基于BIM的建筑設(shè)計三維工作流應(yīng)用形態(tài)探索

吳琦

上海建工四建集團 上海 201103

在國家“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃的政策引導(dǎo)下，BIM全過程應(yīng)用成為必然趨勢，建筑師對于三維設(shè)計工作流的需求迫切，同時現(xiàn)階段建筑設(shè)計的工作流面臨著革新。本文提出的建筑設(shè)計新型工作流，是 BIM全過程應(yīng)用的基礎(chǔ)下進行建筑專業(yè)的的三維工作流應(yīng)用探索，并探索了關(guān)鍵應(yīng)用形態(tài)的實現(xiàn)方法，有助于促進建筑設(shè)計行業(yè)高質(zhì)量數(shù)字化發(fā)展。

1 提出建筑設(shè)計三維工作流的迫切需求

1.1 外部政策與內(nèi)在需求

進入“十四五”時期，建筑業(yè)提出“數(shù)字建造”的轉(zhuǎn)型目標，同時啟動城市信息模型（CIM-City Information Modeling）的研究和示范性工作，數(shù)字化設(shè)計的趨勢已經(jīng)毋庸置疑，對建筑師的影響貫穿了設(shè)計全過程。在過去多年的BIM應(yīng)用實踐中，由于建模技術(shù)、設(shè)計周期、資金等多方面限制，沒有做到以BIM模型為設(shè)計主體的目標。在具體設(shè)計工作中，建筑師的思考與推敲是基于三維空間的，但建筑師的表達方法卻是二維的圖形。二維圖形是三維空間的映射，用二維圖紙表達三維空間的過程中維度低一級，導(dǎo)致二維圖紙的語言無法完整的表達建筑師對三維空間的設(shè)計意圖，這個降維表達的過程是傳統(tǒng)建筑設(shè)計工作流的圖紙問題產(chǎn)生的根源。綜上所述，建筑師對于三維設(shè)計工作流的需求是迫切的，基于BIM的設(shè)計工作有著內(nèi)在的驅(qū)動力[1]。

1.2 建筑設(shè)計二維工作流面對的困難

在建筑設(shè)計前期階段，二維的工作流下存在“雙線”并行狀態(tài)即：一條采用AutoCAD繪制二維圖紙并計算面積流程，另一條用SketchUp建立三維模型推敲造型流程。兩條線彼此獨立運行，之間通過數(shù)據(jù)整理復(fù)核，交換數(shù)據(jù)信息。也就是說SketchUp的模型推敲好后需要在AutoCAD中重新繪制相關(guān)圖形；AutoCAD中調(diào)整好的圖紙需在SketchUp中修改以滿足指標要求，這種數(shù)據(jù)交換的過程會在設(shè)計推進的過程中重復(fù)多次。

在建筑設(shè)計深化階段，二維的工作流下總圖、平面、立面、剖面、詳圖都是分別獨立繪制的任意一處調(diào)整都需要立面、剖面、詳圖、指標等多處做出相應(yīng)調(diào)整，使得繪圖任務(wù)繁重，導(dǎo)致二維圖紙細部節(jié)點回避精細化表達。除了上述痛點以外，還存在著設(shè)計周期過度壓縮，難以到達應(yīng)有的設(shè)計深度，設(shè)計質(zhì)量更無從談起。

