BIM 技術在住宅建筑設計中應用研究

文／尚飛 上海杰地建筑設計有限公司 上海 200000

引言：

人們對居住環境品質的要求隨著物質生活水平的提升而提升，信息化技術的應用與發展使得傳統行業受到前所未有的沖擊，建筑行業發展也面臨新的挑戰與機遇。BIM技術是信息化技術在建筑行業的一種應用。在住宅建筑設計中運用BIM，不僅能夠發揮其技術優勢，還能提高設計效率促進設計質量與居住舒適度的提升，對住宅建筑發展具有積極作用。如何有效于住宅建筑設計中融入BIM技術，從而設計出更貼近用戶居住需求的住宅建筑是我們亟待解決的問題。

1.BIM 內涵與特征

BIM 思想起源于上世紀70 年代，隨后查克伊士曼與麥格勞希爾建筑信息公司等就BIM 概念進行了明確。當前業界所公認的BIM 定義包含三個部分：

（1）某個工程項目或者建筑物物理性能的數字表達；

（2）信息資源共享的一個過程能夠為工程各項目整個生命周期（從開工到拆除的全過程）的信息化決策提供參考依據；

（3）能夠為工程項目各個階段的信息導入導出、更新修整等操作提供支撐，實現利益相關者的實時協同工作[1]。BIM 技術可實現建筑的數字化描述，這個信息化模型包含建筑物構建性能、施工建造等各個方面的全部信息。

BIM 技術特征包括這幾個：

（1）可視化：借助這個特征可給項目設計與建設帶來很大便利，尤其是更為復雜的建筑項目，相關人員能夠直觀地了解建筑相關構件以及建筑全貌，如設計人員可將平面圖紙轉化為立體的建筑圖像，不同人員可根據實際需求獲得其需要的細化圖紙。

（2）信息輸出多元化：BIM 模型包含建筑各方面信息，如建筑材料物理屬性、工程信息以及二維幾何信息等，等同于一個較為豐富的數據庫，同時能夠通過交互接口實現與其他相關軟件的轉化交接，避免不必要的重復，無論是提取平面立面圖或者詳圖等二維圖形信息或者門窗構建明細與工程量統計等非圖形信息，還是與其他相關軟件支撐模型數據輸出傳遞，均能夠體現出信息輸出多元化特點。

（3）參數化：關聯部分會隨著某處修改的變化而聯動修改，如修改窗戶尺寸參數，其關聯部分如明細表、三維模型等會隨之聯動修改，同類構件還可以實現批量修改；模型幾何物理屬性關系能夠互通聯動，如按照相應規則梁柱的搭接部分能夠自動扣減，建模過程中這個特點減少許多不必要的重復，使得工作效率更高。

（4）可計算性：BIM 模型包含能夠識別的信息如幾何數據、工程信息等，基于此便能夠結合現實狀態進行模擬計算，如模擬方面，BIM 能夠對靜態建筑進行模擬，還能夠進行自然環境狀態（設計施工階段）或者災害應急（運維階段）狀態下建筑的模擬；優化性方面，將BIM 技術與優化工具聯合使用可實現復雜項目的優化，如優化方案（通過模擬分析評估不同方案進而擇優）、異形建筑項優化設計（如異型結構、特殊幕墻形式等）。

2.BIM 技術在住宅建筑設計中的應用優勢

BIM 技術應用于住宅建筑設計中的優勢有這幾個：

（1）實現二維向三維視角展示的轉變：三維視角建筑展示可規避傳統二維視角展示的不足，而且三維模型中包含住宅建筑項目相關信息，對于復雜建筑項目而言此優勢更為明顯。

（2）實現項目真實情況模擬：現階段BIM 技術可通過模擬與可視化等實現所見即所得，如借助相關軟件能夠將住宅建筑項目場地地形圖直觀地展示出來，對于地形較為復雜無法就地測繪的場地還能夠借助無人機拍攝獲取信息輸入軟件。

（3）有利于內部協作能力的提高：住宅建筑項目中包含多個部門，不同專業人員（如建筑、電氣、暖通、結構、排水等）可通過軟件建立專業所需要的信息模型，通過BIM 信息平臺可實現建筑項目信息的共享，為不同部門實時交流提供便捷。

