BIM技術在建筑工程設計中的應用

李志成，王飛龍，吉久茂, 黃林沖

(1. 長沙中大建設監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410075；2. 同濟大學 建筑設計研究院(集團)有限公司， 上海 200092；3. 中山大學 工學院，廣東 廣州 510275)

?

BIM技術在建筑工程設計中的應用

李志成1，王飛龍1，吉久茂2, 黃林沖3

(1. 長沙中大建設監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410075；2. 同濟大學 建筑設計研究院(集團)有限公司， 上海 200092；3. 中山大學 工學院，廣東 廣州 510275)

摘要:基于建筑工程設計，描述BIM在設計行業(yè)應用的基本思路，對設計流程和設計平臺進行詳細表述，提出2種基本三維設計思路，BIM三維設計過程中遇到的常見問題，并對BIM技術在整個建筑行業(yè)的應用與發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：BIM；三維設計；Solibri；ROBOT

1BIM工程技術的應用背景

隨著建筑工程的逐步發(fā)展，在如今信息大爆炸的時代，建筑也必然順應這樣的趨勢，逐步走上信息產(chǎn)業(yè)化的道路。最近“互聯(lián)網(wǎng)+”的熱詞風靡網(wǎng)絡，對于土木工程領域，主要考慮的是互聯(lián)網(wǎng)與建筑工程信息化如何更好地銜接，如何最大化地將信息化轉變?yōu)閷崒嵲谠诘纳a(chǎn)力[1-2]，提高工程行業(yè)傳統(tǒng)通病的效率和水平。在這樣的大環(huán)境下，BIM技術給建筑行業(yè)帶來了一個絕佳的與互聯(lián)網(wǎng)銜接的平臺。BIM技術是一種應用于工程設計建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑運營單位在內(nèi)的各方建設主體提供協(xié)同工作的基礎，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[3-4]。BIM在建筑行業(yè)的發(fā)展具有良好的前景，包括設計行業(yè)、施工行業(yè)和運營維護管理行業(yè)等，在此，主要探討B(tài)IM在建筑工程設計中的應用。

2BIM在建筑工程設計中的應用概述

BIM技術在建筑設計過程中的應用主要體現(xiàn)在2個方面，即BIM咨詢與BIM設計。其中，BIM咨詢是為BIM設計服務的，BIM設計是BIM咨詢服務的深層次延用。BIM咨詢主要可以為客戶做BIM碰撞檢查、BIM造價分析、BIM施工模擬以及BIM微環(huán)境分析(可視度分析、日照分析、光環(huán)境分析、熱環(huán)境分析、聲環(huán)境分析)等。

BIM設計主要是進行三維建筑或結構設計，從方案到施工圖以至于后期的運營維護管理進行全程服務[5]，后者應該是未來設計行業(yè)發(fā)展的主要方向。

3BIM在建筑工程設計中的基本思路

一般來說，BIM在設計方向的深層次應用具體體現(xiàn)在三維設計中，從方案設計到施工圖設計，從建筑到結構再到機電設計。但由于種種原因，國內(nèi)遲遲沒能實現(xiàn)，目前國內(nèi)某些知名企業(yè)也只能做到部分實現(xiàn)，稱為“半三維設計”[6-8]。鑒于此，作者根據(jù)BIM目前所具備的基本條件，構思2種基本的三維設計思路(以結構設計專業(yè)為例)，即：完全運用三維設計平臺進行相關的設計工作，二維只是一個簡單的輔助，從而提高設計效率和質(zhì)量[9]；其次由二維搭建三維BIM模型，利用三維對二維進行設計優(yōu)化工作。

3.1BIM軟件平臺

目前結構三維設計具備的條件，即基本的軟件分析平臺有：REVIT，NAVISWORKS，TEKLA，SOLIBRI和ROBOT等[10-11](見圖1)。

圖1　基于BIM技術常見的軟件平臺Fig.1 Common software platforms based on BIM technology

REVIT可以作為三維設計優(yōu)化平臺，而ROBOT為三維設計結構分析平臺，這里主要研討ROBOT的基本應用。通常用戶使用AutodeskRobotStructuralAnalysis軟件建立三維空間模型，創(chuàng)建結構的樓面系統(tǒng)、豎向和側向支撐系統(tǒng)等整體分析結構；添加各工況荷載，得到所有結構構件的分析和配筋結果。用戶可選擇建立剛性面域或實際混凝土樓面板傳遞荷載，根據(jù)相關規(guī)范對構件進行配筋設計，并得到相應的計算報告和配筋圖[5]。其主要優(yōu)勢有以下幾方面。