1.3 建筑設(shè)計三維工作流綜述

圖1 三維工作流導(dǎo)圖

本文提出的建筑設(shè)計三維工作流，是指將設(shè)計、模型、圖紙、信息整合到一起，滿足建筑設(shè)計到概念方案到可以指導(dǎo)施工的新型工作方法，使得設(shè)計過程，繪圖過程以及表達過程減少割裂，數(shù)據(jù)信息來源與出口一致。我們發(fā)現(xiàn)二維工作流中很多約定俗成的表達以及容易忽略的常規(guī)做法，在三維模型中難以被規(guī)避。同時由于圖紙表達是基于三維模型生成的，這就對三維模型的深度和精度提出更高要求，建筑師們將會花費大量精力構(gòu)建三維模型，以滿足相關(guān)階段成果提交需求。當(dāng)然，任何一種新技術(shù)的應(yīng)用都需要一個學(xué)習(xí)和推廣的過程，曾經(jīng)的二維設(shè)計工作流的基礎(chǔ)是五十年前AutoCAD技術(shù)的應(yīng)用與推廣，而三維設(shè)計工作流（包含軟件技術(shù)）的應(yīng)用才開始發(fā)揚，試想一下設(shè)計師們的BIM軟件熟練度與AutoCAD的水平相當(dāng)，所帶來的設(shè)計與表達將會令人打開眼界。

2 三維工作流工具

2.1 基礎(chǔ)工具

建筑師需要掌握至少一個常用的BIM軟件，目前各方面比較成熟的BIM軟件有REVIT、ARCHICAD、BENTLEY，目前的BIM軟件都各有所長也都不完美。

REVIT優(yōu)勢在于深化設(shè)計、交叉作業(yè)，軟件可將各專業(yè)作為整體，在同一時間開始展開各自的設(shè)計，通過信息的傳遞與共享搭建建筑整體BIM模型，各專業(yè)參與度高。劣勢在于對曲面結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時往往具有較大難度，特別是異類連續(xù)形曲面結(jié)構(gòu)，如不規(guī)則曲面屋頂、幕墻、古建筑等。目前用利用概念體量的方法完成了一些曲面的造型，但操作過程過于繁雜。

ARCHICAD功能上基本涵蓋了從概念方案到施工圖成果提交的所有功能需求, 與眾多建模軟件相比，其對計算機硬件的要求較低，無需購買高配置計算機即可展開工作, 專注于建筑設(shè)計領(lǐng)域。劣勢在于對于結(jié)構(gòu)、機電專業(yè)功能薄弱，曲面造型建模功能薄弱。

BENTLEY優(yōu)勢在于擁有多種建模方式，利用內(nèi)置的實體、網(wǎng)格面、B-Spline曲線曲面、特征參數(shù)化、拓撲等多種建模方式，可自由拓展變形，非線性建模功能強大。劣勢在于各專業(yè)軟件必須配合使用，影響協(xié)同效率，且軟件價格昂貴。

圖2 常用BIM軟件圖標

2.2 可視化工具

目前最常用的實時渲染引擎有LUMION、ENSCAPE。LUMION是最強大，經(jīng)過10個版本的開發(fā)，功能已經(jīng)非常完善，出來的效果基本不輸專業(yè)渲染器。ENSCAPE是更加輕量化的實時可視化引擎。最早它是在SketchUp平臺上發(fā)布，現(xiàn)在已經(jīng)支持Revit、Rhino、ARCHICAD、Vectorworks等軟件平臺。其簡潔易用，效果清新，安裝插件后，可以在軟件視圖中直接調(diào)用，是建筑師推敲空間效果的利器。

圖3 常用渲染引擎圖標

2.3 庫與模板

現(xiàn)有的設(shè)計流程，每一個項目重復(fù)利用的知識庫內(nèi)容很少，很多內(nèi)容都必須重復(fù)計算，繪制，調(diào)整，再計算，再繪制，再調(diào)整；又比如SketchUp的建模，每個項目都要重新建表皮做法，無法重復(fù)用。而三維設(shè)計流程可以借助BIM軟件的功能，從預(yù)設(shè)的模板和積累的知識庫中調(diào)取資源，不同的建筑表皮做法可以存入收藏夾，不同項目可以調(diào)用收藏夾內(nèi)的做法，快速重建多樣的表皮。知識庫的應(yīng)用還能體現(xiàn)標準化的內(nèi)容，控制設(shè)計質(zhì)量，對項目的設(shè)計深度、精細度和完成度都是重要的支撐。對于這種知識庫的積累和重復(fù)利用，是三維設(shè)計工作流程甚至是建筑設(shè)計公司高效發(fā)展的迫切需要。

