民用建筑設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用實(shí)踐與反思

魏 欣， 劉 熠

(1 中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司， 湖北 武漢 430071；2 法國(guó)公共工程學(xué)院， 法國(guó) 卡尚 94230)

近十年，建筑行業(yè)的數(shù)字化、信息化技術(shù)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，BIM技術(shù)作為新一代建筑信息技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。調(diào)研數(shù)據(jù)表明：BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用案例遠(yuǎn)多于設(shè)計(jì)階段；BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用價(jià)值被多數(shù)業(yè)主忽視低估。本文選取幾個(gè)典型公共建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的BIM技術(shù)應(yīng)用案例，展示民用建筑設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)應(yīng)用對(duì)于提高設(shè)計(jì)品質(zhì)、減少返工、提高效率等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；反思民用建筑設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)大面積應(yīng)用推廣難的問題。

1 BIM概念與理念

BIM的全稱是建筑信息模型(Building Information Modeling) 。BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫。借助包含建筑工程信息的三維模型，大大提高建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項(xiàng)目的相關(guān)利益方提供一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。BIM理念起源于美國(guó)，BIM技術(shù)是十多年來在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)中新興的工程數(shù)字化設(shè)計(jì)方式，創(chuàng)建的建筑信息模型能實(shí)現(xiàn)全方位的建筑設(shè)計(jì)及控制、檢測(cè)等工作。

2 BIM技術(shù)在民用建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用點(diǎn)

設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用目標(biāo)是減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)品質(zhì)。設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用內(nèi)容宜包含：場(chǎng)地分析、參數(shù)化設(shè)計(jì)、性能化分析、設(shè)計(jì)方案比選、制圖表達(dá)、量化統(tǒng)計(jì)、管線綜合、可視化、裝配式建筑等。1)場(chǎng)地分析包含傾斜攝影、土方平衡、豎向設(shè)計(jì)分析等;2)參數(shù)化設(shè)計(jì)包含結(jié)構(gòu)優(yōu)化、幕墻分格、車位排布等;3)性能化分析包含日照、風(fēng)環(huán)境、視線、能耗、聲學(xué)、消防疏散、交通、污染物擴(kuò)散等; 4)設(shè)計(jì)方案比選包含建筑功能布局、外觀造型、空間優(yōu)化等; 5)量化統(tǒng)計(jì)包含模型單元數(shù)量統(tǒng)計(jì)、屬性信息統(tǒng)計(jì)等;6)管線綜合包含碰撞檢查、凈高分析、凈高優(yōu)化等; 7)可視化包含模型展示、漫游動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等;8)裝配式建筑包含部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等。

3 BIM技術(shù)在民用建筑設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

3.1 土方平衡分析

武漢天河機(jī)場(chǎng)T3航站樓是一座規(guī)模大、功能復(fù)雜的交通綜合體建筑，建筑面積49.5 萬m2。項(xiàng)目建設(shè)用地地勢(shì)不平，呈西高東低、南高北低，西側(cè)有自然湖泊，洪水設(shè)防水位25.4 m。場(chǎng)地區(qū)域大。每改變1 cm的標(biāo)高帶來的是大量土方調(diào)整和投資增加。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，我們通過創(chuàng)建整體場(chǎng)地模型，將不同地形高程區(qū)間分為藍(lán)、綠、黃、紅四種顏色方案(圖1)。BIM軟件快捷獲取各設(shè)計(jì)標(biāo)高所產(chǎn)生的土方量，將這些高程數(shù)據(jù)結(jié)合最高洪水設(shè)防水位，通過對(duì)比三個(gè)不同方案土方工程量和經(jīng)濟(jì)成本后，確定建筑地坪標(biāo)高以及場(chǎng)地坡度(圖2)。

