Application of BIM Technology for Architectural Lean Design

劉哲（重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶　400030）

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應(yīng)用BIM技術(shù)的建筑精益設(shè)計(jì)初探

Application of BIM Technology for Architectural Lean Design

劉哲
（重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400030）

摘要：近年來(lái)，建筑行業(yè)的快速轉(zhuǎn)型以及BIM技術(shù)的迅速發(fā)展，為建筑精益設(shè)計(jì)提供了機(jī)會(huì)。該文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，以異形復(fù)雜形體建筑設(shè)計(jì)為研究載體，參考精益制造相關(guān)理論，探索BIM技術(shù)在建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過(guò)相對(duì)較為先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)技術(shù)，使大量二維設(shè)計(jì)方式不便完成的工作得以更有效率地完成，獲得對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量和成本的更好把控；結(jié)合BIM設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)的工作流程，以及各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的具體配合方法；基于BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用，進(jìn)行問(wèn)題分析與策略研究。探索BIM技術(shù)與建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，為建筑設(shè)計(jì)發(fā)展提出新思路。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；精益制造；精益設(shè)計(jì)；建筑設(shè)計(jì)

Abstract:In recent years，the rapid transformation of construction industry and the rapid development of BIM technology provide broad opportunities for the architectural lean design. Based on the actual case study of special-shaped complex, and lean manufacturing-related theories, the application of BIM technology in architectural lean design, with the relatively advanced 3D design technology, a lot of work which cannot be done with 2D design technology can be done more efficiently, project quality and cost can be better controlled and the working process of the architectural design and the specific coordinating methods can be optimized. Based on the application of BIM technology in architecture design phase，problems are analyzed with strategies studied. The exploration to the combination of BIM technology of architectural lean design can offer the new development ideas for architectural design.

Keywords:BIM technology; lean manufacturing; lean design; architectural design

1　研究背景

從2014年開始，樓市交易慘淡，庫(kù)存節(jié)節(jié)攀升，不少開發(fā)商開始為長(zhǎng)時(shí)間的“冷”銷售而發(fā)愁。由于整體開發(fā)量過(guò)于飽和，當(dāng)下的住宅市場(chǎng)更多是買方市場(chǎng)。至今情況并未好轉(zhuǎn)。

盡管住宅市場(chǎng)整體成交不景氣，但仍有一些企業(yè)和樓盤逆市飄紅。據(jù)了解，但凡在市場(chǎng)形勢(shì)不好時(shí)熱銷的樓盤，在精益設(shè)計(jì)方面都做得很不錯(cuò)，以此打動(dòng)了不少挑來(lái)挑去的購(gòu)房者。樓市在經(jīng)歷此輪“去行政化”、更多以市場(chǎng)自發(fā)調(diào)節(jié)為主后，業(yè)內(nèi)對(duì)住宅設(shè)計(jì)的理解有望進(jìn)一步升華，將有越來(lái)越多的房企主動(dòng)從居住者行為習(xí)慣的角度去研究住宅，加之目前中國(guó)對(duì)于公共建筑的更加重視，建筑的精益設(shè)計(jì)不再是口號(hào)，建設(shè)“住起來(lái)更舒適的房子”而非“看起來(lái)好看的房子”將成趨勢(shì)。[1]

縱觀這次市場(chǎng)調(diào)整，可以看到，我國(guó)的建筑業(yè)發(fā)展已經(jīng)從大規(guī)模建設(shè)、“粗獷設(shè)計(jì)”中走出來(lái)，逐步進(jìn)入小規(guī)模、精細(xì)化建設(shè)，也是逐步與國(guó)際市場(chǎng)接軌的必然結(jié)果。這就要求建筑從業(yè)者要更加重視建筑精益設(shè)計(jì)，注重建筑的“質(zhì)量”而非“數(shù)量”。

BIM設(shè)計(jì)使得我們可以更直觀、也必須要更深入地去了解建筑的各個(gè)細(xì)節(jié)，以前二維設(shè)計(jì)中被忽略或是不易發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題都將更多地暴露出來(lái)，帶來(lái)的好處最直接的反映就是減少施工現(xiàn)場(chǎng)返工。而且通過(guò)BIM精細(xì)化設(shè)計(jì)，我們可以針對(duì)建筑開發(fā)人員比較關(guān)心的在成本預(yù)控中占比較大的點(diǎn)進(jìn)行量的統(tǒng)計(jì)。[2]由此看來(lái)，BIM是實(shí)現(xiàn)精益設(shè)計(jì)和建造的有力工具。

