基于建筑信息模型技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)研究

李達(dá)耀，劉 驍，朱英華

(1.北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535424；2.欽州市結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣西 欽州 535000)

1 引言

BIM(Building Information Modeling),也稱(chēng)為建筑信息化模型技術(shù),與傳統(tǒng)建筑模型技術(shù)相比,三維下的建筑設(shè)計(jì)模型構(gòu)建便是BIM技術(shù)最大的亮點(diǎn)[1]。它以現(xiàn)實(shí)工程建設(shè)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),在一個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目未完工或者設(shè)計(jì)階段,構(gòu)建出其虛擬數(shù)字化模型,同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)時(shí)整合并修改工程建設(shè)項(xiàng)目各個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵信息,以保證關(guān)鍵信息在建筑工程全生命周期內(nèi)的互通性。在大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)的協(xié)助下提高所有參與工程建設(shè)及后期運(yùn)維人員對(duì)項(xiàng)目各個(gè)節(jié)點(diǎn)的掌控力。并對(duì)未來(lái)建筑設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生的問(wèn)題提早解決或者排除,以達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省工期、縮減項(xiàng)目全生命周期的造價(jià)成本等效果。

2 建筑信息模型技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)順序上通常是“先建筑,再結(jié)構(gòu),最后水電”的模型構(gòu)建順序。由于各個(gè)專(zhuān)業(yè)的不同、各個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜錯(cuò)綜，使得傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在人員對(duì)接上可能發(fā)生信息阻礙、溝通欠缺等諸多難題,導(dǎo)致不同設(shè)計(jì)單元的版本存在矛盾及差異[1，2]。在軟件使用上，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)不同專(zhuān)業(yè)一般需要不同軟件的參與。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的缺陷及其設(shè)計(jì)軟件的種類(lèi)繁多,各有各的優(yōu)劣, 從而使大部分應(yīng)用于各個(gè)施工階段的數(shù)據(jù)和通信處于隔離狀態(tài)，導(dǎo)致的大量數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)而給工程項(xiàng)目的實(shí)施與竣工造成了一定的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)BIM技術(shù)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段建設(shè)的數(shù)據(jù)信息可視化、集成化處理，建設(shè)工程項(xiàng)目可以?xún)?yōu)化施工方案、縮短工期，以實(shí)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)效益的最大化,經(jīng)濟(jì)成本效益最優(yōu)化。BIM技術(shù)是一種多維模型信息集成技術(shù)，其關(guān)鍵點(diǎn)在“信息”，即模型內(nèi)涵蓋建筑更多層次的信息。其應(yīng)用價(jià)值有以下幾點(diǎn)。

2.1 有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的管理

在建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)階段中，BIM翻模技術(shù)對(duì)建設(shè)項(xiàng)目完工后進(jìn)行形象化和智能化管理至關(guān)重要[3]。BIM翻模技術(shù)允許項(xiàng)目參與方提取并追蹤相關(guān)有價(jià)值性的數(shù)據(jù)，例如組件狀況，規(guī)格模數(shù)，維護(hù)與操作指南，保修校準(zhǔn)等。因此，BIM技術(shù)可以使其能夠參與到建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期的設(shè)計(jì)，對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的各個(gè)階段都能實(shí)現(xiàn)很好的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)由管理人員通過(guò)建筑信息管理平臺(tái)，在整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行運(yùn)維活動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的管理。

2.2 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)視圖的三維性

BIM技術(shù)圍繞一個(gè)綜合的數(shù)據(jù)模型，建筑師，土木工程師，結(jié)構(gòu)工程師等各種參與者,根據(jù)其對(duì)建筑設(shè)計(jì)的需求提取與構(gòu)成視圖及信息。其可視化功能使得參與者不但可以在建筑施工之前就能以三維視圖形式審視建筑物，而且在項(xiàng)目生命周期里自動(dòng)更新建筑視圖。雖然傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)軟件Auto CAD等也具有三維視圖效果,但是其對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求較高,同時(shí)無(wú)法對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行渲染,使得建筑思維變得局限[4，5]。BIM技術(shù)確保項(xiàng)目能夠收集到更多更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在模型中，并以三維模型加以展示，從而真正實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的三維性[6],同時(shí),將已建成模型與現(xiàn)代VR技術(shù)進(jìn)行鏈接,利用其真實(shí)觀賞效果可漫游實(shí)景感受，并且任意角度導(dǎo)出全景、VR及效果動(dòng)畫(huà)，實(shí)時(shí)把控方案效果審閱，提前預(yù)知實(shí)施效果。同時(shí)達(dá)到快速審查、會(huì)審、交底驗(yàn)收目的。

