基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計應(yīng)用分析

吳堯

[摘要]結(jié)合某設(shè)計公司完成的一個完整的BIM三維正向設(shè)計項目，從項目的進(jìn)度安排、人員配備到各專業(yè)工作模式設(shè)計流程，以及最后成果交付和設(shè)計成果的質(zhì)量多個角度，對正向設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)劣勢分析，總結(jié)了當(dāng)前常用的BIM配合模式的發(fā)展情況，提出了基于BIM技術(shù)的正向設(shè)計模式存在的不足及一定的優(yōu)化意見。

[關(guān)鍵詞]BIM; 正向設(shè)計; 數(shù)字化技術(shù)

[中國分類號]TP317.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

什么是BIM三維正向設(shè)計？戴斌成［1］指出基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計是指基于BIM技術(shù)通過“先建模，后出圖”的建筑設(shè)計方法，傳統(tǒng)的二維設(shè)計的出圖是一種利用CAD面向圖紙的出圖，都是基于對設(shè)計對象的抽象刻畫后繪制出來的所有的設(shè)計內(nèi)容。而BIM三維正向設(shè)計是一種通過多專業(yè)協(xié)調(diào)，充分利用BIM模型數(shù)據(jù)的可視化、可傳遞性，實現(xiàn)各專業(yè)間信息的多向、及時交流。提高設(shè)計效率、減少設(shè)計錯誤，是一種的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式，所有設(shè)計的內(nèi)容都有一個真實存的設(shè)計對象。

1BIM技術(shù)簡介

BIM：作為建筑行業(yè)的一個新型搭建建筑信息模型（Building Information Modeling）的工具。劉海慶［2］等描述了BIM技術(shù)最早起源于1992年。在2002年，歐特克公司提出BIM技術(shù)，它可以幫助實現(xiàn)建筑信息的集成，從建筑的設(shè)計、施工、運(yùn)行，乃至建筑全壽命周期［3］，將各種信息最終整合于一個多維信息模型數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計團(tuán)隊、施工單位、設(shè)施運(yùn)營部門和業(yè)主等各方人員可以基于BIM進(jìn)行協(xié)同工作，有效提高工作效率、節(jié)省資源、降低原材料、人力和物力的消耗、以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。嚴(yán)煒炯［4］就上海建筑行業(yè)BIM技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究表明，在國內(nèi)發(fā)展情況看，上海就BIM技術(shù)運(yùn)用相對成熟。

2工程項目背景及現(xiàn)狀

2.1工程項目背景

工程名稱：新紅旗小學(xué)工程、文昌中學(xué)工程 EPC 總承包

子項名稱：新紅旗小學(xué)

建設(shè)單位：重慶市永川區(qū)惠通建設(shè)發(fā)展有限公司

設(shè)計單位：同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司

建設(shè)地點：重慶市永川區(qū)協(xié)信昌州古城東側(cè)地塊

項目概況：新紅旗小學(xué)工程位干重慶市永川區(qū)，北側(cè)與東側(cè)為新建提制道路，西側(cè)為勤儉路，南側(cè)為桃灣路。整個項目建設(shè)用地面積 43 957 m2。建設(shè)用地條件：本項目建設(shè)用地?zé)o地震，地界塌裂、暗河、洪澇等自然災(zāi)害，非人為風(fēng)險高及將熱招標(biāo)地段。建筑與污地源的距離符合對各類污染源實施控制的國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。無高壓電線、長輸天然氣管道、輸油管道穿越或跨越本項目建設(shè)用地。建筑面積、層數(shù)及建筑高度：新紅旗小學(xué)，主要功能為普通教室、實驗教室、辦公、報告廳、風(fēng)雨操場、食堂、看臺、教師公寓及相關(guān)輔助用房，總建筑面積 29 025.862 m2，其中，教學(xué)樓建筑面積 13 216.55 m2，建筑層數(shù)為地上4層，建筑高度 16.3 m。行政教學(xué)樓建筑面積 7 698.85 m2，建筑層數(shù)為地上 4 層，建筑高度16.3 m。體育館、食堂及看臺建筑面積 5 256.93 m2，局部設(shè)備用房為地下室，地上2層，建筑高度 16.5 m。報告廳建筑面積 1 284.94 m2，建筑層數(shù)為地上1層，建筑高度 10.8 m，教師公寓建筑面積 1 588.23 m2，建筑展數(shù)為地上6層，建筑高度20.1 m，門衛(wèi)建筑面積 53.34 m2，建筑層數(shù)為1層，建筑高度為3.3 m。

