BIM 技術在場地設計中的應用探索

劉 雯（華建集團上海建筑設計研究院有限公司， 上海 200041）

自 21 世紀以來，計算機的應用以及數(shù)字化技術的快速發(fā)展已大幅度提升了社會各個行業(yè)、各個領域的生產(chǎn)效率。BIM（建筑信息模型）在建筑工程行業(yè)內(nèi)應用實踐越來越火熱，而新的數(shù)字城市概念已經(jīng)將 BIM 技術的應用范圍由狹義的建筑項目工程拓展至城市乃至區(qū)域等更大的領域之中。工程項目本屬于城鄉(xiāng)建設與管理里非常重要的一部分，BIM 在場地設計中的應用研究是拓寬其在工程領域應用的一小步，也代表著將 BIM 應用技術可能逐步轉(zhuǎn)換到更高空間級別上，進一步提高了實現(xiàn)數(shù)字城市的可能性。

由于場地設計以及室外總體是諸多學科不斷交叉的項目工程，市場上業(yè)主對智能化、數(shù)字化的建設過程、高效協(xié)同的項目團隊的需求也與日俱增，要求工程設計從業(yè)者和承包商提供更加精良的服務。正是在這種需求迫切的背景下，新技術應用平臺結合傳統(tǒng)專業(yè)知識和技術經(jīng)驗的實施方法正一步步向前邁進。

1 方法研究

在項目工程的立項、方案設計乃至施工的各個階段中，場地設計的土方平衡、工程計算、方案優(yōu)化，到最終室外總體施工時的管線布置等必不可少?；貧w整個項目本身以及業(yè)主的層面，精確的場地土方量計算、最優(yōu)化高效的土方平衡方案以及高效率的室外管線綜合，能夠有效地把控項目整體進度。

1.1 傳統(tǒng)模式的技術路線

在場地設計中，傳統(tǒng)模式大多依靠二維圖紙和經(jīng)驗。例如目前很多工程依舊采用方格網(wǎng)的土方計算方法，土方量只能用手工計算方式，項目場地的整平、設計地形土方計算時往往需要做出幾十個截面，一旦變更則要重新計算，多次反復并且結果不精確。如今也有很多土方量計算軟件可以進行土方量的測算，例如 HTCAD、CASS 等，但大多數(shù)軟件也只是增強了計算方法的多樣性，對于數(shù)據(jù)的篩選、計算的精確度以及三維模型的支持力度還略顯欠缺[1]。

民用建筑項目的室外總體管線綜合需要考慮的因素較多，除了自身項目的管線路由埋深等設計之外，還要與復雜的市政管線相接駁。一方面，市政的地下管線和城市地下空間結構往往比較復雜，所以在設計中常常出現(xiàn)錯漏碰缺的現(xiàn)象，設計考慮不周全從而導致施工過程中頻頻發(fā)生問題，浪費資源，影響工期[2]；另一方面，由于室外總體設計涉及的各個專業(yè)管線種類過多，相對應各個專業(yè)的設計圖紙也很多。在傳統(tǒng)的模式中，已固化的各專業(yè)工作模式與專業(yè)之間相互割裂的工作界面、工作狀態(tài)導致這些離散的信息很難高效地統(tǒng)一集中起來。

1.2 BIM 的技術路線

目前，運用在場地設計以及總體管線綜合之中的 BIM技術是指主要基于 CIVIL 3 D 的平臺，集成運用 CAD、REVIT、GIS、INFRAWORKS 各個軟件的特色功能，組成一個目前較為完善的技術系統(tǒng)。

場地設計主要依靠三維設計軟件，例如 CIVIL 3 D、GIS等，快速地生成數(shù)字地形模型，準確地計算復雜場地工程的挖填量。在操作過程中實現(xiàn)動態(tài)關聯(lián)更新，從而為設計、項目工程管理等人員節(jié)省了大量的寶貴時間。這種所想、所見即所得的三維設計模式大幅提高了直觀性和準確度。對于土方工程計算而言，傳統(tǒng)模式下要幾個人花一兩天時間才能出結果，而現(xiàn)在運用軟件計算可能只需要幾分鐘。

