基于BIM的科研辦公樓項(xiàng)目正向設(shè)計(jì)應(yīng)用

王 艷，蘇怡航，吳慧子

(安徽建筑大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，合肥230000)

工業(yè)化、信息化的趨勢是建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)方向，隨著BIM技術(shù)的應(yīng)用不斷深入，正向設(shè)計(jì)逐漸增多.正向設(shè)計(jì)主導(dǎo)由三維模型導(dǎo)出二維圖紙，使得整個過程更加高效率，精確，能夠?qū)崿F(xiàn)各階段各方的協(xié)同與溝通.BIM技術(shù)正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用，能夠極大程度提高正向設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效率.本文針對目前正向設(shè)計(jì)過程中所面臨的通用性難點(diǎn)、瓶頸進(jìn)行突破和創(chuàng)新，為BIM技術(shù)在復(fù)雜公共建筑中的深度實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用提供參考.

1 正向設(shè)計(jì)的概念介紹

在清代宮廷設(shè)計(jì)中，建筑世家“樣式雷”采用選址——燙樣——圖檔的設(shè)計(jì)流程建設(shè)宮廷御苑，中國此時已經(jīng)初步具有三維正向設(shè)計(jì)的思想.在九十年代后，二維設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從圖板到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的變革，如今人們對房屋建設(shè)的高品質(zhì)要求，讓設(shè)計(jì)師也嘗試拿起三維工具來建設(shè)我們的新時代.

本項(xiàng)目位于包河區(qū)淝河版塊，定位為高品質(zhì)科研辦公樓，對建筑設(shè)計(jì)品質(zhì)的追求是本案最大挑戰(zhàn)，同時也要求我們以更理性態(tài)度完善設(shè)計(jì).基于可衡量的指標(biāo)，利用BIM模型進(jìn)行協(xié)同與管理，具有主動性的工程師團(tuán)隊(duì)通過完整的協(xié)作過程交付項(xiàng)目——高質(zhì)量的實(shí)體項(xiàng)目及數(shù)字化模型，提出合理且具有針對性的新型建造方式.為此，借助BIM手段來實(shí)現(xiàn)建筑方案的推敲、優(yōu)化、施工圖階段的協(xié)同設(shè)計(jì)以及將信息傳遞到施工階段.

2 正向設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的對比

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行現(xiàn)場踏勘拍照，利用CAD強(qiáng)排及SU體塊，接著進(jìn)行結(jié)構(gòu)、機(jī)電提資與反提資[1].依靠疊圖檢查錯漏碰缺，進(jìn)行校對并修改、審核并修改，最終完成出圖.但如果中間環(huán)節(jié)施工過程中出現(xiàn)大量變更，則返工復(fù)雜，工作繁瑣.

正向設(shè)計(jì)依靠三維建模出效果圖.首先利用大疆無人機(jī)航拍生成三維場地模型，ArchiCAD三維同步總圖及建筑體塊，基于PKPM的綠色性能化、日照、風(fēng)環(huán)境及節(jié)能，模擬軟件優(yōu)化調(diào)整建筑形體.接著生成云端BDIP瀏覽模型供各專業(yè)協(xié)同，進(jìn)行Revit三維平立面深化，建筑同步Dynamo立面精細(xì)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)YJK與 PKPM模擬，機(jī)電主管布置.Revit平立面碰撞全專業(yè)調(diào)整使圖模一致，基于Autodesk Vault平臺設(shè)計(jì)協(xié)同，還可通過Lumion建成效果展示，Revit最終模型并出圖.

總體來說，正向設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠吸納海量數(shù)據(jù)，減少錯漏，快速渲染和出圖，縮短周期，完成協(xié)同工作，提高效率.在BIM正向設(shè)計(jì)開始之前，將它與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了對比.對比發(fā)現(xiàn)，正向設(shè)計(jì)流程的背后含有海量數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)，可以提高信息的可信度和精準(zhǔn)度，生成可視化成果，可快速渲染進(jìn)行方案的比選，以及在施工圖設(shè)計(jì)協(xié)同提高溝通效率[2].

3 BIM正向設(shè)計(jì)的實(shí)施應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于合肥市包河區(qū)淝河片區(qū)，淝河片區(qū)是包河區(qū)罕有的大規(guī)模寶地.項(xiàng)目總用地面積為16 962.63 m2(約25.44畝)，總建筑面積約4.8萬m2.場地東側(cè)唐模路(支路)，北行接龍川路(主干道)，北側(cè)牯牛降路(支路)，西行接北京路(主干道)，聯(lián)通城市道路交通網(wǎng).

