大型海水化淡工程全過程BIM 正向設計的探索與應用

張保平 賈德登 尹丞玉 王基業

（中國建筑工程（香港）有限公司，香港 999077）

引言

BIM 的概念自2002 年由美國Autodesk 公司提出以來，已經發展將近20 年，其目的在于在設計、施工、運營的工程全生命周期中，實現信息的共享和完整傳遞，提高建設工程的質量，節約工程成本，提升決策效率和管理水平[1]。

BIM 技術的發展與創新不斷推動著建筑行業朝著數字化與智能化發展。香港特區政府數年前起，著力推廣業界使用BIM 技術，規定自2018 年起，任何政府工程項目預算超過3 000 萬元，項目設計和建造必須采用BIM 技術。為積極響應香港特區政府號召，將軍澳海水化淡廠項目從設計、建造到運營將全面使用BIM 技術。

而本文將以將軍澳海水化淡廠設計階段為中心，重點對項目BIM 正向參數化設計進行介紹與分析，并與傳統建筑設計特點進行對比分析。

1 將軍澳海水化淡廠項目背景及項目概況

淡水資源極為珍貴，而且并非用之不竭，世界上很多地方都面對飲水短缺的問題。香港特區水務署在2008 年推出“全面水資源管理策略”，為未來難以預計的天氣變化作好準備，其中一項主要措施是開發新的水資源。經過長期的可行性研究，確定香港是可以采用逆滲透海水化淡技術來生產符合世界衛生組織所定飲用水的標準。水務署于2012 年12 月聘請顧問公司為擬建的海水化淡廠進行策劃及勘查研究。研究范圍包括詳細的經濟效益評估、制定工程實施策略及時間表，以及該工程導致對鄰近地區的影響等。經過不斷努力與探索，將軍澳海水化淡廠第一階段在2019 年12月正式施工。

將軍澳海水化淡廠第一階段坐落于香港九龍將軍澳137 區，是香港目前在施的一項大型海水化淡項目。項目占地約80 000 ㎡，主要由行政大樓、化學原料大樓、后期處理大樓、逆滲透凈化大樓及現場氯氣生產大樓等十余座建筑組成。項目以逆滲透技術去除海水中溶解鹽和雜質，并將其轉化為新鮮飲用水，每日淡水產量將達135 000 m3，將滿足香港約5%的淡水需求，并會預留空間以便日后擴建，將來淡水產量增加至最終每日270 000m3，如圖1 所示。

圖1 將軍澳海水化淡廠建筑分布

2 項目BIM 正向設計流程

BIM 正向設計是從方案設計階段采用三維建模，BIM 信息不斷傳遞至下游單位，將模型作為施工和生產的依據一直延續到交付階段的設計流程。BIM 軟件分為很多種，在設計規劃、建筑設計建模階段常用的軟件有：Revit、Rhino（犀牛）、Bentley、ArchiCAD、Civil 3D 等，項目BIM 正向設計流程圖如圖2 所示。

圖2 項目BIM 正向設計流程圖

將軍澳海水化淡廠的設計全部采用歐特克（Autodesk）系列軟件，項目地上的建筑、結構及機電使用Revit 軟件進行設計，運營設備及設備管線使用Plant 3D 設計，路面及部分地下管線使用Civil 3D 設計，由此可以看出一個項目的正向設計需要多專業、多軟件相互協調共同完成。當建筑模型根據設計資料完成設計后，結構、機電及運營設備等模型相繼進行模型設計，設計后的模型都會轉為Revit 適用格式，并在Revit 軟件中形成組合模型。組合模型中不同專業間的碰撞檢查使用Autodesk 系列中Navisworks 軟件來實現。各專業設計師對模型反復校對后，生成平面圖、立面圖及剖面圖等圖紙。由于設計過程使用同系列軟件，所以在軟件格式互通性上具有一定優勢。

項目設計過程中需要多專業、多軟件相互協調共同完成，而傳統的信息交流與傳遞方式往往是重復和多方向的形式，這不但降低了工作效率還使溝通變得復雜，尤其是跨國與跨地區之間的合作，受時差限制使得信息的傳遞與溝通變得更為困難。本項目在使用BIM 正向設計的同時，采用通用數據環境（Common Data Environment,簡稱CDE）進行協同管理，CDE 的工作流程圖如圖3 所示。CDE 平臺作為各個參與方信息交流的中心，不但可以簡化信息傳遞的方式，還可以使各方溝通變得高效，尤其是CDE 平臺的數據實時更新，可以為本項目順利完成六個國家或地區跨時差、多專業的協同設計。