總體管線綜合基于三維數(shù)字地形、土建模型、管道模型可生成大量多樣化的成果。如碰撞的報告、可包括專業(yè)內(nèi)部、各專業(yè)之間的矛盾協(xié)調(diào)；更智能、更便利生成的橫、總斷面；大量聯(lián)動真實可控的數(shù)據(jù)表；可視化的成果等。

1.3 比較分析

傳統(tǒng)模式與 BIM 技術手段的比較分析結果如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)模式與 BIM 技術手段的比較分析

總體而言，場地的獨特性凸顯項目獨特性，在項目設計上極易轉(zhuǎn)化為項目特色和賣點。一個尊重原始地形的場地豎向設計方案，在項目設計初期就可以很好地把控對土方工程上經(jīng)濟和人力的投入。精確的場地分析和設計是優(yōu)秀項目設計的基礎，準確地評估、更快速地完成高質(zhì)量方案，便于管理者完全掌控整個項目。

從上述的對比分析中看出，在專業(yè)之間的設計協(xié)調(diào)上，一個虛擬但真實還原了設計意圖和建造本身的三維場地數(shù)字模型是傳統(tǒng)各個專業(yè)的二維圖紙的信息疊加遠不能企及的。但是任何自動、智能的設計軟件都只是輔助設計、輔助人腦的工具，每一個步驟的實施都離不開使用者的主導控制。只有結合設計管理人員的專業(yè)素養(yǎng)、綜合分析能力和判斷力與BIM 技術，才能夠發(fā)揮其真正的作用。

2 項目前期的分析應用

BIM 在項目前期的介入，以數(shù)字化模擬、數(shù)據(jù)管理應用等方式，減少規(guī)劃設計過程中模糊性的經(jīng)驗決策。同時，三維直觀可視化的模型也易暴露項目中的灰色地帶。通過比較準確的數(shù)據(jù)分析成果，進行規(guī)劃決策。反復驗證的過程，對于項目中期、后期的走向是有益的。再者，將專業(yè)知識發(fā)揮在新型技術平臺上，不僅可提高設計人員的效率，還使項目定位的走向更加明晰。

在貴州省貴陽市蘭草壩項目規(guī)劃設計中，考慮該地區(qū)山地高原地貌特征明顯，以充分利用原始場地地形為先決條件，進行場地設計前期研究。圖 1 ～ 圖 4 表示基于原始場地地形的各個因子分析成果，從場地單因子層面上看，對規(guī)劃方案形成有比較科學、經(jīng)濟的指導意義。

圖1 現(xiàn)狀高程分析

圖2 現(xiàn)狀坡向分析

圖3 現(xiàn)狀流域分析

圖4 現(xiàn)狀坡度分析

3 豎向設計、場地整平、土方計算以及工程管理

豎向設計一般包括合理布置場地標高、場地整平、計算土方工程量、完成土方調(diào)配方案、協(xié)調(diào)室外標高、確定合理的室外排水方案等內(nèi)容，其中場地整平、土方計算是場地豎向布置中較核心的一部分，也是項目工程管理中一個比較重要的環(huán)節(jié)。在地形復雜、地下室開挖量大的項目中，應用帶有數(shù)字支持以及數(shù)據(jù)動態(tài)聯(lián)動的三維設計方式，處理土方工程以及方案調(diào)配優(yōu)化等問題，不僅大幅提升了施工效率，而且將設計以及管理人員從煩冗重復的繪圖計算工作解放出來，讓他們更加專注于方案設計，極大地提高效率、節(jié)約資源。

圖 5 為上海度假旅游區(qū)某酒店的室外總體豎向設計地形。在設計、施工過程中，結合場地豎向規(guī)范要求，完全利用三維的模型控制場地的標高和坡率。如停車場的坡率不超過 3%，人行走道的縱坡坡率不超過 3%，車行道的坡率不超過 8%。

圖5 室外總體場地設計三維數(shù)字地形

蘇州工業(yè)園區(qū)體育中心項目工程借助 BIM 載體，場館本身應用，在整個園區(qū)的土方工程中也實現(xiàn)了精益化設計成果。BIM 在蘇州體育中心項目的基坑施工階段土方計算與現(xiàn)場土方調(diào)配方案優(yōu)化中的應用具有典型性，是土方工程精細化的管理成功案例[3]。