2.2工程項目目標(biāo)和現(xiàn)狀

本項目預(yù)計2020年9月開挖，2021年建成投產(chǎn)。希望2021年9月可以開學(xué)。目前項目設(shè)計和施工已經(jīng)按期圓滿完成，已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)營階段。

3工程項目管理

3.1項目人員安排及進(jìn)度計劃制定

3.1.1參與人員情況

項目參與人員除了整個項目的項目經(jīng)理、項目總工程師、審定、審核等，各專業(yè)分別配備了專業(yè)負(fù)責(zé)人、專業(yè)審核人、設(shè)計師、繪圖員等。

3.1.2進(jìn)度計劃

項目經(jīng)理按照重慶校方期望，預(yù)計2021年投產(chǎn)，則必須滿足施工在年后不久，結(jié)構(gòu)封頂，5～6月滿足裝修封頂，給設(shè)計院出圖的時間僅僅2個月不到，項目根據(jù)總共的工期及項目體量、參與人員的數(shù)量、及各專業(yè)的負(fù)荷量制定了緊湊且合理的進(jìn)度計劃。

3.2各專業(yè)項目具體配合及出圖流程

3.2.1建筑專業(yè)模型與圖紙

（1）按照方案在Revit中進(jìn)行初步設(shè)計，并提資結(jié)構(gòu)初步設(shè)計。

（2）鏈接結(jié)構(gòu)返提資的結(jié)構(gòu)模型模型，在此基礎(chǔ)上對建筑構(gòu)件進(jìn)行布局調(diào)整，土建碰撞處及時與結(jié)構(gòu)設(shè)計溝通，待雙方協(xié)商達(dá)成一致，完成詳細(xì)建模，包括墻體、門窗、外立面、樓梯、扶梯等。

（3）在建筑模型基礎(chǔ)上對室內(nèi)進(jìn)行設(shè)計、建模，包括墻面材質(zhì)、地面材質(zhì)、天花板吊頂、格柵等。

（4）與給排水、電氣、暖通專業(yè)配合解決碰撞問題。

（5）檢查平面、系統(tǒng)、圖面是否完整，Revit導(dǎo)出圖。

3.2.2結(jié)構(gòu)專業(yè)模型與圖紙

（1）通過建筑初步設(shè)計提資，利用結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）利用探索者三維交互中心軟件，將YJK和Revit進(jìn)行連接，將YJK計算模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Revit軟件中，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維詳細(xì)建模。

（3）建模和繪圖過程中，實時與建筑、給排水、電氣、暖通專業(yè)配合解決碰撞問題，協(xié)調(diào)溝通修改。

（4）結(jié)構(gòu)梁底凈高分析、主次梁連接檢查，軟件也可隨時對配筋進(jìn)行校核。

（5）在Revit中對每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行非幾何信息校對，并在Revit中進(jìn)行施工圖繪制和輸出。

3.2.3機(jī)電專業(yè)模型與圖紙

（1）在方案和業(yè)主的要求下進(jìn)行初步的各專業(yè)的管線尺寸及布局設(shè)計。

（2）各個單專業(yè)建模，檢查單專業(yè)管線之間的交叉碰撞，并在建筑、結(jié)構(gòu)的模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行梁底管線排布與綜合，檢查各個單專業(yè)管線與土建是否有碰撞，核查管線綜合后凈高是否不夠，不夠的情況先進(jìn)行管線排布優(yōu)化，如若凈高還是不滿足再提資土建專業(yè)，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（3）在滿足布局及凈高的要求下，檢查平面、系統(tǒng)、圖面是否完整，進(jìn)行Revit出圖；并出具凈高分析報告。

3.3各專業(yè)圖紙輸出成果

由于用了BIM三維協(xié)作設(shè)計，出圖質(zhì)量得到了大幅度提升，校審意見大幅度減少。并且發(fā)于施工后，設(shè)計變更明顯屈指可數(shù)。施工圖改圖次數(shù)較傳統(tǒng)二維設(shè)計明顯大幅度減少，基本后期不需要進(jìn)行大的設(shè)計變更，除非業(yè)主要求或不可抗力。