2.3 有效減少設(shè)計(jì)變更及縮短設(shè)計(jì)周期

建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程的科學(xué)化、合理化是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量與進(jìn)度的前提[7]，在建筑設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并且減少由于設(shè)計(jì)文件而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更,將大大提高施工質(zhì)量和節(jié)省工期。BIM技術(shù)能夠應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃各個(gè)階段的相關(guān)任務(wù),它允許項(xiàng)目涉及者能夠處在整個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目生命周期中去進(jìn)行提取建設(shè)數(shù)據(jù)信息和可視化其項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)度。同時(shí)建筑信息模型技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⒛Ｐ偷母鱾€(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域(建筑方面、結(jié)構(gòu)方面、設(shè)備方面)等在設(shè)計(jì)階段時(shí),集成到一個(gè)建筑模型中，在BIM技術(shù)中設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)規(guī)則,即可進(jìn)行相應(yīng)碰撞核驗(yàn),導(dǎo)出詳細(xì)的檢驗(yàn)報(bào)告,高效查找碰撞的管道和行架的構(gòu)件和位置,通過(guò)碰撞核驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)管水管相交概率點(diǎn)、空調(diào)管道的合適高度，在施工前避免不必要的錯(cuò)誤,節(jié)省人力物力，大幅度提高碰撞核驗(yàn)的控制精度，改善處在建設(shè)項(xiàng)目過(guò)程中所可能發(fā)生的修改變更。有效地減少了設(shè)計(jì)變更及縮短了設(shè)計(jì)周期。

2.4 實(shí)現(xiàn)對(duì)施工成本預(yù)測(cè)性控制

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,建筑模型信息往往停留在各個(gè)構(gòu)件板塊模數(shù)上,例如構(gòu)件尺寸、構(gòu)件位置等繪圖數(shù)據(jù)。由于傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程缺乏對(duì)于建筑模型定額定量匯總的技術(shù)手段,因此無(wú)法在施工前期進(jìn)行相對(duì)精準(zhǔn)有效的造價(jià)估算。BIM信息翻模技術(shù)允許涉及者可視化其項(xiàng)目的進(jìn)度和相關(guān)的造價(jià)成本[8]。同時(shí)BIM技術(shù)的使用提高了工程變更、設(shè)備、人工更改的精確性。并且提供了用于提取和分析成本，評(píng)估方案和變更影響的方法，因此能實(shí)現(xiàn)對(duì)施工成本的預(yù)測(cè)性控制[9]。

3 建筑信息模型技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)階段的探究

建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括[10]：建筑模型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)和機(jī)電模型設(shè)計(jì)。

3.1 建筑模型設(shè)計(jì)

建筑模型設(shè)計(jì)包括房間布置、碰撞檢查等分應(yīng)用點(diǎn)[11]。傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)一般采用CAD、SKETCHUP等模型設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。但由于各個(gè)軟件的不兼容性，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)一般需要在不同軟件中重復(fù)建模才能完成設(shè)計(jì)工作。利用BIM技術(shù)的建筑模型設(shè)計(jì)則一般采用天正CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)建筑圖紙進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，接著以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所支持的特定格式文件通過(guò)Revit鏈接或者導(dǎo)入模塊將初步設(shè)計(jì)圖紙直接連接BIM for Revit[12～14]。然后基于圖紙進(jìn)行初步建筑軸網(wǎng)翻模，最后通過(guò)已建軸網(wǎng)模型完成建筑設(shè)計(jì)。此外，還能采用的BIMfor Revit套包，通過(guò)其自帶土建建模板塊能夠自動(dòng)進(jìn)行房間識(shí)別及模型調(diào)整。