首先，基于初步整平后的場地模型以及項目工程地下開挖的要求，確定了第一步基坑開挖的范圍、深度，通過三維模型及時反饋出開挖出的土方數(shù)據(jù)結果。

根據(jù)場地內(nèi)施工順序不同的安排，挖方的模型也分為各個時序、各個區(qū)域，進一步精確地計算出土方項目預算，為下一步土方調(diào)配方案優(yōu)化提供指導性的數(shù)據(jù)基礎[3]。具體數(shù)據(jù)見表2。

基坑開挖后，場地內(nèi)尋找回填土的對方區(qū)域，配合實際項目工程的建筑標高以及場地設計標高，填方模型和挖方模型也分為各個時序、各個區(qū)域，進一步精確地計算出土方項目預算。場地內(nèi)堆土容量明細表見表3。

3 個體育場館地下基礎結構部分完成后，建筑地坪下的一個回填計算過程：利用理論回填體積（回填深度×建筑地坪面積）扣減建筑地下基礎結構（地梁、結構柱等），得到一個較為精準的回填土數(shù)值，地下基礎結構的量則由 BIM 結構模型—REVIT 模型提取。

表2 基坑開挖量明細表

表3 場地內(nèi)堆土容量明細表

經(jīng)過 BIM 的分析計算已知：基坑開挖土方量，堆填筑場地所需的土方量，各單體墊層下基坑回填所需的土方量。由計算可知，在概算編制時需判斷，是將多余的土運出去，還是需額外采購。同時還需考慮土質(zhì)在自然狀態(tài)和夯實狀態(tài)下體積的變化，精確規(guī)劃如表4 所示。在前期土方施工范圍精密地細分和土方準確地計算基礎上，得到一個合理的土方調(diào)配方案?；陧椖靠傮w挖方與填方的數(shù)據(jù)修正，最后的數(shù)值結果為后期景觀專業(yè)的介入留有余地，對其后期景觀的豎向設計有非常重要的指導意義。

表4 基坑施工階段現(xiàn)場土方調(diào)配方案

4 室外總體管線綜合

地下工程管道數(shù)量多，功能復雜，設計周期短，實際工程中容易與地下結構的梁板柱、風管和電氣橋架的位置發(fā)生沖突，常常會使得工程返工、延期，或影響美觀，造成不必要的損失。

在設計過程中，基于原始數(shù)據(jù)（周邊市政管網(wǎng)、場地數(shù)字地形、設計數(shù)字地形）收集錄入統(tǒng)一的管理系統(tǒng)平臺，大量的管網(wǎng)設計資料由每個設計人員提供，集中進行系統(tǒng)管理，使項目數(shù)據(jù)的出錯率大幅縮小，數(shù)據(jù)的一致性和設計質(zhì)量得到了保證。例如，給排水管網(wǎng)設計人員在 BIM 輔助設計下，基于三維的設計地形劃定場地內(nèi)的匯水區(qū)域，擬地表雨水流向，計算分區(qū)雨水量，從而確定管網(wǎng)直徑的尺寸和管線的坡降。

另一方面，在各專業(yè)協(xié)調(diào)的過程中，三維可視化的設計成果省去了比較雜亂的讀圖過程，隨時可以找出矛盾、需要協(xié)調(diào)處理的地方，大幅縮短了設計周期，節(jié)省了人力。雖然在專業(yè)技術、經(jīng)驗、知識上目前還未能做到較大突破，但是三維的可視化模型可以實時反映沿著主管網(wǎng)走向的縱斷面、每段管網(wǎng)的起始標高/坡降關系/終點標高、與其他管線的穿插關系，與地表豎向設計的埋深關系，實時變更的設計地形為設計人員省去了復雜的繪圖工作。

