基于BIM技術的三維正向設計應用分析

吳堯

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

[關鍵詞]BIM; 正向設計; 數字化技術

[中國分類號]TP317.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]A

0引言

什么是BIM三維正向設計？戴斌成［1］指出基于BIM技術的三維正向設計是指基于BIM技術通過“先建模，后出圖”的建筑設計方法，傳統的二維設計的出圖是一種利用CAD面向圖紙的出圖，都是基于對設計對象的抽象刻畫后繪制出來的所有的設計內容。而BIM三維正向設計是一種通過多專業協調，充分利用BIM模型數據的可視化、可傳遞性，實現各專業間信息的多向、及時交流。提高設計效率、減少設計錯誤，是一種的面向對象的設計模式，所有設計的內容都有一個真實存的設計對象。

1BIM技術簡介

BIM：作為建筑行業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技術最早起源于1992年。在2002年，歐特克公司提出BIM技術，它可以幫助實現建筑信息的集成，從建筑的設計、施工、運行，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據庫中，設計團隊、施工單位、設施運營部門和業主等各方人員可以基于BIM進行協同工作，有效提高工作效率、節省資源、降低原材料、人力和物力的消耗、以實現可持續發展。嚴煒炯［4］就上海建筑行業BIM技術的應用進行了研究表明，在國內發展情況看，上海就BIM技術運用相對成熟。

2工程項目背景及現狀

2.1工程項目背景

工程名稱：新紅旗小學工程、文昌中學工程 EPC 總承包

子項名稱：新紅旗小學

建設單位：重慶市永川區惠通建設發展有限公司

設計單位：同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

建設地點：重慶市永川區協信昌州古城東側地塊

項目概況：新紅旗小學工程位干重慶市永川區，北側與東側為新建提制道路，西側為勤儉路，南側為桃灣路。整個項目建設用地面積 43 957 m2。建設用地條件：本項目建設用地無地震，地界塌裂、暗河、洪澇等自然災害，非人為風險高及將熱招標地段。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行有關標準的規定。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用地。建筑面積、層數及建筑高度：新紅旗小學，主要功能為普通教室、實驗教室、辦公、報告廳、風雨操場、食堂、看臺、教師公寓及相關輔助用房，總建筑面積 29 025.862 m2，其中，教學樓建筑面積 13 216.55 m2，建筑層數為地上4層，建筑高度 16.3 m。行政教學樓建筑面積 7 698.85 m2，建筑層數為地上 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，建筑展數為地上6層，建筑高度20.1 m，門衛建筑面積 53.34 m2，建筑層數為1層，建筑高度為3.3 m。

2.2工程項目目標和現狀

本項目預計2020年9月開挖，2021年建成投產。希望2021年9月可以開學。目前項目設計和施工已經按期圓滿完成，已經進入運營階段。

3工程項目管理

3.1項目人員安排及進度計劃制定

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理、項目總工程師、審定、審核等，各專業分別配備了專業負責人、專業審核人、設計師、繪圖員等。

3.1.2進度計劃

項目經理按照重慶校方期望，預計2021年投產，則必須滿足施工在年后不久，結構封頂，5～6月滿足裝修封頂，給設計院出圖的時間僅僅2個月不到，項目根據總共的工期及項目體量、參與人員的數量、及各專業的負荷量制定了緊湊且合理的進度計劃。

3.2各專業項目具體配合及出圖流程

3.2.1建筑專業模型與圖紙

（1）按照方案在Revit中進行初步設計，并提資結構初步設計。

（2）鏈接結構返提資的結構模型模型，在此基礎上對建筑構件進行布局調整，土建碰撞處及時與結構設計溝通，待雙方協商達成一致，完成詳細建模，包括墻體、門窗、外立面、樓梯、扶梯等。

