BIM技術(shù)支持下的建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化與應(yīng)用研究

孫嘉悅

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100045

引言

建筑工程設(shè)計(jì)的主要目的之一是為工程項(xiàng)目施工做好詳細(xì)、周全的計(jì)劃，提前規(guī)避工程施工過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題，減少施工中出現(xiàn)的人力、物力、時(shí)間和資金的損失，整體提升項(xiàng)目進(jìn)度和效益。而隨著工程建設(shè)項(xiàng)目規(guī)格、形態(tài)、功能的日趨復(fù)雜化，過(guò)去以CAD為主的二維工程設(shè)計(jì)模式因各專(zhuān)業(yè)協(xié)同、設(shè)計(jì)空間復(fù)雜多變等問(wèn)題的出現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果無(wú)法滿足當(dāng)前工程建設(shè)需要。隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升，圍繞以建筑數(shù)字信息模型（BIM）為中心的全新協(xié)同方式、管理體系、施工模式逐漸進(jìn)入到工程項(xiàng)目中，為建筑全生命周期的提質(zhì)增效打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 BIM技術(shù)的特點(diǎn)及協(xié)同設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

BIM技術(shù)融合工程建筑、信息技術(shù)等多種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下產(chǎn)生的設(shè)計(jì)形式，通過(guò)建筑工程數(shù)字化建筑信息模型，形成全方位、全過(guò)程、全周期的控制模式。在當(dāng)前工程項(xiàng)目中，利用BIM技術(shù)不僅能夠完成設(shè)計(jì)階段的各項(xiàng)協(xié)同設(shè)計(jì)工作，同時(shí)可以對(duì)施工階段的全過(guò)程建造、工程結(jié)構(gòu)維護(hù)與設(shè)備設(shè)施管理進(jìn)行全方位管理，形成設(shè)計(jì)與施工的全面融合。就BIM技術(shù)的特點(diǎn)而言，主要表現(xiàn)為可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)。第一，設(shè)計(jì)人員利用BIM技術(shù)時(shí)能夠通過(guò)三維立體模型直觀地展現(xiàn)其設(shè)計(jì)意圖，將分散、獨(dú)立的構(gòu)件匯集到同一視口中，使設(shè)計(jì)人員能夠直觀地觀察到?jīng)_突點(diǎn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可視化效果。第二，在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣等不同專(zhuān)業(yè)的協(xié)同，不同專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)工作過(guò)程中通過(guò)BIM技術(shù)互提資料、核對(duì)條件、追蹤專(zhuān)業(yè)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。第三，結(jié)合BIM技術(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)人員疏散、進(jìn)度模擬、管線排布模擬等，結(jié)合模擬后的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)條件合理性研究及工程施工成本的控制。第四，三維BIM技術(shù)的應(yīng)用與二維傳統(tǒng)CAD技術(shù)相比，三維設(shè)計(jì)能夠輔助設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)條件中比較復(fù)雜、煩瑣和精準(zhǔn)度要求高的設(shè)計(jì)內(nèi)容優(yōu)化調(diào)整，借助三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)推敲，提升設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑的理解和把控能力，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整體優(yōu)化。最后，利用BIM技術(shù)二三維聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)參變等特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行加工出圖，結(jié)合項(xiàng)目過(guò)程中協(xié)同優(yōu)化所完成的設(shè)計(jì)成果質(zhì)量高，為后期施工工期及造價(jià)帶來(lái)顯著的優(yōu)化[1]。

1.2 BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)工作中，采用的設(shè)計(jì)方法普遍以二維設(shè)計(jì)為主。設(shè)計(jì)方法受限于應(yīng)用的技術(shù)和工具，導(dǎo)致同專(zhuān)業(yè)內(nèi)部和不同專(zhuān)業(yè)之間各設(shè)計(jì)人員獨(dú)立展開(kāi)工作，無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)協(xié)同的目的。在此條件與背景下，建筑設(shè)計(jì)協(xié)同主要是由單專(zhuān)業(yè)人員利用天正和CAD相結(jié)合的繪圖工具將設(shè)計(jì)內(nèi)容繪制成二維圖紙，同時(shí)分階段將本專(zhuān)業(yè)圖紙作為提資條件打包發(fā)送給其他內(nèi)、外部專(zhuān)業(yè)；其他專(zhuān)業(yè)接收提資條件后，對(duì)其進(jìn)行消化、整理、反提資，反復(fù)進(jìn)行多輪提資、整理、校驗(yàn)，最終形成單專(zhuān)業(yè)成果圖紙。成果圖紙完成后，各專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人將自己專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)成果以二維圖紙的方式匯總在一起，進(jìn)而形成項(xiàng)目最終的設(shè)計(jì)成果。

