基于BIM的建筑設計三維工作流應用形態探索

吳琦

上海建工四建集團 上海 201103

在國家“十四五”建筑業發展規劃的政策引導下，BIM全過程應用成為必然趨勢，建筑師對于三維設計工作流的需求迫切，同時現階段建筑設計的工作流面臨著革新。本文提出的建筑設計新型工作流，是 BIM全過程應用的基礎下進行建筑專業的的三維工作流應用探索，并探索了關鍵應用形態的實現方法，有助于促進建筑設計行業高質量數字化發展。

1 提出建筑設計三維工作流的迫切需求

1.1 外部政策與內在需求

進入“十四五”時期，建筑業提出“數字建造”的轉型目標，同時啟動城市信息模型（CIM-City Information Modeling）的研究和示范性工作，數字化設計的趨勢已經毋庸置疑，對建筑師的影響貫穿了設計全過程。在過去多年的BIM應用實踐中，由于建模技術、設計周期、資金等多方面限制，沒有做到以BIM模型為設計主體的目標。在具體設計工作中，建筑師的思考與推敲是基于三維空間的，但建筑師的表達方法卻是二維的圖形。二維圖形是三維空間的映射，用二維圖紙表達三維空間的過程中維度低一級，導致二維圖紙的語言無法完整的表達建筑師對三維空間的設計意圖，這個降維表達的過程是傳統建筑設計工作流的圖紙問題產生的根源。綜上所述，建筑師對于三維設計工作流的需求是迫切的，基于BIM的設計工作有著內在的驅動力[1]。

1.2 建筑設計二維工作流面對的困難

在建筑設計前期階段，二維的工作流下存在“雙線”并行狀態即：一條采用AutoCAD繪制二維圖紙并計算面積流程，另一條用SketchUp建立三維模型推敲造型流程。兩條線彼此獨立運行，之間通過數據整理復核，交換數據信息。也就是說SketchUp的模型推敲好后需要在AutoCAD中重新繪制相關圖形；AutoCAD中調整好的圖紙需在SketchUp中修改以滿足指標要求，這種數據交換的過程會在設計推進的過程中重復多次。

在建筑設計深化階段，二維的工作流下總圖、平面、立面、剖面、詳圖都是分別獨立繪制的任意一處調整都需要立面、剖面、詳圖、指標等多處做出相應調整，使得繪圖任務繁重，導致二維圖紙細部節點回避精細化表達。除了上述痛點以外，還存在著設計周期過度壓縮，難以到達應有的設計深度，設計質量更無從談起。

1.3 建筑設計三維工作流綜述

圖1 三維工作流導圖

本文提出的建筑設計三維工作流，是指將設計、模型、圖紙、信息整合到一起，滿足建筑設計到概念方案到可以指導施工的新型工作方法，使得設計過程，繪圖過程以及表達過程減少割裂，數據信息來源與出口一致。我們發現二維工作流中很多約定俗成的表達以及容易忽略的常規做法，在三維模型中難以被規避。同時由于圖紙表達是基于三維模型生成的，這就對三維模型的深度和精度提出更高要求，建筑師們將會花費大量精力構建三維模型，以滿足相關階段成果提交需求。當然，任何一種新技術的應用都需要一個學習和推廣的過程，曾經的二維設計工作流的基礎是五十年前AutoCAD技術的應用與推廣，而三維設計工作流（包含軟件技術）的應用才開始發揚，試想一下設計師們的BIM軟件熟練度與AutoCAD的水平相當，所帶來的設計與表達將會令人打開眼界。

