BIM技術在建筑設計與施工中的應用

胡平淳

（中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044）

1 引言

建筑設計是項目建設的重要基礎，完善設計方案是優(yōu)化建筑建設質量的有效措施。建筑信息模型（BIM）是信息化時代重要產物之一，將其用于建筑設計領域可使很多傳統(tǒng)設計問題迎刃而解，減少資源浪費，節(jié)約成本，引領建筑行業(yè)步入新領域。

2 BIM 技術概述

BIM（Building Information Modeling）為一種建筑設計信息技術模型，BIM 技術能實現(xiàn)對建筑體內所有結構設計參數(shù)、特性以及工程量數(shù)據(jù)的信息化，同時將以上信息錄入計算機系統(tǒng)，并建立三維立體可視化建筑模型，進行相應的分析、模擬、呈現(xiàn)。雖然BIM 在應用中取得了較滿意的成績，但該項技術在國內建筑行業(yè)起步較晚，和歐美等部分發(fā)達國家相比存在著一定差距[1]。

3 BIM 技術的功能分析

3.1 三維功能

在建筑結構設計中，通過合理應用BIM 技術，可以直觀、清晰、立體地呈現(xiàn)建筑結構設計模型，設計人員通過觀察、分析建筑模型，可以對建筑實體結構的特點、設計難點、質量控質要點等進行更全面的了解，并且可以及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，盡早修正，提升建筑設計的合理性，優(yōu)化工程整體設計效果[2]。

3.2 采集和處理信息

在科學技術日新月異的背景下，BIM 技術的完善與創(chuàng)新發(fā)展過程也有更強大的動力支撐。BIM 技術能合理應用現(xiàn)代化手段處理建筑相關信息，并構建與其相配套的模型數(shù)據(jù)庫，方便設計者從數(shù)據(jù)庫內檢索所需信息資料，明顯提升了建筑設計信息采集與處理效率。另外，建筑行業(yè)正在逐漸朝著現(xiàn)代化、智能化的方向發(fā)展，將BIM 技術合理用于建筑設計內，有益于提高建筑行業(yè)的信息化水平。

3.3 修正建筑設計圖紙

采用BIM 技術進行輔助設計時，可以快速在三維模型中定位設計方案不合理的結構的具體位置，便于設計者及時更正、改進、優(yōu)化。和傳統(tǒng)設計方法相比較，不僅減少了設計耗時，還提升了設計工作質量，以及建筑設計圖的完善度[3]。

3.4 模擬設計和施工方案

BIM 技術相比于傳統(tǒng)建筑設計不僅實現(xiàn)了建筑的參數(shù)化設計，還有效地對計算機仿真技術進行了應用。

設計階段，設計人員在建筑物設計完成后，可以利用BIM技術對設計方案進行模擬，將仿真結果反饋給設計人員，使不同專業(yè)的設計者可以直觀交流，在滿足國家規(guī)范的前提下，深入開展優(yōu)化設計并將成果“植入”施工圖階段，以此通過BIM技術對建筑物各項標準進行檢驗，以確保建筑在使用期內不發(fā)生結構安全問題，同時在建設中體現(xiàn)其經(jīng)濟性[4]。并在施工中運用BIM 建筑信息模型庫技術模擬施工和施工過程控制、成本控制。該模型可將工藝參數(shù)與影響施工的屬性聯(lián)系起來，反映施工模型與設計模型間的交互作用。通過BIM 技術，實現(xiàn)3D+2D（時間+費用）條件下的施工模型，保持了模型的一致性和可持續(xù)性，實現(xiàn)虛擬施工各階段的有效集成[5]。

4 BIM 技術的實踐應用

4.1 BIM 技術在前期設計中的應用

首先，工程設計人員可以結合BIM 技術的功能特征前往建筑施工現(xiàn)場開展實地勘察工作，結合本地氣候條件，選擇最適宜的設計方案；其次，應用BIM 技術內的Weather Tool 軟件，可以精準地收集、統(tǒng)計本地氣候信息，并將其轉化為可視化影像，在建筑模型中進行模擬分析，充分了解地理、氣候環(huán)境對建筑設計的影響，進而協(xié)助設計人員認定建筑的最佳方位和朝向。

4.2 BIM 技術在方案設計中的應用

4.2.1 建筑室外空間優(yōu)化

通過BIM 技術可以對建筑施工區(qū)域進行空間分析，如場地的坡度、坡向等，為方案設計過程提供數(shù)據(jù)參考。

4.2.2 建筑內部空間可視化分析

可視化是BIM 技術最基本的功能，主要是根據(jù)項目的平面設計圖建立建筑3D 模型，將原本在平面設計中不能展示的結構尺寸和空間效果展示出來，便于優(yōu)化內部空間造型與流線。同時，檢查所有建筑空間以及相關設備和設施，更直觀快速地看到建筑物實際完成后所產生的問題，了解未來工程全貌及預計施工過程。例如，通過BIM 技術的3D 模型立體呈現(xiàn)建筑室內空間設計，進行室內視野分析、空間分區(qū)分析等，并利用BIM 技術進行可視化調整，得出最佳的空間規(guī)劃模型；利用BIM 技術確定樓層凈高，影響樓層凈高的因素包括：層高、梁板高度、樓板面層做法、機電管線綜合高度、吊頂高度?？臻g凈高分析是對建筑結構、水、暖、電各專業(yè)的綜合設計過程，利用BIM 技術，可以促進凈高確定過程涉及的各專業(yè)進行協(xié)調設計，并進行管線碰撞檢查，優(yōu)化設計方案，確定最佳凈高[6]。