圖3 CDE 的工作流程圖

通用數據環境（CDE）的工作流程主要包括四個確定的功能部分，分別為：工作正在進行（WIP）、共享（Share）、發布（Publish）和歸檔（Archived）。工作正在進行，該部分用于保存各團隊未經審核、批準的信息，例如：設計圖紙、報告、掃描文檔或其他與工程相關的信息。一般該部分主要用于設計團隊個專業之間的信息共享，此時信息僅對公司內部和各團隊成員可見，并且都在CDE 中操作。從“工作正在進行”進入到“共享”之前，需要通過對信息進行檢查、審核和批準。進入到共享狀態后，意味著施工和設計單位都可以看到相關的模型和信息。進入到發布狀態之前，需要完成修訂與授權，進入發布狀態意味著此時信息已由業主或業主代表簽署授權或接受，說明項目已經完成審核手續并形成可交付成果。從發布進入到歸檔之前，需要通過驗證和審核，存檔的信息記錄著項目與其相關的工作信息內容[2]。本項目中使用的CDE 平臺是Autodesk BIM 360，BIM 360 的具體操作流程如圖4 所示。

圖4 BIM 360 在線提交和審批流程圖

BIM 技術的價值在于信息的集成、傳遞與高效利用，這種特質與傳統的設計方式相比，在各方面都顯得更加科學與高效。BIM 的正向參數化設計使得建筑模型按照設計者的創意產生，之后BIM 模型隨著設計的不斷深入，模型也將承載越來越多的信息，而這些信息又會在之后輔助設計。

BIM 正向設計應用提高了建筑師在設計過程所作決策的科學性，通過信息共享完善初步設計階段各個專業的相互協調配合機制，規避了不同專業之間的設計沖突[3]。

3 BIM 技術在項目正向設計中的應用

3.1 設計創作三維模型

創建可視化三維模型是BIM 技術的基礎，BIM 正向設計的主要過程是創建和深化項目的建筑信息模型，其中包括屬性、數量、材料等數據。本項目設計創作的模型有建筑、結構、機電、設備安裝及景觀等，三維模型效果如圖5 所示。

圖5 項目三維模型

3.2 設計復核

本項目在設計完成后，由設計師對三維BIM 模型進行檢查，并對相關設計問題提供反饋。在此過程中，會使用模型復核軟件（Navisworks）和在線協調軟件（BIM 360）。設計復核流程如圖6 所示。

圖6 設計復核流程

3.3 場地分析

項目周邊的環境模型采用傳統的測量方法，并通過對測量數據的處理，構建BIM 模型，并使用BIM 環境模型與無人機航拍圖一起來評估場地，以確定項目的最佳位置和方向等，如圖7 所示。

圖7 BIM 環境模型與無人機航拍圖

3.4 三維協調

設計過程中協調的目的是識別并在項目施工前消除碰撞。本項目使用Navisworks 進行碰撞檢查，并采用BIM360 軟件協助數據交流。

此外，三維協調還包括檢查頭部空間要求、建筑或設施的工作空間和安全通道設置等問題，三維協調流程圖如圖8 所示。

3.5 成本預估

在設計階段，可從模型中直接提取工程量，并由工料測量師制定項目成本估算。這樣做的好處是項目從設計到建造，成本都一直處于可控的狀態。

3.6 空間規劃

在選定場地，根據業主要求及模型使用功能高效、準確定地確定各個建筑的位置，并對場地內的道路及綠化等做出合理安排。

3.7 施工規劃

設計階段可將施工計劃安排輸入到模型中，通過BIM 模型可以整體模擬施工進度和順序。

通過整體模擬確定高風險的施工階段及位置，在實際施工過程中可對這些風險點的技術方案進行施工模擬，確保實際施工的安全，項目施工模擬操作如圖9所示。

3.8 數字制造

項目現場的寫字樓和建筑的部分外墻都是采用預制構件的形式，這些預制構件都基于BIM 進行深化設計，再由BIM 生成生產資料給制造商進行生產。如地盤的寫字樓單元是以組裝合成安裝的，以及建筑外墻都是采用裝配式建筑，如圖10（a）～ (b)所示。