相比于傳統(tǒng)的建模技術(shù)，基于BIM技術(shù)的建筑模型設(shè)計(jì)不需要在不同軟件重復(fù)建模，僅需要通過(guò)對(duì)項(xiàng)目三維模型雛形進(jìn)行修改就能得到理想建筑模型，利用BIM技術(shù)構(gòu)建三維模型能夠更加直觀的表達(dá)建筑物效果。同時(shí)還能對(duì)已建模型進(jìn)行碰撞分析及修改，最大程度的降低成本,減少資源消耗[15～17]。

3.2 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)于建筑設(shè)計(jì),其主要針對(duì)該項(xiàng)目柱、梁及板等房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)及布置,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有PKPM、ETABS 和3D3S等軟件。由于建筑結(jié)構(gòu)的多樣性,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件同樣種類(lèi)繁多,這也就使得設(shè)計(jì)者在軟件選擇上需要花費(fèi)額外的時(shí)間和浪費(fèi)較多的精力，使工作效率無(wú)法提高。再者基于PKPM、ETABS 和3D3S等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式存在不夠直觀、各個(gè)專(zhuān)業(yè)分散非協(xié)同以及無(wú)法準(zhǔn)確參數(shù)化等問(wèn)題,從而導(dǎo)致與現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)開(kāi)始出現(xiàn)嫌隙,無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代建筑更新?lián)Q代和無(wú)法滿(mǎn)足其對(duì)可視化、精確化、數(shù)字化等更高要求[18，19]。

利用BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，將滿(mǎn)足Revit系統(tǒng)要求的建筑結(jié)構(gòu)模型鏈接,創(chuàng)建包含梁板配筋面積計(jì)算信息的建筑主體結(jié)構(gòu)模型。利用Revit軟件的結(jié)構(gòu)功能板塊,通過(guò)各個(gè)構(gòu)件屬性分模塊進(jìn)行屬性修改(包括形狀規(guī)格、材料配置、顏色等模數(shù)修改),接著根據(jù)項(xiàng)目要求及當(dāng)?shù)亟ㄖO(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行各個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì),待構(gòu)件屬性修改完成,最后進(jìn)行構(gòu)件布置,從得到結(jié)構(gòu)模型。并且，利用BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，由于其通過(guò)結(jié)合配筋信息與建筑平法標(biāo)注信息,能夠直接于該管理平臺(tái)創(chuàng)建滿(mǎn)足國(guó)家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)施工圖,無(wú)需通過(guò)CAD進(jìn)行二次建模，從而大大節(jié)約了時(shí)間成本。此外,基于BIM 技術(shù),還能夠提供高清構(gòu)建模型,對(duì)已建混凝土、鋼筋等結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)物工程量匯總,通過(guò)web端和移動(dòng)端以輕量化模型展示,使其獲得更佳的展示效果。

3.3 機(jī)電模型設(shè)計(jì)

建筑機(jī)電模型設(shè)計(jì)具有明顯的集成特性，各類(lèi)管線和行架的碰撞核驗(yàn)一直是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的碰撞核驗(yàn)，采用傳統(tǒng)CAD等軟件,以二維圖紙的方式進(jìn)行核驗(yàn)。由于各類(lèi)管線、橋架尺寸等構(gòu)件均無(wú)法以二維圖紙形式精準(zhǔn)呈現(xiàn)出來(lái)，所以將構(gòu)件碰撞的風(fēng)險(xiǎn)隱患精準(zhǔn)的反映出來(lái)顯得極為困難，同時(shí)各基本要素間又易發(fā)生沖突，從而導(dǎo)致管線排布難度的攀升。

基于BIM技術(shù)的機(jī)電模型設(shè)計(jì),主要采用斯維爾BIM for Revit翻模平臺(tái),其最大的特點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)同步化，在Revit等設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)中所修改的信息實(shí)時(shí)并且完好無(wú)缺地反饋在三維建筑模型中。