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上重塑本項(xiàng)目的三維設(shè)計(jì)流程，在對項(xiàng)目進(jìn)行WBS拆解后，在不同設(shè)計(jì)階段，確定圖紙的深度要求及模型的信息粒度要求，將各專業(yè)的設(shè)計(jì)步驟串聯(lián)在一起.制定項(xiàng)目的基礎(chǔ)建模標(biāo)準(zhǔn)，正向設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，正向設(shè)計(jì)流程甘特圖，以及模型檢查標(biāo)準(zhǔn).

3.2 BIM實(shí)施內(nèi)容

3.2.1 方案推敲-場地

在場地設(shè)計(jì)中，采用大疆無人機(jī)航拍圖像獲取GPS信息，利用bentelyCC重疊度完成快速地圖構(gòu)建，生成數(shù)字全景模型，給項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供全方位的基礎(chǔ)信息[3].經(jīng)過分析得出：場地南高北低，高差近3 m，利用Revit場地建模復(fù)原原始地形，并分階段建立不同土方的方案，挖填土方明細(xì)表如表1所示，通過明細(xì)表功能計(jì)算出開挖方和填方，比選出最終的方案.

表1 挖填土方明細(xì)表

用ArchiCAD進(jìn)行體塊建模，根據(jù)任務(wù)書要求進(jìn)行功能分區(qū)及指標(biāo)推敲，生成體量模型.

3.2.2 綠建分析及疏散分析模擬

如圖1所示為夏季和冬季的室外風(fēng)環(huán)境模擬，用PKPM進(jìn)行綠色可持續(xù)分析的優(yōu)化.結(jié)合區(qū)位環(huán)境，模擬太陽輻射及日照軌跡，讓夏季減少太陽熱輻射，冬季引入太陽日照.再根據(jù)室外風(fēng)環(huán)境模擬，進(jìn)一步調(diào)整開窗位置和形式.對室外聲環(huán)境模擬，分析噪聲的時間分布特征和空間差異，提出可行性方案.

圖1 室外風(fēng)環(huán)境模擬

通過Pathfinder軟件進(jìn)行疏散分析模擬，如圖2所示，通過定義人員數(shù)量，行走速度，出口距離等參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)逃生路徑和時間模擬，輔助優(yōu)化設(shè)計(jì).

圖2 疏散分析模擬

3.2.3 協(xié)同參數(shù)化設(shè)計(jì)

利用Dynamo進(jìn)行參數(shù)化的計(jì)算模擬，對立面開窗進(jìn)行分析調(diào)整，比選不同遮陽板角度、開窗大小狀況下的室內(nèi)采光、通風(fēng).綜合性能指標(biāo)和外立面造型的美觀情況，獲取最佳的角度和尺寸[4].立面上則考慮中國元素大紅斗拱與現(xiàn)代元素鋼、玻璃的融合，用3D打印打出優(yōu)化后的模型，模型如圖3所示.至此方案平立面定案，總平面定案.

圖3 3D打印模型

模型通過lumion，進(jìn)行實(shí)時渲染.在主入口，辦公大堂，連廊，室內(nèi)樓梯，景觀屋面等區(qū)域，細(xì)扣設(shè)計(jì)細(xì)節(jié).

結(jié)構(gòu)BIM采用盈建科計(jì)算軟件進(jìn)行建模和受力分析.模型數(shù)據(jù)通過軟件接口和Revit實(shí)現(xiàn)交互，結(jié)構(gòu)模型在Revit中無需再次建模，直接更新模型即可.

在推敲采光井周邊梁布置對地庫采光影響中，用BIM可視化場景分析優(yōu)劣性.模擬停車時人的視角，為獲得安全視角，采用柱子縮進(jìn)布置，使結(jié)構(gòu)布置更合理.如圖4所示，圖4(a)為原始方案，通過模擬之后，由(a)圖看出，原始設(shè)計(jì)中停車過程中的距離柱子較近，于是修改立柱相關(guān)尺寸，優(yōu)化后再進(jìn)行動態(tài)模擬，可看出停車位置較為寬敞，更加提高了實(shí)用性.

圖4 車位間柱位置推敲

在施工圖階段，運(yùn)用鴻業(yè)BIMspace進(jìn)行建筑和機(jī)電專業(yè)的正向設(shè)計(jì).在建筑專業(yè)中，利用樂建中的規(guī)范、模型檢查功能對面積平面中的防火分區(qū)面積等進(jìn)行校驗(yàn)，并快速得出結(jié)果.

在暖通專業(yè)中，通過建立三維空間能量模型并進(jìn)行冷負(fù)荷分析計(jì)算，依據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)對系統(tǒng)、規(guī)格進(jìn)行選型設(shè)置，繪制風(fēng)管系統(tǒng)、風(fēng)口、管件形成完整的模型，并通過快速標(biāo)注輸出圖紙.

