閆瑞雪 陳平 郭志瑞 高肖艷

作者簡(jiǎn)介：閆瑞雪（1988.9-），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士學(xué)位，工程師，研究方向：建筑設(shè)計(jì)研究，E-mail：758031287@qq.com。

摘 要：隨著工程行業(yè)的發(fā)展，對(duì)建筑領(lǐng)域信息化智能化要求越來越高，在建筑設(shè)計(jì)中使用BIM技術(shù)的需要也越來越廣泛。文章論述了在學(xué)校建筑中采用BIM技術(shù)在不同設(shè)計(jì)階段的多方面應(yīng)用。對(duì)設(shè)計(jì)前期應(yīng)用Autodesk Ecotect Analysis基于項(xiàng)目所在地氣候條件進(jìn)行建筑布局及被動(dòng)式節(jié)能策略分析，方案階段應(yīng)用Autodesk Revit軟件建模并進(jìn)行方案比選與設(shè)計(jì)優(yōu)化，初步設(shè)計(jì)與施工圖設(shè)計(jì)階段則通過多專業(yè)協(xié)同工作、碰撞檢查、工程算量等過程使用BIM技術(shù)匯集了各類數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了交互式參數(shù)化的精確建模與信息模型的高效率利用。

關(guān)鍵詞：BIM；學(xué)校建筑；設(shè)計(jì)階段；項(xiàng)目實(shí)踐

1 前言

建筑工程行業(yè)是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域匯集的行業(yè)，由于各學(xué)科在設(shè)計(jì)階段使用軟件繁多，缺少信息數(shù)據(jù)的互用性，從而造成大量重復(fù)勞動(dòng)與時(shí)間耗費(fèi)。近年來信息技術(shù)高速發(fā)展，建筑領(lǐng)域?qū)τ谛畔⒒⒅悄芑约熬G色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展等方面都提出了更高的要求。

BIM是Building Information Modeling（建筑信息模型）的簡(jiǎn)稱，美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)NBIMS給出的定義為：BIM是一個(gè)樓宇設(shè)施的物理和功能特征的數(shù)字化表達(dá)，用于創(chuàng)建一個(gè)共享的信息知識(shí)資源，從而形成一個(gè)從概念設(shè)計(jì)至最后報(bào)廢拆除貫穿整個(gè)建筑生命周期的可靠決策基礎(chǔ)[1]。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)正向設(shè)計(jì)即從源頭開始進(jìn)行建筑信息模型的建立，不僅僅是輔助設(shè)計(jì)工具的升級(jí)，更多的是對(duì)建筑業(yè)設(shè)計(jì)方式、生產(chǎn)模式的變革[2]。

2學(xué)校建筑設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1項(xiàng)目概況

漁營小學(xué)建設(shè)項(xiàng)目位于漢中市南鄭區(qū)，項(xiàng)目用地面積20202.64㎡，總建筑面積21128.71㎡，包括兩棟教學(xué)樓、一棟綜合樓及附屬門衛(wèi)建筑。其中教學(xué)樓及綜合樓為五層框架結(jié)構(gòu)建筑，門衛(wèi)室為單層框架結(jié)構(gòu)建筑。建筑工程設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防烈度為七度。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用主要包括前期方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、三維協(xié)同設(shè)計(jì)、模型出圖、可視化展示、管線碰撞檢查、工程量計(jì)算等方面?；趹?yīng)用Autodesk Revit 軟件進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，在不同階段利用其強(qiáng)大的軟件平臺(tái)接口功能實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)信息模型數(shù)據(jù)的高效率使用，見圖1。

2.2不同階段具體應(yīng)用

2.2.1前期設(shè)計(jì)與優(yōu)化

漁營小學(xué)項(xiàng)目所在地漢中市南鄭區(qū)屬北亞熱帶氣候，年平均氣溫14.5℃，年降水量約890.60mm，年日照時(shí)數(shù)約2301.4小時(shí)。漢中市在我國的《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范GB50176-2016》中氣候分區(qū)上屬于ⅢA區(qū)，最冷月平均溫度為3.1℃，最熱月平均溫度為26.3℃，采暖度日數(shù)HDD18（℃·d）為1945，空調(diào)度日數(shù)CDD26（℃·d）為63，采暖室外計(jì)算溫度0.7℃，累年最低日平均溫度-2.4℃，計(jì)算采暖期天數(shù)68，計(jì)算采暖期室外平均溫度3.5℃，計(jì)算采暖期室外平均相對(duì)濕度80%。用地南側(cè)和東側(cè)均為城市道路，西側(cè)和北側(cè)相鄰多層住宅小區(qū)。建設(shè)范圍包括36班小學(xué)教室及相應(yīng)教學(xué)輔助用房、校園廣場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、道路、綠化等。基于項(xiàng)目用地的周邊具體環(huán)境條件，在設(shè)計(jì)前期方案初步構(gòu)思階段，利用BIM軟件Autodesk Ecotect Analysis氣候分析工具weather tool對(duì)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

