智能建筑結構設計中BIM 技術的有效應用探析

董瑞麒DONG Rui-qi

（同濟大學建筑設計（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

在智慧城市背景下，建筑行業朝信息化、智能化發展，BIM 技術就是其產物。BIM 技術通過將信息數字化建立一種虛擬的3D 立體模型，將BIM 技術有效應用于智能建筑設計中，可以提高數據分析與評價準確性，優化建筑設計方案，提高建筑質量，保障建筑結構的安全性，對建筑行業的發展有著促進作用。

1 BIM 技術及特點概述

1.1 BIM 技術簡介

BIM 技術是一個新型的概念，對建筑工程從策劃設計到拆除等各個環節實行數據管理。與傳統的CAD2D 技術不同，BIM 技術在3D 數字技術的基礎上，對建筑整個生命周期的數據進行采集，建立建筑信息化和數字化的模型，將數字技術應用到建筑工程中[1]。BIM 技術將建筑信息數字化，然后濃縮于數字模型之中。在BIM 系統中，通過應用數字化技術，每一個結構都是一個信息符號，通過數字化的信息描述出建筑結構的性質。當前在建筑設計等階段中BIM 技術被廣泛使用，通過構建虛擬建筑模型，對建筑進行全面的管控。通過BIM 技術的應用，對建筑進行智能化的管理和維護，提高建筑工程的勞動生產效率。尤其是智慧建設背景下，應用BIM 技術可以解決資源浪費問題，降低建筑工程項目成本，避免對環境造成負面影響，構建綠色環保的智能建筑體系，實現建筑行業的可持續發展。

1.2 BIM 技術特點簡析

1.2.1 可視化

在建筑可視化的背景下，工程進度監督控制需依靠4D 技術要素支撐。才能加快靜態BIM 模型和各類進度信息的交接進程，進一步衍生出完善化的4D 化施工進度計劃，為日后項目進度全方位和直觀生動性呈現奠定基礎[2]。首先，通過應用BIM 技術建立直觀的建筑模型，可以從直觀的角度對整個建筑工程的設計環節進行有效監督，更加直觀和便捷。設計人員通過BIM 技術將設計理念最大化的表現出來，更加便捷地傳達信息，保證設計數據的精準性和可行性，優化設計方案，提升實際設計的合理性。其次，運用BIM 技術制作的工程進度計劃，既可以表達出較為真實的可視化效果，同時還可以保證高效率地定位流水線施工中的次序誤差和不同專業和班組沖突等隱患。

1.2.2 協調性

通過應用BIM 技術實現各部門之間以及各專業人員之間的標準化，更好的開展組織協調工作，內部進行有效的交流溝通，有利于工程項目施工工作更好的開展，確保建筑項目的施工進度。同時。對整體施工進程合理布置，保證與設計師的理念一致，從而確保整體工程的施工質量，有效的提升建筑工程的品質。

1.2.3 模擬性

BIM 技術的模擬性不只應用于建筑方面的模擬，還可以將一些不可掌握的事物進行真實的模擬。在智能設計過程中，為保證整體設計的安全性與節能性，可以進行相關項目的BIM 技術實驗模擬，從而降低成本提高效率。當前在施工階段BIM 技術已經實現4D 技術模擬，根據實際情況在相關規則和要求下最大化實現模擬展示，從而保證施工方案實施的科學性與高效性，把控建筑成本，實現節約資源、減低成本[3]。

1.2.4 優化性

利用BIM 技術進行建筑設計的過程中，BIM 技術可以運用于各個施工環節，從建筑設計、工程施工、建筑運營等多個方面進行有效優化，取得的效果十分明顯。通過確保信息的準確性、時間的緊缺型以及其他因素，對施工各個階段進行監督和控制，通過應用BIM 技術彌補信息、技術存在不足。

