BI M技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(tài)模式， 而不單只是一種軟件或工具或是三維建模。 其目前應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、施工管理等領(lǐng)域，主要通過對(duì)建筑工程的數(shù)據(jù)模型整合，使其在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工建造、 運(yùn)營(yíng)管理等全生命周期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的共享， 大幅提高工程技術(shù)人員對(duì)建筑內(nèi)外部空間信息的掌握程度， 目前已經(jīng)在建設(shè)工程中發(fā)揮了縮短建設(shè)時(shí)間和節(jié)約建設(shè)成本的積極作用，是實(shí)現(xiàn)建筑信息化的重要手段[1]。

2 BI M技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)有優(yōu)勢(shì)

BIM 在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括以下兩個(gè)方面，即實(shí)現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)的三維化和實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)成果的動(dòng)態(tài)模擬。

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)軟件中為了對(duì)所有信息進(jìn)行表達(dá)，必須在設(shè)計(jì)圖紙中對(duì)所有的線型進(jìn)行標(biāo)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(dá)建筑設(shè)計(jì)方案，一旦遇到某個(gè)較為復(fù)雜的建筑方案，則進(jìn)一步加大了方案實(shí)施的難度。 作為三維模型，參建人員能夠自由地對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行縮放， 任何建設(shè)設(shè)計(jì)方案的細(xì)節(jié)均能夠在模型中得以展現(xiàn)，尤其使設(shè)計(jì)人員從大量煩瑣的尺寸標(biāo)注和“平、立、剖”轉(zhuǎn)化過程中解放出來，更加專注于建筑構(gòu)思上。 同時(shí)，也能夠簡(jiǎn)化施工圖的表達(dá)，讓更多施工人員能夠掌握設(shè)計(jì)內(nèi)容，降低因圖紙表達(dá)不清晰而造成的溝通問題，便于施工開展。

建筑設(shè)計(jì)需呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)對(duì)象的主體方案， 但傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)工具都是以輔助方案推敲和效果呈現(xiàn)為主， 推動(dòng)方案深化的二維設(shè)計(jì)軟件與三維軟件之間缺少鏈接， 對(duì)于方案設(shè)計(jì)與后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工等工作程序也缺乏協(xié)同平臺(tái)。 而通過應(yīng)用BIM 技術(shù)后，設(shè)計(jì)人員可直接在三維模型上指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工， 而施工人員也可對(duì)已完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)注，雙方通過顏色上的差異對(duì)圖紙內(nèi)容進(jìn)行交流。 同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬建造， 并通過動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)來驗(yàn)證工作路程是否滿足相關(guān)規(guī)范要求，是否存在安全隱患，并結(jié)合驗(yàn)證結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)，西側(cè)為永豐路，用地北側(cè)為鄧莊南路，南側(cè)為西北旺統(tǒng)建一街，項(xiàng)目為36 班九年一貫制的學(xué)校及9 班幼兒園。項(xiàng)目總占地面積約18 164 m2，建筑設(shè)計(jì)包含2 個(gè)建筑組團(tuán)，組團(tuán)一功能為教學(xué)樓與地下車庫(kù)；組團(tuán)二為科技樓與風(fēng)雨操場(chǎng)、食堂等。 九年一貫制校區(qū)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(shù)為地上4 層，地下1 層；幼兒園與學(xué)校整體設(shè)計(jì)，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(shù)為地上3 層，地下1 層。 項(xiàng)目總平圖見圖1。

圖1 項(xiàng)目總平圖

3.2 BI M技術(shù)在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段最為重要的任務(wù)便是在可供開發(fā)利用的場(chǎng)地內(nèi)盡可能地建造教學(xué)空間， 并避免對(duì)場(chǎng)地周邊現(xiàn)有建筑物產(chǎn)生不利影響，因此，項(xiàng)目在該階段充分發(fā)揮BIM 技術(shù)在3D 場(chǎng)景展現(xiàn)和建筑自然環(huán)境模擬等方面的優(yōu)勢(shì)，綜合考慮氣候、采光、通風(fēng)等多種因素，比選最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