不同局部環(huán)境條件下朝向不同的建筑物日照、采光通風(fēng)條件均不同。根據(jù)項(xiàng)目當(dāng)?shù)貧夂驐l件、建筑基地周邊環(huán)境進(jìn)行朝向分析，由軟件分析結(jié)果可以得知漢中南鄭地區(qū)建筑的最佳朝向?yàn)?67.5°，最差朝向?yàn)?7.5°，過冷時(shí)間內(nèi)曝輻射量最多的朝向?yàn)?57.5°，過熱時(shí)間內(nèi)曝輻射量最多的朝向?yàn)?7.5°。氣溫在12月、1月、2月最低，因此建筑朝向應(yīng)避開冬季的主導(dǎo)風(fēng)向（西北風(fēng)），減少冬季冷風(fēng)滲透作用的同時(shí)能夠在夏季利用建筑自然通風(fēng)散熱[3]。因此，前期設(shè)計(jì)時(shí)建筑坐北朝南或南偏東10°均為較好的建筑朝向。

利用氣候分析工具weather tool還可對(duì)漢中氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)的初步分析判斷?？梢缘玫交诹N主要被動(dòng)式設(shè)計(jì)（被動(dòng)式太陽能采暖、高性能材料、高熱容+夜間通風(fēng)、自然通風(fēng)、直接蒸發(fā)降溫 、間接蒸發(fā)降溫）的節(jié)能效果。模擬分析時(shí)采用常規(guī)建筑保溫性能參數(shù)設(shè)置，可得出：在漢中地區(qū)對(duì)建筑保溫能耗影響較大的是高性能材料，全年優(yōu)化比率較使用前可增加約12%；對(duì)建筑制冷能耗影響最大為自然通風(fēng)，全年優(yōu)化比率較使用前可增加約14%?；诖?，節(jié)能設(shè)計(jì)分析結(jié)果可在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)一步深化，從而加強(qiáng)建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)的節(jié)能效果。

2.2.2方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

方案設(shè)計(jì)階段主要為建筑設(shè)計(jì)師運(yùn)用Autodesk Revit軟件建立的漁營小學(xué)建筑信息模型，此階段工作主要為確定學(xué)校平面功能布局、建筑體型組合、建筑整體外觀造型、基地范圍內(nèi)道路、停車、綠化布置等，建立基礎(chǔ)模型。設(shè)計(jì)過程中通過將BIM模型經(jīng)Revit軟件轉(zhuǎn)換成gbXML文件格式，導(dǎo)入到Ecotect Analysis軟件，利用其光環(huán)境分析功能結(jié)合教室窗間墻長度要求對(duì)方案中教室窗戶尺寸及綜合樓中庭采用天窗采光進(jìn)行了方案比選與優(yōu)化設(shè)計(jì)。并在綜合樓引入天窗采光面積約160㎡，大幅提高了綜合樓中庭及室內(nèi)走廊的自然采光照度。

基于我國《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范GB50099-2011》對(duì)于學(xué)校普通教室黑板、講臺(tái)、課桌椅尺寸及其間距、縱橫走道寬度、前排邊座座椅與黑板遠(yuǎn)端水平視角角度等要求，通過Revit軟件繪制相應(yīng)系統(tǒng)族、載入構(gòu)件族的方式，創(chuàng)建了基于本項(xiàng)目普通教室的系統(tǒng)文件，可進(jìn)行復(fù)制、存儲(chǔ)、載入實(shí)現(xiàn)信息模型的重復(fù)性使用及三維可視化說明。