（4）有利于工作效率的提升：可將施工現場與立體建筑信息模型二者進行對比，進而發現不足或者潛在隱患，分析原因給予針對性處理，以免因質量問題而返工，減少非必要的重復工作，從而提升了工作效率。

3.BIM 技術在住宅建筑設計中的具體應用

3.1 BIM 技術在住宅建筑設計中的應用

BIM 技術的應用就縱向而言參與工程項目全生命周期，而橫向上而言包含不同工種、不同專業，需要多方協作來完成相應深度的信息集成工作，在住宅建筑設計中BIM 技術的應用比較廣泛?；贐IM 這種數字化、集成化的平臺可實現建筑設計施工以及運營等不同環節的協調以及整合。下文將從這幾個方面分析BIM 技術在住宅建筑設計中的運用。

3.1.1 設計可視化

設計可視化住宅建筑設計中BIM 應用的重要方面。BIM 技術一個突出特點便是可視性，這個特性不僅包括施工效果的可視化，還涉及不同階段施工的可視化。BIM 技術的三維立體建模技術可將建筑形態全方位、直觀以及形象地呈現出來，可視化、立體地方式能更直觀清晰地呈現設計效果，一方面，便于業主以及其他相關方了解建筑相關信息，如外觀、景觀以及室內布局等。另一方面，借助BIM 技術設計人員可實現建筑模型室內布局、光照以及外觀等不同角度的查看，為設計決策的評估提供便利。具體來講設計可視化特點有這兩個：其一，提供更好地決策支持，在設計過程中融入設計可視化，可便于設計團隊理解設計決策以及評估其影響，例如在設計過程中借助立體建筑模型嘗試材料、光照以及顏色不同設置，從而了能夠了解不同選擇呈現的效果反饋；其二，有助于溝通協作，BIM技術的運用實現了信息共享，在住宅建筑設計過程中，設計團隊可借助設計可視化應用實現客戶以及其他利益相關方對建筑模型的共享，如早期階段設計人員可向上述各方就建筑模型進行展示，便于設計團隊掌握客戶以及其他相關利益方的需求甚至期望，適時就設計進行針對性調整，同時就設計團隊內部而言，設計可視化可為團隊內協作提供便利（建筑模型共享以及討論），有助于設計質量的提升。

3.1.2 碰撞檢測

設計團隊可借助BIM 技術及時發現設計中存在的沖突問題，便于設計人員對構件間關系查看，實施碰撞檢測，從而實時檢測電纜、管道以及其他系統元素相互間的干擾進而提供針對性解決方案，以免后續施工出現錯誤甚至延誤。碰撞檢測與上文提及的設計可視化一樣均為住宅設計中BIM 技術的重要應用。碰撞檢測步驟為：在BIM 軟件中導入各個系統模型并于模型中進行對應定位-BIM 軟件自動檢測系統間沖突（如管道與梁間的相互干擾）-可視化呈現檢測結果（存在沖突則模型中沖突部分標記以及顏色編碼會顯示出來）-按照檢測結果呈現的沖突類型以及嚴重程度采取針對性措施干預（如根據需要調整管道或者選擇重新設計梁）。碰撞檢測按照建筑結構-設備內各專業-結構電纜管道-管道間故障的順序進行，碰撞測試內容較多，墻面、排風、電纜供水管道、供水管線、結構與結構等均為測試范圍。碰撞檢測的作用有這三點：其一，通過碰撞檢測能夠盡早發現不同系統存在的沖突問題進而及時解決，較大程度減少后續施工過程中因發現問題而導致的重新工作，從這個角度來講有助于時間與成本的節約；其二，通過碰撞檢測及時發現問題與不足進而予以改進優化，促進了空間資源利用率的提升，最大程度減少非必要的沖突與資源浪費；其三，通過碰撞檢測便于相關人員及時發現與解決設計存在的沖突問題，減少對后續施工的不良影響，現場調整與修改得以減少，從這個角度來講有助于施工效率的提高。例如暖通工程，為現代住宅建筑工程的重要組成，負責建筑空調運行以及供暖，不僅包含設備、管道以及閥門布置連接，還包括管道間、管道與墻體間的關聯，通過碰撞測試可及時發現存在的沖突并予以解決，提高管道、設備以及閥件的排布可行性，同時也有助于土建、暖通二者工程配合效果的提升。

