渲染公司作為外部效果的渲染，以CAD 和天正作為平面圖剖面圖的設計。

BIM 正向設計過程規則是不同的。

（1）工程前期，在工程設計中，先確定工程實際的坐標位置，然后用BIM 系統軟件來設定實際參考點和模型參考點，這個過程必須結合AUTOCAD 軟件。

（2）在前期的規劃設計中，CAD 單線就能達到設計的戶型要求，這個階段無須進行2D3D 的匹配，也不適合提前進行BIM 的3D 建模。

（3）BIM 可以在方案的平面設計階段，將各個單元的房間套內面積，公區面積，指標等精確地計算顯示出來，以防止人工的錯誤計算，CAD 的結果可逐漸轉換為BIM的結果。

（4）BIM 在單體建模階段具有很高的應用價值，它可以保證平面圖形與造型之間的精確匹配，可以通過三維化的思維模式進行思考，并可以即時地分析出各個不同的平面或者形狀變化之間的關系。

（5）在繪制出圖過程中，BIM 可以實現對模型的自動修正，實現對平立剖圖紙自動生成。

（6）在擴展階段，可完成外立面控制與方案規劃圖的連續設計，并對分色圖、材料圖、門窗表進行統計。

（7）在施工圖紙的設計中，方便了與水電等相關部門的配合，方便了與裝配式、幕墻班組等部門的溝通，方便了工程質量的監控和碰撞檢測，以及整合整個智能建筑系統。

在設計過程中，由于投資方、政府政策、設計決策等因素的變化，使設計過程中的修改得到最有效地解決，實現實時修改和實時繪制。因此，在復雜的三維空間建模中，BIM 技術將發揮更大的功能和更高的效率和精確度。準確匹配的數據和實時的交互也是BIM 正向設計的優點。

6、BIM 技術在建筑設計階段的正向設計應用探索

6.1 BIM 技術在方案設計階段的場地分析應用

設計方案是工程建設成功與否的重要因素，設計方案的制定過程中出現了問題，對工程施工的改造費用會造成很大的影響，所以工程設計階段一定要精益求精。施工現場的情況分析是進行工程設計的前提，必須對施工現場的情況有一個清晰的認識，才能做出科學的規劃與設計。

BIM 技術在建筑設計規劃中可以用于場地的評價，BIM 技術可以對方案的場地進行高效地定量化，例如利用BIM 技術可以對場地的光照狀況、場地的舒適度、噪音等進行定量。建筑規劃前期，建筑設計師不僅要根據現場的實際狀況，還要對當地的文化、地理、建筑外形等進行全面的研究和考察分析，對這三個方面做到全局處理分析，不斷完善建筑設計。

6.2 BIM 技術在方案深化設計階段的應用

初步設計是由設計師依據現場和設計構思而成的一個基本的設計架構，并為后續的工藝及工程設計提供依據。BIM 技術能使工程設計人員更有效地進行項目設計，通過BIM 技術，可以實現對不同領域的信息進行實時修正和模型更新；此外，利用BIM 技術建立的建筑模型，可以對人流疏散方式、建筑資源能耗進行評估，建筑設計人員可以對建筑模型進行最優解。BIM 模型和信息可以有效地協調建筑前期設計、中期施工和后期管理維護的全過程，從而加快決策進程，提高決策質量，提高投資收益。

6.3 BIM 技術在施工圖和詳圖設計階段的應用

建筑項目施工圖是工作人員現場進行施工作業的主要參考，所以建筑項目施工圖必須要保證數據的精準性、符合國家統一的繪圖標準，并且能夠聯動修改。基于BIM技術生成的建筑項目施工圖是可以在系統上進行變動和更新的，BIM 系統中的各個詳圖也可以實現協同聯動。將BIM 技術的建筑正向設計應用于施工圖和詳圖設計階段，不僅可以提高施工圖和詳圖設計的精確性，同時方便建筑工程師對設計圖的細節進行修改和完善，極大地提高了設計工作的效率，節省了設計工作的時間，并且還能保證由BIM 系統導出的施工圖和詳圖是一致的。