在建筑空間布局時(shí)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員首先采用BIM 模型技術(shù)搭建了項(xiàng)目周邊建筑群的數(shù)據(jù)模型， 從而為后期教學(xué)樓布局的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)師在完成建筑造型方案后，便可與之前構(gòu)建的環(huán)境模型進(jìn)行拼接， 并在數(shù)據(jù)庫(kù)中加載日照、通風(fēng)、噪聲源等各種外部環(huán)境條件，不但可以十分直觀地評(píng)估教學(xué)樓對(duì)中周邊建筑的影響程度， 并以此為依據(jù)向設(shè)計(jì)人員提供切實(shí)可行的優(yōu)化方案， 而且還能模擬出校區(qū)西側(cè)停車場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)過程中所產(chǎn)生的噪聲范圍， 進(jìn)而提示設(shè)計(jì)師對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行合理的避讓。

項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段需要解決的另一問題便是設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)建筑外觀造型能夠被項(xiàng)目業(yè)主所接受， 而在比選方案的過程中BIM 技術(shù)所具備的建筑外形模擬能力便可為設(shè)計(jì)師提供優(yōu)良的表達(dá)方式。BIM 軟件能夠根據(jù)設(shè)計(jì)師提供的CAD 圖紙自動(dòng)轉(zhuǎn)化為三維的模型， 并且可以從多角度對(duì)建筑模型進(jìn)行縮放， 從而全方面地為業(yè)主展現(xiàn)與建成后建筑物毫無差別的模型，為業(yè)主確定設(shè)計(jì)方案提供決策依據(jù)。 同時(shí)，BIM 還將錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中的建筑外墻、 門窗等建筑材料的紋理、 色澤數(shù)據(jù)，便可更加真實(shí)地還原建筑外觀。 項(xiàng)目三維模型見圖2。

通過BIM 技術(shù)的優(yōu)化， 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了理想的設(shè)計(jì)方案，且具有較高的準(zhǔn)確性。 本項(xiàng)目的教學(xué)樓組團(tuán)中，空間形式多樣，設(shè)計(jì)在保證充足日照要求和校園建筑安全性的基礎(chǔ)上， 注重課間活動(dòng)與教學(xué)空間的聯(lián)系與過渡， 內(nèi)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(fā)地代入空間體驗(yàn)。 科技樓與風(fēng)雨操場(chǎng)組團(tuán)高低錯(cuò)落，相互咬合，首層形成架空空間，增進(jìn)校園入口空間的可達(dá)性與通透性，營(yíng)造了一個(gè)抱有歡迎姿態(tài)的校園入口空間， 將人流導(dǎo)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(lián)起二層屋面形成可自由穿行的大平臺(tái)，室外活動(dòng)空間最大化和豐富的空間體驗(yàn)，激發(fā)交流活動(dòng)，形成室內(nèi)外空間互相滲透、聯(lián)動(dòng)的空間氛圍。

3.3 BI M技術(shù)在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

隨著項(xiàng)目設(shè)計(jì)的不斷深入， 在確定建筑外形和空間布局后，設(shè)計(jì)師將對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善，從而使其符合初步設(shè)計(jì)階段的深度要求。 在此階段建筑設(shè)計(jì)的重要工作是在完善功能需求和使用空間的同時(shí)， 進(jìn)行結(jié)構(gòu)與機(jī)電等全專業(yè)的深化構(gòu)建。 在前期的空間設(shè)計(jì)中，復(fù)雜的形體關(guān)系以及懸挑、架空等豐富的建筑形態(tài)在初步階段， 通過BIM 技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交互推進(jìn)，方案減少了因后期驗(yàn)證出現(xiàn)問題而返工調(diào)整的情況，完成了正向設(shè)計(jì)，提高了項(xiàng)目運(yùn)行效率。

在BIM 系統(tǒng)的幫助下，設(shè)計(jì)師能夠?qū)κ┕るA段才能展現(xiàn)的建筑效果進(jìn)行模擬，進(jìn)而事先發(fā)覺設(shè)計(jì)方案中存在的問題。例如， 在初步設(shè)計(jì)階段需要對(duì)設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖面一致性校核，從而杜絕不同專業(yè)設(shè)計(jì)彼此之間的誤差。 首先，BIM系統(tǒng)可先將不同專業(yè)的CAD 設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為三維的BIM 模型，隨后將不同專業(yè)的三維模型加載到同一系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)庫(kù)則自動(dòng)比對(duì)不同圖層進(jìn)行空間拓?fù)潢P(guān)系的演算， 最后系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)則對(duì)各種三維模型進(jìn)行研判， 并標(biāo)識(shí)出不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)差異，從而方便設(shè)計(jì)人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

