BIM技術(shù)在建筑模型設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用研究

蔣 玉 楊 釗 張 潔 者開(kāi)勇

（保山學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，云南 保山 678000）

BIM即Building Information Modeling（建筑信息模型）。在以信息為核心技術(shù)的信息時(shí)代，建筑行業(yè)也必須與時(shí)俱進(jìn)，BIM技術(shù)就是建筑行業(yè)應(yīng)隨時(shí)代信息化誕生的產(chǎn)物。它將傳統(tǒng)建筑幾何模型賦予數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用信息集成技術(shù)把結(jié)構(gòu)構(gòu)件、構(gòu)件屬性進(jìn)行重新定義，建立完全數(shù)據(jù)化的信息模型。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)能夠大幅提升設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少“錯(cuò)、漏、碰、缺”，降低項(xiàng)目成本。對(duì)于建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)，BIM技術(shù)的提出與運(yùn)用是繼CAD技術(shù)之后的一次重大“工業(yè)革命”，在現(xiàn)代建筑工程項(xiàng)目上，起到了舉足輕重的作用。

1 設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)在設(shè)計(jì)階段大部分采用逆向設(shè)計(jì)，運(yùn)用Autodesk Revit軟件基于二維設(shè)計(jì)圖建立三維信息模型。翻模階段BIM技術(shù)的應(yīng)用有以下幾個(gè)特點(diǎn)[1]：

1.1 可視化設(shè)計(jì)

建筑隨著時(shí)代的發(fā)展，要求愈來(lái)愈高，現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的復(fù)雜度不斷提升，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。通過(guò)在設(shè)計(jì)階段中應(yīng)用BIM技術(shù)，能夠?qū)?fù)雜的二維軸向線條加上豎向維度以立體清晰的三維信息模型方式呈現(xiàn)出來(lái)，“所見(jiàn)即所得”提供視覺(jué)上的參考，減少二維的設(shè)計(jì)盲區(qū)，提高設(shè)計(jì)的完整度和精細(xì)度。

1.2 碰撞檢測(cè)

在以往對(duì)各專業(yè)的設(shè)計(jì)進(jìn)行碰撞檢查時(shí)，傳統(tǒng)方法是將各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)圖紙用硫酸紙打印成圖，將圖紙相互疊放，選擇公共的參照基點(diǎn)進(jìn)行對(duì)照、檢查，全部由人工完成。這種工作的方式不僅效率低，而且存在很多的思維盲區(qū)，圖紙檢查的精度和準(zhǔn)確性也很難保證。隨著計(jì)算機(jī)平面輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)對(duì)二維電子圖紙進(jìn)行審查，在一定程度上使圖紙的準(zhǔn)確性大大提高，但仍需人工操作。由于都是平面信息，對(duì)檢查人員空間想象能力有較高要求，特別是對(duì)于形體復(fù)雜的建筑，受到二維圖紙局限性的約束加上長(zhǎng)時(shí)間的校核工作會(huì)消耗大量的精力，極易造成思維想象疲勞，校核過(guò)后的設(shè)計(jì)圖紙“錯(cuò)、漏、碰、缺”現(xiàn)象仍是不能避免的[2]。利用Revit軟件進(jìn)行全專業(yè)建模，土建建模過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)虛擬建造，機(jī)電建模過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)預(yù)安裝，建立的模型與實(shí)物能夠達(dá)到1:1仿真的效果，將不同專業(yè)的信息模型通過(guò)鏈接功能整合到同一模型中，在軟件中輸入碰撞原則，運(yùn)行碰撞檢查程序，選擇要進(jìn)行碰撞檢查的圖元，軟件會(huì)在模擬的三維空間下進(jìn)行檢查，最后會(huì)自動(dòng)生成檢查報(bào)告。根據(jù)報(bào)告進(jìn)行人工校核，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的“錯(cuò)、漏、碰、缺”進(jìn)行及時(shí)糾正，避免后期的各種矛盾沖突，最大程度防控安全隱患。