2 三維工作流工具

2.1 基礎工具

建筑師需要掌握至少一個常用的BIM軟件，目前各方面比較成熟的BIM軟件有REVIT、ARCHICAD、BENTLEY，目前的BIM軟件都各有所長也都不完美。

REVIT優勢在于深化設計、交叉作業，軟件可將各專業作為整體，在同一時間開始展開各自的設計，通過信息的傳遞與共享搭建建筑整體BIM模型，各專業參與度高。劣勢在于對曲面結構進行設計時往往具有較大難度，特別是異類連續形曲面結構，如不規則曲面屋頂、幕墻、古建筑等。目前用利用概念體量的方法完成了一些曲面的造型，但操作過程過于繁雜。

ARCHICAD功能上基本涵蓋了從概念方案到施工圖成果提交的所有功能需求, 與眾多建模軟件相比，其對計算機硬件的要求較低，無需購買高配置計算機即可展開工作, 專注于建筑設計領域。劣勢在于對于結構、機電專業功能薄弱，曲面造型建模功能薄弱。

BENTLEY優勢在于擁有多種建模方式，利用內置的實體、網格面、B-Spline曲線曲面、特征參數化、拓撲等多種建模方式，可自由拓展變形，非線性建模功能強大。劣勢在于各專業軟件必須配合使用，影響協同效率，且軟件價格昂貴。

圖2 常用BIM軟件圖標

2.2 可視化工具

目前最常用的實時渲染引擎有LUMION、ENSCAPE。LUMION是最強大，經過10個版本的開發，功能已經非常完善，出來的效果基本不輸專業渲染器。ENSCAPE是更加輕量化的實時可視化引擎。最早它是在SketchUp平臺上發布，現在已經支持Revit、Rhino、ARCHICAD、Vectorworks等軟件平臺。其簡潔易用，效果清新，安裝插件后，可以在軟件視圖中直接調用，是建筑師推敲空間效果的利器。

圖3 常用渲染引擎圖標

2.3 庫與模板

現有的設計流程，每一個項目重復利用的知識庫內容很少，很多內容都必須重復計算，繪制，調整，再計算，再繪制，再調整；又比如SketchUp的建模，每個項目都要重新建表皮做法，無法重復用。而三維設計流程可以借助BIM軟件的功能，從預設的模板和積累的知識庫中調取資源，不同的建筑表皮做法可以存入收藏夾，不同項目可以調用收藏夾內的做法，快速重建多樣的表皮。知識庫的應用還能體現標準化的內容，控制設計質量，對項目的設計深度、精細度和完成度都是重要的支撐。對于這種知識庫的積累和重復利用，是三維設計工作流程甚至是建筑設計公司高效發展的迫切需要。

圖4 建筑幕墻、欄桿庫

3 關鍵應用形態

3.1 虛擬建造

虛擬建造不僅僅是建立出建筑模型，更重要的是能將現實中難以觀察到的部分模擬出來。讓設計團隊中每個人隨時可實時高效獲取獲取項目整體信息， 降低設計師提資或交流過程中的摩擦與專業知識壁壘。近幾年，漫游動畫在國內外已經得到了越來越多的廣泛應用，比如三維地勢仿真、人機交互、真實修建空間等特性，都是傳統方式所不能實現的。

虛擬建造常見的功能有漫游動畫，其功能是設計師可以從任意距離、視點和精密程度進行觀察，可以自由切換多種運動模式，如飛行、跑步、行走、駕駛等；也可以給用戶帶來視覺上的沖擊，同時擁有感同身受的體驗。目的是為了追求真實且貼近現實生活，也是用來表現某一座建筑的創作、構想、設計、完成、運營的過程，展示建筑本身的生命周期。虛擬建造常見的形態有仿真模擬，其功能是有效模擬建筑內部空間人行動線，同時支持正常情況和疏散情況。目前常見的軟件主要有Massmotion、Analyser、Legion等，其中Massmotion支持三維模型導入，格式為3ds、dae、dgn、dwg、dxf、fbx、obj、skp、ifc文件可導入Massmotion使用，此方法與建筑師的三維工作流聯動性強，同時可以驗證設計的合理性[2]。