1)進行線性、非線性和動態(tài)(模態(tài)、頻譜、地震、時間歷史、p-Δ效應、屈曲變形、塑性)結構分析；

2)多語言工作環(huán)境(15個獨立用戶界面語言設置，設計及計算)；

3)多國工作環(huán)境：根據(jù)50多個國家設計規(guī)范進行設計；

4)框架、板、殼，以及功能強大的GUI建模工具和網(wǎng)格生成；

5)與REVIT進行雙向集成，與企業(yè)識別系統(tǒng)整合；

6)開放的應用程序編程接口，允許用戶對自己的應用程序進行前/后期的處理。

另外，SOLIBRI是芬蘭Solibri公司的主要產(chǎn)品，也是目前BIM領域對三維設計進行合規(guī)性檢查的常用軟件。既可以用來檢查模型本身的質(zhì)量和完整性，例如空間之間有沒有重疊？空間有沒有被適當?shù)貒]？構件之間有沒有碰撞沖突等；也可以用來檢查設計是不是滿足業(yè)主的需求。它在建筑工程中的QS/QA、綠色設計等領域都有較好的應用。

3.2BIM設計基本流程

這里主要研討如何在純?nèi)S設計環(huán)境中進行相關的設計工作。

首先由建筑師在Revit中確定建筑方案，結構師通過建筑Revit方案模型進行結構構件的配置[6]；配置結束后，結構設計師將結構方案模型導入BIM結構分析軟件Robot，在結構分析軟件中進行結構的受力計算分析，根據(jù)分析結果，對結構構件進行相關調(diào)整，繼而得出BIM結構分析模型；在Robot中直接將結構分析模型反導至Revit，得出BIM結構優(yōu)化模型；接下來在Revit中對相關的結構的幾何搭接做相關修改和初步檢查，然后將BIM結構優(yōu)化模型導出為IFC文件，轉至Solibri進行合規(guī)性檢查；根據(jù)檢查出的相關問題返回Revit中進行完善修改，得出BIM終版結構模型[7]；最后，在Revit中聯(lián)合CAD直接出平面施工圖(CAD只作為輔助配合)，交付業(yè)主。

從整個過程來看，全程以BIM三維設計理念為核心，二維CAD作為輔助修飾工具，既提高了協(xié)同率，也有利于設計質(zhì)量的提升，減少后期施工中不必要的麻煩，具體流程如圖2所示。

下面討論另外一種BIM設計流程。這種形式并不是以三維設計為主，而是在二維設計的基礎上，搭建BIM工程模型，在此基礎上對二維圖紙進行設計優(yōu)化。在這方面。目前主要的平臺是Vevit?；玖鞒倘鐖D3所示。

圖2　BIM結構三維設計工作流程Fig.2 Workflow of structure three-dimensional design

圖3　BIM結構半三維設計工作流Fig.3 Workflow of structure semi- 3D design

這種設計流程雖然不是純?nèi)S設計，但卻是目前最能提高生產(chǎn)效率的方法。通過三維BIM模型去優(yōu)化二維模型，常見的問題有：樓梯間、坡道的凈高問題；外幕墻與結構構件的碰撞；地下室工程樁的校驗等。

在BIM設計的過程中，樓梯間的問題往往比較多，典型的有建筑門與梯梁的碰撞；平臺梁下的凈高；樓梯的開洞等等。如圖4～5所示，為樓梯間的布置與結構梁發(fā)生碰撞，需要建筑重新修改方案。

凈高問題是BIM案例中最典型的問題之一，常見的問題主要出現(xiàn)在管線綜合的過程中與結構構件凈高不滿足，以及各種夾層的凈高問題等。

如圖6所示某項目的地下室，集水坑下方距地僅1.900m,不滿足2.200m凈高使用要求。特別是地下室下沉式廣場以及設備夾層、自行車夾層等地方，都是凈高問題最容易出現(xiàn)的部位。在BIM設計的過程中，應引起足夠重視。

圖4　建筑樓梯的布置問題(與結構梁碰撞)Fig.4 Layout of the building stairs(collisionwith the beam)