1.3 可出圖性

采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)專業(yè)的小小改動(dòng)都將造成其他相關(guān)專業(yè)圖紙大量的修改，整個(gè)設(shè)計(jì)工作繁瑣且耗時(shí)甚多。BIM技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)[3]能夠?qū)⒛Ｐ椭械母黜?xiàng)信息數(shù)據(jù)很好的關(guān)聯(lián)在一起，使得模型中任意構(gòu)件的信息更改都能反饋到受影響的構(gòu)件中，自動(dòng)更新整個(gè)模型，不需要再獨(dú)立更改重新建立模型以實(shí)現(xiàn)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，讓模型具有100%正確的幾何形體和100%正確的數(shù)據(jù)信息。真實(shí)的BIM模型可直接指導(dǎo)施工，在模型中可任意截取平面二維圖紙，快速生成平面、立面、剖面等圖紙。

2 BIM逆向設(shè)計(jì)思路

逆向設(shè)計(jì)的核心在于翻模，根據(jù)已有的二維設(shè)計(jì)成果（設(shè)計(jì)說(shuō)明、CAD平面圖紙、）運(yùn)用建模軟件Revit創(chuàng)建全專業(yè)三維BIM模型，利用BIM技術(shù)反向查驗(yàn)，解決圖紙中錯(cuò)、漏、碰、缺等問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行優(yōu)化[4]，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少后期施工中不必要的麻煩，具體流程如圖1所示。

圖1 BIM翻模流程圖

3 Revit建模流程

3.1 工程概況

萬(wàn)科七寶53#項(xiàng)目是區(qū)域性綜合型購(gòu)物中心，位于上海市七寶鎮(zhèn)七寶商業(yè)中心地段。用地面積為48 932 m2，總建筑面積239 526 m2（其中地上127 750 m2，地下111 776 m2），地上部分全為商業(yè)空間，具有多種業(yè)態(tài)形式。地下一層一部分為商業(yè)空間，同北側(cè)9號(hào)線、西側(cè)17號(hào)線地鐵相連交匯。地下一層剩余部分以及地下二、三層為地下停車庫(kù)和必要的設(shè)備用房、庫(kù)房、后勤用房。該項(xiàng)目作為大型商業(yè)項(xiàng)目，功能繁多復(fù)雜，加上項(xiàng)目時(shí)間的約束，給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)一定的難度。

3.2 建?；A(chǔ)準(zhǔn)備

3.2.1 圖紙?zhí)幚?/p>

CAD二維圖紙由于數(shù)據(jù)缺乏關(guān)聯(lián)，各專業(yè)信息較分散孤立，在傳遞中極易造成信息數(shù)據(jù)的傳輸丟失、錯(cuò)誤。在翻模之前首先要對(duì)圖紙進(jìn)行審閱，審閱內(nèi)容包括建筑部分的建筑面積、方位等，結(jié)構(gòu)部分的位置、尺寸、材料等，以及機(jī)電安裝的位置、管線綜合等各個(gè)方面。找出圖紙中標(biāo)注不明確，連接部分存在的問(wèn)題，與設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行校對(duì)，補(bǔ)全、更正信息數(shù)據(jù)，保證BIM模型的準(zhǔn)確性[5]。

3.2.2 建模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化

全專業(yè)模型涉及多個(gè)專業(yè)，信息數(shù)據(jù)繁多細(xì)致，建模過(guò)程中要面面俱到，需要統(tǒng)一建模規(guī)則，做到主次分明，將縱橫交貫的各類信息數(shù)據(jù)對(duì)號(hào)入座，保證BIM模型精確性。

3.2.2.1 二維圖紙的導(dǎo)入[6]

在Revit軟件中，導(dǎo)入CAD圖紙有直接導(dǎo)入和鏈接導(dǎo)入兩種操作方式。通過(guò)將CAD圖紙導(dǎo)入Revit，在繪制軸網(wǎng)時(shí)方便對(duì)照和提高軸網(wǎng)建立的效率和準(zhǔn)確性。本案例采用鏈接導(dǎo)入CAD圖紙的方式，統(tǒng)一導(dǎo)入單位、定位方式，使用毫米為導(dǎo)入單位、自動(dòng)?原點(diǎn)到原點(diǎn)為定位方式。為了避免因制圖不規(guī)范，圖紙?jiān)c(diǎn)不統(tǒng)一導(dǎo)致后期模型整合出錯(cuò)，可以使用Revit軟件中自帶的項(xiàng)目基點(diǎn)，手動(dòng)移動(dòng)圖紙位置，保證圖紙定位能夠精確統(tǒng)一。