4.2.3 BIM 技術在綠色建筑設計中的應用

1）節(jié)地與室外環(huán)境

合理利用BIM 技術，一方面可對建筑場地周圍環(huán)境及建筑物空間進行模擬分析，得出合理的場地規(guī)劃、交通物流組織、建筑物及大型設備布局等方案；另一方面，模擬建筑建成后，日照、通風、噪聲等因素對建筑的影響，從而完善建筑設計方案，充分利用自然資源，減少建筑能耗，提高建筑的舒適度。

2）節(jié)能與能源利用

將專業(yè)建筑性能分析軟件導入BIM 模型進行能耗、熱工分析，并根據(jù)分析結果調整設計參數(shù)，達到節(jié)約能源的效果。此外，可以通過BIM 模型優(yōu)化設計建筑的形體、朝向、樓距、墻窗比等，提高對自然能源的利用率，減小能耗。

3）節(jié)水與水資源利用

利用BIM 技術，可以在BIM 動態(tài)數(shù)據(jù)庫中清晰地了解建筑物的日用水量，及時找出用水過多的原因；利用BIM 模型統(tǒng)計雨水采集數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)庫確定不同地貌和材質對徑流系數(shù)的影響，充分利用非傳統(tǒng)水源。

4）節(jié)材與材料資源利用

首先，在BIM 模型中輸入材料信息，對材料從制作或出庫到使用情況的全過程進行動態(tài)跟蹤，從而了解材料的去向，避免浪費；其次，還可以利用BIM 強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析功能，預估材料的用量，優(yōu)化材料的分配；再次，借助BIM 模型分析并控制材料的性能，使其在成本范圍內更接近綠色目標；最后，通過BIM 進行沖突和碰撞檢測，避免因遇到?jīng)_突而返工造成的材料浪費。

5）室內環(huán)境質量

在BIM 模型中，通過改變門窗的位置、大小、方向等，可以檢測室內的空氣流通狀況，并判斷是否對空氣質量產生影響；通過噪聲和采光分析，判斷室內隔音效果和光線是否達到要求；通過調整樓間距或者朝向，改善室內視野。

4.3 管線綜合與碰撞檢查

排水系統(tǒng)是影響住宅建筑排水效率、順暢度的直接因素，可將BIM 技術應用到該系統(tǒng)中，確保其自身作用、功能發(fā)揮到最大化。首先，在構建建筑給排水管線系統(tǒng)BIM 模型前，需逐一把管道、管件等構件加載至軟件內，便捷相應參數(shù)，通過以上過程減少后續(xù)建設活動中管路的調整次數(shù)，提升工作效率。針對給排水系統(tǒng)設計階段所需的各類管件、附件等均可由構件族庫內載入，結合功能要求有針對性地調整部分管道屬性，確定管道的具體類型名稱、材質、連接方式、型號等信息。其次，在設計好排水管道得出基本屬性信息后，在專業(yè)軟件協(xié)助下建出給排水管線系統(tǒng)的BIM 模型。為了使管線系統(tǒng)布置的精準性得到最大保障，可將CAD 二維圖紙和項目相鏈接，作為外部參照，結合圖紙內容更精準地確定管道空間位置。CAD 圖紙作為外部參照鏈接或整合至BIM 建模過程中，能夠協(xié)助設計人員在軟件設計界面下直接閱覽CAD 圖紙，減少設計錯差。

然后，布置模型管線系統(tǒng)。平面視圖內完成管道繪制和布置任務，軟件“常用”選項卡內的“管道”命令可以用來繪制管道。先選出需繪制的管道類型，繪制前，結合設計要求準確選出所需管徑，確保其能滿足建筑給水、排水系統(tǒng)要求，后輸入管段標高，即管道的偏移量，精準連接不同管線，在部分位置布置彎頭、地漏、閥門等附件。

應用Revit Architecture 和Revit MEP 2013 軟件，基于專業(yè)協(xié)同設計落實建筑主體及給排水系統(tǒng)的BIM 模型后，需對給排水管線進行管線綜合，探尋存有碰撞問題的管線與設備，做出相應調整。在落實全部管線繪制與設備安置工作后，在三維視圖內初步檢查與調整管線，采用的調整方法有移動位置、調整標高等。如果一開始就啟用“碰撞檢查”功能，會檢查出更多碰撞點，一方面不便于查找與修整，另一方面也會減緩計算機檢查程序的速度。

