智能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM 技術(shù)的有效應(yīng)用探析

董瑞麒DONG Rui-qi

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

在智慧城市背景下，建筑行業(yè)朝信息化、智能化發(fā)展，BIM 技術(shù)就是其產(chǎn)物。BIM 技術(shù)通過將信息數(shù)字化建立一種虛擬的3D 立體模型，將BIM 技術(shù)有效應(yīng)用于智能建筑設(shè)計(jì)中，可以提高數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)方案，提高建筑質(zhì)量，保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)建筑行業(yè)的發(fā)展有著促進(jìn)作用。

1 BIM 技術(shù)及特點(diǎn)概述

1.1 BIM 技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM 技術(shù)是一個(gè)新型的概念，對(duì)建筑工程從策劃設(shè)計(jì)到拆除等各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)行數(shù)據(jù)管理。與傳統(tǒng)的CAD2D 技術(shù)不同，BIM 技術(shù)在3D 數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑整個(gè)生命周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，建立建筑信息化和數(shù)字化的模型，將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到建筑工程中[1]。BIM 技術(shù)將建筑信息數(shù)字化，然后濃縮于數(shù)字模型之中。在BIM 系統(tǒng)中，通過應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)都是一個(gè)信息符號(hào)，通過數(shù)字化的信息描述出建筑結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。當(dāng)前在建筑設(shè)計(jì)等階段中BIM 技術(shù)被廣泛使用，通過構(gòu)建虛擬建筑模型，對(duì)建筑進(jìn)行全面的管控。通過BIM 技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)建筑進(jìn)行智能化的管理和維護(hù)，提高建筑工程的勞動(dòng)生產(chǎn)效率。尤其是智慧建設(shè)背景下，應(yīng)用BIM 技術(shù)可以解決資源浪費(fèi)問題，降低建筑工程項(xiàng)目成本，避免對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，構(gòu)建綠色環(huán)保的智能建筑體系，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 BIM 技術(shù)特點(diǎn)簡(jiǎn)析

1.2.1 可視化

在建筑可視化的背景下，工程進(jìn)度監(jiān)督控制需依靠4D 技術(shù)要素支撐。才能加快靜態(tài)BIM 模型和各類進(jìn)度信息的交接進(jìn)程，進(jìn)一步衍生出完善化的4D 化施工進(jìn)度計(jì)劃，為日后項(xiàng)目進(jìn)度全方位和直觀生動(dòng)性呈現(xiàn)奠定基礎(chǔ)[2]。首先，通過應(yīng)用BIM 技術(shù)建立直觀的建筑模型，可以從直觀的角度對(duì)整個(gè)建筑工程的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)督，更加直觀和便捷。設(shè)計(jì)人員通過BIM 技術(shù)將設(shè)計(jì)理念最大化的表現(xiàn)出來(lái)，更加便捷地傳達(dá)信息，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可行性，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升實(shí)際設(shè)計(jì)的合理性。其次，運(yùn)用BIM 技術(shù)制作的工程進(jìn)度計(jì)劃，既可以表達(dá)出較為真實(shí)的可視化效果，同時(shí)還可以保證高效率地定位流水線施工中的次序誤差和不同專業(yè)和班組沖突等隱患。

1.2.2 協(xié)調(diào)性

通過應(yīng)用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)各部門之間以及各專業(yè)人員之間的標(biāo)準(zhǔn)化，更好的開展組織協(xié)調(diào)工作，內(nèi)部進(jìn)行有效的交流溝通，有利于工程項(xiàng)目施工工作更好的開展，確保建筑項(xiàng)目的施工進(jìn)度。同時(shí)。對(duì)整體施工進(jìn)程合理布置，保證與設(shè)計(jì)師的理念一致，從而確保整體工程的施工質(zhì)量，有效的提升建筑工程的品質(zhì)。

1.2.3 模擬性

BIM 技術(shù)的模擬性不只應(yīng)用于建筑方面的模擬，還可以將一些不可掌握的事物進(jìn)行真實(shí)的模擬。在智能設(shè)計(jì)過程中，為保證整體設(shè)計(jì)的安全性與節(jié)能性，可以進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的BIM 技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，從而降低成本提高效率。當(dāng)前在施工階段BIM 技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)4D 技術(shù)模擬，根據(jù)實(shí)際情況在相關(guān)規(guī)則和要求下最大化實(shí)現(xiàn)模擬展示，從而保證施工方案實(shí)施的科學(xué)性與高效性，把控建筑成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、減低成本[3]。

