bim技术在市政工程设计阶段的应用

BIM三维模型可以承载建筑工程项目中全生命周期的各类信息数据，在设计过程中通过三维可视化、协调、模拟、优化和出图等功能，实现项目的精细化管理，提高甲方的决策效率，提升项目的设计质量和设计效率。

    1　引言

    随着我国社会经济水平的提高和技术的发展，文化场馆类建筑越来越受到重视，建筑以越来越丰富的姿态来诠释其独一无二的个性。然而文化场馆复杂的建筑功能和结构已经无法用传统CAD二维设计来实现，建筑信息模型（BuildingInformationModel，BIM）应运而生。BIM三维模型可以承载建筑工程项目中全生命周期的各类信息数据，在设计过程中通过三维可视化、协调、模拟、优化和出图等功能，实现项目的精细化管理，提高甲方的决策效率，提升项目的设计质量和设计效率。

    相较于运用BIM技术进行施工图纸错、漏、碰、缺的简单应用。通过BIM设计，可以在方案之初就运用BIM绿色建筑分析软件优化方案，将绿色、环保、低碳的设计理念贯彻到建筑全生命周期，并通过BIM三维协同设计、碰撞检查、净高优化、工程量统计、施工出图等得到各专业高度一致的施工图，提高设计效率和设计质量。本文将以和美术馆项目为例，从BIM设计流程、实施措施、应用效果三个方面阐述BIM设计的价值和必要性。

    图1　和美术馆夜景效果图

    2　工程概况

    2.1　项目简介

    和美术馆，位于广东省佛山市顺德区北滘镇新城区，是国际建筑大师安藤忠雄在中国华南地区的首个项目，是国内一流的标志性文化设施，是顺德重要的地标式建筑（图1）。项目总用地面积为8650.48㎡，总建筑面积为21263.83㎡。建筑高度为24.4m，地上5层，地下2层。结构类型是框架剪力墙结构。

    2.2　项目难点分析

    和美术馆项目作为顺德地区标志性的公共文化场馆，用地狭小，且周边高楼林立，设计采用层层出挑的圆形体量解决场地和标志性的矛盾，起到软化周边环境和营造第五立面的效果。项目本身具有以下难点：

    （1）复杂的建筑功能和大跨度空间设计。

    （2）结构复杂多变的异形旋转楼梯（图2）和曲面结构构件。

    （3）项目场地狭窄，施工困难。

    （4）大型公建的综合管线设计复杂异常。

    （5）复杂的曲面幕墙设计、加工建造。

    通过BIM设计，可以直观有效地提前发现并解决各种设计和施工问题，大大提高该项目的完成度。

    图2　和美术馆中庭异形旋转楼梯

    3　BIM设计流程

    BIM设计流程（图3）：项目前期策划阶段、技术评审阶段、方案设计阶段、施工图设计阶段、校审出图阶段。

    图3　BIM设计流程

    3.1　项目前期策划阶段

    本项目成立之初便建立BIM工作小组（图4），设置具有BIM设计和项目管理经验的项目负责人，全面开展本项目的设计工作，制定BIM工作流程和工作进度计划；根据项目情况制设定BIM应用目标和应用软件，编写项目各阶段BIM建模及管理标准，设定模型组织原则。

    图4　BIM人员组织构架图

    3.1.1　BIM应用目标

    （1）搭建BIM工作平台，在方案优化、施工图设计、工程算量、施工管理、运维、审计全过程中通过BIM平台传递数据，为项目创造价值。

    （2）通过BIM设计，改进BIM工作流程和BIM标准、提升设计管理水平。

    3.1.2　BIM应用软件

    本项目采用的BIM技术应用相关软件包括建模软件，浏览审核软件，算量软件、绿色建筑分析软件和可视化软件（图5）。

    图5　BIM软件分类列表

    在方案阶段创建BIM模型，进行多方案比较，一模多用进行绿色建筑分析，并通过软件模拟分析优化设计方案（图6）。在施工图设计阶段创建BIM模型，实现各专业三维协同、可视化设计、碰撞检查、施工出图。完成的BIM模型可以一模多用，可以进行材料提取、同步算量等设计工作。

    图6　BIM软件工作流

    3.1.3　BIM建模及管理标准

    BIM设计不同于CAD二维设计，需要做到事前策划、明确合理的各专业内部协同范围和方式，需要就BIM建模标准、各阶段深度标准、核模标准、数据管理标准、成果交付标准进行前期制定。否则，将会对后期出图产生很多不可预见的额外工作，甚至造成大量返工修改影响工期。