圖5 enscape窗口與revit模型聯動

圖6 立面細節推敲

圖7 室內效果推敲

3.2 碰撞檢測

基于BIM的碰撞檢測是BIM技術應用初期最易實現、最直觀、最易產生價值的功能之一。常用方法是利用BIM平臺上進行多模型的整合，核查各處碰撞，包括土建、管線專業內的碰撞與專業間的碰撞。這個過程可以輕易的將隱藏的空間問題暴露出來。碰撞檢查分為硬碰撞和軟碰撞兩種，硬碰撞是指實體與實體之間交叉碰撞，軟碰撞是指實際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關施工要求。建筑設計工作過程中主要關注硬碰撞，隨著項目的深化還要關注軟碰撞，例如暖通之間的間隙必須滿足安裝和檢修的空間要求，即使物理上沒有碰撞，但保溫、支架、施工安裝距離等間隙不夠屬于軟碰撞。應用BIM可視化技術，施工設計人員在建造之前就可以對項目的土建、管線、工藝設備等進行管線綜合及碰撞檢查，不但能夠徹底消除硬碰撞、軟碰撞，優化工程設計，減少在建筑施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性，而且優化凈空，優化管線排布方案。最后施工人員可以利用碰撞優化后的三維管線方案，進行施工交底、施工模擬，提高施工質量，同時也提高了與業主溝通的能力[2]。

常見的碰撞問題包括：

建筑與結構專業：標高、剪力墻、柱等位置不一致，或梁與門沖突；

結構與設備專業：設備管道與柱沖突；

設備內部各專業：各專業與管線沖突；

設備與室內裝修：管線末端與室內吊頂沖突；

解決管線空間布局。

圖8 建筑結構碰撞分析

圖9 建筑結構設備全專業碰撞分析

3.3 數據信息整合

在基于BIM的的建筑設計工作流中，每一個項目都是一個數據庫，數據庫中記錄了建筑元素構件的三維幾何形體及其信息。在基于BIM的設計工作流程中，我們需要在創建三維模型構件的同時，注重數據信息的創建和整合應用，使得數據信息在各個階段、各參與方之間流轉，最大限度發揮數據信息的作用。提取由建筑設計內容的工程量。如面積、房間數、門窗數、各類設施設備數等。與二維CAD相比，工作量有較大提高，但在建模完成后，生成剖面圖及立面圖以及在門窗表統計等工作上的工作量會大大節約。

工程量統計可采取REVIT內直接統計和利用其他軟件進行統計兩種方式。對于建筑專業工程量信息一半采用REVIT內直接統計的方式，應根據國家(或地方)清單計價規范，可在Revit明細表內制定清單代碼掛接規則。按照族名稱(或類型名稱)，將項目編碼、項目名稱、項目內容、項目特征等參數信息，批量賦予模型構件。建立材質提取或構件明細表。

圖10 REVIT模型統計房間、機電設備并輸出明細表

3.4 設計成果圖模合一

傳統二維設計被人詬病最多的就是各種圖紙中的內容和數據信息不對應，平面圖與立面圖、剖面圖之間是松散的關系，缺乏聯系。當設計變更后，平面首先調整，立面圖、剖面圖需要跟著修改，同時還需要調整與之相關聯的其他圖紙。我們在校審圖紙的過程中，經常發現平/立/剖面圖對不上的情況。而且當存量圖紙信息達到一定數量的時候，再新增圖紙內容并調整設計，工作量巨大。建筑師大量的時間，花在了設計變更后人工去整合與調整這些割裂的聯系。早期BIM軟件并不善于表達建筑設計的二維圖紙，給出圖造成了一定的難度。這在一個側面影響了建筑師對BIM技術的應用。