2　精益設(shè)計(jì)定義

2.1精益建造

精益建造來(lái)源于精益制造理論。精益制造，也稱精益生產(chǎn)，源于豐田生產(chǎn)方式，是由美國(guó)麻省理工學(xué)院組織世界上17個(gè)國(guó)家的專家、學(xué)者，花費(fèi)5年時(shí)間，以汽車工業(yè)這一開創(chuàng)大批量生產(chǎn)方式和精益生產(chǎn)方式JIT的典型工業(yè)為例，經(jīng)理論化后總結(jié)出來(lái)的。精益生產(chǎn)方式的優(yōu)越性不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)制造系統(tǒng)，同樣也體現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)、協(xié)作配套、營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)以及經(jīng)營(yíng)管理等各個(gè)方面，它是當(dāng)前工業(yè)界最佳的一種生產(chǎn)組織體系和方式。

1992年，丹麥學(xué)者Lauris Koskel提出要將制造業(yè)已經(jīng)成熟應(yīng)用的生產(chǎn)原則包括精益生產(chǎn)等應(yīng)用到建筑業(yè)，以提高建筑業(yè)的管理水平，并于1993年在IGLC（International Group of Lean Construction）大會(huì)上首次提出“精益建造”（Lean Construction）概念。[10]

中國(guó)精益建造技術(shù)中心（LCTC，Lean Construction Technology Center）把精益建造定義為：綜合生產(chǎn)管理理論、建筑管理理論以及建筑生產(chǎn)的特殊性，面向建筑產(chǎn)品的全生命周期，持續(xù)地減少和消除浪費(fèi)，最大限度地滿足顧客的要求的系統(tǒng)性的方法。所謂精益建造，就是將制造業(yè)的“精益思想”在建筑業(yè)加以改造和應(yīng)用，徹底消除建筑施工過(guò)程中的浪費(fèi)和不確定性，最大限度地滿足顧客要求，從而實(shí)現(xiàn)建筑企業(yè)的利潤(rùn)最大化。精益建造追求7個(gè)“零”極限目標(biāo)，即零轉(zhuǎn)換浪費(fèi)、零庫(kù)存、零浪費(fèi)、零不良、零故障、零停滯、零傷害，它以顧客的要求為中心，以最大限度地滿足市場(chǎng)的需要為宗旨，能夠在最短的時(shí)間里提高建筑物的質(zhì)量。與傳統(tǒng)的建筑管理理論相比，精益建造更強(qiáng)調(diào)幾大原則：面向建筑產(chǎn)品的全生命周期；減少變化；消除浪費(fèi)；重視客戶價(jià)值；團(tuán)隊(duì)合作；拉動(dòng)式生產(chǎn)。

2.2精益設(shè)計(jì)與BIM

精益設(shè)計(jì)，也稱精細(xì)化設(shè)計(jì)，思想來(lái)源于精益建造，是精益建造的最初環(huán)節(jié)，并且貫穿始終，深刻影響著精益建造的好壞。以BIM為應(yīng)用平臺(tái)，以精益建造理論體系為指導(dǎo)，發(fā)揮BIM強(qiáng)大的技術(shù)功能支持與豐富關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)建筑的精益設(shè)計(jì)，有效提升建筑業(yè)的效率，提升建筑的質(zhì)量。主要有以下結(jié)合點(diǎn)：BIM的高度傳承性可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工的整合；BIM可以有效提高設(shè)計(jì)水平；BIM可以有效在模型階段變化并找到最佳解決方式，以減少變化從而減少浪費(fèi)；BIM可以使建筑建造過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化管理；BIM強(qiáng)調(diào)客戶價(jià)值；BIM強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作；BIM是一個(gè)服務(wù)于建筑全生命周期的設(shè)計(jì)過(guò)程（圖1）。[3]