3.2.2.2 標(biāo)高、軸網(wǎng)的繪制

首先建立標(biāo)高再繪制軸網(wǎng)，“先軸網(wǎng)后標(biāo)高”的順序最大程度保障了軸網(wǎng)的完整。相應(yīng)的標(biāo)高軸網(wǎng)一般可用于整個(gè)項(xiàng)目圖紙，所以準(zhǔn)確性十分重要，模型的標(biāo)高具有唯一性，多個(gè)專業(yè)建立的標(biāo)高必須保證一致，避免后期進(jìn)行整合交互碰撞檢測(cè)時(shí)造成混淆。繪制完成后務(wù)必將標(biāo)高、軸網(wǎng)鎖定，以防止被移動(dòng)，影響模型的準(zhǔn)確性。標(biāo)高軸網(wǎng)的建立以及建筑構(gòu)件的建立遇到特殊尺寸時(shí)可通過(guò)參照平面以及參照線輔助完成，建立完成應(yīng)刪除干凈，輔助線、面的存在可能會(huì)影響之后的模型建立。

3.2.2.3 模塊化建模

大型項(xiàng)目復(fù)雜度高，在Revit建模過(guò)程中隨著圖元文件的累加會(huì)降低計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，影響建模效率。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，可以按地上、地下工程、樓層以及專業(yè)等分塊，分別建立模型，最后進(jìn)行組裝，有效提升建模效率。

3.3 建立建筑模型

建筑設(shè)計(jì)為其他專業(yè)設(shè)計(jì)的領(lǐng)頭羊，根據(jù)建筑施工圖創(chuàng)建的建筑模型自然也就是其他專業(yè)模型相互協(xié)調(diào)配合的核心模型。本工程按地上、地下部分分割圖紙，根據(jù)圖紙中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，分別建立地上、地下工程的建筑模型。建筑模型包括門窗、墻體、自動(dòng)扶梯、欄桿、建筑樓地面、屋頂?shù)葮?gòu)件。建立的建筑模型如圖2所示。

圖2 建筑模型

3.3.1 墻體、門窗的建立

標(biāo)高軸網(wǎng)建立完成后，在對(duì)應(yīng)位置建立相應(yīng)的墻體，建立墻時(shí)，根據(jù)圖紙需要的墻體設(shè)置厚度和材質(zhì)，保溫隔熱層的材質(zhì)，以及顏色的渲染。在屬性中修改定位線，頂部標(biāo)高，底部標(biāo)高等內(nèi)容來(lái)確定墻體的位置后，根據(jù)建筑中不同的墻體要求即可在軸網(wǎng)中繪制出墻體。若遇到構(gòu)造奇特的墻體，可通過(guò)結(jié)構(gòu)樣板中繪制該墻體，修改好材質(zhì)后導(dǎo)入到該建筑中調(diào)整位置。玻璃幕墻由幕墻網(wǎng)格、豎梃、嵌板等內(nèi)容組成，嵌板可更改為門，窗族，進(jìn)行門窗安放。門窗的建立必須在墻體建完的基礎(chǔ)上進(jìn)行，門窗的類型可在族庫(kù)里找到，特殊門窗，例如百葉窗，可通過(guò)自己建立族來(lái)完成。

3.3.2 樓地面、屋頂?shù)慕?/p>

樓地面、屋頂存在不同的形狀及角度，一般樓地面、屋頂可通過(guò)調(diào)整角度完成對(duì)不同坡度樓板的進(jìn)行建立。該建筑屋頂可通過(guò)對(duì)應(yīng)軸網(wǎng)完成輪廓勾畫，之后調(diào)整坡度以及在屬性框中調(diào)整厚度以及材質(zhì)，以及保溫隔熱層的材質(zhì)及其渲染顏色即可。樓頂構(gòu)件可在屋頂完成后疊加。

