BIM助力設(shè)計(jì)—施工一體化案例分析

劉建

前言

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)BIM的應(yīng)用主要集中在設(shè)計(jì)和施工階段，運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)用相對(duì)較少。而設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用主要以輔助設(shè)計(jì)為主，即在不改變傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的模式下，增加BIM技術(shù)的應(yīng)用，解決二維無(wú)法處理的異形曲面定位問題以及圖紙中存在的錯(cuò)、漏、碰、缺等設(shè)計(jì)問題。BIM輔助設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模式影響較小，隨著設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)時(shí)間的增加，可以在設(shè)計(jì)階段解決很多以往施工過程中才會(huì)發(fā)現(xiàn)的問題，減少設(shè)計(jì)師在施工階段的精力投入。

越來越多的項(xiàng)目開始全程使用BIM進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，這就要求較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期和大量的人員、時(shí)間投入，相應(yīng)的設(shè)計(jì)取費(fèi)也較高。BIM設(shè)計(jì)項(xiàng)目的業(yè)主基于對(duì)BIM技術(shù)的了解，并對(duì)項(xiàng)目周期、設(shè)計(jì)取費(fèi)的承受能力較強(qiáng)，也更愿意使用BIM三維設(shè)計(jì)。而在施工階段的BIM應(yīng)用主要是施工深化、施工模擬和施工管理等，以下結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

米蘭世界博覽會(huì)中國(guó)企業(yè)聯(lián)合館

項(xiàng)目概況

米蘭世界博覽會(huì)中國(guó)企業(yè)聯(lián)合館于意大利米蘭，由國(guó)內(nèi)企業(yè)投資、設(shè)計(jì)，部分鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)預(yù)制，當(dāng)?shù)厥┕て髽I(yè)負(fù)責(zé)施工建造。項(xiàng)目總建筑面積約2 000m2，高12m，共3層，環(huán)繞中心影院的雙重坡道設(shè)計(jì)使得空間關(guān)系非常復(fù)雜，建筑師充分利用錯(cuò)層、夾層等空間處理手法達(dá)到空間利用的集約化，滿足使用面積的需求（圖1～5）。

由于空間的復(fù)雜和緊湊特點(diǎn)，在項(xiàng)目前期BIM介入主要用于解決三個(gè)問題：1）建筑內(nèi)部空間關(guān)系的轉(zhuǎn)換；2）建筑形體與結(jié)構(gòu)的關(guān)系；3）管線路由布置。前兩個(gè)問題，利用BIM三維可視化及協(xié)同效率高的優(yōu)勢(shì)得到了很好的解決。對(duì)于第三個(gè)問題，解決的過程卻異常困難。

BIM下的管線布置和優(yōu)化

項(xiàng)目前期建筑師并沒有明確凈高要求，BIM主要輔助機(jī)電設(shè)計(jì)師在交錯(cuò)的空間為各類管線尋找出路。隨后建筑師為了滿足盡可能高的凈高舒適性要求，吊頂基本上都貼著梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，而樓面梁的布置又極不規(guī)則，因此BIM要輔助機(jī)電設(shè)計(jì)師在不規(guī)則布置的梁中尋找最優(yōu)路徑，并確定鋼結(jié)構(gòu)預(yù)留洞位置（圖6）。

原來布置管線的工作模式是：BIM工程師驗(yàn)證機(jī)電設(shè)計(jì)師管線布置的路由是否可行，并提出問題及給出解決方案，由機(jī)電設(shè)計(jì)師確定后修改圖紙?jiān)俳唤oBIM工程師復(fù)核，如此需要反復(fù)幾次才能最終解決問題。由于項(xiàng)目時(shí)間緊迫，我們對(duì)原工作模式進(jìn)行了改進(jìn)（圖7）。

在新模式下，機(jī)電設(shè)計(jì)師只提供初步的管線路由，BIM工程師對(duì)管線路由進(jìn)行優(yōu)化，以尋求最佳路線；機(jī)電設(shè)計(jì)師對(duì)照BIM模型，認(rèn)可管線布置路由后，所有機(jī)電圖紙中管線的具體布置均按照BIM模型中優(yōu)化好的路徑調(diào)整（圖8）。

BIM設(shè)計(jì)-施工一體化

項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)有一部分是在國(guó)內(nèi)加工，國(guó)外組裝，因此鋼結(jié)構(gòu)預(yù)留洞位置和尺寸必須非常準(zhǔn)確，否則管線就無(wú)法安裝，該項(xiàng)目BIM應(yīng)用在設(shè)計(jì)-施工一體化上也算是一個(gè)新的嘗試。