圖1　精益建造理論與BIM結(jié)合點(diǎn)（圖片來(lái)源：作者自繪）

3　 BIM與建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)踐分析

麓湖生態(tài)城B3組團(tuán)由成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司完成。因其建筑設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，故整體采用BIM完成設(shè)計(jì)、施工對(duì)接及施工管理，包含土建、外裝、室內(nèi)管網(wǎng)、內(nèi)裝、景觀及相關(guān)工程量。BIM的設(shè)計(jì)方式要求建筑師全盤掌握建筑細(xì)節(jié)，結(jié)構(gòu)構(gòu)成，設(shè)備排布，圖紙文檔和成果交付。BIM通過(guò)多樣性的成果傳遞方式如Apple iPad等便攜設(shè)備運(yùn)用，提高施工質(zhì)量，優(yōu)化工程管理。為了更好地解決防水及簡(jiǎn)化維護(hù)，項(xiàng)目采用大弧度雙曲面薄殼混凝土。土建施工的精度要求很高，為此專門做了一個(gè)樣板段用以解決工程技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)階段樣板段土建已經(jīng)完成。BIM提交成果對(duì)施工單位的精度控制等，模板制作都起到了決定作用。

BIM是“Building Information Model”的簡(jiǎn)稱，中文譯為“建筑信息模型”。主要強(qiáng)調(diào)“信息”二字，即所有的建筑構(gòu)件都具有信息屬性?！癇IM革命”是以模型的方式幫助建筑師和建筑建造更加準(zhǔn)確直觀的反映建筑。[4]雖然目前還沒(méi)能達(dá)到所謂的全過(guò)程BIM，但僅僅是基于三維電腦建模下的這種“繪圖方式”，就可以給建筑設(shè)計(jì)方式方法帶來(lái)根本改變，設(shè)計(jì)師能夠從三維而非傳統(tǒng)二維的方式準(zhǔn)確地審視設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，精益設(shè)計(jì)，從而改變整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

3.1精細(xì)三維可視化設(shè)計(jì)

通過(guò)全面三維可視，實(shí)現(xiàn)整體化空間設(shè)計(jì)。大多數(shù)情況下，不管從平面還是造型出發(fā)，建筑空間往往是被剝離在設(shè)計(jì)之外。BIM思維，建筑室內(nèi)外空間、表皮、平面功能都被整合在一個(gè)相關(guān)的邏輯系統(tǒng)中，布置平面的時(shí)候已經(jīng)同步設(shè)計(jì)建筑空間，而空間又可以被直觀反映在建筑立面造型上，最終圖紙是模型在不同層面的表達(dá)。同時(shí)使設(shè)計(jì)構(gòu)思更好表達(dá)，整合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提升品質(zhì)。建筑師習(xí)慣用空間思考問(wèn)題，當(dāng)設(shè)計(jì)師可以以三維的方式觀察設(shè)計(jì)對(duì)象，模擬人視點(diǎn)進(jìn)行空間推敲，就能夠?qū)Ｗ⒂谠O(shè)計(jì)本身。BIM為空間設(shè)計(jì)的方法提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，它使得內(nèi)外兼容的空間設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單易行，讓設(shè)計(jì)回歸建筑的空間本質(zhì)。[5]

此建筑的一個(gè)難點(diǎn)為屋頂?shù)那娼?，在進(jìn)行建模時(shí)，首先找到斷面曲線，然后進(jìn)行放樣，最后裁剪。當(dāng)屋頂輪廓建好后，立面和剖面隨之生成。如若進(jìn)行二維設(shè)計(jì)將會(huì)有很多麻煩和不準(zhǔn)確性。在進(jìn)行MEP建模時(shí)，根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的平面圖紙，放入模型中進(jìn)行三維的檢驗(yàn)，在標(biāo)高允許的情況下，避免管道與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的“打架”，三維下進(jìn)行穿梁和繞梁。甚至還可以做出非常精細(xì)的欄桿設(shè)計(jì)（圖2）。

圖2　三維可視化（圖片來(lái)源：作者自繪）

3.2準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸

借助BIM的三維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師自己完成建筑造型的推敲和建模工作，甚至效果圖的視點(diǎn)都可以在模型上反復(fù)推敲，減少了和其他成員的模糊溝通。將原本應(yīng)由建筑師完成的工作重新納入思考范圍，提高對(duì)設(shè)計(jì)的控制能力。借助BIM的信息關(guān)聯(lián)特性，使得方案的調(diào)整、表達(dá)、平立剖繪制變得十分簡(jiǎn)單，減少重復(fù)性的工作，設(shè)計(jì)師有更多的時(shí)間和精力回歸到設(shè)計(jì)本質(zhì)問(wèn)題的解決。同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高度傳承。三維模型的準(zhǔn)確化，直接導(dǎo)出二維圖紙，必然促成二維圖紙的準(zhǔn)確，且具有極高的同步性和傳承性，省去了很多三維到二維傳達(dá)的麻煩和數(shù)據(jù)丟失。[6]