圖 1 武漢天河機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地標(biāo)高分析

圖 2 武漢天河機(jī)場(chǎng)土方平衡模擬分析

3.2 風(fēng)環(huán)境模擬

在鄂州市公共衛(wèi)生臨床中心項(xiàng)目的投標(biāo)階段，通過創(chuàng)建場(chǎng)地與建筑BIM模型，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置風(fēng)環(huán)境邊界條件，利用BIM技術(shù)模擬夏季季風(fēng)，快捷獲取距地面高度1.5 m處的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)(圖2)，模擬表明有較大面積的區(qū)域保持了1.0～3.5 m/s的風(fēng)速，未出現(xiàn)超過5 m/s的風(fēng)環(huán)境。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段通過分析模擬結(jié)果，優(yōu)化了建筑物造型，在保證人體舒適度的情況下，也使得空氣新鮮度保證在一個(gè)高水平位置，創(chuàng)造了一個(gè)良好的醫(yī)療環(huán)境與氛圍。

3.3 凈高分析與管線綜合

鐵投·碳匯大廈是一個(gè)綜合辦公大廈，建筑面積7.85萬m2，項(xiàng)目在管理上采用以設(shè)計(jì)為龍頭的EPC總承包模式，對(duì)統(tǒng)籌規(guī)劃和協(xié)同運(yùn)作有較高的要求。如圖3所示，大廈3層某處，管線多且走廊寬度為2000 mm，風(fēng)管貼梁底安裝，水管道位于風(fēng)管下方，橋架十字交叉位于最下層。此處多根橋架進(jìn)入電井，最低處凈高為2650 mm，進(jìn)核心筒水電井區(qū)域采用綜合支吊架。

圖 3 鄂州市公共衛(wèi)生臨床中心風(fēng)環(huán)境模擬圖

圖 4 鐵投·碳匯大廈復(fù)雜區(qū)域管線綜合報(bào)告

在設(shè)計(jì)階段，跟據(jù)凈高控制表對(duì)BIM模型進(jìn)行凈高分析，并將凈高分析結(jié)果形成報(bào)告和模型提交至建設(shè)方審核，根據(jù)審核意見修改，提前發(fā)現(xiàn)可能不滿足凈空要求的位置，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化?；贐IM模型進(jìn)行三維管線綜合排布，合理的對(duì)整個(gè)空間管線進(jìn)行優(yōu)化，解決管線碰撞問題，區(qū)別于傳統(tǒng)二維中通過對(duì)點(diǎn)位分析來代替整個(gè)區(qū)域，減少各方協(xié)調(diào)周期，減少施工過程中因管線排布不合理而帶來的損失。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段充分發(fā)揮了以設(shè)計(jì)為龍頭的EPC項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)和施工都按照統(tǒng)一的BIM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施全過程BIM應(yīng)用。BIM技術(shù)優(yōu)化業(yè)主投資分配，提升關(guān)鍵功能檔次。在BIM技術(shù)的支持下，功能布局、空間凈高、裝飾裝修等設(shè)計(jì)階段的內(nèi)容得到更高效的調(diào)整和優(yōu)化，基本實(shí)現(xiàn)施工階段零變更，大幅提升項(xiàng)目品質(zhì)。

3.4 正向設(shè)計(jì)、模型出圖

武漢天河機(jī)場(chǎng)南工作區(qū)南航綜合保障樓項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)全專業(yè)落地的BIM正向設(shè)計(jì)。以“真實(shí)建造”的邏輯創(chuàng)建和組織模型，并通過“模型出圖”，使設(shè)計(jì)師創(chuàng)建的模型從施工圖設(shè)計(jì)階段順利延續(xù)到深化設(shè)計(jì)以及施工階段[1]。

BIM正向設(shè)計(jì)要求從模型中創(chuàng)建圖紙，保證圖模一致，模型與圖紙互相關(guān)聯(lián)。本項(xiàng)目從初步設(shè)計(jì)階段開始全程進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)，全專業(yè)設(shè)計(jì)人員基于Revit軟件創(chuàng)建模型、協(xié)同設(shè)計(jì)。出圖是設(shè)計(jì)中工作量非常大的一部分內(nèi)容，在BIM技術(shù)的支持下，各專業(yè)的設(shè)計(jì)人員有了較好的系統(tǒng)協(xié)作，大家在同一模型條件下進(jìn)行制圖，而且可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)變更，因此其最大的優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)人員可以更加直接快捷地對(duì)模型和圖紙進(jìn)行不斷修改，同時(shí)保證圖紙與模型100%一致。在傳統(tǒng)的2D平面圖旁，補(bǔ)充3D模型圖，更直觀、清晰的表達(dá)建筑空間與效果，大幅提高設(shè)計(jì)圖紙的質(zhì)量(圖5)。