在整體項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)成果均由二維圖紙形式進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)之間缺乏信息交流和溝通。在單專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)條件修改時(shí)很難及時(shí)與其他專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行高效交流，因此容易導(dǎo)致某些專(zhuān)業(yè)因接收條件修改不及時(shí)問(wèn)題而造成施工質(zhì)量和效益影響。BIM技術(shù)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)之中各專(zhuān)業(yè)人員協(xié)同設(shè)計(jì)的工作方式，形成了由設(shè)計(jì)方、施工方、監(jiān)理方、業(yè)主方等所有項(xiàng)目參與人員共同設(shè)計(jì)的模式。同時(shí)引入?yún)f(xié)同平臺(tái)，結(jié)合三維數(shù)據(jù)模型將工程利益參與者整合在一起，將每個(gè)專(zhuān)業(yè)涉及的信息通過(guò)軟件傳遞到三維模型及平臺(tái)上，各方及時(shí)地共享更新信息，其他專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)三維模型及平臺(tái)接收條件修改的消息，及時(shí)地根據(jù)設(shè)計(jì)條件修改、調(diào)整本專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)方案，保證整體設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確、合理性。

2 BIM技術(shù)支持下的正向設(shè)計(jì)要點(diǎn)

過(guò)去，提及BIM技術(shù)和正向設(shè)計(jì)，大眾普遍認(rèn)為其是一種利用圖紙進(jìn)行翻模而形成的設(shè)計(jì)模型。其實(shí)不然，在BIM技術(shù)支持下的正向設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上形成的一種協(xié)同、創(chuàng)新、提質(zhì)增效的設(shè)計(jì)方式，是貫穿項(xiàng)目全生命周期、協(xié)助設(shè)計(jì)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新方法、新方式。

利用BIM技術(shù)的翻模方案雖然受到了一定的關(guān)注，但是由于人員的專(zhuān)業(yè)性、模型的精準(zhǔn)度等問(wèn)題，其作用并沒(méi)有真正意義上實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有達(dá)到提升建筑設(shè)計(jì)效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的，也無(wú)法對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案中存在的問(wèn)題進(jìn)行合理校對(duì)。隨著建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展不難發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象是BIM技術(shù)在建筑工程應(yīng)用中的階段性、過(guò)渡性現(xiàn)象，對(duì)整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展有著一定的促進(jìn)和推動(dòng)作用。建筑BIM正向設(shè)計(jì)是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的整合，在建筑項(xiàng)目開(kāi)展之初將各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)集成在三維信息化設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)由參與工程設(shè)計(jì)的人員共有，形成共同的工作框架，實(shí)現(xiàn)環(huán)境共享、工作協(xié)同、數(shù)據(jù)交互、實(shí)時(shí)交流。各專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)成果通過(guò)BIM模型承載，從模型中直接獲取所需要的圖紙、明細(xì)表及相關(guān)數(shù)據(jù)，其他專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員對(duì)這些設(shè)計(jì)條件進(jìn)行提取和落實(shí)。從上述文中可見(jiàn)，建筑設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)某專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)不到位而產(chǎn)生設(shè)計(jì)沖突，且這些沖突經(jīng)常會(huì)多次出現(xiàn)、無(wú)法在短期內(nèi)協(xié)調(diào)和控制。在這種情況下，將BIM技術(shù)和正向設(shè)計(jì)融入傳統(tǒng)設(shè)計(jì)全流程工作中，能對(duì)建設(shè)項(xiàng)目中不同專(zhuān)業(yè)進(jìn)行協(xié)調(diào)，有效控制設(shè)計(jì)工作要點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤并處理，有效消除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的一定問(wèn)題。