在同甲方的交流中，如若需要修改，直接在模型上進(jìn)行，二維圖紙會(huì)相應(yīng)的自動(dòng)更新，小的改動(dòng)可以很快在平立剖面同時(shí)完成，大大提高了效率。

3.3設(shè)計(jì)精度的精準(zhǔn)把控

借助參數(shù)化手段提高效率，使得設(shè)計(jì)過(guò)程“可持續(xù)化”。利用BIM平臺(tái)的參數(shù)化功能使得設(shè)計(jì)成果的開放性大大提高，滿足了設(shè)計(jì)師對(duì)多種可預(yù)見(jiàn)性參數(shù)的參與，使得設(shè)計(jì)的客觀性加強(qiáng)。同時(shí)更容易暴露問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)綜合水平。三維設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處除了“更直觀”，也“更直接”地把傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中容易忽略的問(wèn)題暴露在設(shè)計(jì)師面前，使設(shè)計(jì)師不得不解決問(wèn)題。也可以使建筑設(shè)計(jì)更好把控，首先，模型深度可調(diào)整。在不同的模型深度要求和比例尺下，可以使用不同的圖紙，而這些不同深度的圖紙，又都集成在同一個(gè)模型下。其次，設(shè)計(jì)合理化。三維的設(shè)計(jì)方式，用三維可視的方式，視覺(jué)合理促成構(gòu)造合理，最終直接影響到構(gòu)造合理。再次，設(shè)計(jì)輸出表達(dá)便捷。倘若我們要修改或者添加建筑的細(xì)節(jié)，只需要對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的修改，而非平面、立面、剖面、詳圖、大樣的分別修改。

在進(jìn)行窗框設(shè)計(jì)時(shí)，甲方要求在窗框加上標(biāo)準(zhǔn)化企口設(shè)計(jì)。如若在所有窗框模型加入，勢(shì)必造成工作量的大大提高和模型的增大，因此決定以標(biāo)準(zhǔn)做法為例，模型上只預(yù)留相應(yīng)的位置。在這種解決方式下，如果真的需要模型繼續(xù)深入，也可以輕松辦到，當(dāng)前的問(wèn)題也得到很好的解決（圖3）。

圖3　模型深入設(shè)計(jì)（圖片來(lái)源：作者自繪）

3.4高效率團(tuán)隊(duì)協(xié)作

整合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)過(guò)程涉及多立場(chǎng)，多專業(yè)，多工種，設(shè)計(jì)中反復(fù)推敲帶來(lái)調(diào)整的變更往往是多環(huán)節(jié)多工序的，BIM思維提供了一種新的工作方式，即：各個(gè)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，同步調(diào)整的協(xié)同設(shè)計(jì)方式。另外，對(duì)于大型復(fù)雜的工程項(xiàng)目，采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)有著明顯的優(yōu)勢(shì)及意義。BIM模型是對(duì)整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的一次“預(yù)演”，建模的過(guò)程同時(shí)也是一次全面的“三維校審”過(guò)程。在此過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)大量隱藏在設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，這些問(wèn)題往往不涉及規(guī)范，但跟專業(yè)配合緊密相關(guān)，或者屬于空間高度上的沖突，在傳統(tǒng)的單專業(yè)校審過(guò)程中很難被發(fā)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)高效團(tuán)隊(duì)合作和成本控制。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以幾個(gè)人同時(shí)修改一個(gè)模型，分工合作處理、提高效率。支持很多設(shè)計(jì)師通過(guò)權(quán)限修改模型，一鍵發(fā)送和接收修改部分，方便快捷（圖4）。BIM精細(xì)化設(shè)計(jì)使得我們可以針對(duì)建筑開發(fā)人員比較關(guān)心的成本預(yù)控中占比較大的點(diǎn)進(jìn)行量的統(tǒng)計(jì)。提供設(shè)計(jì)變更中帶來(lái)的量的增加，從而判斷對(duì)成本的影響。[7]