5 基于 BIM 的場地設計革新

通過 BIM 技術在實際場地工程項目的應用，綜合理論預期和現(xiàn)實成果，可以明晰地發(fā)現(xiàn)其核心價值在于集成所有的項目信息，以三維可視化的手段，基于可編輯、可完善整理、易分析提取的數(shù)據(jù)信息庫，為復雜、多反復的項目過程提供簡單、精準的輔助支撐，滿足能夠協(xié)調(diào)解決在傳統(tǒng)模式下需要花費巨大時間與人力成本問題的需求。由于這些迫切的需求，基于 BIM 技術的工程項目場地設計再創(chuàng)新將面臨可預見性的革新和發(fā)展。

5.1 應用點創(chuàng)新

（1）應用點一：項目決策。BIM 將提前介入項目立項階段，基于 BIM 的場地設計在項目前期中具有重要價值。在項目最開始的開發(fā)中，專業(yè)設計人員基于分析數(shù)據(jù)基礎可以幫助業(yè)主做出利益最大化的決策方向，涉及土地開發(fā)的必要性、不同地貌土地的適宜開發(fā)方向、不同地塊的開發(fā)成本預判、劃分近期遠期開發(fā)區(qū)域策略等。

（2）應用點二：設計管理。數(shù)字雖虛擬卻真實還原了設計意圖和建造本身的三維場地模型。這是設計管理手中的一把利器。在傳統(tǒng)模式下，管理者只能面對大量的單專業(yè)且信息離散的圖紙，包括景觀豎向、市政管線、市政標高、給排水、天然氣、強弱電等異常復雜的二維圖紙疊加，無法辨別項目進度、圖紙質(zhì)量。三維直觀的模型可以提取出的顯在信息和隱藏信息是巨大的。假設項目管理中運用了場地模型，管理者將非常清楚哪些專業(yè)設計可能進度滯后、硬性的設計要求有無滿足，例如管線埋深、管道間的避讓等。亦隨時提取業(yè)主關心的數(shù)據(jù)，例如坡率的控制、三維效果等。

（3）應用點三：成本控制。在項目前期的成本估算中及工程項目建造過程中，BIM 技術都發(fā)揮了非常大的作用。另外，基于 BIM 的場地設計也減少了效果圖成本，呈現(xiàn)了最真實的建造成果。

5.2 設計方法重構

新的工具帶來了設計技術流線上的改變，各個專業(yè)之間的相互等待提資改為面對同一平臺共同作業(yè)。隨著設計進程的時間推移，各個專業(yè)間的設計邊界將會由清楚到模糊再到清楚。事實上，雖然繪圖效率有提升，但是設計人員面對這種融合后的工作流程可能會面對更大的壓力和挑戰(zhàn)。因為設計人員需要提前解決在傳統(tǒng)模式下大量要到后期施工階段才會暴露的問題，然而依循傳統(tǒng)模式的許多設計環(huán)節(jié)，例如各專業(yè)間的設計協(xié)調(diào)、深化設計調(diào)整等都要被迫前移。節(jié)省下來的工期、效率以及避免浪費的資源使得最大的得利者是業(yè)主和社會公民。

5.3 設計表達與建造革新

三維設計的表達方式種類其實遠遠超越二維圖紙的方式。譬如豎向設計的表達不再拘泥于等高線、點高程或者方格網(wǎng)放線等施工圖，當然這些傳統(tǒng)的二維表達方式都可以輕松地從三維模型中提取?？梢栽囅胄碌娜S設計的表達方式之一可能是一連串精度非常高的點云數(shù)據(jù)。其閱讀對象也不再是需要放點彈線的施工工人，而是一臺可以直接錄入數(shù)據(jù)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)三維機械控制推土機。

6 結 語

早在 2015 年，中央城市工作會議就明確提出“城市的精細化管理”要求。隨后，城市的建造與管理也引入了“互聯(lián)網(wǎng)+”的模式。運用爆炸式發(fā)展的大數(shù)據(jù)協(xié)助城市管理者實現(xiàn)精細化管理，智慧城市的概念也應運而生，智慧城市概念下的城市規(guī)劃是離不開數(shù)字化信息化的 BIM/GIS 技術的。場地設計作為城市規(guī)劃的重要部分，也必將順應這個時代的需求，走向革新之路。