（3）在建筑模型基礎上對室內進行設計、建模，包括墻面材質、地面材質、天花板吊頂、格柵等。

（4）與給排水、電氣、暖通專業配合解決碰撞問題。

（5）檢查平面、系統、圖面是否完整，Revit導出圖。

3.2.2結構專業模型與圖紙

（1）通過建筑初步設計提資，利用結構計算軟件進行結構設計。

（2）利用探索者三維交互中心軟件，將YJK和Revit進行連接，將YJK計算模型數據導入Revit軟件中，再進行結構的三維詳細建模。

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

（4）結構梁底凈高分析、主次梁連接檢查，軟件也可隨時對配筋進行校核。

（5）在Revit中對每個結構構件進行非幾何信息校對，并在Revit中進行施工圖繪制和輸出。

3.2.3機電專業模型與圖紙

（1）在方案和業主的要求下進行初步的各專業的管線尺寸及布局設計。

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

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

3.3各專業圖紙輸出成果

由于用了BIM三維協作設計，出圖質量得到了大幅度提升，校審意見大幅度減少。并且發于施工后，設計變更明顯屈指可數。施工圖改圖次數較傳統二維設計明顯大幅度減少，基本后期不需要進行大的設計變更，除非業主要求或不可抗力。

4基于BIM技術的三維正向設計的優勢與弊端

4.1基于BIM技術的三維正向設計的優勢

（1）BIM技術可以為設計師提供用時短、快速智能、自動精準的建筑虛擬模型，大大降低工程師的工作量。通過建筑虛擬模型的構建，工程師可以根據自己想要的效果進行修改，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到三維空間協調與統一，而這種BIM技術生成的圖紙效果是傳統CAD繪制圖紙技術無法實現的。另外，BIM技術都是在實際建筑面積、原材料等數據的基礎上進行分析處理，再對建筑圖紙進行自動生成，這樣也為建筑圖紙中數據信息的真實性提供了良好的保障。

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

（3）設計工程中需要考慮結構的合理性，要滿足各種強條的情況下，傳統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種設計軟件共同工作，探索者在結構設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，保證出圖的優質。

4.2基于BIM技術的三維正向設計的弊端

（1）技術的不夠熟練，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，并且當項目體量達到一定規模，模型攜帶信息過多，會導致電腦卡頓，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建筑行業出圖標準，使用這些BIM軟件生成施工圖后，會再進行大幅的修改，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建一個合適的族。

（3）目前國內沒有標準的政策來規范BIM設計，導致每個項目都有不同的規范，也存在了一種增加的無形的工作量。設計目前沒有統一的標準，在設計前期就無法明確衡量整個項目所有的細節和潛在的問題，項目在進行階段總會因為各種不確定性因素需要進行設計的變更。就算設計成果各方面均滿足了相關規范準則，參與的各方也會針對整個建筑行業和政府規則的提出各種要求。

5BIM技術應用于反向設計的應用分析

5.1BIM技術應用于反向設計的應用分析

（1）在設計施工圖階段，應用BIM模型有利于設計人員即時糾偏、校正，發現問題，傅強［5］指出BIM技術可以有效提高各部門協同工作的時效性和準確性，除了查找設計問題。此外BIM技術還會考慮后期施工可行性和交付后運營維修等后期問題，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；針對重難點區域進行管線布局優化、凈高預判，有利于在精裝階段，設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，提高團隊之間的溝通質量，項目數據的讀取和存儲更準確、更明了、更全面、更統一。

（2）模型在傳統建筑信息模型后，到達構件預制階段，使模型更為精細化。精準定位結構外伸的鋼筋，機電的二次點位等，充分發揮BIM的優勢和價值。檢查完碰撞問題之后，再構建預制階段的建筑信息模型，會考慮實際施工現場會發生的各種問題，并檢查預制構件外伸鋼筋間的碰撞、檢查預制構件的制作方向和安裝方向的是否沖突、預留洞檢查、開槽的預留與點位預留、線槽的預留、管線的布置，最后作出預判以及及時糾正，周錦彬［6］也在其對基于BIM技術的裝配式項目上指出BIM技術使預制化建造更為高效。