圖5　某樓梯BIM模型圖Fig.5 BIM model of a stair

在BIM結構設計的過程中，還可以配合機電設備專業(yè)進行BIM機電管線綜合設計(如圖7所示)，進而在施工前期，結構設計師就可以準確的地給機電管線預留好洞口。

圖6　常見的設計凈高問題(不滿足功能應用要求)Fig.6 Common problem of design height(beyond the requirements of the application function)

圖7　BIM機電模型示意圖Fig.7 Schematic of BIM electromechanical model

在凈高控制中，結合BIM技術，可以進一步準確把握各功能分區(qū)的管下凈高問題，避免后期機電安裝的返工，從而提高安裝效率，加快工程投入使用；顯然也能給業(yè)主也帶來客觀收益，并為其日后的運營維護管理工作做好良好的前期準備工作。

4BIM技術在設計應用中常見的問題

根據(jù)作者的BIM工程經(jīng)驗，BIM技術在工程設計過程中，主要關注以下三大問題。

1)柱位布置問題。在經(jīng)過多輪的柱位修改后，很容易發(fā)生不同樓層的柱位偏離情況，特別是遇到斜柱時，二維平面不易定位，這個時候就需要三維進行輔助定位。

2)凈高問題。坡道處的凈高在設計過程中最易發(fā)生碰頭的情況，特別是螺旋式坡道，需特別注意。

同時，在BIM技術在應用過程中也存在諸多的發(fā)展瓶頸。目前結構三維設計的主要障礙在于大部分設計師不愿意利用三維設計探索，而是已經(jīng)習慣了傳統(tǒng)的二維設計思維。

3)對施工洞口的預留，預防后期的返工。見圖8。

圖8　BIM施工模型洞口預留示意圖Fig.8 Reserved hole in the BIM construction model

5某項目BIM協(xié)調(diào)設計中的碰撞檢測和凈高檢測的應用

在BIM設計的流程中，常見的問題是設計中不同專業(yè)間的錯漏碰缺。如某項目的設計中，建筑的門與結構剪力墻發(fā)生了碰撞，最后通過BIM協(xié)調(diào)，重新對剪力墻進行設計，滿足了建筑門洞的需求，如圖9所示。

在施工過程中常見有凈高問題，如圖10所示項目中，原先樓梯上方的凈高不夠，最后通過BIM可視化設計，把板做成斜板，滿足了這個地方的凈高要求，另外，在機電管線綜合方面，也起到了非常好的應用，地下室消防機房走廊的管線比較多，特別是結構轉換梁處梁高較高，管線碰撞較為嚴重，通過BIM協(xié)調(diào)設計后，將管線進行合理的橫縱向調(diào)整，利用梁間空腔對管線進行重新排布，進而滿足機房外走道的凈高要求，如圖11所示。

(a) 修改前；(b) 修改后圖9　修改前后的BIM模型對照圖Fig.9 Comparison drawings of BIM model before & after revision

(a) 修改前；(b) 修改后圖10　修改前后的BIM模型凈高對照圖Fig.10 Comparison drawings of BIM model clear height before & after revision

(a) 修改前；(b) 修改后圖11　修改前后的BIM模型凈高對照圖Fig.11 Comparison drawings of BIM model line configuration before & after revision

6結論

1) 提出了純?nèi)S設計的流程，系統(tǒng)描述了利用BIM技術可以在建筑工程中解決的常見隱蔽性問題，進而提高設計質(zhì)量和施工質(zhì)量。

2)鑒于目前的技術和市場需求來說，純?nèi)S設計，仍然未得到很好的發(fā)展和普及性應用。半三維設計在設計優(yōu)化和施工配合中，在某些復雜的項目上，反而起到了舉足輕重的作用。

3)基于BIM市場的復雜性，必須認清BIM對建筑行業(yè)真正的應用價值點，而不是盲目的跟風追隨。

參考文獻：

[1] 程建華，王輝. 項目管理中BIM技術的應用與推廣施工技術，2012(16):29-31.CHENGJianhua,WANGHui.TheapplicationofBIMtechnologyinprojectmanagementandpromotion[J].ConstructionTechnology, 2012 (16):29-31.

[2] 張德凱，郭師虹，段學輝. 基于BIM技術的建設項目管理模式選擇研究價值工程，2013(5):61-64.