1.3 BIM 技術在建筑設計應用分析

從傳統的手繪圖紙到CAD 制圖再到應用BIM 技術進行建筑設計，是建筑行業的飛速發展的兩個階段，與傳統技術相比，BIM 技術利用三維立體技術可以提升建筑造型和建筑空間設計，對設計方案進行優化，在設計階段可以和其他行業進行很好的交流溝通。利用BIM 技術可以顯著提升建筑生產效率，降低施工失誤，減少施工中需要變更的地方，更精確的估算建筑成本，縮短施工周期，避免能源浪費。由此可見，加強BIM 技術的應用有著充分的必要性。智能建筑設計對BIM 技術的應用正處于發展階段，BIM 相關設計理念被建筑行業不斷接受，很多大型設計項目都使用了BIM 設計，取得了顯著的效果，目前BIM 技術的應用已經累計不少相關經驗。但是目前BIM 技術的應用在硬件、軟件方面還存在不足，軟件庫不能滿足需求，需要加大對BIM 技術的投入，深化發展BIM 設計鏈。智慧城市建設則為BIM 的發展提供了新的機遇，通過應用BIM技術，為智能建筑的協同設計、優化設計、信息集成提供更加廣闊的發展空間與支持。

2 智能建筑結構設計中BIM 技術的應用價值

2.1 直觀展示建筑整體

在智能建筑結構設計中，利用BIM 技術構建建筑模型，應用3D 技術將建筑整體以立體的方式更加直觀的展現，方便設計人員對模型進行觀察和分析。同時通過BIM模型，展現出建筑各結構的性質，方便設計師對信息進行讀取，保證了信息的及時性和可靠性[4]。當設計師發現問題時可以第一時間修改，從而確保建筑設計的質量，為建筑工程的施工打下基礎。

2.2 優化設計稿件

在智能建筑結構設計中，應用BIM 技術構建建筑主體模型，修改模型后自動呈現出來。設計人員通過修改模型從而更加便捷的優化設計稿件，優化后的設計稿件可以更加直觀的表現出來，節約時間成本，提高設計效率。

2.3 推動BIM 技術的應用

隨著BIM 技術的發展，BIM 技術不僅能用于建筑設計中，在建筑的各個環節被廣泛使用。通過對技術的創新和優化，推動BIM 的應用，提高建筑工程的施工效率，控制工程項目的成本，同時降低對環境的污染，構建綠色環保的智能建筑體系，促進建筑行業的可持續發展。

3 智能建筑結構設計中BIM 技術的有效應用分析

3.1 復雜形體設計應用

智慧建筑的外形比較復雜，在尤其是一些不規則建筑設計過程中，設計難度較大。通過將Rhino 設計的參數化模型導入至Revit 進行展現，結合數字技術優化設計方案，對比BIM 模型和CAD 平面設計圖，可以發現相對傳統的平面圖的形式，BIM 技術更直觀的表現出復雜形體建筑的設計形式并且結合。BIM 技術在建筑結構設計中可以讓設計師充分發揮想象力，對設計方案進行創新，提升設計稿件的質量。同時利用BIM 技術可以將復雜的大型建筑中相對繁雜的信息進行詳細分析，減少在施工過程中的誤差，為施工質量提供了保障，有效的提升了施工效率，確保施工周期。

3.2 綜合管線的應用

綜合管線是保證建筑功能、滿足用戶需求的重要組成部分，尤其是在智能建筑中，優秀綜合管線的設計和施工質量是建筑品質的保障。利用BIM 技術可以有效地減少誤差，避免產生管線交叉等問題。同時通過使用BIM 技術檢測線管功能，利用3D 立體技術構建模型，直觀的觀察和分析線管的建筑的分布，有利于查找問題。當線管出現問題時，系統會對問題進行報警，從而保證綜合線管的安全，避免線管交叉以及施工不合理等問題，減低損失提高施工效率。

3.3 消防應用

智能建筑擁有更多功能，這些都需要電氣設備來實現，這對消防安全提出更高的要求[5]。相對傳統的設計，BIM 技術可以提高建筑消防設計的合理性，以及提高建筑材料的賴燒性，通過計算合理掌握毒氣體散發的時間以及安全疏散人員的距離，從而制定出最佳設計方案，保障人員安全、降低財產損失。并可以配合算法結合BIM 模型實現幾乎1∶1 的人流疏散模擬場景。這對于運維單位應急預案的編制提供了有效的支撐，同時為BIM 技術結合算法的工作流中里給予了充足的經驗。如圖1 所示。