雖然在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用BIM需要投入一定時(shí)間成本，但對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)及出圖品質(zhì)在初期有很大的提升，能將以往在施工階段才發(fā)現(xiàn)的問題提前解決，也減少了返工帶來的重復(fù)工作量，證明BIM技術(shù)可以在建立較為完整3D模型的基礎(chǔ)上達(dá)到又快又準(zhǔn)的出圖效率。

圖 5 武漢天河機(jī)場(chǎng)南工作區(qū)南航綜合保障樓-BIM正向設(shè)計(jì)施工圖

3.53D可視化協(xié)同設(shè)計(jì)

湖北黃石奧林匹克體育中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工階段都遵從統(tǒng)一的項(xiàng)目級(jí)BIM標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)階段應(yīng)用多種BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)。如圖6所示，在湖北黃石奧林匹克體育中心項(xiàng)目中，全民健身館和游泳館全專業(yè)通過Revit軟件創(chuàng)建施工圖設(shè)計(jì)模型，在3D視圖中協(xié)同設(shè)計(jì)、多專業(yè)配合。

在傳統(tǒng)的專業(yè)合作中，設(shè)計(jì)圖紙?zhí)豳Y后進(jìn)行的修改是無法同步更新的，而在BIM信息集成平臺(tái)的協(xié)助下，各專業(yè)的模型及圖紙信息都可以在第一時(shí)間內(nèi)完成更新，減少了溝通修改的時(shí)間差；比如，發(fā)生沖突最多的設(shè)備專業(yè)與室內(nèi)專業(yè)，也能同時(shí)完成建模，只需利用碰撞檢查的功能，就能直觀明了的發(fā)現(xiàn)問題，大大提高設(shè)計(jì)效率、節(jié)約成本；而在項(xiàng)目管理中能大幅度減少施工階段的拆改，節(jié)約項(xiàng)目成本，利用3D可視化功能進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)能夠很好的促進(jìn)設(shè)計(jì)人員建立3D思維方式，使得專業(yè)間協(xié)同配合更直觀，更為高效地應(yīng)用各種建筑信息和數(shù)據(jù)開展分析。[2]證明項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段采用BIM協(xié)同工作能提升設(shè)計(jì)效果，確保決策的高效性和準(zhǔn)確性。

1-乒乓球健身場(chǎng)地;2-籃球健身場(chǎng)地;3-羽毛球健身場(chǎng)地; 4-全民健身廳; 5-觀眾休息廳；6，10-預(yù)留運(yùn)營(yíng)；7-競(jìng)賽指揮；8-比賽池底；9-比賽大廳圖 6 湖北黃石奧林匹克體育中心-游泳館剖切軸測(cè)

3.6 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

武漢雷神山醫(yī)院建筑面積7.99萬m2，整體規(guī)劃按照最高標(biāo)準(zhǔn)的傳染病醫(yī)院設(shè)計(jì)，是一個(gè)專為新冠病毒肺炎重癥患者建造的全國(guó)最大規(guī)模的抗疫應(yīng)急醫(yī)院(圖7)。

圖 7 武漢雷神山醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

1)醫(yī)院整體采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造。在非常有限的時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)充分利用裝配式建筑的特點(diǎn)優(yōu)化項(xiàng)目總體平面布局，在裝配式建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備管線系統(tǒng)和內(nèi)裝系統(tǒng)上，按照工業(yè)化快速建造的要求完成了模塊一體化集成設(shè)計(jì)，運(yùn)用BIM信息化管理技術(shù)，在各參建方的共同努力下，順利完成了這樣一個(gè)全球關(guān)注的特殊工程項(xiàng)目建設(shè)，也同時(shí)為醫(yī)護(hù)人員安全使用提供了信心保障。[3]