在探查到建筑圖紙內存在管線交叉、碰撞問題后，需采用適宜的方法調整交叉管線的空間位置，以上操作遵循小管避讓大管、給水管避讓排水管等原則，設計人員要做到靈活運用。通常碰撞檢查會伴隨模型的幾輪修改，碰撞檢查的一般流程如圖1 所示[6]。

圖1 碰撞檢查的一般流程

很多工程項目的給排水系統(tǒng)由給水、排水和消防等諸多子系統(tǒng)構成，各子系統(tǒng)管線均完整布置在模型內，類型繁多的管線系統(tǒng)布設在有限空間中，管道和建筑主體的局部發(fā)生交叉碰撞在所難免。且給排水系統(tǒng)的很多子系統(tǒng)管線間會涉及高度和水平位置形成的偏差，造成局部位置關系矛盾化，故而做好給排水系統(tǒng)內部管道碰撞檢查工作有很大的意義。建筑主體施工和給排水專業(yè)加強協(xié)同設計，建設集建筑、結構梁柱與給排水管線信息的綜合BIM 模型，并規(guī)范開展相應碰撞檢查工作。

用Navisworks 軟件輔助碰撞檢查，可自動生成碰撞報告，報告中清晰呈現(xiàn)碰撞點方位與數(shù)目，并給出碰撞點ID號碼，參照號碼可精準定位，隨后返回Autodesk 2013 軟件找到相應碰撞點，于Revit MEP 軟件內修改出現(xiàn)交叉碰撞問題的管道。

4.4 施工優(yōu)化與管理

4.4.1 性能模擬

性能模擬為建筑施工活動中的重要部分，涵蓋諸多內容：（1）落實建筑室外場地風環(huán)境模擬，結合設定要求，采用多種仿真數(shù)據(jù)獲得建筑所在地的氣流方向、氣流密度及風速等信息，以此為據(jù)測出建筑體的間距、朝向；（2）可以采用Cadna/A軟件等模擬分析噪聲，結合相關數(shù)據(jù)，有針對性地管控施工噪聲，將其對周邊居民的影響與干擾降到最低；（3）綜合模擬建筑能耗，基于傳熱原理對建筑物開展仿真測驗活動，設計人員可把既往年間的能耗信息作為測評建筑實際能耗的主要依據(jù)，使用BIM 技術后，借用ES 軟件模擬建立密封式模型，依次導入相關機電系統(tǒng)、建筑結構與濕度信息，比較不同模擬分析，設計適合建筑結構的最佳方案[7]。

4.4.2 BIM 技術在成本管理方面的運用

BIM 技術可真正意義上實現(xiàn)項目成本的精細化管理和動態(tài)管理，通過算量軟件運用BIM 技術建立施工階段的5D模型，能實現(xiàn)成本的精細分析，準確計算每個工序、工區(qū)、時間節(jié)點段的工程量。按照企業(yè)定額分析，及時算出每階段各個構件的中標單價和施工成本的對應關系，實現(xiàn)了項目成本的精細化管理。同時，根據(jù)施工進度進行及時統(tǒng)計分析，實現(xiàn)了成本的動態(tài)管理。避免以前施工企業(yè)在項目完成后，無法知道項目盈利和虧損的原因和部位。設計變更出來后，對模型進行調整，及時分析出設計變更前后造價變化額，實現(xiàn)成本動態(tài)管理。

4.5 BIM 技術在建筑工程中的其他應用

4.5.1 觀演建筑的視線分析

視線設計以通視、明視、真實、舒適為基本原則，滿足觀演建筑的觀賞要求。通過對舞臺視點、視距、觀眾廳座席升起、樓座俯視角等動態(tài)的調整模擬，達到最優(yōu)的觀賞舒適度，避免出現(xiàn)視線遮擋和明顯的透視變形。

4.5.2 停車系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化

1）車位凈高模擬分析

不同車型凈高不同，如微型、小型客車凈高要求2.2 m，中大型車一般在3 m 以上，包括不同車型通行流線上也有不同凈高要求。如果凈高不足或是未經(jīng)優(yōu)化的高凈高流線都會對車庫的經(jīng)濟性及安全性造成影響，因此，對不同車型的停車位置及車行通道排布進行模擬優(yōu)化是BIM 設計的優(yōu)勢所在。

2）車流模擬優(yōu)化

合理的汽車流線布置直接影響車庫是否可高效利用并獲得高的經(jīng)濟效益。在車庫流線設計可通過車流線實時動態(tài)模擬，觀察其合理性，及時發(fā)現(xiàn)碰撞與低效率的地方并改正。

5 結語

對于我國建筑行業(yè)，BIM 技術是一種全新的技術手段，盡管其在實踐中處于發(fā)展階段，但該技術在建筑行業(yè)已占據(jù)很高地位，在完善建筑設計工作質量的價值已被認可，可見其有廣闊的發(fā)展前景，未來建筑行業(yè)應積極將BIM 技術與其他技術相結合，創(chuàng)新發(fā)展，創(chuàng)造出更多工程效益。