通過(guò)Teamwork進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)同，分工合作及發(fā)布圖紙與其他專業(yè)配合，大大提高效率。如打開團(tuán)隊(duì)文件進(jìn)行設(shè)計(jì)、隨時(shí)發(fā)送接收設(shè)計(jì)成果與團(tuán)隊(duì)成員交流。同時(shí)，可以通過(guò)發(fā)布圖紙，與其他專業(yè)以及甲方隨時(shí)交流。在與幕墻公司配合時(shí)。基于模型我們提供了所有異形窗框的平面、立面尺寸及定位，與他們共同探討如何最大限度的合理使用大玻璃，以節(jié)省造價(jià)。達(dá)到了比較好的效果（圖5）。

圖4　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與BIM設(shè)計(jì)方法（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖5　團(tuán)隊(duì)合作（圖片來(lái)源：作者自繪）

4　結(jié)語(yǔ)

作為建筑行業(yè)的革命性技術(shù)，BIM的優(yōu)勢(shì)和重要性正在被越來(lái)越多的業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)同。精細(xì)化設(shè)計(jì)和BIM技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，也會(huì)是重要的發(fā)展方向。但是建筑師因?yàn)樾枰ㄙM(fèi)更多的時(shí)間和精力，及設(shè)計(jì)費(fèi)無(wú)法得到重視等原因，普及的并不好。[8]

在此，必須明確BIM不是一個(gè)軟件，而是一個(gè)更加全能的設(shè)計(jì)師利用一系列軟件更好的完成設(shè)計(jì)。BIM工作流程的理解和應(yīng)用更為重要。樣式雷家族的燙樣、卒姆托工作室的各種材料模型都是BIM，因?yàn)樗麄兌荚谠噲D用真實(shí)的材料“蓋”房子。所謂BIM，就是建筑師盡量在相同條件下，把房子蓋一邊，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再告訴別人，應(yīng)該怎么蓋。在完成實(shí)際項(xiàng)目的過(guò)程中，深深體會(huì)到BIM對(duì)于建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，雖然沒(méi)能深入掌握，但是已經(jīng)嘗到甜頭。作為建筑師，需要不拘泥于自身的專業(yè)范疇，主動(dòng)與其他專業(yè)相互滲透，同時(shí)需要建筑師在設(shè)計(jì)中承擔(dān)更多的責(zé)任。認(rèn)真使用新工具輔助設(shè)計(jì)，使我國(guó)的建筑設(shè)計(jì)水平更上一層樓。[9]

參考文獻(xiàn)：

[1]肖正華.趙冠謙：精細(xì)化設(shè)計(jì)不再是口號(hào)[EB/OL].[2014-07-11] http://www.chinabim.com/school/arch/2014-07-11/6516. html.

[2]黃偉華，劉春雷，閆文凱.BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)方案前期深入探索應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013，5（4）.

[3]賀靈童.不只是精益——BIM與精益建造[J].工程質(zhì)量，2014，32（2）.

[4]何關(guān)培，李剛.BIM應(yīng)用將給建筑業(yè)帶來(lái)什么變化？[J].信息化，2010（01）.

[5]賀靈童.BIM在全球的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].工程質(zhì)量2013，31 （3）.

[6]歐陽(yáng)國(guó)輝，王軼.精細(xì)設(shè)計(jì)——日本城市與建筑[J].中外建筑，2012（9）：24-28.

[7]包劍劍，蘇振民，佘小頡.精益建造體系下的BIM協(xié)同應(yīng)用的機(jī)制及價(jià)值流[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2013（06）.

[8]住宅精細(xì)化與建筑細(xì)節(jié)[J].城市住宅，2014（1/2）.

[9]杰里·萊瑟林，王新.美國(guó)BIM應(yīng)用的觀察與啟示[J].時(shí)代建筑，2013（2）.

[10] Ames O.Coplien，Gertrud Bjrnvig. Lean Architecture: for Agile Software Development[M].Wiley，2010：82-83.

責(zé)任編輯：孫蘇

作者簡(jiǎn)介：劉哲（1989-），男，河北石家莊人，研究生，主要從事非線性建筑和BIM研究。

收稿日期：2015-11-13

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.01.036

中圖分類號(hào)：TU22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9107（2016）01-0036-04