    3.1.4　BIM模型组织

    本项目采用链接与工作集并行的协同工作方式（图7），机电设备的水、暖、电3个专业相互之间关系紧密且影响较大，采用工作集的协同方式，即3个专业在一个工作集文件内按各自专业建立子工作集，便于随时查看模型更新情况，且便于修改。建筑、结构、机电之间则采用链接的工作方式，避免文件过大，运行缓慢，且同时能做到专业间随时更新模型。链接与工作集并行的方式使各专业在唯一的模型基础上相互提资，设计过程更加流畅、不易出错、原位修改、实时更新替换，保证设计质量和工作效率。

    图7　BIM模型组织

    3.2　技术评审阶段

    建筑设计技术评审阶段在BIM设计流程中并不局限在某一个阶段，而是贯穿方案设计到施工图设计全过程。由项目负责人、各专业总工、专业负责人和主要设计人组成项目技术评审组，分别从建筑、结构、机电专业对项目进行技术评审。严格执行设计各阶段的技术评审，使BIM设计顺利推进，事半功倍，避免出现施工图设计过程中因为设计疏忽而造成BIM模型返工重建，降低设计效率和设计质量。

    3.2.1　方案设计技术评审

    文化场馆方案设计阶段建筑专业评审内容包括：总平面设计需要注意建筑功能、日照、退距、建筑间距是否合理；明确项目的城市规划技术指标、消防设计、场地竖向等。建筑单体设计需要注意平面、核心筒、功能房间是否满足相关规范；管道井是否满足设计要求；建筑地上和地下室层高设计是否合理；关注立面设计的可实施性，是否会影响面积计算（图8）。

    图8　方案校审记录单

    文化场馆方案设计阶段结构专业技术评审内容包括：主要结构跨度、特殊结构及造型；建筑分类等级（安全等级、设防类别、抗震等级、防水等级、基础设计等级）；项目超限的可能性；项目不规则程度；地上建筑和地下建筑的结构方案（分缝设置、机构选型、结构分析软件及版本号等）。

    文化场馆方案设计阶段机电专业技术评审内容包括：水泵房及管井设置位置及面积；通风空调防排烟系统划分及系统形式、主要功能房间管线安装净高、设备选型及机房位置；变、配、发电系统负荷级别及估算容量、数量及位置（图9）。

    图9　方案转出评审表

    3.2.2　施工图设计技术评审

    文化场馆施工图设计阶段建筑专业评审内容包括：甲方对项目提出的特殊技术要求对建筑方案的影响；项目采用新技术、新材料对建筑方案的影响；项目统一技术措施评审；文化场馆的消防设计评审（包括总平面消防设计、防火分区、疏散距离、疏散宽度计算等）；文化场馆综合评审（与项目相关的机电设备、系统选型、管井机房平米布置；地下室顶板排水、覆土厚度、管线走向等）；复杂的强身构造节点；装修配合阶段对消防设计的影响（图10）。

    图10　施工图设计大纲

    文化场馆施工图设计阶段结构专业评审内容包括：结构统一技术措施、基础选型、地下室顶板结构体系及分缝设置；结构布置平面图、结构重要节点、支座；结构超筋、超限加强措施、抗震设防专项审查和其他专项论证分析；项目经济性评估和控制技术措施。

    文化场馆施工图设计阶段机电专业评审内容包括：机电统一技术措施、管线综合设计；竖向标高（包含覆土厚度）、室外管线布置、化粪池布置，标准层消火栓布置、平面立管布置；设备选用和系统分区。通风空调房拍线系统方案、大型设备的运输方案；消防电气设计方案、各电气系统设备选用。

    3.3　方案设计阶段

    本项目方案设计是由日本安藤宗雄事务所负责，我院主要根据方案主创反馈的设计方案进行建筑性能化分析，为设计提供科学的分析数据，供甲方与方案方决策，提高沟通效率，进一步优化设计方案。

    将BIM模型导入到绿色建筑分析软件中，通过软件模拟该建筑在真实环境中的建筑朝向、温湿度、日照、遮阳、太阳辐射、全年的能量消耗、噪声等。保证从方案阶段开始，就始终将环保、绿色、低碳、节能的概念贯穿设计全过程。

    3.3.1　日照分析

    利用BIM模型进行日照分析（图11），通过设置最热月份以及最冷月份，计算机可以自动计算出建筑的最佳朝向。颜色越红，朝向越差，颜色越黄，朝向越好。东南向是最佳朝向。