1.2.4 優(yōu)化性

利用BIM 技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的過程中，BIM 技術(shù)可以運(yùn)用于各個(gè)施工環(huán)節(jié)，從建筑設(shè)計(jì)、工程施工、建筑運(yùn)營(yíng)等多個(gè)方面進(jìn)行有效優(yōu)化，取得的效果十分明顯。通過確保信息的準(zhǔn)確性、時(shí)間的緊缺型以及其他因素，對(duì)施工各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)督和控制，通過應(yīng)用BIM 技術(shù)彌補(bǔ)信息、技術(shù)存在不足。

1.3 BIM 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

從傳統(tǒng)的手繪圖紙到CAD 制圖再到應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，是建筑行業(yè)的飛速發(fā)展的兩個(gè)階段，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，BIM 技術(shù)利用三維立體技術(shù)可以提升建筑造型和建筑空間設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，在設(shè)計(jì)階段可以和其他行業(yè)進(jìn)行很好的交流溝通。利用BIM 技術(shù)可以顯著提升建筑生產(chǎn)效率，降低施工失誤，減少施工中需要變更的地方，更精確的估算建筑成本，縮短施工周期，避免能源浪費(fèi)。由此可見，加強(qiáng)BIM 技術(shù)的應(yīng)用有著充分的必要性。智能建筑設(shè)計(jì)對(duì)BIM 技術(shù)的應(yīng)用正處于發(fā)展階段，BIM 相關(guān)設(shè)計(jì)理念被建筑行業(yè)不斷接受，很多大型設(shè)計(jì)項(xiàng)目都使用了BIM 設(shè)計(jì)，取得了顯著的效果，目前BIM 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)累計(jì)不少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。但是目前BIM 技術(shù)的應(yīng)用在硬件、軟件方面還存在不足，軟件庫(kù)不能滿足需求，需要加大對(duì)BIM 技術(shù)的投入，深化發(fā)展BIM 設(shè)計(jì)鏈。智慧城市建設(shè)則為BIM 的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，通過應(yīng)用BIM技術(shù)，為智能建筑的協(xié)同設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、信息集成提供更加廣闊的發(fā)展空間與支持。

2 智能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

2.1 直觀展示建筑整體

在智能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用BIM 技術(shù)構(gòu)建建筑模型，應(yīng)用3D 技術(shù)將建筑整體以立體的方式更加直觀的展現(xiàn)，方便設(shè)計(jì)人員對(duì)模型進(jìn)行觀察和分析。同時(shí)通過BIM模型，展現(xiàn)出建筑各結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，方便設(shè)計(jì)師對(duì)信息進(jìn)行讀取，保證了信息的及時(shí)性和可靠性[4]。當(dāng)設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)問題時(shí)可以第一時(shí)間修改，從而確保建筑設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為建筑工程的施工打下基礎(chǔ)。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)稿件

在智能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用BIM 技術(shù)構(gòu)建建筑主體模型，修改模型后自動(dòng)呈現(xiàn)出來(lái)。設(shè)計(jì)人員通過修改模型從而更加便捷的優(yōu)化設(shè)計(jì)稿件，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)稿件可以更加直觀的表現(xiàn)出來(lái)，節(jié)約時(shí)間成本，提高設(shè)計(jì)效率。

2.3 推動(dòng)BIM 技術(shù)的應(yīng)用

隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，BIM 技術(shù)不僅能用于建筑設(shè)計(jì)中，在建筑的各個(gè)環(huán)節(jié)被廣泛使用。通過對(duì)技術(shù)的創(chuàng)新和優(yōu)化，推動(dòng)BIM 的應(yīng)用，提高建筑工程的施工效率，控制工程項(xiàng)目的成本，同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的污染，構(gòu)建綠色環(huán)保的智能建筑體系，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 智能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM 技術(shù)的有效應(yīng)用分析