項(xiàng)目建筑效果圖則通過將BIM模型轉(zhuǎn)換成Collada格式文件，導(dǎo)入到Lumion軟件中進(jìn)行材質(zhì)編輯處理及后續(xù)渲染出圖，實(shí)現(xiàn)Revit和Lumion 兩個(gè)軟件之間的數(shù)據(jù)交互，提高建筑信息模型的使用效率。在方案設(shè)計(jì)階段，BIM模型深度達(dá)到LOD200，并經(jīng)Revit軟件實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目總平面及建筑單體平、立、剖面出圖。

2.2.3初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

（1）中心文件協(xié)同設(shè)計(jì)

協(xié)同設(shè)計(jì)主要通過工作共享模式在中心文件創(chuàng)建后分系統(tǒng)建立本地文件工作集，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)周期內(nèi)對(duì)項(xiàng)目文件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)處理。在協(xié)同設(shè)計(jì)前，設(shè)置不同工作集可編輯權(quán)限來防止協(xié)同設(shè)計(jì)工作中各專業(yè)設(shè)計(jì)人員對(duì)原設(shè)計(jì)文件的非主觀更改，并通過中心文件的同步設(shè)置保證工作集的設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)更新。協(xié)同設(shè)計(jì)過程各專業(yè)提資以模型為主，輔以局部進(jìn)行二維批注與注釋，通過創(chuàng)建互提資料工作集、提資視圖區(qū)分不同專業(yè)的提資與收資，實(shí)現(xiàn)一個(gè)模型的多專業(yè)提資[4]。

建筑專業(yè)基于BIM方案模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，確定不同功能位置如教學(xué)用房樓層間及隔墻的隔聲處理、實(shí)驗(yàn)室的耐酸堿腐蝕地面、視聽閱覽室的防靜電架空地板等構(gòu)造工程做法、材料設(shè)計(jì)參數(shù)。

結(jié)構(gòu)專業(yè)在建筑方案基礎(chǔ)上結(jié)合地勘資料與項(xiàng)目所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度、荷載效應(yīng)、環(huán)境類別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過分析計(jì)算確定各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件、鋼筋材料規(guī)格、幾何尺寸等參數(shù)。漁營小學(xué)項(xiàng)目使用PKPM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算并輸出dwg格式文件，基于dwg格式文件在Revit軟件中建立結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)平法施工圖設(shè)計(jì)仍通過dwg文件出圖。這是由于在現(xiàn)階段BIM技術(shù)中結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)分析計(jì)算仍是整個(gè)BIM信息集成鏈中相對(duì)脫節(jié)的一環(huán)，我國的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件應(yīng)用以PKPM為主，雖有相關(guān)研究通過自研插件將PKPM結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為中間格式文件導(dǎo)入Revit建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型[5]，但目前無法得到普遍性應(yīng)用，然而隨著BIM技術(shù)日益發(fā)展這一問題將得以解決。

給排水、暖通、電氣專業(yè)在正向設(shè)計(jì)時(shí)通過系統(tǒng)族、構(gòu)件族的繪制載入及創(chuàng)建，經(jīng)過濾器設(shè)置不同管網(wǎng)系統(tǒng)并選擇附屬管道、管件、附件實(shí)現(xiàn)對(duì)過濾器下整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一修改編輯操作命令。供熱管道選擇添加管道保溫隔熱層并設(shè)置相應(yīng)厚度與材質(zhì)。在此基礎(chǔ)上對(duì)管線密集、狹窄區(qū)域、有凈高要求空間結(jié)合三維視圖進(jìn)行合理排布，在各類管線不發(fā)生碰撞情況下減少翻彎以節(jié)約材料并降低后期運(yùn)營故障[6]。

（2）碰撞檢查

不同專業(yè)利用Navisworks進(jìn)行碰撞檢查。在項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)際操作檢查碰撞時(shí)，主要采用了兩種檢查方式：一方面在管線密集區(qū)局部檢查時(shí)利用系統(tǒng)外觀渲染器對(duì)相應(yīng)設(shè)備和構(gòu)件設(shè)置不同的醒目顏色，人工視覺識(shí)別區(qū)分各類構(gòu)件及進(jìn)一步走入式檢查；另一方面利用軟件自動(dòng)檢查功能對(duì)機(jī)電系統(tǒng)與土建構(gòu)件相對(duì)位置之間、機(jī)電系統(tǒng)各管線之間位置進(jìn)行檢查。軟件自動(dòng)化檢查通過事先設(shè)置不同的系統(tǒng)構(gòu)成相應(yīng)的選擇集，再對(duì)不同選擇集設(shè)定為檢查對(duì)象，相互之間進(jìn)行自動(dòng)檢查。漁營小學(xué)項(xiàng)目經(jīng)設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查發(fā)現(xiàn)軟硬碰撞30余處，經(jīng)及時(shí)調(diào)整，避免了后續(xù)施工的部分設(shè)計(jì)變更。