圖4 建筑幕墻、欄桿庫

3 關(guān)鍵應(yīng)用形態(tài)

3.1 虛擬建造

虛擬建造不僅僅是建立出建筑模型，更重要的是能將現(xiàn)實中難以觀察到的部分模擬出來。讓設(shè)計團隊中每個人隨時可實時高效獲取獲取項目整體信息， 降低設(shè)計師提資或交流過程中的摩擦與專業(yè)知識壁壘。近幾年，漫游動畫在國內(nèi)外已經(jīng)得到了越來越多的廣泛應(yīng)用，比如三維地勢仿真、人機交互、真實修建空間等特性，都是傳統(tǒng)方式所不能實現(xiàn)的。

虛擬建造常見的功能有漫游動畫，其功能是設(shè)計師可以從任意距離、視點和精密程度進行觀察，可以自由切換多種運動模式，如飛行、跑步、行走、駕駛等；也可以給用戶帶來視覺上的沖擊，同時擁有感同身受的體驗。目的是為了追求真實且貼近現(xiàn)實生活，也是用來表現(xiàn)某一座建筑的創(chuàng)作、構(gòu)想、設(shè)計、完成、運營的過程，展示建筑本身的生命周期。虛擬建造常見的形態(tài)有仿真模擬，其功能是有效模擬建筑內(nèi)部空間人行動線，同時支持正常情況和疏散情況。目前常見的軟件主要有Massmotion、Analyser、Legion等，其中Massmotion支持三維模型導(dǎo)入，格式為3ds、dae、dgn、dwg、dxf、fbx、obj、skp、ifc文件可導(dǎo)入Massmotion使用，此方法與建筑師的三維工作流聯(lián)動性強，同時可以驗證設(shè)計的合理性[2]。

圖5 enscape窗口與revit模型聯(lián)動

圖6 立面細節(jié)推敲

圖7 室內(nèi)效果推敲

3.2 碰撞檢測

基于BIM的碰撞檢測是BIM技術(shù)應(yīng)用初期最易實現(xiàn)、最直觀、最易產(chǎn)生價值的功能之一。常用方法是利用BIM平臺上進行多模型的整合，核查各處碰撞，包括土建、管線專業(yè)內(nèi)的碰撞與專業(yè)間的碰撞。這個過程可以輕易的將隱藏的空間問題暴露出來。碰撞檢查分為硬碰撞和軟碰撞兩種，硬碰撞是指實體與實體之間交叉碰撞，軟碰撞是指實際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關(guān)施工要求。建筑設(shè)計工作過程中主要關(guān)注硬碰撞，隨著項目的深化還要關(guān)注軟碰撞，例如暖通之間的間隙必須滿足安裝和檢修的空間要求，即使物理上沒有碰撞，但保溫、支架、施工安裝距離等間隙不夠?qū)儆谲浥鲎病?yīng)用BIM可視化技術(shù)，施工設(shè)計人員在建造之前就可以對項目的土建、管線、工藝設(shè)備等進行管線綜合及碰撞檢查，不但能夠徹底消除硬碰撞、軟碰撞，優(yōu)化工程設(shè)計，減少在建筑施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性，而且優(yōu)化凈空，優(yōu)化管線排布方案。最后施工人員可以利用碰撞優(yōu)化后的三維管線方案，進行施工交底、施工模擬，提高施工質(zhì)量，同時也提高了與業(yè)主溝通的能力[2]。