3.1 復(fù)雜形體設(shè)計(jì)應(yīng)用

智慧建筑的外形比較復(fù)雜，在尤其是一些不規(guī)則建筑設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)難度較大。通過將Rhino 設(shè)計(jì)的參數(shù)化模型導(dǎo)入至Revit 進(jìn)行展現(xiàn)，結(jié)合數(shù)字技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)比BIM 模型和CAD 平面設(shè)計(jì)圖，可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)傳統(tǒng)的平面圖的形式，BIM 技術(shù)更直觀的表現(xiàn)出復(fù)雜形體建筑的設(shè)計(jì)形式并且結(jié)合。BIM 技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以讓設(shè)計(jì)師充分發(fā)揮想象力，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行創(chuàng)新，提升設(shè)計(jì)稿件的質(zhì)量。同時(shí)利用BIM 技術(shù)可以將復(fù)雜的大型建筑中相對(duì)繁雜的信息進(jìn)行詳細(xì)分析，減少在施工過程中的誤差，為施工質(zhì)量提供了保障，有效的提升了施工效率，確保施工周期。

3.2 綜合管線的應(yīng)用

綜合管線是保證建筑功能、滿足用戶需求的重要組成部分，尤其是在智能建筑中，優(yōu)秀綜合管線的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量是建筑品質(zhì)的保障。利用BIM 技術(shù)可以有效地減少誤差，避免產(chǎn)生管線交叉等問題。同時(shí)通過使用BIM 技術(shù)檢測(cè)線管功能，利用3D 立體技術(shù)構(gòu)建模型，直觀的觀察和分析線管的建筑的分布，有利于查找問題。當(dāng)線管出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)問題進(jìn)行報(bào)警，從而保證綜合線管的安全，避免線管交叉以及施工不合理等問題，減低損失提高施工效率。

3.3 消防應(yīng)用

智能建筑擁有更多功能，這些都需要電氣設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，這對(duì)消防安全提出更高的要求[5]。相對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，BIM 技術(shù)可以提高建筑消防設(shè)計(jì)的合理性，以及提高建筑材料的賴燒性，通過計(jì)算合理掌握毒氣體散發(fā)的時(shí)間以及安全疏散人員的距離，從而制定出最佳設(shè)計(jì)方案，保障人員安全、降低財(cái)產(chǎn)損失。并可以配合算法結(jié)合BIM 模型實(shí)現(xiàn)幾乎1∶1 的人流疏散模擬場(chǎng)景。這對(duì)于運(yùn)維單位應(yīng)急預(yù)案的編制提供了有效的支撐，同時(shí)為BIM 技術(shù)結(jié)合算法的工作流中里給予了充足的經(jīng)驗(yàn)。如圖1 所示。

圖1 人流模擬

4 智能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM 技術(shù)的有效應(yīng)用案例

4.1 項(xiàng)目概況

上海金鼎16#地塊、17#地塊、18#地塊及20#地塊位于上海市浦東新區(qū)，東至西群河、西至申江路、北至函橋路、南至巨峰路。項(xiàng)目用地面積約9.2 公頃，本次服務(wù)總面積約70 萬(wàn)m2。作為寫入市“十四五”重點(diǎn)的“金色中環(huán)發(fā)展帶”首批重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域，2 平方公里范圍內(nèi)，總計(jì)275 萬(wàn)平方米的項(xiàng)目全部由金橋集團(tuán)負(fù)責(zé)開發(fā)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)，區(qū)域在《金鼎BIM 標(biāo)準(zhǔn)》《金鼎CIM 導(dǎo)則》統(tǒng)一指導(dǎo)下，已全面啟動(dòng)BIM、CIM 建設(shè)。圍繞“地上一座城、地下一座城、云端一座城”的總體思路，全力打造“數(shù)時(shí)代、最上海”的未來(lái)之城。核心金鼎九宮格地下空間約70 萬(wàn)平，地下空間安全監(jiān)控及分析關(guān)乎區(qū)域人身和財(cái)產(chǎn)安全，地下空間具有相對(duì)封閉的特點(diǎn)，對(duì)內(nèi)部災(zāi)害有放大效應(yīng)，且空間受限，施救難度大。如火災(zāi)、爆炸等地下建筑的災(zāi)害，要比地面危險(xiǎn)得多；又如地下空間防洪能力較差，容易灌水，疏散逃離困難。金鼎已有的數(shù)字底座可提供精細(xì)化數(shù)字空間，在此基礎(chǔ)上依托傳感器、數(shù)據(jù)中臺(tái)的安全智防應(yīng)用平臺(tái)可直觀、實(shí)時(shí)掌握地下空間的安全運(yùn)行狀況，對(duì)空間運(yùn)維、減災(zāi)防災(zāi)有重要意義。