6.4 BIM 技術在結構性能分析中的應用

BIM 技術是一種應用于建筑工程的設計方法。通過BIM 技術，可以對整個結構進行分析，通過對整個結構進行優化，使其變得更為穩定。另外，BIM 中的相應函數可以分析出建筑物的結構特性，從而實現基于以實測資料為基礎的分析更加準確和快速。比如，對于地下室的結構，采用BIM 技術，可以有效地進行管線的布置，避免發生管道沖撞的情況，從而達到節省建材的目的。在分析時出現的問題，要進行改進，并對結構設計做優化。

6.5 BIM 技術在機電深化設計應用

在建筑工程設計中，三位一體的建筑模型能夠使管線工程設施的布置達到最優。在大規模、復雜化的工程中，管線設施的最佳配置直接關系到工程的整體施工進程。在BIM 技術的基礎上，通過對各種管線進行計算機數據的分析避免碰撞，以提高工程的質量、縮短工期和節省費用。Revit 系統模塊為用戶提供了豐富的族類文檔庫，可以在Revit 模式下迅速地進行配置。另外，MagiCAD 還能為Revit 搭建一個統一的開放式項目管理體系提供支持；通過智能管線的水力學計算公式，方便了預留孔洞的作用，大型的家族庫能夠進行建筑物管線的碰撞檢測，從而能夠及時的檢測出問題并及時處理。

6.6 BIM 技術在建立三維立體模型創造信息庫時的應用

BIM 技術最大的特點就是能夠根據具體的環境，通過對建筑的具體情況，輸入有關的數據，生成包含了具體的、局部和外部的狀況的信息，從而構建出符合實際的三維空間模型。通過該模式，可以直觀、形象地看到各種建筑物的優點和不足，并能通過該模式對其進行修改，從而達到項目的施工需要。BIM 技術也可以將各個組織部件的顏色價格和各個部位之間的關系直觀地呈現在產品的各個部位，這種特性為設計師和業主帶來了很好的經驗。將來，人們不再需要對著一成不變的房子進行幻想，而是可以通過BIM 技術在建筑中進行預先的體驗，就像是在現實中一樣。另外，BIM 具有很好的仿真能力，可以在遇到諸如地震、火災等突發情況時，對避難和救援工作的路徑進行仿真，以便在設計時就對其進行修正，保證其安全性和穩定性。

6.7 BIM 技術在控制生命周期內的經濟成本中的應用

BIM 技術的優勢和方便不僅僅表現在建筑的設計和施工模型上，而且還可以通過BIM5D 仿真的方式來控制項目的總投資。在建筑工程的三維建模工作結束后，采用BIM 技術對工程中需要使用的各種物料進行分類和數量的選取，包括名稱、用量、價格等方面的綜合，提供了整個工程進度分配計劃。BIM 的數據信息庫也能及時地更新項目的資金消耗情況，不再需要耗費大量的人力物力來進行財務狀況的核算，這樣不僅可以確保過程的合理性，而且可以防止因數據的缺乏而造成的資源的損耗。

結語：

綜上所述，將BIM 正向設計技術應用于住宅建筑工程管理中，不僅能提高工程質量和效率，而且能使工程在施工過程種更加科學合理。BIM 的正向設計技術是一種建筑設計的創新，從設計師的構思開始，到建筑的建模和施工規劃，再到最后的設計出圖，通過各部門的實時共享和優化優化，最終實現了對建筑模型的信息化管理。BIM 正向設計技術的應用從根本上改變了傳統設計和施工中的工作方式和工作流程，并且提高了項目的整體管理效率和管理水平。在BIM正向設計技術的基礎上，不斷革新工程建設，使不同行業之間的工程設計人員能夠有效地進行協作，從而提高設計效率達到良好的建設效果。筆者認為，BIM 技術在建筑工程中的不斷改進和優化，將會徹底扭轉過去爆出的“翻模”局面，BIM 正向設計技術將在國內的建筑領域得到越來越多的運用，并將是今后建筑設計行業發展的必需品。