2.1 方案設(shè)計(jì)階段的場(chǎng)地分析

建筑設(shè)計(jì)中，方案設(shè)計(jì)的合理與否都直接關(guān)系到工程整體施工進(jìn)程，影響工程施工能否順利開(kāi)展。場(chǎng)地分析作為建筑設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一部分，在BIM技術(shù)支持下進(jìn)行場(chǎng)地分析，能快速解決傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中存在無(wú)法量化問(wèn)題，如日照、道路、高程點(diǎn)等問(wèn)題。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)采集現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后的數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒔ㄖ桨负驼w場(chǎng)地結(jié)合在一起，形成多指標(biāo)、科學(xué)化的優(yōu)化方案。場(chǎng)地分析工作開(kāi)展時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)測(cè)繪部門(mén)、地質(zhì)部門(mén)提供的現(xiàn)場(chǎng)地形數(shù)據(jù)建立場(chǎng)地BIM模型，將相關(guān)數(shù)據(jù)整合在一起。利用地理信息技術(shù)對(duì)場(chǎng)地周?chē)沫h(huán)境、氣候等因素進(jìn)行綜合分析。在具體設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員除了需要考慮項(xiàng)目自身的要求之外，還需要融入當(dāng)?shù)匚幕⒌匦巍⒔ㄖ娣e、建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)、建筑功能等方面的要求，將不同的數(shù)據(jù)整合到一起，通過(guò)全面數(shù)據(jù)分析、進(jìn)而幫助建筑師合理的制定設(shè)計(jì)策略，使建筑物與場(chǎng)地、環(huán)境、文化更加融合[2]。

2.2 初步方案階段的設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)是根據(jù)既定的建筑設(shè)計(jì)方案、技術(shù)指標(biāo)開(kāi)展的設(shè)計(jì)初步優(yōu)化過(guò)程。在當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)工作中，利用BIM技術(shù)能夠高效、高質(zhì)完成初步設(shè)計(jì)條件的建立，實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)信息的同步控制，及時(shí)對(duì)建筑功能、空間布局、工程施工經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行分析，方便設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。

在初步設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)Revit模型構(gòu)建建筑內(nèi)部的流動(dòng)線、空間感、功能分區(qū)，針對(duì)機(jī)電專(zhuān)業(yè)初步判斷管線密集區(qū)域位置，在初設(shè)過(guò)程中對(duì)管線路由進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)各專(zhuān)業(yè)之間協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)沖突評(píng)估、質(zhì)量驗(yàn)證等，達(dá)到優(yōu)化方案和綜合協(xié)調(diào)匹配的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3 施工圖設(shè)計(jì)階段

施工圖設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分，通過(guò)設(shè)計(jì)完成的圖紙將設(shè)計(jì)意圖完整表達(dá)出來(lái)，作為施工依據(jù)展開(kāi)工作。其設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容必須符合國(guó)家相關(guān)部門(mén)給出的規(guī)定。在進(jìn)行施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的時(shí)候，需要在其他設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)信息準(zhǔn)確無(wú)誤的基礎(chǔ)上，對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行審核，在符合規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。

在正向設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要圖紙均由Revit模型中導(dǎo)出。將施工圖紙歸納到Revit模型之中，利用視圖詳細(xì)程度、視覺(jué)樣式、剖切高度、構(gòu)件顯隱、裁切和適當(dāng)?shù)亩S注釋?zhuān)蓪⑵渲谱鞒蔀橄鄳?yīng)的二維工程圖紙；利用Revit軟件中獨(dú)特的三維聯(lián)動(dòng)性，使構(gòu)件能夠根據(jù)設(shè)計(jì)變化自動(dòng)在各視圖進(jìn)行更新，大大提高了整體工作效率與質(zhì)量。完善的Revit模型能夠完整地將設(shè)計(jì)意圖表達(dá)在三維模型和出圖圖紙中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)圖紙之間的互動(dòng)。對(duì)于復(fù)雜轉(zhuǎn)換井道、越級(jí)夾層、設(shè)備管廊等土建條件苛刻位置，三維模型能夠準(zhǔn)確表達(dá)空間效果，便于機(jī)電管線排布。施工圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)與正向設(shè)計(jì)融合，不但能夠有效減少設(shè)計(jì)的“錯(cuò)、漏、碰、缺”問(wèn)題發(fā)生，也能夠減少溝通成本，提高工作效率。同時(shí)依據(jù)BIM技術(shù)中圖模一致的特性，能夠保證每個(gè)專(zhuān)業(yè)之間的設(shè)計(jì)統(tǒng)一性和圖紙平、立、剖、詳圖設(shè)計(jì)的連續(xù)性和統(tǒng)一性[3]。