（3）工程算量

利用BIM模型進(jìn)行工程量計(jì)算能夠基于模型存儲(chǔ)的項(xiàng)目構(gòu)件信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)件信息提取，大幅減少傳統(tǒng)算量過程中人工二次識(shí)別圖紙信息引起的潛在錯(cuò)誤。使用Revit軟件明細(xì)表功能進(jìn)行漁營小學(xué)建設(shè)項(xiàng)目的工程量統(tǒng)計(jì)，匯總后輸出報(bào)表以便后續(xù)造價(jià)計(jì)算。需要注意的是，此處Revit軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算出的工程量為構(gòu)成工程模型的實(shí)物凈量，與我國《建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范GB50854-2013》中的工程計(jì)量方式存在部分差別。例如清單規(guī)范中現(xiàn)澆混凝土板計(jì)量單位為m3且不必扣除小于等于0.3㎡的孔洞所占體積，散水、坡道、室外地坪等計(jì)量單位為㎡且不必扣除小于等于0.3㎡的孔洞所占面積，但軟件統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)信息則不包含這部分工程量。而施工過程中需要使用但最終不體現(xiàn)在實(shí)體模型中如模板、腳手架等工程量要通過關(guān)聯(lián)相應(yīng)具體構(gòu)件如現(xiàn)澆混凝土墻、板等的幾何信息進(jìn)行工程量計(jì)算[7]。因此如要編制適用于《建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范GB50854-2013》的施工圖預(yù)算工程量則需造價(jià)人員對(duì)軟件明細(xì)表統(tǒng)計(jì)出的工程量進(jìn)行進(jìn)一步處理后使用。

（4）成果交付

漁營小學(xué)項(xiàng)目通過Autodesk Revit軟件建立建筑信息模型并聯(lián)合多種軟件進(jìn)行BIM技術(shù)正向協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建筑、給排水、暖通、電氣專業(yè)各階段設(shè)計(jì)出圖并交付深度達(dá)到LOD300的BIM模型。為后續(xù)項(xiàng)目施工階段的三維可視化設(shè)計(jì)交底、施工深化、運(yùn)營維護(hù)建立了信息基礎(chǔ)模型，并減少了因設(shè)計(jì)階段各專業(yè)協(xié)調(diào)問題產(chǎn)生的返工。

3結(jié)論

BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域推廣、使用已有較長時(shí)間，由于其不同于二維設(shè)計(jì)軟件對(duì)操作使用要求高，精細(xì)度深致工作量較大。但隨著BIM技術(shù)發(fā)展，開發(fā)了眾多軟件接口功能從而實(shí)現(xiàn)了信息模型的高效利用，同時(shí)經(jīng)正向設(shè)計(jì)積累基于一定標(biāo)準(zhǔn)下的系統(tǒng)族庫，能夠在項(xiàng)目全壽命周期較大程度提高生產(chǎn)效率。本文以漁營小學(xué)建設(shè)項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)為例，闡述了在設(shè)計(jì)階段利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，歸納為：

（1）在前期設(shè)計(jì)階段通過BIM技術(shù)利用Ecotect Analysis軟件工具載入項(xiàng)目所在地氣象信息文件，能夠基于具體氣候環(huán)境分析建筑布局適宜的朝向、被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略分析等對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建筑物理環(huán)境性能化的評(píng)估，從分析結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行合理調(diào)整。

（2）在初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)階段利用Autodesk Revit軟件進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)能夠較大程度提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性并形成高度信息集成的可視化三維模型，更好地呈現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。

（3）為設(shè)計(jì)概算階段的工程量計(jì)算減少了較大重復(fù)性工作；通過交付精細(xì)度達(dá)LOD300的BIM實(shí)體模型并進(jìn)一步在施工階段深化應(yīng)用能夠大幅減少因管線碰撞、預(yù)埋錯(cuò)位等帶來的設(shè)計(jì)變更與返工，提高了施工效率。

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