常見的碰撞問題包括：

建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)：標高、剪力墻、柱等位置不一致，或梁與門沖突；

結(jié)構(gòu)與設(shè)備專業(yè)：設(shè)備管道與柱沖突；

設(shè)備內(nèi)部各專業(yè)：各專業(yè)與管線沖突；

設(shè)備與室內(nèi)裝修：管線末端與室內(nèi)吊頂沖突；

解決管線空間布局。

圖8 建筑結(jié)構(gòu)碰撞分析

圖9 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)備全專業(yè)碰撞分析

3.3 數(shù)據(jù)信息整合

在基于BIM的的建筑設(shè)計工作流中，每一個項目都是一個數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中記錄了建筑元素構(gòu)件的三維幾何形體及其信息。在基于BIM的設(shè)計工作流程中，我們需要在創(chuàng)建三維模型構(gòu)件的同時，注重數(shù)據(jù)信息的創(chuàng)建和整合應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)信息在各個階段、各參與方之間流轉(zhuǎn)，最大限度發(fā)揮數(shù)據(jù)信息的作用。提取由建筑設(shè)計內(nèi)容的工程量。如面積、房間數(shù)、門窗數(shù)、各類設(shè)施設(shè)備數(shù)等。與二維CAD相比，工作量有較大提高，但在建模完成后，生成剖面圖及立面圖以及在門窗表統(tǒng)計等工作上的工作量會大大節(jié)約。

工程量統(tǒng)計可采取REVIT內(nèi)直接統(tǒng)計和利用其他軟件進行統(tǒng)計兩種方式。對于建筑專業(yè)工程量信息一半采用REVIT內(nèi)直接統(tǒng)計的方式，應(yīng)根據(jù)國家(或地方)清單計價規(guī)范，可在Revit明細表內(nèi)制定清單代碼掛接規(guī)則。按照族名稱(或類型名稱)，將項目編碼、項目名稱、項目內(nèi)容、項目特征等參數(shù)信息，批量賦予模型構(gòu)件。建立材質(zhì)提取或構(gòu)件明細表。

圖10 REVIT模型統(tǒng)計房間、機電設(shè)備并輸出明細表

3.4 設(shè)計成果圖模合一

傳統(tǒng)二維設(shè)計被人詬病最多的就是各種圖紙中的內(nèi)容和數(shù)據(jù)信息不對應(yīng)，平面圖與立面圖、剖面圖之間是松散的關(guān)系，缺乏聯(lián)系。當(dāng)設(shè)計變更后，平面首先調(diào)整，立面圖、剖面圖需要跟著修改，同時還需要調(diào)整與之相關(guān)聯(lián)的其他圖紙。我們在校審圖紙的過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)平/立/剖面圖對不上的情況。而且當(dāng)存量圖紙信息達到一定數(shù)量的時候，再新增圖紙內(nèi)容并調(diào)整設(shè)計，工作量巨大。建筑師大量的時間，花在了設(shè)計變更后人工去整合與調(diào)整這些割裂的聯(lián)系。早期BIM軟件并不善于表達建筑設(shè)計的二維圖紙，給出圖造成了一定的難度。這在一個側(cè)面影響了建筑師對BIM技術(shù)的應(yīng)用。

完全基于BIM模型文件生成的圖紙，是指從模型里直接切出并和模型文件相互關(guān)聯(lián)的，即模型修改的同時，二維圖紙相應(yīng)修改。其關(guān)聯(lián)的二維圖紙包括：