初設(shè)模型向下傳遞到施工圖階段時(shí)，需要深入分析模型及數(shù)據(jù)的合理應(yīng)用。在施工圖深化過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先確定建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件中所使用的門(mén)、窗、墻、梁、板、柱、基坑以及其他土建相關(guān)構(gòu)件，確定本階段三維、二維所需參數(shù)的基礎(chǔ)上，將相關(guān)的數(shù)據(jù)植入到模型數(shù)據(jù)中并創(chuàng)建相應(yīng)的構(gòu)件。在創(chuàng)建構(gòu)件過(guò)程中，以設(shè)計(jì)圖紙的標(biāo)準(zhǔn)圖集、企業(yè)出圖標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建行之有效的三維設(shè)計(jì)文件，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)與信息，有效控制相關(guān)數(shù)據(jù)增量。土建模型及機(jī)電初始文件建立后暖通、給排水、電氣專(zhuān)業(yè)介入深化，其正向設(shè)計(jì)流程應(yīng)與土建專(zhuān)業(yè)相同；設(shè)計(jì)周期較短時(shí)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人應(yīng)指導(dǎo)多專(zhuān)業(yè)進(jìn)度并行，以確保終版圖紙符合時(shí)間周期。項(xiàng)目在施工階段為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況所做的變更及洽商調(diào)整，應(yīng)及時(shí)將其更新至施工圖階段模型框架內(nèi)，并由模型中出具變更圖紙和變更單。此方式極大程度上方便了后期模型的交付、圖紙存檔以及圖模一致性。BIM技術(shù)與正向設(shè)計(jì)主要以三維模型為基礎(chǔ)，利用二維抽象符號(hào)和線條進(jìn)行集中表達(dá)。兩種展示信息最終表達(dá)內(nèi)容是一致的，沒(méi)有直接沖突，兩方結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)有效的結(jié)合，有利于清晰、準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)師的意圖。

2.4 在協(xié)同設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有參與到項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)師通過(guò)BIM協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行協(xié)作。BIM技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)際涉及的信息完整集成。對(duì)于不同性質(zhì)的建筑物來(lái)說(shuō)，它能夠有效地將集成信息不斷、實(shí)時(shí)地反饋給設(shè)計(jì)師們，設(shè)計(jì)師通過(guò)信息調(diào)整設(shè)計(jì)條件，提高了工作效率和設(shè)計(jì)完整度。工作效率的提升對(duì)于節(jié)約時(shí)間和建設(shè)成本都起到了積極的作用。在建筑工程設(shè)計(jì)及建設(shè)過(guò)程中，BIM技術(shù)是貫穿建筑全生命周期、為不斷動(dòng)態(tài)優(yōu)化的設(shè)計(jì)提供服務(wù)。傳統(tǒng)的施工環(huán)節(jié)中，建筑從業(yè)人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙按部就班完成施工。有時(shí)面對(duì)設(shè)計(jì)如何優(yōu)化，或外部突發(fā)狀況是無(wú)力反應(yīng)的。而通過(guò)利用BIM技術(shù)，在設(shè)計(jì)深化過(guò)程中存在的問(wèn)題能夠及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)師們，得到有效處理。同時(shí)，由于BIM集成了每個(gè)施工環(huán)節(jié)的信息，也能夠發(fā)現(xiàn)并且規(guī)避建設(shè)后期可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

在建筑正向設(shè)計(jì)工作中，將BIM技術(shù)應(yīng)用其中有效提高了設(shè)計(jì)決策的合理性，通過(guò)信息共享完善設(shè)計(jì)階段各專(zhuān)業(yè)的協(xié)同，減少不同專(zhuān)業(yè)配合中發(fā)生的沖突，保證工程圖紙最終的設(shè)計(jì)質(zhì)量。由此可見(jiàn)，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用能有效提升工程設(shè)計(jì)效率、工程施工質(zhì)量和工程整體效益，同時(shí)能優(yōu)化建筑資源的利用率，促進(jìn)行業(yè)正向發(fā)展。