ZHANGDekai，GUOShihong，DUANXuehui.ChoiceofconstructionprojectmanagementpatternbasedonBIMTechnology[J].ValueEngineering, 2013 (5):61-64.

[3] 何關培，葛清，趙斌，等.BIM第一維度-項目不同階段的BIM應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.HEGuanpei,GEQing,ZHAOBin,etal.BIMfirstdimension-projectofdifferentstagesofBIMapplication[M].Beijing:ChinaConstructionIndustryPress,2013.

[4] 何關培，王軼群，應宇墾.BIM總論[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社,2011.HEGuanpei,WANGYiqun,YINGYuken.BIMgeneral[M] .Binjing:ChinaConstructionIndustryPress,2011.

[5] 徐鶴，陸文濤，王會芝. 中國規(guī)劃環(huán)評理論與實踐環(huán)境影響評價，2014(2)：7-10.

XUHe,LUWentao,WANGKuaizhi.ChinaPEIAtheoryandpractice[J].EnvironmentalImpactAssessment, 2014 (2)：7-10.

[6] 顏淼.城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃環(huán)評的環(huán)境影響要素識別與評價指標體系的建立研究[J].環(huán)境科學與管理，2014(7)：182-185.YANMiao.AnalysisonkeyEIAfactoridentificationandindexsystemconstructionforenvironmentalenvirinmentalevaluationofurbantransportationnetworks[J].EnvironmentalScienceandManagement, 2014 (7)：182-185.

[7] 包存寬，周芳，曾廣慶. 規(guī)劃環(huán)評應用與新型城鎮(zhèn)化建設的新思路[J].環(huán)境保護，2014(9)：18-22.

BAOCunkuan,ZHUOFangm,ZENGGuangqing.ThinkingaboutpotentialhelpofPEIAtotheNew-urbanizationconstruction[J].EnvironmentalProtection, 2014(9):18-22.

[8] 陳湘桂，張雪松，黃林沖. 連續(xù)基坑群開挖的影響效應研究，鐵道科學與工程學報，2014, 11(1):87-92.

CHENXianggui,ZHANGXuesong,HUANGLinchong.Effectresearchonthegroupfoundationpitsexcavation[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2014, 11(1): 87-92.

[9] 王石光, 黃林沖, 彭立敏, 等. 軟弱泥質(zhì)頁巖隧道襯砌受力特征探討[J]. 鐵道科學與工程學報，2005,2(3):61-65.WANGShiguang,HUANGLinchong,PENGLimin,etal.Discussofmechanicscharacteristicoftunnelliningatsofteningshalestratum[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2005, 2(3):61-65.

[10] 鄭宏波.鐵路“十二五”發(fā)展規(guī)劃環(huán)評研究[J]. 鐵道工程學報，2012(1)：100-103。

ZHENGHongbo.StudyonEIAofrailwayTwelfthfive-yearDevelopmentPlan[J].JournalofRailwayEngineeringSociety, 2012(1):100-103.

[11] 王忠合，陳黎.我國規(guī)劃環(huán)評相關技術問題探析[J].環(huán)境科學與技術，2008(6)：150-153.

WANGZhonghe,CHENLi.AnalysisoftechnicalissuesofplanningFIAinChina[J].EnvironmentalScienceandTechnology,2008(6):150-153.

* 收稿日期：2015-12-08

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51108472)；廣東省自然科學基金資助項目(2016A030313233)；廣東省科技計劃項目(2015A0202170004)

通訊作者：黃林沖(1980-)，男，湖北咸寧人，副教授，博士，從事土木工程安全與防災方面的研究；E-mail:hlinch@mail.sysu.edu.cn

中圖分類號：TU45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1179-07

Application of BIM technology in construction engineering design

LI Zhicheng1, WANG Feilong1, JI Jiumao2, HUANG Linchong3

(1.ChangshaCentralSouthUniversityConstructionSupervisionCo.Ltd,Changsha410075，China;2.TongjiUniversityArchitecturalDesignResearchInstitute(Group)Co.Ltd，Shanghai200092,China；3.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

Abstract：This paper describes the application of BIM in the design industry, and the design flow and design platform, with the two kinds of 3D design methods. The common problems in the process of BIM 3D design by BIM technology are described, and the application and development of BIM technology in the whole construction industry is also prospected.

Key words：BIM; 3D-design; Solibri; ROBOT