    图11　和美术馆日照分析

    3.3.2　风环境分析

    风环境CFD分析，迎风面由于建筑的遮挡，在两翼的风速较大，入口位于背风面，风速较低。中庭的设置有明显的“拔风”作用，可以加强“热压通风”的效果，也可以引导气流，从而加速空气流动（图12）。

    图12　和美术馆室内风环境剖面分析

    3.3.3　遮阳分析

    利用BIM模型分别进行无百叶遮阳、水平百叶遮阳和垂直百叶遮阳三种方式的室内自然采光分析，得出垂直百叶遮阳是最适合美术馆的遮阳方式。

    3.3.4　噪声分析

    通过场地声环境分析得出，噪音主要来源于西侧和北侧的两条道路，靠近道路一侧日间最高分贝达到65～70dB。通过在道路沿线增设绿化带，可以有效降低靠路边一侧的噪音，经过改造后，靠路边一侧的日间噪音分贝约为55dB，夜间噪音分贝约为48dB（图13）。

    图13　和美术馆噪声分析

    3.3.5　能耗分析

    通过采光和能耗分析得出，方案一及方案二在采光、通风两个方面基本上没有区别，但能耗上方案二比方案一减少约7%，方案三在方案二的基础上进一步降低了能耗。因此，方案三为能耗最低的最优方案（图14）。

    图14　和美术馆能耗分析

    3.4　施工图设计阶段

    文化场馆建筑复杂的建筑空间和建筑形体构件，传统二维设计的技术表现方式无法准确表达三维的建筑信息，同时也给结构和机电管综设计带来很大的困难，因为各专业之间图纸无法准确定位，经常会造成专业碰撞或空间浪费问题。例如复杂的空间曲面结构，设计图纸表达的准确性不仅影响建筑建成后的美学效果，还会影响到建筑结构的安全性、经济性和可靠性（图15）。又如，文化场馆的机电管线需要随着建筑的不规则形状进行排布，机电专业工程师为了稳妥，往往会要求预留更大的设备空间，这种空间的浪费可能会影响整个建筑项目的完成效果（图16）。

    图15　和美术馆BIM结构模型

    图16　和美术馆BIM机电管综模型

    3.4.1　三维协同设计

    BIM设计可以使建筑、结构、水、电、暖等专业在施工图设计过程可以在一个通用的BIM模型中协同工作（图17）。BIM实现了建筑项目中各个专业的无缝对接，提升整个建筑的设计质量和效率。经过三维协同设计完成的施工图，可以有效地减少错、碰等设计通病，提高出图质量和效率。

    图17　和美术馆BIM剖面模型

    BIM设计的工作前提，是各专业设计人员必须严格遵守项目前期策划阶段制定的一系列BIM建模和管理标准。BIM设计的工作重点，是审核人提前介入并参与协同设计，按阶段执行技术评审和定案工作。而要保证BIM设计的工作效率，各专业设计人员必须坚持以模型为基础开展三维协同设计。

    在BIM协同设计平台上，各专业设计人员以模型为提资条件，将各自建好的模型在合模过程中及时开展协同设计，在这个设计过程中，建筑墙体、楼板、门窗构件、结构梁、结构柱、设备管线之间都会相互影响，各专业设计师需要不要调整模型，从而达到一个理想的设计效果。

    3.4.2　BIM可视化设计

    BIM三维可视化设计，可以帮助设计师在在方案和施工图设计阶段对建筑模型的任意角度和空间进行设计推敲，对建筑内外立面材质、建筑构造做法、空间形态进行确认，对各专业碰撞进行检查，从而进行更为细致的设计，确保设计质量（图18、图19）。

    图18　和美术馆BIM模型渲染图

    图19　和美术馆内部空间可视化渲染效果图

    此外，Revit建模软件能直接与fuzor对接，且即时同步更新，实现设计与模型之间的互动性和反馈性。并能够以人的视角进行体验式设计，提高设计沟通和决策的效率。

    3.4.3　BIM碰撞检测与净高优化

    公共建筑的管线综合错综复杂，很容易出现水管、电桥架、暖通风管之间相互碰撞的问题，也经常会发生机电管线直接穿结构梁、结构柱的问题。除了利用BIM可视化设计，还可以借助Navisworks的动画漫游功能，直观高效的进行各专业碰撞检查、净高、净空核查与套管预留，提前发现管线之间冲突或不合理之处。提出碰撞检测报告。各专业设计人员根据漫游视频反馈信息和碰撞报告提出管综优化方案和模型修改（图20）。