4基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計的優(yōu)勢與弊端

4.1基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計的優(yōu)勢

（1）BIM技術(shù)可以為設(shè)計師提供用時短、快速智能、自動精準(zhǔn)的建筑虛擬模型，大大降低工程師的工作量。通過建筑虛擬模型的構(gòu)建，工程師可以根據(jù)自己想要的效果進(jìn)行修改，時間和地點都不受制約，可任意剖切任一角度的圖紙，任意角度剖界面均可以達(dá)到三維空間協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，而這種BIM技術(shù)生成的圖紙效果是傳統(tǒng)CAD繪制圖紙技術(shù)無法實現(xiàn)的。另外，BIM技術(shù)都是在實際建筑面積、原材料等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析處理，再對建筑圖紙進(jìn)行自動生成，這樣也為建筑圖紙中數(shù)據(jù)信息的真實性提供了良好的保障。

（2）BIM技術(shù)可以進(jìn)行構(gòu)件拆分、尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)配筋核查、碰撞檢查、管線綜合、凈高優(yōu)化等工作，這大大縮短了圖紙會審和圖紙交底的時間，使一些設(shè)計師的疏漏或不合理設(shè)計能夠得到及時的預(yù)判及糾正。同時，也有效地防止了各工種之間的矛盾。以本項目為例， 出施工圖前預(yù)先進(jìn)行了進(jìn)行拆分構(gòu)件、優(yōu)化幾何信息、核查結(jié)構(gòu)非幾何數(shù)據(jù)、檢查專業(yè)間構(gòu)件打架、綜合管線、優(yōu)化凈高等工作，后期施工方出現(xiàn)的問題大大減少，相比與傳統(tǒng)的二維出圖，后期施工的工作量和損失大大的減少了。

（3）設(shè)計工程中需要考慮結(jié)構(gòu)的合理性，要滿足各種強(qiáng)條的情況下，傳統(tǒng)的二維出圖難免會有不少錯誤；本次項目利用了探索者和Revit 2種設(shè)計軟件共同工作，探索者在結(jié)構(gòu)設(shè)計出圖時起到了巨大的作用，其具有核查配筋的功效，大大減少了超配或者少配的情況，保證出圖的優(yōu)質(zhì)。

4.2基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計的弊端

（1）技術(shù)的不夠熟練，加之全新的工作模式帶來的工作順序的改變，導(dǎo)致三維出圖與二維出圖相比，反而會付出更多的時間成本和人力成本，完成同一個項目，使用BIM所花時間可能是使用CAD所花時間的1.5或者2倍。

（2）軟件存在多處bug，并且當(dāng)項目體量達(dá)到一定規(guī)模，模型攜帶信息過多，會導(dǎo)致電腦卡頓，造成時間的浪費；很多時候國外BIM軟件輸出的施工圖和檔案并不符合國內(nèi)建筑行業(yè)出圖標(biāo)準(zhǔn)，使用這些BIM軟件生成施工圖后，會再進(jìn)行大幅的修改，修改所花費的時間和人力不少于使用CAD重新繪圖一次。例如：圖框，傳統(tǒng)cad的圖框只需要改字，而對于BIM模型來說，需要花費大量的時間來創(chuàng)建一個合適的族。

（3）目前國內(nèi)沒有標(biāo)準(zhǔn)的政策來規(guī)范BIM設(shè)計，導(dǎo)致每個項目都有不同的規(guī)范，也存在了一種增加的無形的工作量。設(shè)計目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計前期就無法明確衡量整個項目所有的細(xì)節(jié)和潛在的問題，項目在進(jìn)行階段總會因為各種不確定性因素需要進(jìn)行設(shè)計的變更。就算設(shè)計成果各方面均滿足了相關(guān)規(guī)范準(zhǔn)則，參與的各方也會針對整個建筑行業(yè)和政府規(guī)則的提出各種要求。