除此之外，BIM 系統(tǒng)還可應(yīng)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)，BIM 系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別，并分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.4 BI M技術(shù)在項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

在施工圖設(shè)計(jì)階段中，需要將建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電力電器等專項(xiàng)設(shè)計(jì)統(tǒng)一融入建筑設(shè)計(jì)中，而在此期間BIM 技術(shù)能夠在碰撞檢測(cè)、 三維管道綜合和室內(nèi)凈空優(yōu)化等方面展現(xiàn)出驚人的輔助設(shè)計(jì)能力。

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)師中所有的室內(nèi)管線都是呈現(xiàn)在CAD 等二維設(shè)計(jì)軟件之中， 在CAD 等設(shè)計(jì)軟件中各類管線的表達(dá)方式只能通過在設(shè)計(jì)圖中用不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，一旦不同管線出現(xiàn)交叉，系統(tǒng)則無法準(zhǔn)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(dāng)大量管線在某一點(diǎn)出現(xiàn)交叉時(shí)則會(huì)造成局部出現(xiàn)“擁堵”。此時(shí)，BIM 系統(tǒng)不但能夠在模型中準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)出每一根管線的具體位置， 而且還能根據(jù)CAD 圖紙中標(biāo)準(zhǔn)的管線材料和管線尺寸來自動(dòng)優(yōu)化管線前后布置及需要在節(jié)點(diǎn)需要導(dǎo)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(tǒng)則會(huì)提示設(shè)計(jì)師需要開設(shè)多大的洞口來保證管線順利穿越[2]。

凈空優(yōu)化是指對(duì)建筑內(nèi)部的各類電力電器管線的排布進(jìn)行優(yōu)化， 檢測(cè)建筑內(nèi)部是否有足夠的空間能夠容納上述管線布設(shè)。 在教學(xué)樓中各種公共空間如教學(xué)、大廳、走廊等區(qū)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(nèi)部更是存在較大的高度落差，因此，加大了項(xiàng)目?jī)艨諆?yōu)化的難度。 在本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)師運(yùn)用BIM 可視基礎(chǔ)對(duì)建筑內(nèi)部的各類管線走位進(jìn)行優(yōu)化， 從而為教學(xué)空間爭(zhēng)取了更多的室內(nèi)層高和更加簡(jiǎn)潔的室內(nèi)頂棚。 教學(xué)樓的配電房和消防機(jī)房?jī)?nèi)各類管線密度，幾乎是整個(gè)項(xiàng)目中管線數(shù)量最多，分布最為密集的區(qū)域，利用BIM 技術(shù)將所有管線進(jìn)行優(yōu)化，并最終利用建筑內(nèi)部屋頂橫梁中的空腔來重新布排大量管線， 進(jìn)而滿足了相關(guān)室內(nèi)空間的凈高需求[3]。

除了對(duì)各類內(nèi)部管線進(jìn)行凈空優(yōu)化外， 教學(xué)樓內(nèi)部的消防通道和樓梯間也可利用BIM 技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 在樓梯間內(nèi)由于空間大小和垂直落差等條件的限制， 建筑設(shè)計(jì)師會(huì)較為平均地布置樓梯的規(guī)格， 但由于混凝土樓梯在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和受力結(jié)構(gòu)的影響下，其構(gòu)件本身的厚度也會(huì)出現(xiàn)一定變化，故通過BIM 軟件可更加直接地模擬出不同樓梯設(shè)計(jì)方案中空間凈高的數(shù)值， 并利用動(dòng)態(tài)模擬來驗(yàn)證人員或物資在樓梯中移動(dòng)的可行性和舒適性， 對(duì)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(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)作為21 世紀(jì)建筑工程領(lǐng)域的劃時(shí)代產(chǎn)物，它的出現(xiàn)旨在“效率”的提升和“信息”的連接，是建筑行業(yè)信息化的必然趨勢(shì)。 本項(xiàng)目在建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均采用了BIM 軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核和優(yōu)化調(diào)整，尤其是在建筑外觀、碰撞檢測(cè)、三維管道綜合和室內(nèi)凈空優(yōu)化等方面發(fā)揮了重要作用，及早地發(fā)現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)各專業(yè)的交叉性問題， 為提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量和提供了保障。