完全基于BIM模型文件生成的圖紙，是指從模型里直接切出并和模型文件相互關聯的，即模型修改的同時，二維圖紙相應修改。其關聯的二維圖紙包括：

平面系統：包括各樓層平面圖、屋頂平面圖、場地平面圖立面系統：包括室內、外立面圖

剖面系統：各個方向的剖面圖、墻身剖面

局部放大圖：包括衛生間詳圖、樓梯間、關鍵局部

詳圖：特殊需要表達的節點詳圖、門窗詳圖

明細表：包括面積表、門窗表、室內、外材料明細表等三維透視圖/軸測圖：包括整體透視圖、軸測圖等

圖11 三維模型二維圖紙聯動

3.5 BIM三維技術交底

一般包括圖紙交底、施工技術措施交底及安全技術交底等。在每一單項和分部分項工程開始前，均應進行技術交底工作。要嚴格按照施工圖、施工組織設計、施工驗收規范、操作規程和安全規程的有關技術規定施工。傳統的圖紙交底、圖紙會審等工作開展主要體現在：基于二維CAD圖紙或者打印出來的紙質藍圖進行使用。BIM的圖紙交底工作，前期需要大量的準備工作（模型創建、問題查找等），但使用過程卻變得非常高效，且有質量。很多時候二維CAD圖紙深化不到位，遺留后期施工問題較多。隨著BIM技術的應用與發展，施工中深化設計在BIM融入之下得到了大幅改善。在施工現場一下復雜、涉及專業交叉作業的環境中應用BIM技術進行深化設計、施工輔助、使空間中的布置進行可視化模擬，碰撞核對。最后通過可視化技術交底的方法可以有效對施工圖中存在的設計缺陷進行校對及審閱，大幅提升后期施工質量，減少變更與修改，從而達到降低成本的效果。目前建筑項目專業眾多、體量大、結構復雜、管線排布錯綜復雜、空間布局繁雜等現象。這樣就對施工方提出了很高的專業素質與技術能力的要求。而傳統的專業施工協調方法是基于2D平面進行，對于隱藏點很難表現出來，尤其是構件與空間、人員與空間的軟碰撞更是難上加難的問題，直接導致了施工困難，增加返工，成本過高等現象。通過BIM進行可視化交底方法呈現，更加容易進行專業間問題發現與協調。

3.6 BIM結合人工智能

隨著軟硬件件技術的升級迭代，建筑設計的形態與BIM平臺可能會出現更復雜的功能，建筑師與機器之間的聯系越來越緊密。參考人工智能技術在其他行業的發展與運用方式，可以預見在數字化技術相對落后的建筑行業，人工智能技術將會給建筑行業注入新的生命力。目前，以Revit為代表的 BIM 平臺及其系列工具已經得到初步運用，但傳統的基于文件的桌面設計工具很難植入人工智能技術，很難融入最新的互聯網技術體系，無法成為新的技術核心，只能作為一個用戶端存在。以Revit 為代表的BIM 建模平臺基于文件進行數據交換，模型中構件耦合性非常高，與外部數據交換通常需要數百兆以上的數據傳輸。高耦合性、大容量的 BIM建模操作、關聯更新，需要強大的計算能力，但高耦合性導致的笨重、低效的數據交換，嚴重阻塞了設計工具與外部系統、云端資源的連接[3]。

假設BIM建模平臺解決這一技術難題，支持傳統三維建模技術直接跨入互聯網技術體系，將瞬間打開BIM技術的極大想象空間。設計數據在云端將和其他互聯網數據以同樣的方式存在，大量成熟互聯網技術能快速應用到設計工具和設計數據上，從而快速推動工具的發展與數據的深度計算。其中，最具想象空間的是融合三維模型和圖像、視頻、文本等其它數據的、高精細度的大數據技術。基于互聯網的存儲資源、計算能力和計算框架，將直接觸發建筑行業的應用革命。

本文是上海建工四建集團企業A級課題《BIM正向設計技術及設計流程與管理》研究成果的總結。 BIM正向設計技術及設計流程與管理，課題編號 2018YFD2108。