3.1.3 物料管理

建筑工程建設對物料需求是比較大的，且涉及到不同種類的材料設備，BIM 技術在住宅建筑工程中的運用也涉及到物料管理，BIM 技術的使用可為設計團隊追蹤管理材料提供便利，如基于該技術以及供應鏈集成實施掌控材料成本、數量以及交付時間等情況，兼顧實施效率與可持續性。同時促進了物料管理信息化水平的提高，優化物料管理流程，提升管理效率，實現對物料的實時動態管理，有助于成本控制。

3.1.4 能源分析

現階段，減少建筑能耗已成為設計人員設計過程中考量的一個重要方面。BIM 技術在住宅設計中的一個應用便是能源分析，運用BIM 技術可幫助設計人員了解住宅能源情況進而更為準確地評估其節能潛力，通過對建筑熱傳導、采光以及通風等的模擬，針對性優化設計方案，促進能源效益的提高。通過節能設計手段的運用可大幅度降低住宅建筑能耗，提高能源利用率同時改善用戶居住體驗。如以采光設計為例進行說明，運用BIM 技術可模擬不同方向時建筑狀況，進而獲得光照時間與面積數據，在此基礎上設計人員通過有效地能耗分析選擇最具科學性的建筑方向，基于BIM 技術分析住宅建筑不同方向的能耗差異，進而在住宅建筑設計中結合實際需要以及能耗分析結果確定相應能量模型；如運用BIM 技術對不同氣候條件下住宅建筑所產生的能源消耗情況進行分析，進而針對性設計，可分析住宅建筑整體結構以及孔洞，確保遮陽效果。此外，借助BIM 平臺可交互使用不同數據信息，進而實現各種數據的協調集中，進一步保障節能的可靠性。

3.1.5 施工管理

借助構建的三維立體模型使得施工計劃與進度管理更為順利，在早期發現存在潛在隱患并及時干預，促進了施工流程與資源分配的優化。首先，借助參數化模型，可直觀地呈現建筑物相關信息，從而有效避免施工人員因設計圖紙理解偏差而導致不必要的負面影響。其次，借助可視化模型可實現不同專業間的協作，如不同專業可于構建的三維信息模型上疊加，便于相關人員找出沖突或者錯誤，進而及時調整，減少設計變更的發生，同時BIM 技術的運用可為施工人員規劃施工流程、調整把控施工進度提供便利。此外，項目竣工階段，BIM 技術同樣有較大發揮空間，借助生成的竣工模型可為后續住宅建筑運營維護提供相應參考。

3.2 BIM 技術在住宅建筑設計中的應用實例

3.2.1 項目概況

本項目為珠海市某住宅項目，擬用地116300.5 平方米，地上建筑面積256015.55 平米，周邊交通便利且環境良好。本工程涉及到不同專業間協作，時間較緊，若選擇計算機輔助則耗時長且難以滿足設計數據精確度需要，在住宅建筑設計過程中運用BIM 技術。鑒于Revit 是BIM 重要工具，綜合考量采用Revit 軟件進行設計。

3.2.2 準備工作

評估本住宅工程規模，對其特征、設計意圖等相關信息進行了解與掌握，初步制定構建方案，為了確保本住宅工程不同環節軸網坐標保持一致便于后續整合優化，結合各方面信息資料進行三維模型構建，并將其與CAD 圖紙相結合構建專業軸網。

3.2.3 模型構建

設計人員構建相關工作集，Revit 軟件中導入的圖紙均存儲以DWG.格式并將這些圖紙向數字化信息轉化，完成二維向三維、平面向立體的轉變。本工程實例中建模操作過程中將住宅建筑屋頂以及外立面等作為重點對象，根據建筑構件差異調整相應的形狀材質等屬性。同時有權限的相關人員可以參與到工作集中借助Revit 軟件結合實際需要不斷優化梁柱、屋面以及樓梯等的布置，如樓梯為系統族，便運用自帶樓梯族設置相應的樓梯參數如踏步、材質以及功能等。不同專業也可借助BIM 平臺實現協同設計，如設備工程師基于此進行建筑與結構模型的集合，根據建設需要構建消防、給排水以及電氣信息等模型，如給排水方面應基于設計需要選擇適宜的標高、管徑，必要時于立面視圖實施布置便于建筑主體以及管道二者空間關系的直觀呈現。此外，需要注意材料統計報表的細化，進一步優化管道布置。