BIM采用歐特克Vault設(shè)計(jì)平臺+BDIP輕量化管理平臺進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)管理，用BIM項(xiàng)目管理的思路，按照BIM標(biāo)準(zhǔn)化流程從方案-初步設(shè)計(jì)-施工圖-深化四個階段分步實(shí)施，增強(qiáng)各專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同能力，精益化設(shè)計(jì)，可交付整個項(xiàng)目管理文件.

4 創(chuàng)新點(diǎn)分析優(yōu)化

4.1 軟件多樣性

本項(xiàng)目涉及多個軟件及平臺的應(yīng)用，包括ArchiCAD(方案推敲)，Pathfinder(疏散分析模擬)，PKPM(室外風(fēng)環(huán)境分析)，Revit(平、立面圖施工圖)，Vault(BIM設(shè)計(jì)管理平臺).在方案階段針對方案推敲、疏散分析，性能化分析等要求采用相對應(yīng)的分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得到最優(yōu)解.施工圖階段則采用一款軟件，基于一個協(xié)同平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，可提高協(xié)同的便利性.

4.2 模型拆分與工作流程

施工圖階段的協(xié)同，WBS模型的拆分是關(guān)鍵.針對每個項(xiàng)目WBS方法均不同.項(xiàng)目采用P(策劃)D(實(shí)施)、C(驗(yàn)證)、A(優(yōu)化)的管理方式.策劃階段主要編寫策劃書，其中包含項(xiàng)目目標(biāo)，重難點(diǎn)分析，人員構(gòu)成等內(nèi)容；實(shí)施階段，根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度策劃書和設(shè)計(jì)任務(wù)策劃表，以及模型檢查表對項(xiàng)目進(jìn)行有效的質(zhì)量和進(jìn)度的管控；驗(yàn)證階段，校審機(jī)制落實(shí)到歐特克Vault協(xié)同平臺，在平臺上實(shí)時校審，大大提高了成果驗(yàn)證的頻率.優(yōu)化階段，將總結(jié)的問題開會大家討論解決，繼續(xù)完善各類標(biāo)準(zhǔn)與族庫.

4.3 使用插件輔助設(shè)計(jì)

采用鴻業(yè)BIMspace，對防火分區(qū)面積、防火門等級等進(jìn)行校驗(yàn).采用鴻業(yè)建筑性能分析平臺對空間能量模型并進(jìn)行冷負(fù)荷分析計(jì)算.采用品茗BIM施工策劃軟件對施工場布進(jìn)行了三維策劃，讓施工單位更好的理解圖紙?jiān)O(shè)計(jì)意圖，把控好本項(xiàng)目中的重難點(diǎn).

4.4 人力價值評估

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)通過引入BIM技術(shù)，總共優(yōu)化了七個一類問題，十三個二類問題，如表2所述為BIM正向設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)成果人力價值評估，控制了成本，排除了設(shè)計(jì)的盲區(qū)，降低了不安全因素.依托BIM的精細(xì)化服務(wù)創(chuàng)新和高效的現(xiàn)代化管理模式，打造安全、高效的綠色辦公.讓辦公更智慧，讓生活更美好.本項(xiàng)目應(yīng)用BIM 進(jìn)行正向設(shè)計(jì)不僅僅是直接在三維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，還是信息化設(shè)計(jì)、模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化、自動出圖、圖紙與模型相互關(guān)聯(lián)、同步優(yōu)化、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)過程.

表2 BIM正向設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)成果人力價值評估

5 結(jié)語

綜上所述，基于BIM的正向設(shè)計(jì)是自上而下的設(shè)計(jì)，完成信息協(xié)同與模型構(gòu)建，是建筑業(yè)未來的重要發(fā)展方向之一.有利于提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，并逐步在得到推廣應(yīng)用;有利于更多地實(shí)現(xiàn)三維可視化設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工，打造真正優(yōu)質(zhì)的建筑工程.正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用能夠進(jìn)行BIM模型的創(chuàng)建和深化，完成BIM專項(xiàng)分析，檢查建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、精裝修等專業(yè)的碰撞問題，減少后期設(shè)計(jì)變更，進(jìn)行施工指導(dǎo)，場布模擬，施工工藝模擬和施工動畫演示，最后協(xié)調(diào)多方展開溝通.希望本文通過對項(xiàng)目應(yīng)用及創(chuàng)新點(diǎn)挖掘的梳理，能夠促進(jìn)BIM技術(shù)更好地服務(wù)于工程設(shè)計(jì)，推廣應(yīng)用BIM的正向設(shè)計(jì)，提高傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)院的企業(yè)核心競爭力，進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)的嘗試和推廣.