（3）BIM技術在施工方案階段的應用主要是打通了以往二維圖紙階段遇到復雜三維問題難以直觀和明確技術交底形成的障礙，并且利用數字化技術對這些信息進行處理，將其應用到實際的三維建筑模型的建立當中，細節問題的排查，協助設計方案優化，可以對施工工序的整個過程進行模擬演習。朱振華［7］進行了施工過程中的碰撞研究，發現使用BIM技術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，提高工程項目的質量。

6體會和心得

就運用BIM三維正向設計來看，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。就現在建筑設計行業來看，能完整地按照標準的BIM三維正向設計完成一個大型項目，其實是一項巨大的挑戰，不僅僅要求專業性知識的過硬，還要求項目管理層具有開拓創新，團隊協作，科學決策的能力?；贐IM技術的三維正向設計要求各個專業之間的配合十分緊密，各種流程及操作的標準化、規范化的要求相對于傳統模式更高，是對整個建筑設計的流程的重造及優化升級，使之變成時刻落地、持續生產和綠色生產的設計模式［8］，而不是僅僅探索性的技術嘗試。所以，需要技術與管理2方面一起規劃改造，需要企業高層的體系支撐。此次項目，本公司不僅在規定時間內完成，且設計和出圖質量的各方面均處于良好以上。

很多設計院都不能很好地推行BIM三維正向設計，歸根結底原因有3個：一是做BIM不能提升設計效率，現在項目周期普遍都比較短，設計人員不足，無法花更多的人力和物力在前期投入上；二是做BIM并不能提高設計項目的報價；三是傳統二維設計師怕被徹底取代，有些抵觸情緒。最后由于現在BIM技術未完全達到設計、施工、運營維護等一體化，并未展現出多少的實用價值，導致大部分人還是對此抱有懷疑態度，感覺反而浪費時間，基于以上幾點，建筑行業在先天條件上是有些抵觸正向設計的，因為他們必然覺得費力不討好。但是在經歷了該項目后，筆者認為這些想法太過于急功近利，每個模式都是需要人去探索，需要團隊去磨合的。但是大型設計院卻不惜花費大量人力物力都要去大力推廣正向設計，這是大型設計院對未來的布局。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、設計、交付，均由BIM形式，BIM是實現建筑信息化的手段，這是基于國家長遠發展，人力資源變化等等一系列因素做出的抉擇。

國家大力推行數字技術，傳統的二維設計已經滿足不了當今數字化高速發展，勢必被基于BIM技術的三維正向設計所取代。傳統二維圖紙歸檔模式不便于長期的信息存儲，時間一久，計算依據和圖紙難免缺失、氧化，導致后期信息斷裂。直接以模型傳遞工作信息的模式進行設計優化、工程算量、造價、出圖等一系列的管理模式。提高了設計的完成度和精細度，減少二維的設計盲區，讓模型服務后期施工成為可能，這也是BIM正向設計的最終目的?，F在或許普及面并不廣泛，或者所花費的時間和精力比傳統的二維設計要多，但是這并不能阻擋工業革新的步伐。隨著科技的發展，5G、6G的誕生，社會勢必成為一個為所有物品賦予數字信息的新世界。當今智慧城市［9］發展日漸壯大，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?，F在不少設計院都在大力推行基于BIM的三維正向設計，道阻且長，當年CAD取代傳統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

［1］戴斌成.BIM正向設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技術在建筑行業中的發展［C］//.北京力學會第二十八屆學術年會論文集（下）.2022：110-112.

［3］劉潔. BIM技術在某EPC項目中的應用研究［D］.北京：北京化工大學，2021.

［4］嚴煒炯.上海市房建BIM技術應用現狀及發展趨勢［J］.上海建設科技，2021（4）：57-59.

［5］傅強. 某建設項目BIM輔助協同設計的分析［D］.北京：清華大學，2019.

［6］周錦彬. 基于BIM的裝配式建筑設計施工協同機制研究［D］.廣州：廣東工業大學，2019.

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

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

［9］趙強.BIM技術在智慧城市“數字孿生”建設中的應用［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發展前景［J］.福建建設科技，2021（3）：99-101+108.