3.4 建立結(jié)構(gòu)模型

以結(jié)構(gòu)分析軟件生成的結(jié)構(gòu)施工圖作為底圖創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型，將框架柱、梁、結(jié)構(gòu)板、樓梯等結(jié)構(gòu)構(gòu)件從二維平面圖形轉(zhuǎn)換成三維實(shí)體，實(shí)現(xiàn)三維可視化設(shè)計(jì)。本工程內(nèi)框架柱截面尺寸多采用850 mm×850 mm，其他部位柱截面尺寸按實(shí)際情況采用1200 mm×850 mm或1200 mm×1000 mm等其他尺寸，圓柱直徑為800mm，框架梁截面尺寸采用500 mm×800 mm，外框架梁截面尺寸采用700 mm×1200 mm，次梁按跨度與荷載確定截面尺寸，多采用 250 mm×700 mm，400 mm×700 mm，400 mm×800 mm，大空間框架梁截面尺寸采用600 mm×1000 mm，次梁截面尺寸采用300 mm×900 mm，其他空間根據(jù)具體情況確定截面尺寸。復(fù)雜工程梁、柱截面尺寸和材質(zhì)眾多建立時(shí)需注意的是不同位置所對(duì)應(yīng)的尺寸和材質(zhì)，避免混淆。建立的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模型

3.5 建立機(jī)電模型

機(jī)電工程包括排水工程、暖通工程、電氣工程三大工程，建立機(jī)電模型必須在建筑構(gòu)件完成的基礎(chǔ)上完成，機(jī)電模型的建立比建筑模型的建立要復(fù)雜的多，建立時(shí)特別需要注意位置及其尺寸，如果安裝存在偏差可能會(huì)使建成后存在誤碰撞的情況。機(jī)電工程涉及大量的管線，為避免管線的“打架”，各專業(yè)間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。根據(jù)各專業(yè)的施工圖，建立三維信息模型?！耙越ù啞睂?duì)圖紙進(jìn)行初步校核，提前發(fā)現(xiàn)由于分散設(shè)計(jì)而造成的管線排布原則性錯(cuò)誤，并進(jìn)行針對(duì)性的更正。建立的給排水模型如圖4所示。

圖4 給排水模型

3.5.1 電氣工程

電氣安裝工程包括電器設(shè)備、照明設(shè)備等設(shè)備安裝，安裝時(shí)須注意尺寸以及安裝位置。線管通常建立在共架的位置，避開(kāi)水管道的位置，橋架與液體管線宜分開(kāi)布置或布置在其上方。

3.5.2 給排水工程

給排水工程包括給水系統(tǒng)，排水系統(tǒng)，污水系統(tǒng)，雨水系統(tǒng)，消防系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)等，安裝時(shí)設(shè)置好管道相應(yīng)的類型、長(zhǎng)度尺寸以及材質(zhì)，并用不同顏色將系統(tǒng)須區(qū)別開(kāi)來(lái)。以便于設(shè)計(jì)檢查和工程交底工作

3.5.3 管線綜合排布

管線綜合排布安裝時(shí)必須遵守壓力管避讓重力自流管；管徑小的管線避讓管徑大的管線；易彎曲管避讓不易彎曲管；新建的管線避讓現(xiàn)有的管線；檢修次數(shù)少的和方便的管線避讓檢修次數(shù)多的和不方便的管線；工程量小的管線避讓工程量大的管線；臨時(shí)性管線避讓永久性管線等管線綜合原則[7]。在所建立的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行符合上述規(guī)定的管線綜合排布。

4 模型的分析與應(yīng)用

4.1 模型整合

由于各專業(yè)的模型是分開(kāi)建立的，信息數(shù)據(jù)比較分散。在Revit中軟件利用“插入”選項(xiàng)卡下的“鏈接Revit”命令，通過(guò)原先統(tǒng)一的定位點(diǎn)（項(xiàng)目基點(diǎn)）將獨(dú)立的模型準(zhǔn)確的鏈接在一起[2，6]，形成一個(gè)全面完整的建筑信息模型，以便后期用于數(shù)據(jù)提取和信息傳輸，保證提取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和傳輸?shù)男畔⑼暾?/p>