圖10 項目地盤寫字樓與建筑外墻安裝

3.9 生成平圖紙

設計完成后，使用BIM 模型直接將設計信息輸出為建筑、土建、結構和機電等二維圖紙，如圖11 所示。

圖11 由BIM 模型生成的平面圖紙

4 BIM 正向參數化設計與傳統設計的區別

BIM 在建筑項目設計、建造及運營階段都得以應用，尤其是在建筑設計方面。目前BIM 設計雖然仍無法全面取代所有的傳統設計，但卻對傳統的設計產生深遠的影響[4]。很多設計公司都會構建自己的建筑模型，根據設計CAD 圖紙進行三維模型創建，利用BIM模型可視性的特點進行不同專業間的碰撞檢查，之后再修改CAD 圖紙，這一過程也被業內俗稱為“翻?！?。這一情況也說明BIM 技術在某些方面的優勢是傳統設計所需要的。而本文介紹的將軍澳海水化淡廠采用的是BIM 正向參數化設計，是目前BIM 建筑設計中最為提倡與推廣使用的一種BIM 設計方式。下面通過對傳統設計與正向設計的對比，具體分析兩者之間的區別。

（1）傳統設計流程

首先，建筑師對項目進行設計，生成建筑圖紙；其次，建筑結構設計人員根據建筑圖紙和機電等專業交給的資料建立結構分析與設計模型，在結構設計軟件中進行相關構件設計及內力分析；接著，將結構設計結果反饋給相關建筑設計人員進行建筑設計調整，再反饋給結構設計人員進行調整修改，直至滿足最終設計要求；最后，根據最終設計結果繪制施工圖，進行交付[5]，傳統設計流程如圖12 所示。

圖12 傳統設計流程

雖然隨著CAD 技術的不斷發展與深度應用，很多傳統的設計工作都可以借助CAD 提高效率，例如：圖層識別技術可以自動導入軸網、構件定位等，但仍然存在大量的結構設計與模型分析需要手動完成[6]。

在施工圖繪制過程中，某些CAD 軟件具備二維圖紙自動生成的功能，但這些圖檔不具備信息的完整性、關聯性，且修改起來繁瑣，很難兼顧各個專業圖紙多方面考慮[7]。

（2）BIM 正向設計

BIM 最開始被提出的想法是：直接通過三維建模進行設計，并利用三維模型實現建筑項目信息的有效傳遞，并且最后可以自用生成所需的圖檔，并使模型與圖檔信息保持一致，并可進行完整傳遞[8]。正向設計流程如圖13 所示。

圖13 正向設計流程

而當前普遍的BIM“翻?！敝皇莻鹘y設計的輔助工具，顯然違背了BIM 的初衷[9]。于是，業內提出了BIM 正向設計這個概念，通過使用BIM 完成設計階段到交付階段的全過程設計工作，并在項目全壽命周期，利用BIM技術實現協同設計、信息關聯和信息傳遞等[10]。

通過對將軍澳海水化淡廠BIM 正向設計流程的介紹，可以清楚地看出BIM 正向設計的優點，從參數化模型的建立到最終的出圖，項目的設計工作都在有組織、有規劃下高效協作，且項目設計階段的信息會完整保存，通過通用數據環境進行高效完整傳遞，能夠更好地服務于之后的建造與運營階段。

基于上述內容，將傳統設計與BIM 正向設計在幾個重要方面進行對比，如表1 所示。通過對比可以發現BIM 正向設計在信息的溝通、協調與傳遞等方面均顯優勢。

表1 傳統設計與BIM 正向設計對比分析表

5 結語

雖然BIM 技術對傳統設計產生了巨大影響，傳統設計也在積極努力使用BIM 技術，但不改變傳統設計的本質，只是一味的使用BIM 技術的單一功能輔助傳統設計，這并不能使BIM 技術發揮最大的作用，而且還會很大程度上限制BIM 的發展。傳統的設計與施工脫節，面對施工中出現的問題，設計并不能及時做出反應，需逐層反復進行修改。BIM 正向設計可實現設計建造一體化，面對施工當中出現的問題，模型可很快做出反應，并快速更新圖紙。

BIM 正向設計的發展需要經歷時間的檢驗，它是探索與推動BIM 技術發展的方式之一。但BIM 技術仍處于發展初期，BIM 技術實際應用過程中還面臨諸多挑戰，以圖紙為導向的BIM 正向設計仍具有強烈的時代局限性。但未來建筑工程必定以信息模型為主，通過融合各種數字化技術進行升級，使BIM 技術可以更好地服務于建筑全壽命周期。