圖1 人流模擬

4 智能建筑結構設計中BIM 技術的有效應用案例

4.1 項目概況

上海金鼎16#地塊、17#地塊、18#地塊及20#地塊位于上海市浦東新區，東至西群河、西至申江路、北至函橋路、南至巨峰路。項目用地面積約9.2 公頃，本次服務總面積約70 萬m2。作為寫入市“十四五”重點的“金色中環發展帶”首批重點建設區域，2 平方公里范圍內，總計275 萬平方米的項目全部由金橋集團負責開發建設及運營，區域在《金鼎BIM 標準》《金鼎CIM 導則》統一指導下，已全面啟動BIM、CIM 建設。圍繞“地上一座城、地下一座城、云端一座城”的總體思路，全力打造“數時代、最上海”的未來之城。核心金鼎九宮格地下空間約70 萬平，地下空間安全監控及分析關乎區域人身和財產安全，地下空間具有相對封閉的特點，對內部災害有放大效應，且空間受限，施救難度大。如火災、爆炸等地下建筑的災害，要比地面危險得多；又如地下空間防洪能力較差，容易灌水，疏散逃離困難。金鼎已有的數字底座可提供精細化數字空間，在此基礎上依托傳感器、數據中臺的安全智防應用平臺可直觀、實時掌握地下空間的安全運行狀況，對空間運維、減災防災有重要意義。

本項目采用的物聯網數據采集技術分為高速采集和低速采集。低速數據采集包含但不限于：風速、風向、光照、雨量等；高速數據采集物聯網采用工業以太網絡，包含但不限于：是視頻信號和地震儀信號等。這為災害防控及預防提供數據支撐。

4.2 BIM 技術的有效應用

本項目要求基于BIM 模型數據進行一系列三維信息化創新應用。包括數據分析及展示應用等，如各類建筑物理數據的量化分析、VR 全景渲染、VR 程序制作、營銷展示輔助、數字沙盤等。創新服務主要目的為深度挖掘BIM模型價值，通過可視化方式降低BIM 應用門檻，便于進行針對項目營銷、產品宣傳和匯報展示相關等各類事務。最終根據地塊BIM 模型完成的可視化交付內容包括：便攜二維碼、云端三維、云端托管模型、VR 運行程序、AR 運行程序、視頻動畫、效果圖、交互式數字沙盤、觸摸式數字沙盤等多元化內容。主要包括以下幾個方面：

①主要工作內容進行基于金鼎CIMAI 平臺數字底座（如圖2 所示）的升級迭代，根據過往建設成果進行版本更新、GIS 融合、底座上云等工作。

圖2 數字平臺

②進行針對超大地下空間的“安全都市”空間安全平臺建設。

③對現有金鼎展廳進行生肌，融合元宇宙概念，打造金鼎元宇宙相關應用。

④對發包方提供的BIM 模型，應在整理后全面準確反映圖紙信息，包括幾何信息、對象名稱、材料信息、系統信息、型號信息、時間版本等；如有需要，基于BIM 模型和深度設計圖紙（如幕墻、室內）進行精裝修建模，并對其準確性進行校驗。

⑤對元宇宙類應用，應根據實際應用場景，并將其模型大小控制在合理范圍內。模型不出現明顯破洞、少面、重面現象。建筑要素模型在滿足視覺效果的情況下，宜減少模型的幾何面數，降低紋理的分辨率。

⑥模型使用的紋理材料應與建筑外觀保持一致，反映出與設計資料相符的圖像、顏色、透明度等，紋理應正確反映木材、石材、玻璃、金屬等建筑材質特征。紋理中不應含有遮擋物，物體的立面及屋頂變化細節應清晰可辨；建筑物模型內部不應存在明顯縫隙，相交的點需焊接以確保相交點的空間拓撲關系正確。

⑦運用revit 中uds 插件實現BIM 模型（如圖3 所示）至UE（如圖4 所示）的互通。

圖3 revit 中

圖4 在UE 中

5 結束語

在智慧城市建設背景下，智能建筑的設計尤為重要。通過應用BIM 技術解決在復雜建筑、綜合管線以及消防設計等難題，可以提升建筑施工質質量，減少資源浪費，降低建筑成本，并配合UE 引擎等可視化引擎的幫助下在后續運維階段可更加容易地進行災害防治、災害解決，促進了建筑行業的可持續發展。隨著我國智慧城市建設的進一步發展，以上海金鼎為代表項目，象征著智能建筑發展迅速，通過合理的利用BIM 技術，顯著提升建筑設計品質，推動建筑行業智能化、信息發展，具有非常顯著的價值。