BI M技術在建筑設計中的應用及推廣策略

1 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），廣義上理解是一種建筑工作的生態模式， 而不單只是一種軟件或工具或是三維建模。 其目前應用于工程設計、施工管理等領域，主要通過對建筑工程的數據模型整合，使其在項目設計、施工建造、 運營管理等全生命周期內能夠實現相關數據的共享， 大幅提高工程技術人員對建筑內外部空間信息的掌握程度， 目前已經在建設工程中發揮了縮短建設時間和節約建設成本的積極作用，是實現建筑信息化的重要手段[1]。

2 BI M技術在建筑設計中的應有優勢

BIM 在建筑設計中的應用優勢主要包括以下兩個方面，即實現了建筑設計的三維化和實現了設計成果的動態模擬。

在傳統的建筑設計軟件中為了對所有信息進行表達，必須在設計圖紙中對所有的線型進行標注，并使用立面圖、剖面圖和平面圖與之相配合， 才能夠較為清晰地表達建筑設計方案，一旦遇到某個較為復雜的建筑方案，則進一步加大了方案實施的難度。 作為三維模型，參建人員能夠自由地對設計模型進行縮放， 任何建設設計方案的細節均能夠在模型中得以展現，尤其使設計人員從大量煩瑣的尺寸標注和“平、立、剖”轉化過程中解放出來，更加專注于建筑構思上。 同時，也能夠簡化施工圖的表達，讓更多施工人員能夠掌握設計內容，降低因圖紙表達不清晰而造成的溝通問題，便于施工開展。

建筑設計需呈現出設計對象的主體方案， 但傳統的三維設計工具都是以輔助方案推敲和效果呈現為主， 推動方案深化的二維設計軟件與三維軟件之間缺少鏈接， 對于方案設計與后續施工圖設計和指導現場施工等工作程序也缺乏協同平臺。 而通過應用BIM 技術后，設計人員可直接在三維模型上指導現場施工， 而施工人員也可對已完成的設計內容進行標注，雙方通過顏色上的差異對圖紙內容進行交流。 同時，設計人員還可對設計方案進行模擬建造， 并通過動態呈現來驗證工作路程是否滿足相關規范要求，是否存在安全隱患，并結合驗證結果對設計方案進行優化。

3 案例分析

3.1 項目概況

本項目位于北京市海淀區西北旺鎮，西側為永豐路，用地北側為鄧莊南路，南側為西北旺統建一街，項目為36 班九年一貫制的學校及9 班幼兒園。項目總占地面積約18 164 m2，建筑設計包含2 個建筑組團，組團一功能為教學樓與地下車庫；組團二為科技樓與風雨操場、食堂等。 九年一貫制校區總建筑面積26 797.00 m2，其中地上18 164.00 m2、地下8 815.00 m2，建筑層數為地上4 層，地下1 層；幼兒園與學校整體設計，幼兒園總建筑面積4 080 m2，其中，地上3 120 m2，地下960 m2，建筑層數為地上3 層，地下1 層。 項目總平圖見圖1。

圖1 項目總平圖

3.2 BI M技術在項目方案設計階段的應用

在項目方案設計階段最為重要的任務便是在可供開發利用的場地內盡可能地建造教學空間， 并避免對場地周邊現有建筑物產生不利影響，因此，項目在該階段充分發揮BIM 技術在3D 場景展現和建筑自然環境模擬等方面的優勢，綜合考慮氣候、采光、通風等多種因素，比選最優化的設計方案。

在建筑空間布局時，項目設計人員首先采用BIM 模型技術搭建了項目周邊建筑群的數據模型， 從而為后期教學樓布局的優化奠定了基礎。 設計師在完成建筑造型方案后，便可與之前構建的環境模型進行拼接， 并在數據庫中加載日照、通風、噪聲源等各種外部環境條件，不但可以十分直觀地評估教學樓對中周邊建筑的影響程度， 并以此為依據向設計人員提供切實可行的優化方案， 而且還能模擬出校區西側停車場在運營過程中所產生的噪聲范圍， 進而提示設計師對教學樓進行合理的避讓。

項目方案設計階段需要解決的另一問題便是設計師所設計建筑外觀造型能夠被項目業主所接受， 而在比選方案的過程中BIM 技術所具備的建筑外形模擬能力便可為設計師提供優良的表達方式。BIM 軟件能夠根據設計師提供的CAD 圖紙自動轉化為三維的模型， 并且可以從多角度對建筑模型進行縮放， 從而全方面地為業主展現與建成后建筑物毫無差別的模型，為業主確定設計方案提供決策依據。 同時，BIM 還將錄入數據庫中的建筑外墻、 門窗等建筑材料的紋理、 色澤數據，便可更加真實地還原建筑外觀。 項目三維模型見圖2。

通過BIM 技術的優化， 項目實現了理想的設計方案，且具有較高的準確性。 本項目的教學樓組團中，空間形式多樣，設計在保證充足日照要求和校園建筑安全性的基礎上， 注重課間活動與教學空間的聯系與過渡， 內向的下沉庭院也讓建筑的尺度更加親切舒適， 從而讓孩子們更容易自發地代入空間體驗。 科技樓與風雨操場組團高低錯落，相互咬合，首層形成架空空間，增進校園入口空間的可達性與通透性，營造了一個抱有歡迎姿態的校園入口空間， 將人流導入豐富的校園空間序列；回游式的空間組織中，室外樓梯串聯起二層屋面形成可自由穿行的大平臺，室外活動空間最大化和豐富的空間體驗，激發交流活動，形成室內外空間互相滲透、聯動的空間氛圍。