5BIM技術(shù)應(yīng)用于反向設(shè)計的應(yīng)用分析

5.1BIM技術(shù)應(yīng)用于反向設(shè)計的應(yīng)用分析

（1）在設(shè)計施工圖階段，應(yīng)用BIM模型有利于設(shè)計人員即時糾偏、校正，發(fā)現(xiàn)問題，傅強(qiáng)［5］指出BIM技術(shù)可以有效提高各部門協(xié)同工作的時效性和準(zhǔn)確性，除了查找設(shè)計問題。此外BIM技術(shù)還會考慮后期施工可行性和交付后運(yùn)營維修等后期問題，提前暴露問題，有利于從根本上解決問題，減少施工返工，而造成的索賠等情況的出現(xiàn)；針對重難點區(qū)域進(jìn)行管線布局優(yōu)化、凈高預(yù)判，有利于在精裝階段，設(shè)計人員對整體凈高的把控；利用信息化手段全面提升建筑工程的管理水平，提高團(tuán)隊之間的溝通質(zhì)量，項目數(shù)據(jù)的讀取和存儲更準(zhǔn)確、更明了、更全面、更統(tǒng)一。

（2）模型在傳統(tǒng)建筑信息模型后，到達(dá)構(gòu)件預(yù)制階段，使模型更為精細(xì)化。精準(zhǔn)定位結(jié)構(gòu)外伸的鋼筋，機(jī)電的二次點位等，充分發(fā)揮BIM的優(yōu)勢和價值。檢查完碰撞問題之后，再構(gòu)建預(yù)制階段的建筑信息模型，會考慮實際施工現(xiàn)場會發(fā)生的各種問題，并檢查預(yù)制構(gòu)件外伸鋼筋間的碰撞、檢查預(yù)制構(gòu)件的制作方向和安裝方向的是否沖突、預(yù)留洞檢查、開槽的預(yù)留與點位預(yù)留、線槽的預(yù)留、管線的布置，最后作出預(yù)判以及及時糾正，周錦彬［6］也在其對基于BIM技術(shù)的裝配式項目上指出BIM技術(shù)使預(yù)制化建造更為高效。

（3）BIM技術(shù)在施工方案階段的應(yīng)用主要是打通了以往二維圖紙階段遇到復(fù)雜三維問題難以直觀和明確技術(shù)交底形成的障礙，并且利用數(shù)字化技術(shù)對這些信息進(jìn)行處理，將其應(yīng)用到實際的三維建筑模型的建立當(dāng)中，細(xì)節(jié)問題的排查，協(xié)助設(shè)計方案優(yōu)化，可以對施工工序的整個過程進(jìn)行模擬演習(xí)。朱振華［7］進(jìn)行了施工過程中的碰撞研究，發(fā)現(xiàn)使用BIM技術(shù)不僅可以使得工作效率得到有效提升，更有助于建筑項目的成本投入，提高工程項目的質(zhì)量。

6體會和心得

就運(yùn)用BIM三維正向設(shè)計來看，雖然前期花了更多的人力和時間成本，但是取得了巨大的成功。就現(xiàn)在建筑設(shè)計行業(yè)來看，能完整地按照標(biāo)準(zhǔn)的BIM三維正向設(shè)計完成一個大型項目，其實是一項巨大的挑戰(zhàn)，不僅僅要求專業(yè)性知識的過硬，還要求項目管理層具有開拓創(chuàng)新，團(tuán)隊協(xié)作，科學(xué)決策的能力?；贐IM技術(shù)的三維正向設(shè)計要求各個專業(yè)之間的配合十分緊密，各種流程及操作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的要求相對于傳統(tǒng)模式更高，是對整個建筑設(shè)計的流程的重造及優(yōu)化升級，使之變成時刻落地、持續(xù)生產(chǎn)和綠色生產(chǎn)的設(shè)計模式［8］，而不是僅僅探索性的技術(shù)嘗試。所以，需要技術(shù)與管理2方面一起規(guī)劃改造，需要企業(yè)高層的體系支撐。此次項目，本公司不僅在規(guī)定時間內(nèi)完成，且設(shè)計和出圖質(zhì)量的各方面均處于良好以上。