4.2 碰撞檢驗(yàn)

有了整合后全面完整的模型，使用Revit軟件“協(xié)作”選項(xiàng)卡中的“碰撞檢查”功能，選擇要審查的圖元，運(yùn)行軟件檢測(cè)所審查圖元中的構(gòu)件之間是否存在沖突和碰撞。碰撞檢驗(yàn)分兩步進(jìn)行[8]：

4.2.1 專業(yè)模型自檢

土建模型自檢。樓梯部位是設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)，首先對(duì)土建模型中的樓梯進(jìn)行檢驗(yàn)，分析樓梯凈高是否滿足要求和樓梯與結(jié)構(gòu)板預(yù)留洞口間是否發(fā)生沖突，之后對(duì)結(jié)構(gòu)柱安放位置進(jìn)行檢驗(yàn)，分析門窗位置與結(jié)構(gòu)柱是否產(chǎn)生重疊。經(jīng)過(guò)碰撞檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，B1F上至F1的自動(dòng)扶梯與結(jié)構(gòu)板開(kāi)洞沖突等碰撞點(diǎn)。

機(jī)電模型自檢。機(jī)電專業(yè)管線繁多復(fù)雜，二維設(shè)計(jì)時(shí)由于沒(méi)有豎向維度，密集的管線極易產(chǎn)生“打架”問(wèn)題，還會(huì)因管線的排布導(dǎo)致凈高不足現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)碰撞檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二三層間消防供水立管接口出現(xiàn)偏差、車庫(kù)走道管道密集，如果風(fēng)管滿足凈高要求，就會(huì)導(dǎo)致橋架與風(fēng)管發(fā)生碰撞以及多處因管道密集導(dǎo)致凈高不夠的問(wèn)題。

4.2.2 專業(yè)模型交互碰撞檢測(cè)

將全專業(yè)模型進(jìn)行交互碰撞檢測(cè)，排查機(jī)電管線與土建預(yù)留的洞口是否有偏差、管線是否有穿梁或穿結(jié)構(gòu)柱墻等構(gòu)件的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，負(fù)二層汽車坡道處有500 mm×1200 mm高的梁，噴淋及消防管經(jīng)過(guò)此處與梁產(chǎn)生沖突、負(fù)二層1200 mm×450 mm的新風(fēng)管，在滿足凈高的前提下，穿過(guò)門GFMA?1522的洞口等一系列沖突。

碰撞檢驗(yàn)完成后，將軟件自動(dòng)生成的沖突報(bào)告和建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤一并整理之后反饋給設(shè)計(jì)人員，讓設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)行針對(duì)性的修改，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)零變更”（見(jiàn)表1）。

表1 部分碰撞點(diǎn)列舉表

4.3 輔助圖紙輸出

根據(jù)設(shè)計(jì)方的給出修改方案，調(diào)整得到最優(yōu)模型。在Revit中設(shè)置好所要生成圖紙的一些參數(shù)，通過(guò)截取的方式得到相應(yīng)的二維施工圖紙，軟件中可手動(dòng)添加標(biāo)注和設(shè)計(jì)說(shuō)明，根據(jù)制圖標(biāo)準(zhǔn)完善施工圖紙，由此達(dá)到三維輔助出圖的目的[1]。

5 結(jié)語(yǔ)

單純的建立模型是毫無(wú)意義的，使用BIM技術(shù)建立模型的真正目的是要能夠通過(guò)碰撞檢查實(shí)現(xiàn)在布局合理情況下的零碰撞和三維輔助出圖，在三維的視圖中，調(diào)整管線排布，使管線綜合排布合理，從而提高施工效率，減少錯(cuò)誤。

綜上所述，BIM新型建模技術(shù)的應(yīng)用，更新了傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的方式，是建筑行業(yè)的一次革新。運(yùn)用BIM技術(shù)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出的平面信息立體化，解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的“錯(cuò)、漏、碰、缺”等問(wèn)題，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，大幅提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升成果品質(zhì)，讓建筑設(shè)計(jì)邁向更高的層次。