3.3 BI M技術在項目初步設計階段的應用

隨著項目設計的不斷深入， 在確定建筑外形和空間布局后，設計師將對建筑設計方案進行完善，從而使其符合初步設計階段的深度要求。 在此階段建筑設計的重要工作是在完善功能需求和使用空間的同時， 進行結構與機電等全專業的深化構建。 在前期的空間設計中，復雜的形體關系以及懸挑、架空等豐富的建筑形態在初步階段， 通過BIM 技術的協同優化，與結構設計交互推進，方案減少了因后期驗證出現問題而返工調整的情況，完成了正向設計，提高了項目運行效率。

在BIM 系統的幫助下，設計師能夠對施工階段才能展現的建筑效果進行模擬，進而事先發覺設計方案中存在的問題。例如， 在初步設計階段需要對設計方案的結構進行剖面一致性校核，從而杜絕不同專業設計彼此之間的誤差。 首先，BIM系統可先將不同專業的CAD 設計圖紙轉化為三維的BIM 模型，隨后將不同專業的三維模型加載到同一系統之中，數據庫則自動比對不同圖層進行空間拓撲關系的演算， 最后系統能夠自動根據相應規則對各種三維模型進行研判， 并標識出不同專業之間的數據差異，從而方便設計人員及時進行調整。

除此之外，BIM 系統還可應用Revit 軟件來獲取三維空間中各種建筑附件的信息，各類門窗、墻體面積等原本需要在建筑物立面圖或剖面圖中進行統計計算的相關數據，BIM 系統可自動進行識別，并分類進行統計。

3.4 BI M技術在項目施工圖設計階段的應用

在施工圖設計階段中，需要將建筑、結構、給排水、電力電器等專項設計統一融入建筑設計中，而在此期間BIM 技術能夠在碰撞檢測、 三維管道綜合和室內凈空優化等方面展現出驚人的輔助設計能力。

在傳統的建筑設計師中所有的室內管線都是呈現在CAD 等二維設計軟件之中， 在CAD 等設計軟件中各類管線的表達方式只能通過在設計圖中用不同的數據進行標注，一旦不同管線出現交叉，系統則無法準確分辨交叉處具體情況，加之所有管線并非是一條沒有體積的線條， 當大量管線在某一點出現交叉時則會造成局部出現“擁堵”。此時，BIM 系統不但能夠在模型中準確標識出每一根管線的具體位置， 而且還能根據CAD 圖紙中標準的管線材料和管線尺寸來自動優化管線前后布置及需要在節點需要導改的部分管線， 盡量做到小管徑管線避讓大管徑管線；非金屬管避讓金屬管；壓力管避讓非壓力管。 另外，如果管線需要穿越墻體，BIM 系統則會提示設計師需要開設多大的洞口來保證管線順利穿越[2]。

凈空優化是指對建筑內部的各類電力電器管線的排布進行優化， 檢測建筑內部是否有足夠的空間能夠容納上述管線布設。 在教學樓中各種公共空間如教學、大廳、走廊等區域中樓層凈高需求不一，尤其是校園中必不可少的階梯教室，其內部更是存在較大的高度落差，因此，加大了項目凈空優化的難度。 在本項目中設計師運用BIM 可視基礎對建筑內部的各類管線走位進行優化， 從而為教學空間爭取了更多的室內層高和更加簡潔的室內頂棚。 教學樓的配電房和消防機房內各類管線密度，幾乎是整個項目中管線數量最多，分布最為密集的區域，利用BIM 技術將所有管線進行優化，并最終利用建筑內部屋頂橫梁中的空腔來重新布排大量管線， 進而滿足了相關室內空間的凈高需求[3]。

除了對各類內部管線進行凈空優化外， 教學樓內部的消防通道和樓梯間也可利用BIM 技術進行優化。 在樓梯間內由于空間大小和垂直落差等條件的限制， 建筑設計師會較為平均地布置樓梯的規格， 但由于混凝土樓梯在結構強度和受力結構的影響下，其構件本身的厚度也會出現一定變化，故通過BIM 軟件可更加直接地模擬出不同樓梯設計方案中空間凈高的數值， 并利用動態模擬來驗證人員或物資在樓梯中移動的可行性和舒適性， 對局部限制條件較為苛刻的樓梯則采用平樓板來代替鋸齒形的樓板。

4 結語

BIM 技術作為21 世紀建筑工程領域的劃時代產物，它的出現旨在“效率”的提升和“信息”的連接，是建筑行業信息化的必然趨勢。 本項目在建筑設計的各個階段均采用了BIM 軟件對設計方案進行復核和優化調整，尤其是在建筑外觀、碰撞檢測、三維管道綜合和室內凈空優化等方面發揮了重要作用，及早地發現了建筑設計各專業的交叉性問題， 為提高項目設計質量和提供了保障。