3.2.4 碰撞檢測

在模型成功導入Revit 軟件后便可進行不同系統、元素間的碰撞檢測，從而及時發現沖突問題。具體來說，待明確連接主文件模型后選擇軸網坐標，借助關聯軟件的拍攝功能分析模型中的三維視圖，確保業主以及相關人員能夠直觀清晰地對模型空間構建進行觀看；設計好相應碰撞規則并自動化截取碰撞節點，碰撞檢測完成后則自動生成檢測報告，如果存在沖突則會顯示出來。本工程中不同專業交互實施碰撞檢測，及時修改不合理設置，其中給排水以及建筑專業共檢測15 個沖突點，將現實情況與檢測結果結合起來綜合分析及時糾正沖突，優化管線設計。

3.2.5 節能設計

采光是綠色建筑設計的重點內容，通過合理的采光設計可兼顧節能降耗與居住體驗提升兩個方面。收集相關環境信息，結合玻璃材質、窗戶采光面積以及空間布局等信息進行處理，觀察空間不同方位采光度，基于BIM 技術整合室內人工采光進而模擬不同空間區域（餐廳、臥室以及廚房等）的光線效果；基于BIM 技術進行外墻保溫設計，包括外墻基層、保溫層以及受力情況等相關參數，分析荷載分布；模擬輸水流量與排水布局情況，全面整合材料，選擇具有節能優勢的材料優化節能排水系統設計，同時結合碰撞檢查明確的沖突點進一步優化設計，盡可能減少不必要的資源浪費。

3.2.6 效益分析

研究表明將BIM 技術運用住宅建筑設計中，一棟建筑其工程施工人員工作效率以及工程經濟效益分別能夠提高7%、17%。本研究效益主要體現在兩方面：其一經濟效益。住宅建筑設計過程中運用BIM 技術縮短了工期，如項目單層完成時間縮短逐步縮短，同時運用BIM 技術及時發現存在不足，如經碰撞分析及時發現沖突并優化，節省了后續變更費用，實現成本的節約；其二環境效益，BIM 技術運用顯著提升了住宅建筑建設效率，確保施工進度，減少不必要資源浪費情況的出現。

表1 住宅建筑設計BIM 技術運用前后情況比較

4.BIM 技術應用前景分析

隨著人類邁入信息時代，信息化技術對傳統行業影響的深度與廣度也在不斷增加。BIM 技術實質是信息技術在建筑行業運用的體現。一方面，作為一種新技術，我國并未積累豐富的實踐經驗，在實際運用中仍面臨一些問題。如基于BIM 技術可實現不同部分人員的協作，這些人員均參與到項目設計中，如果未能合理管理以及明確權限，可能造成負面影響，一旦BIM 技術運用中出現問題將難以明確權責到具體個人；BIM 技術的有效運用需要充足的資金、設備配置以及專業人才等給予支撐，可能導致前期成本的增加。對于存在的問題均需要針對問題原因采取措施改進[2]。另一方面，即使BIM 技術當期行業運用中仍存在需要改進的地方，但瑕不掩瑜，現階段其技術優勢是難以替代的，而且隨著BIM 技術在建筑行業應用環境的進一步改善，其優勢將會越來越明顯，如基于仿真模擬建筑模型可實現多部門協同辦公，減少時間空間的干擾；設計人員借助4D 模型輔助設計，更為清晰直觀、整體地呈現建筑情況。

結語：

建筑行業是我國經濟的重要支柱之一，其中住宅產業占較大比重。BIM技術因其自身優勢而被運用于建筑行業，這也是行業信息化發展的必然要求。本文分析總結BIM技術在住宅建筑工程可視化設計、碰撞檢測、物料管理、能耗分析以及施工管理等多個方面設計中的運用，結合住宅建筑一體化設計實例分析BIM 技術的具體應用?？梢钥闯鯞IM 技術對于住宅建筑設計具有明顯的積極作用，很有必要深入研究并豐富實踐。