很多設(shè)計院都不能很好地推行BIM三維正向設(shè)計，歸根結(jié)底原因有3個：一是做BIM不能提升設(shè)計效率，現(xiàn)在項目周期普遍都比較短，設(shè)計人員不足，無法花更多的人力和物力在前期投入上；二是做BIM并不能提高設(shè)計項目的報價；三是傳統(tǒng)二維設(shè)計師怕被徹底取代，有些抵觸情緒。最后由于現(xiàn)在BIM技術(shù)未完全達(dá)到設(shè)計、施工、運(yùn)營維護(hù)等一體化，并未展現(xiàn)出多少的實用價值，導(dǎo)致大部分人還是對此抱有懷疑態(tài)度，感覺反而浪費時間，基于以上幾點，建筑行業(yè)在先天條件上是有些抵觸正向設(shè)計的，因為他們必然覺得費力不討好。但是在經(jīng)歷了該項目后，筆者認(rèn)為這些想法太過于急功近利，每個模式都是需要人去探索，需要團(tuán)隊去磨合的。但是大型設(shè)計院卻不惜花費大量人力物力都要去大力推廣正向設(shè)計，這是大型設(shè)計院對未來的布局。建筑信息化是國家政策主推的方向，目前很多地方政策要求在投標(biāo)、設(shè)計、交付，均由BIM形式，BIM是實現(xiàn)建筑信息化的手段，這是基于國家長遠(yuǎn)發(fā)展，人力資源變化等等一系列因素做出的抉擇。

國家大力推行數(shù)字技術(shù)，傳統(tǒng)的二維設(shè)計已經(jīng)滿足不了當(dāng)今數(shù)字化高速發(fā)展，勢必被基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計所取代。傳統(tǒng)二維圖紙歸檔模式不便于長期的信息存儲，時間一久，計算依據(jù)和圖紙難免缺失、氧化，導(dǎo)致后期信息斷裂。直接以模型傳遞工作信息的模式進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化、工程算量、造價、出圖等一系列的管理模式。提高了設(shè)計的完成度和精細(xì)度，減少二維的設(shè)計盲區(qū)，讓模型服務(wù)后期施工成為可能，這也是BIM正向設(shè)計的最終目的?，F(xiàn)在或許普及面并不廣泛，或者所花費的時間和精力比傳統(tǒng)的二維設(shè)計要多，但是這并不能阻擋工業(yè)革新的步伐。隨著科技的發(fā)展，5G、6G的誕生，社會勢必成為一個為所有物品賦予數(shù)字信息的新世界。當(dāng)今智慧城市［9］發(fā)展日漸壯大，隨之CIM、BIM和GIS等將會緊跟其步伐［10］，成為智慧生活的一部分。現(xiàn)在不少設(shè)計院都在大力推行基于BIM的三維正向設(shè)計，道阻且長，當(dāng)年CAD取代傳統(tǒng)手繪的過程亦是如此，沒有一條路是容易的，但絕對是明智的。

參考文獻(xiàn)

［1］戴斌成.BIM正向設(shè)計的探索和研究方向［J］.智能建筑與智慧城市，2022（5）：112-114.

［2］劉慶海，武利軍. BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中的發(fā)展［C］//.北京力學(xué)會第二十八屆學(xué)術(shù)年會論文集（下）.2022：110-112.

［3］劉潔. BIM技術(shù)在某EPC項目中的應(yīng)用研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2021.

［4］嚴(yán)煒炯.上海市房建BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.上海建設(shè)科技，2021（4）：57-59.

［5］傅強(qiáng). 某建設(shè)項目BIM輔助協(xié)同設(shè)計的分析［D］.北京：清華大學(xué)，2019.

［6］周錦彬. 基于BIM的裝配式建筑設(shè)計施工協(xié)同機(jī)制研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2019.

［7］朱振華.BIM技術(shù)在建筑施工進(jìn)程中的碰撞研究［J］.建材與裝飾，2015（49）：46-47.

［8］徐偉，閆雪萌，李志鵬.淺析基于BIM技術(shù)的建筑全生命周期綠色數(shù)字化建造［J］.上海節(jié)能，2021（12）：1365-1369.

［9］趙強(qiáng).BIM技術(shù)在智慧城市“數(shù)字孿生”建設(shè)中的應(yīng)用［J］.智能建筑與智慧城市，2022（3）：108-110.

［10］鄭旸.淺談基于未來城市理念的BIM發(fā)展前景［J］.福建建設(shè)科技，2021（3）：99-101+108.