前期鋼結(jié)構(gòu)預(yù)留洞設(shè)計(jì)與制造廠家的配合過程是：機(jī)電設(shè)計(jì)師在BIM輔助下確定好機(jī)電管線路由后，由機(jī)電設(shè)計(jì)師將所需的預(yù)留洞大小與位置提給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師再將預(yù)留洞位置提給廠家深化，相互之間都需要多次反復(fù)協(xié)調(diào)，時(shí)間長(zhǎng)、效率低?，F(xiàn)在通過借鑒BIM管線路由布置的原則，跳過中間環(huán)節(jié)，BIM工程師直接進(jìn)行深化協(xié)調(diào)。

在新模式下，梁的預(yù)留洞大小和位置，由BIM工程師根據(jù)管線情況及結(jié)構(gòu)工程師定的原則來確定，BIM工程師將預(yù)留洞的布置以二維圖紙的形式提給結(jié)構(gòu)深化廠家。由于廠家使用Tekla軟件（無(wú)法使用BIM模型），相對(duì)于三維模型，二維圖紙更易被其接受。結(jié)構(gòu)深化廠家在Tekla中根據(jù)二維圖紙中留洞位置深化模型，并考慮加工條件，對(duì)留洞進(jìn)行調(diào)整，然后直接將深化模型反提給BIM工程師，BIM工程師復(fù)核后與深化單位協(xié)調(diào)交流。在項(xiàng)目中，最終深化模型的留洞完全能夠滿足管線安裝要求，廠家按照Tekla模型生產(chǎn)加工結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在滿足現(xiàn)有管線的情況下，鋼結(jié)構(gòu)留洞在條件允許的情況下增加了部分預(yù)留洞，為后期可能出現(xiàn)的變更提供了空間。

項(xiàng)目后關(guān)于BIM的思考

BIM技術(shù)的直觀可視化和協(xié)同性有利于跨專業(yè)、跨階段的交流，特別是施工階段項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在跨國(guó)、跨語(yǔ)言溝通交流問題上，極大降低了因語(yǔ)言及文化的差異帶來的困難，提高了協(xié)調(diào)效率。通過使用BIM技術(shù)，本項(xiàng)目才能夠在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)無(wú)法推進(jìn)的情況下順利完成。項(xiàng)目推進(jìn)的過程中，我們有兩點(diǎn)對(duì)于BIM技術(shù)較為深刻的思考。

（1）BIM技術(shù)的應(yīng)用推廣，需要建筑業(yè)改變傳統(tǒng)的協(xié)作模式，如不改變，很可能在原來的工作模式下增加協(xié)作環(huán)節(jié)和協(xié)同的復(fù)雜性，甚至可能降低效率和質(zhì)量。特別是機(jī)電專業(yè)，設(shè)計(jì)階段“重系統(tǒng)輕安裝”，安裝問題主要由施工單位深化解決，而機(jī)電安裝單位一般會(huì)晚于土建總包介入，使得結(jié)構(gòu)預(yù)留及凈高問題在后期才被發(fā)現(xiàn)，造成施工時(shí)的返工浪費(fèi)?，F(xiàn)在機(jī)電施工深化問題的解決已經(jīng)提前到了設(shè)計(jì)階段，讓機(jī)電設(shè)計(jì)師把更多精力放到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，在設(shè)計(jì)階段考慮施工深化問題，采用BIM新技術(shù)及新的協(xié)作模式能夠很好地解決設(shè)計(jì)-施工一體化實(shí)施中出現(xiàn)的問題。

（2）BIM技術(shù)的高效應(yīng)用需要BIM工程師具備相當(dāng)強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)能力，這樣才能真正幫助設(shè)計(jì)師解決問題，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。很多BIM使用者僅把BIM看作一個(gè)建模軟件，希望一個(gè)BIM工程師包攬所有專業(yè)的建模。一個(gè)項(xiàng)目動(dòng)輒幾千甚至上萬(wàn)個(gè)碰撞問題，卻不提供專業(yè)篩選后的問題報(bào)告，甚至直接使用軟件導(dǎo)出的問題報(bào)告。這對(duì)于設(shè)計(jì)師不僅沒有任何幫助，反而降低了工作效率，更會(huì)造成設(shè)計(jì)師對(duì)BIM技術(shù)的抵觸。

雖然嚴(yán)格上講，本項(xiàng)目可能不算是完整意義上的設(shè)計(jì)-施工一體化項(xiàng)目，但是由于項(xiàng)目的特殊性，我們借助BIM技術(shù)，已經(jīng)在很大程度上實(shí)現(xiàn)了部分設(shè)計(jì)-施工一體化。