平面系統(tǒng)：包括各樓層平面圖、屋頂平面圖、場地平面圖立面系統(tǒng)：包括室內(nèi)、外立面圖

剖面系統(tǒng)：各個方向的剖面圖、墻身剖面

局部放大圖：包括衛(wèi)生間詳圖、樓梯間、關(guān)鍵局部

詳圖：特殊需要表達的節(jié)點詳圖、門窗詳圖

明細表：包括面積表、門窗表、室內(nèi)、外材料明細表等三維透視圖/軸測圖：包括整體透視圖、軸測圖等

圖11 三維模型二維圖紙聯(lián)動

3.5 BIM三維技術(shù)交底

一般包括圖紙交底、施工技術(shù)措施交底及安全技術(shù)交底等。在每一單項和分部分項工程開始前，均應(yīng)進行技術(shù)交底工作。要嚴格按照施工圖、施工組織設(shè)計、施工驗收規(guī)范、操作規(guī)程和安全規(guī)程的有關(guān)技術(shù)規(guī)定施工。傳統(tǒng)的圖紙交底、圖紙會審等工作開展主要體現(xiàn)在：基于二維CAD圖紙或者打印出來的紙質(zhì)藍圖進行使用。BIM的圖紙交底工作，前期需要大量的準備工作（模型創(chuàng)建、問題查找等），但使用過程卻變得非常高效，且有質(zhì)量。很多時候二維CAD圖紙深化不到位，遺留后期施工問題較多。隨著BIM技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，施工中深化設(shè)計在BIM融入之下得到了大幅改善。在施工現(xiàn)場一下復(fù)雜、涉及專業(yè)交叉作業(yè)的環(huán)境中應(yīng)用BIM技術(shù)進行深化設(shè)計、施工輔助、使空間中的布置進行可視化模擬，碰撞核對。最后通過可視化技術(shù)交底的方法可以有效對施工圖中存在的設(shè)計缺陷進行校對及審閱，大幅提升后期施工質(zhì)量，減少變更與修改，從而達到降低成本的效果。目前建筑項目專業(yè)眾多、體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管線排布錯綜復(fù)雜、空間布局繁雜等現(xiàn)象。這樣就對施工方提出了很高的專業(yè)素質(zhì)與技術(shù)能力的要求。而傳統(tǒng)的專業(yè)施工協(xié)調(diào)方法是基于2D平面進行，對于隱藏點很難表現(xiàn)出來，尤其是構(gòu)件與空間、人員與空間的軟碰撞更是難上加難的問題，直接導(dǎo)致了施工困難，增加返工，成本過高等現(xiàn)象。通過BIM進行可視化交底方法呈現(xiàn)，更加容易進行專業(yè)間問題發(fā)現(xiàn)與協(xié)調(diào)。

3.6 BIM結(jié)合人工智能

隨著軟硬件件技術(shù)的升級迭代，建筑設(shè)計的形態(tài)與BIM平臺可能會出現(xiàn)更復(fù)雜的功能，建筑師與機器之間的聯(lián)系越來越緊密。參考人工智能技術(shù)在其他行業(yè)的發(fā)展與運用方式，可以預(yù)見在數(shù)字化技術(shù)相對落后的建筑行業(yè)，人工智能技術(shù)將會給建筑行業(yè)注入新的生命力。目前，以Revit為代表的 BIM 平臺及其系列工具已經(jīng)得到初步運用，但傳統(tǒng)的基于文件的桌面設(shè)計工具很難植入人工智能技術(shù)，很難融入最新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，無法成為新的技術(shù)核心，只能作為一個用戶端存在。以Revit 為代表的BIM 建模平臺基于文件進行數(shù)據(jù)交換，模型中構(gòu)件耦合性非常高，與外部數(shù)據(jù)交換通常需要數(shù)百兆以上的數(shù)據(jù)傳輸。高耦合性、大容量的 BIM建模操作、關(guān)聯(lián)更新，需要強大的計算能力，但高耦合性導(dǎo)致的笨重、低效的數(shù)據(jù)交換，嚴重阻塞了設(shè)計工具與外部系統(tǒng)、云端資源的連接[3]。

假設(shè)BIM建模平臺解決這一技術(shù)難題，支持傳統(tǒng)三維建模技術(shù)直接跨入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，將瞬間打開BIM技術(shù)的極大想象空間。設(shè)計數(shù)據(jù)在云端將和其他互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)以同樣的方式存在，大量成熟互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能快速應(yīng)用到設(shè)計工具和設(shè)計數(shù)據(jù)上，從而快速推動工具的發(fā)展與數(shù)據(jù)的深度計算。其中，最具想象空間的是融合三維模型和圖像、視頻、文本等其它數(shù)據(jù)的、高精細度的大數(shù)據(jù)技術(shù)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的存儲資源、計算能力和計算框架，將直接觸發(fā)建筑行業(yè)的應(yīng)用革命。

本文是上海建工四建集團企業(yè)A級課題《BIM正向設(shè)計技術(shù)及設(shè)計流程與管理》研究成果的總結(jié)。 BIM正向設(shè)計技術(shù)及設(shè)計流程與管理，課題編號 2018YFD2108。