    图20　和美术馆管综与净高优化前后对比图

    利用BIM参数化可变性的净高色彩分类显示功能，制作直观的彩色净高分析图（图21），结合净高漫游动画对净高不足处进行局部三维和剖面的分析，提出净高优化解决方案。

    图21　机电管综彩色净高优化前后对比图

    3.4.4　BIM曲面幕墙深化设计

    传统幕墙设计方式，无法预先分析，也无法预测幕墙安装的完成效果，BIM的出现很好地解决了这个难题。BIM通过参数化建模，不仅可以精细化曲面幕墙表皮的分隔，还可以降低预制幕墙的出错概率。

    本项目采用BIM预制和预装配，将准确的幕墙信息传输给工厂进行幕墙预制工作，然后用BIM模型模拟幕墙安装，并指导模拟现场的实际预安装。通过BIM设计完成的曲面建筑幕墙加工和模拟，既降低了返工成本和运输成本，又提高了施工效率（图22）。

    图22　和美术馆BIM幕墙模型

    3.4.5　BIM工程量统计

    完成BIM三维模型后可以快速准确的得出材料统计，运用门窗计算值功能，实现洞口面积、开启扇面积与门窗族参数关联。建筑构件参数跟明细表实时关联，极大的减少人工统计时间和人为运算错误的发生机率。本项目运用新点BIM算量插件可直接在REVIT模型中导出工程算量和工程造价报告。

    3.4.6　IM施工出图

    BIM技术通过对建筑的可视化展示、协调、模拟、优化后可以得出平面、立面、剖面高度一致的建筑施工图（图23、24）、综合管线图。通过设置项目样板、视图样板、线样式表达等来提高出图效率。制作参数化墙身族库，快速准确的生成墙身大样图（图25），提高出图效率。

    图23　BIM导出建筑平面图

    图24　BIM导出建筑立剖面施工图

    图25　BIM导出建筑墙身大样图

    4　BIM设计应用效果

    和美术馆作为功能空间复杂的文化场馆建筑，在设计之初就确定了运用BIM技术来辅助建筑设计。BIM在文化场馆建筑设计中具有无可替代的技术优势，能够明显提高建筑设计效率和设计质量，增加项目完成度，主要体现在以下几个方面：

    （1）BIM参数化创建的建筑模型具有三维可视化、精确、形体可控的优势。

    （2）BIM模型一模多用导入BIM性能化分析软件中，进行科学的绿色建筑分析，优化建筑设计方案。

    （3）在施工图设计和建筑细部推敲时，BIM模型有利于复杂空间和构件的修改和管理。直观、精确的三维空间模型，有利于各专业精细化设计协同和分析模拟。（4）在可视化的三维环境下提高空间的利用率，通过信息互用完成复杂形体和结构的分析、计算和模拟工作，提高本项目的完成度。

    （5）通过BIM信息互用，参数化建模结合数字化建造技术，辅助曲面幕墙和异形结构加工建造。

    通过BIM信息表达（工程量统计、效果图渲染、碰撞模拟动画、色彩净高分析等），全面多样的展示建筑，提高沟通效率和设计效果。

    通过BIM设计，相较于传统施工图设计建筑项目，取得的BIM应用效益（图26）如下：

    （1）绿建分析优化设计、节约能耗30%。

    （2）三维模型参数化多方案比较提高设计效率35%。

    （3）可视化三维协同设计节省设计沟通时间40%。

    （4）净高、净空及碰撞检查减少工程图纸中错、漏、碰、缺等问题137处，提高设计质量50%。

    （5）材料统计和工程算量节约计算时间80%。

    （6）BIM出图提高出图质量及变更质量60%。

    图26　BIM设计应用效益

    5　结语

    结合本工程，BIM设计具有明显优势，前期规划对项目能产生巨大的影响，BIM设计得到的是用三维的思维做设计、三维的成果、以及大量的信息数据、和对未来应用的接口。设计做到任何时候，都可以做专业协调、量化分析、能耗模拟、评审评价、接入装配式，衔接采购。

    综上，BIM设计是推行建筑项目精细化管理和技术升级的重要手段，可以使建设、设计、施工企业共同获益。随着我国BIM技术软件的发展、BIM人才水平的提高、BIM标准的完善、国家相关政策和法规的支持，BIM技术有望实现建筑信息化和管理信息化的无缝对接。