采用BIM正向一體化技術(shù)措施可轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的翻模方式，建立3D模型管理方案，在Revit、天正CAD等建模軟件功能的支持下，有利于機(jī)電構(gòu)件碰撞核驗(yàn)的全面開(kāi)展。當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在碰撞核驗(yàn)等方面的缺陷，便可以及時(shí)通過(guò)校準(zhǔn)管片位置等方法減少甚至避免構(gòu)件沖突?；贐IM技術(shù)的機(jī)電模型設(shè)計(jì)應(yīng)用主要包括以下要點(diǎn)。

(1)管線布置及搬遷模擬。利用已有機(jī)電CAD格式圖紙鏈接Revit,從而進(jìn)行管線布置與搬遷。

(2)碰撞核驗(yàn)與管線綜合。結(jié)合Revit2軟件自帶的碰撞檢查系統(tǒng),對(duì)項(xiàng)目存在碰撞的管線進(jìn)行修正。

(3)模型漫游及管線檢查。傳統(tǒng)模型需要通過(guò)Fuzor等軟件來(lái)完成模型的漫游演示及施工成果展示,基于BIM技術(shù)的機(jī)電模型漫游及管線檢查則通過(guò)其自帶的三維模型漫游功能,以此對(duì)項(xiàng)目已修正管線進(jìn)行三維漫游檢查,對(duì)其進(jìn)行可行性分析，采用適量的手段加以改進(jìn)，以保證管線布置的精確性。

(4)管配件工程量計(jì)算。對(duì)機(jī)電模型進(jìn)行實(shí)物工程量匯總,得到管配件工程量報(bào)表,以保證項(xiàng)目造價(jià)分析準(zhǔn)確性。

BIM技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)的管線排布,是物理拓樸與邏輯拓樸的相互對(duì)應(yīng)，它將邏輯上的機(jī)電模型在物理空間上實(shí)現(xiàn)。在建筑機(jī)電模型上是實(shí)現(xiàn)其電氣平面圖的設(shè)計(jì)。依據(jù)機(jī)電模型設(shè)計(jì)階段分析的結(jié)果修改三維模型[20]。根據(jù)系統(tǒng)圖,完成物理拓樸的設(shè)計(jì)。對(duì)物理拓樸進(jìn)行設(shè)計(jì),使之從功能上與邏輯拓樸對(duì)應(yīng)。完成管線布置系統(tǒng)設(shè)計(jì)。布線系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)良好的系統(tǒng)三維模型外,還應(yīng)從建筑實(shí)際的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)機(jī)電模型加以考慮。此機(jī)電模型的管線排布的最終完成，三維與二維之間的高效轉(zhuǎn)換，體現(xiàn)了BIM技術(shù)在建筑一體化設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先通過(guò)將傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)與現(xiàn)代新型BIM建筑協(xié)同管理平臺(tái)進(jìn)行分析比對(duì),從而了解建筑信息模型具體的優(yōu)劣勢(shì)所在。通過(guò)BIM的技術(shù)及其相關(guān)軟件對(duì)建筑設(shè)計(jì)階段的建筑模型，結(jié)構(gòu)模型，機(jī)電模型進(jìn)行研究設(shè)計(jì)模擬，充分顯示了Revit等相關(guān)BIM建筑信息管理平臺(tái)在現(xiàn)代建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著設(shè)計(jì)階段的不斷深化,對(duì)建筑設(shè)計(jì)模型的要求越來(lái)越高,這就使得傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷越來(lái)越明顯。而伴隨著Revit等相關(guān)BIM建筑信息協(xié)同管理平臺(tái)的出現(xiàn),給現(xiàn)代建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段開(kāi)辟了一個(gè)新的設(shè)計(jì)模式。雖然本文所述僅處在建筑設(shè)計(jì)階段,并未包含建筑的全壽命周期,但是BIM技術(shù)對(duì)建筑全壽命周期所帶來(lái)的便利是毋庸置疑的。它為建筑全壽命周期提供了有效的技術(shù)及管理依據(jù)，進(jìn)而有效提高整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。