本項(xiàng)目采用的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)分為高速采集和低速采集。低速數(shù)據(jù)采集包含但不限于：風(fēng)速、風(fēng)向、光照、雨量等；高速數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，包含但不限于：是視頻信號(hào)和地震儀信號(hào)等。這為災(zāi)害防控及預(yù)防提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 BIM 技術(shù)的有效應(yīng)用

本項(xiàng)目要求基于BIM 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列三維信息化創(chuàng)新應(yīng)用。包括數(shù)據(jù)分析及展示應(yīng)用等，如各類建筑物理數(shù)據(jù)的量化分析、VR 全景渲染、VR 程序制作、營(yíng)銷展示輔助、數(shù)字沙盤等。創(chuàng)新服務(wù)主要目的為深度挖掘BIM模型價(jià)值，通過可視化方式降低BIM 應(yīng)用門檻，便于進(jìn)行針對(duì)項(xiàng)目營(yíng)銷、產(chǎn)品宣傳和匯報(bào)展示相關(guān)等各類事務(wù)。最終根據(jù)地塊BIM 模型完成的可視化交付內(nèi)容包括：便攜二維碼、云端三維、云端托管模型、VR 運(yùn)行程序、AR 運(yùn)行程序、視頻動(dòng)畫、效果圖、交互式數(shù)字沙盤、觸摸式數(shù)字沙盤等多元化內(nèi)容。主要包括以下幾個(gè)方面：

①主要工作內(nèi)容進(jìn)行基于金鼎CIMAI 平臺(tái)數(shù)字底座（如圖2 所示）的升級(jí)迭代，根據(jù)過往建設(shè)成果進(jìn)行版本更新、GIS 融合、底座上云等工作。

圖2 數(shù)字平臺(tái)

②進(jìn)行針對(duì)超大地下空間的“安全都市”空間安全平臺(tái)建設(shè)。

③對(duì)現(xiàn)有金鼎展廳進(jìn)行生肌，融合元宇宙概念，打造金鼎元宇宙相關(guān)應(yīng)用。

④對(duì)發(fā)包方提供的BIM 模型，應(yīng)在整理后全面準(zhǔn)確反映圖紙信息，包括幾何信息、對(duì)象名稱、材料信息、系統(tǒng)信息、型號(hào)信息、時(shí)間版本等；如有需要，基于BIM 模型和深度設(shè)計(jì)圖紙（如幕墻、室內(nèi)）進(jìn)行精裝修建模，并對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗(yàn)。

⑤對(duì)元宇宙類應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，并將其模型大小控制在合理范圍內(nèi)。模型不出現(xiàn)明顯破洞、少面、重面現(xiàn)象。建筑要素模型在滿足視覺效果的情況下，宜減少模型的幾何面數(shù)，降低紋理的分辨率。

⑥模型使用的紋理材料應(yīng)與建筑外觀保持一致，反映出與設(shè)計(jì)資料相符的圖像、顏色、透明度等，紋理應(yīng)正確反映木材、石材、玻璃、金屬等建筑材質(zhì)特征。紋理中不應(yīng)含有遮擋物，物體的立面及屋頂變化細(xì)節(jié)應(yīng)清晰可辨；建筑物模型內(nèi)部不應(yīng)存在明顯縫隙，相交的點(diǎn)需焊接以確保相交點(diǎn)的空間拓?fù)潢P(guān)系正確。

⑦運(yùn)用revit 中uds 插件實(shí)現(xiàn)BIM 模型（如圖3 所示）至UE（如圖4 所示）的互通。

圖3 revit 中

圖4 在UE 中

5 結(jié)束語(yǔ)

在智慧城市建設(shè)背景下，智能建筑的設(shè)計(jì)尤為重要。通過應(yīng)用BIM 技術(shù)解決在復(fù)雜建筑、綜合管線以及消防設(shè)計(jì)等難題，可以提升建筑施工質(zhì)質(zhì)量，減少資源浪費(fèi)，降低建筑成本，并配合UE 引擎等可視化引擎的幫助下在后續(xù)運(yùn)維階段可更加容易地進(jìn)行災(zāi)害防治、災(zāi)害解決，促進(jìn)了建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著我國(guó)智慧城市建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，以上海金鼎為代表項(xiàng)目，象征著智能建筑發(fā)展迅速，通過合理的利用BIM 技術(shù)，顯著提升建筑設(shè)計(jì)品質(zhì)，推動(dòng)建筑行業(yè)智能化、信息發(fā)展，具有非常顯著的價(jià)值。