2)根據(jù)醫(yī)療建筑的特點(diǎn)，利用BIM技術(shù)將醫(yī)療建筑中的功能模塊進(jìn)行拆分和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為成熟的產(chǎn)品，有利于提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

該項(xiàng)目將“魚骨狀”隔離醫(yī)療區(qū)大模塊拆分成重復(fù)率高的小模塊，建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修、設(shè)備等全專業(yè)精細(xì)化參數(shù)化建模，添加材質(zhì)、尺寸、設(shè)備參數(shù)等構(gòu)件信息。優(yōu)化了醫(yī)療建筑單元標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，方便同類型醫(yī)療建筑的設(shè)計(jì)提取和復(fù)用。項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段中利用成熟的 BIM 模塊化產(chǎn)品進(jìn)行 BIM 設(shè)計(jì)，大大提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度，所見即所得，進(jìn)一步更可延伸至裝配式建筑的工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，解決項(xiàng)目工期緊張的矛盾[4]。

4 反思

通過筆者的應(yīng)用實(shí)踐表明，基于BIM的3D設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，可以有效的提升品質(zhì)、減少浪費(fèi)。當(dāng)下設(shè)計(jì)院推廣普及BIM技術(shù)應(yīng)用也碰到了一些障礙，基于BIM的設(shè)計(jì)模式，還沒有變成一種主流的工作方式。有人把原因歸結(jié)為3D設(shè)計(jì)比2D設(shè)計(jì)考慮的設(shè)計(jì)因素多，導(dǎo)致工作量大周期長(zhǎng)，不能適應(yīng)市場(chǎng)的高周轉(zhuǎn)要求；也有人把原因歸結(jié)為BIM工具軟件還不夠先進(jìn)；還有人把原因歸結(jié)為利益分配失衡，設(shè)計(jì)院通過BIM技術(shù)輔助設(shè)計(jì)，后期建造運(yùn)維問題前置，提前解決減少變更，給業(yè)主提供了增值服務(wù)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)人員能力要求提高了，工作量大了，但設(shè)計(jì)院、設(shè)計(jì)師并未得到相應(yīng)的報(bào)酬補(bǔ)償。

面對(duì)這些問題，從根上解決問題的策略就是知識(shí)軟件化。依據(jù)DIKW 金字塔模型(圖8)，BIM實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的承載和建筑信息的表達(dá)，但還沒有實(shí)現(xiàn)知識(shí)驅(qū)動(dòng)。BIM作為一種與現(xiàn)實(shí)建筑相對(duì)應(yīng)的建筑信息模型，本質(zhì)上是建筑信息數(shù)據(jù)庫；如果我們?cè)O(shè)計(jì)知識(shí)和內(nèi)隱的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)顯性化、結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化；繼而把知識(shí)軟件化，就會(huì)實(shí)現(xiàn)更加智能的設(shè)計(jì)。最容易知識(shí)軟件化的就是規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的軟件化，僅僅把規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)軟件化就會(huì)帶來巨大的效率提升，如把設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)軟件化，就能實(shí)現(xiàn)智能審圖；把綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)軟件化，就能實(shí)現(xiàn)綠色建筑智能評(píng)價(jià)、碳排放智能評(píng)價(jià)。所以，BIM技術(shù)融合知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)，大幅提升BIM工作效率，是BIM技術(shù)大面積普及應(yīng)用的關(guān)鍵力量。

圖 8 DIKW金字塔模型

5 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)和信息化技術(shù)日益發(fā)展，BIM得到了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，其重要性也越來越明顯，體現(xiàn)出了較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。如今，在建筑設(shè)計(jì)階段的BIM技術(shù)應(yīng)用逐漸得到更廣泛的認(rèn)可和發(fā)展，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。相信在不久的將來，BIM技術(shù)會(huì)在知識(shí)自動(dòng)化、人工智能的加持下，會(huì)得到普及應(yīng)用，在建筑設(shè)計(jì)中發(fā)揮更加高效的作用，并推進(jìn)我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)信息化發(fā)展上升到更高的水平。