BIM助力設(shè)計(jì)-施工設(shè)計(jì)案例

項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目建筑面積約3 000m2，業(yè)主為外方（圖9）。在項(xiàng)目已經(jīng)采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式完成了施工圖紙，并通過了審圖之后，方案又要進(jìn)行大規(guī)模調(diào)整，需要重新出圖。在這種情況下，業(yè)主想采用BIM技術(shù)改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工模式，采用設(shè)計(jì)-施工一體化模式，在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)、深化、算量的目標(biāo)，施工單位使用BIM模型招標(biāo)、施工，減少施工返工浪費(fèi)（圖10）。

傳統(tǒng)算量與BIM算量

為了在設(shè)計(jì)過程中解決算量、施工問題，業(yè)主特別聘請(qǐng)?jiān)靸r(jià)顧問和施工顧問，在設(shè)計(jì)階段把可能對(duì)造價(jià)與施工造成影響的因素考慮進(jìn)來，提前考慮算量和施工的可行性，并提供可行的優(yōu)化方案（圖11，12）。

要使用模型算量，對(duì)模型深度的要求非常高，所有專業(yè)的各類構(gòu)件都要在模型中創(chuàng)建。這就要求部分構(gòu)件需要重新做族，同時(shí)已有的構(gòu)件二維圖例與國(guó)家和業(yè)主的標(biāo)準(zhǔn)不一致，這就需要增加大量的工作來滿足原來二維出圖的制圖標(biāo)準(zhǔn)。

為了保證BIM算量準(zhǔn)確，該項(xiàng)目采用傳統(tǒng)算量和模型算量?jī)煞N方式同時(shí)進(jìn)行，用傳統(tǒng)算量來驗(yàn)證模型算量的準(zhǔn)確性。經(jīng)過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)梁板柱均比傳統(tǒng)算量要多，后來經(jīng)過仔細(xì)核對(duì)，發(fā)現(xiàn)模型中沒有進(jìn)行扣減，所以造成算量不準(zhǔn)確。經(jīng)過調(diào)整模型，考慮扣減后，兩者基本一致。而對(duì)于鋼筋算量，也局部嘗試使用模型計(jì)算，由于模型工作量太大，并沒有全部采用，部分采用傳統(tǒng)方法計(jì)算得出（圖13）。

本項(xiàng)目雖然體量不大，但是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)出圖卻歷時(shí)近9個(gè)月，采用BIM模型出圖。原來只在詳圖中表達(dá)的內(nèi)容也全部在模型中得以表現(xiàn)。例如，為了避免由于閥門組件詳圖只有二維圖紙，但沒有在三維模型中表達(dá)，會(huì)造成閥門組件空間不足和施工返工，BIM設(shè)計(jì)模型均考慮了安裝及維修的問題，達(dá)到了施工深化深度，BIM設(shè)計(jì)階段除完成土建和機(jī)電設(shè)計(jì)外，還整合第三方的專業(yè)設(shè)備模型，解決專業(yè)設(shè)備與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的標(biāo)高偏差問題（圖14，15）。

項(xiàng)目后關(guān)于BIM的思考

BIM技術(shù)的應(yīng)用推廣需要盡快完善相應(yīng)的制度及管理，以匹配技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在國(guó)家沒有正式的BIM標(biāo)準(zhǔn)，因此為了適應(yīng)傳統(tǒng)的二維出圖標(biāo)準(zhǔn)，不得不削足適履，投入大量工作。本項(xiàng)目模型的信息遠(yuǎn)比二維圖紙更全面和準(zhǔn)確，但是由于審圖的需要，只能將三維信息再轉(zhuǎn)換為二維圖紙。一些復(fù)雜的閥組，由于空間關(guān)系復(fù)雜，如果采用三維導(dǎo)二維剖面，會(huì)造成閥門相互疊加，難以滿足出圖要求，最后只能單獨(dú)繪制二維原理圖紙來滿足審圖要求。

BIM技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)逐步推進(jìn)的過程，需要與傳統(tǒng)的技術(shù)手段配合共同解決問題。真正要實(shí)現(xiàn)BIM理念所定義的目標(biāo)，需要投入大量的人力和時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中切忌一刀切要求使用BIM技術(shù)解決所有問題。由于建筑行業(yè)市場(chǎng)、管理體制和軟硬件設(shè)施等多方面的限制，在設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)作為一種輔助設(shè)計(jì)手段很可能會(huì)長(zhǎng)期存在。

結(jié)語(yǔ)

BIM作為一種全新的理念和技術(shù)，正在引領(lǐng)建筑行業(yè)的變革。其作為一項(xiàng)在建筑設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)全生命周期實(shí)現(xiàn)協(xié)同共享的信息技術(shù)，為我國(guó)設(shè)計(jì)、施工一體化模式的推廣提供了很好的技術(shù)平臺(tái)和解決思路。