李志成，王飛龍，吉久茂, 黃林沖

(1. 長沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410075；2. 同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司， 上海 200092；3. 中山大學(xué) 工學(xué)院，廣東 廣州 510275)

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BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李志成1，王飛龍1，吉久茂2, 黃林沖3

(1. 長沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410075；2. 同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司， 上海 200092；3. 中山大學(xué) 工學(xué)院，廣東 廣州 510275)

摘要:基于建筑工程設(shè)計(jì)，描述BIM在設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)用的基本思路，對(duì)設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)表述，提出2種基本三維設(shè)計(jì)思路，BIM三維設(shè)計(jì)過程中遇到的常見問題，并對(duì)BIM技術(shù)在整個(gè)建筑行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：BIM；三維設(shè)計(jì)；Solibri；ROBOT

1BIM工程技術(shù)的應(yīng)用背景

隨著建筑工程的逐步發(fā)展，在如今信息大爆炸的時(shí)代，建筑也必然順應(yīng)這樣的趨勢(shì)，逐步走上信息產(chǎn)業(yè)化的道路。最近“互聯(lián)網(wǎng)+”的熱詞風(fēng)靡網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于土木工程領(lǐng)域，主要考慮的是互聯(lián)網(wǎng)與建筑工程信息化如何更好地銜接，如何最大化地將信息化轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)實(shí)在在的生產(chǎn)力[1-2]，提高工程行業(yè)傳統(tǒng)通病的效率和水平。在這樣的大環(huán)境下，BIM技術(shù)給建筑行業(yè)帶來了一個(gè)絕佳的與互聯(lián)網(wǎng)銜接的平臺(tái)。BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對(duì)，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[3-4]。BIM在建筑行業(yè)的發(fā)展具有良好的前景，包括設(shè)計(jì)行業(yè)、施工行業(yè)和運(yùn)營維護(hù)管理行業(yè)等，在此，主要探討B(tài)IM在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2BIM在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用概述

BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面，即BIM咨詢與BIM設(shè)計(jì)。其中，BIM咨詢是為BIM設(shè)計(jì)服務(wù)的，BIM設(shè)計(jì)是BIM咨詢服務(wù)的深層次延用。BIM咨詢主要可以為客戶做BIM碰撞檢查、BIM造價(jià)分析、BIM施工模擬以及BIM微環(huán)境分析(可視度分析、日照分析、光環(huán)境分析、熱環(huán)境分析、聲環(huán)境分析)等。

BIM設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行三維建筑或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從方案到施工圖以至于后期的運(yùn)營維護(hù)管理進(jìn)行全程服務(wù)[5]，后者應(yīng)該是未來設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的主要方向。

3BIM在建筑工程設(shè)計(jì)中的基本思路

一般來說，BIM在設(shè)計(jì)方向的深層次應(yīng)用具體體現(xiàn)在三維設(shè)計(jì)中，從方案設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)，從建筑到結(jié)構(gòu)再到機(jī)電設(shè)計(jì)。但由于種種原因，國內(nèi)遲遲沒能實(shí)現(xiàn)，目前國內(nèi)某些知名企業(yè)也只能做到部分實(shí)現(xiàn)，稱為“半三維設(shè)計(jì)”[6-8]。鑒于此，作者根據(jù)BIM目前所具備的基本條件，構(gòu)思2種基本的三維設(shè)計(jì)思路(以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)為例)，即：完全運(yùn)用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，二維只是一個(gè)簡(jiǎn)單的輔助，從而提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[9]；其次由二維搭建三維BIM模型，利用三維對(duì)二維進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

3.1BIM軟件平臺(tái)

目前結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)具備的條件，即基本的軟件分析平臺(tái)有：REVIT，NAVISWORKS，TEKLA，SOLIBRI和ROBOT等[10-11](見圖1)。

圖1　基于BIM技術(shù)常見的軟件平臺(tái)Fig.1 Common software platforms based on BIM technology

REVIT可以作為三維設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)，而ROBOT為三維設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)，這里主要研討ROBOT的基本應(yīng)用。通常用戶使用AutodeskRobotStructuralAnalysis軟件建立三維空間模型，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的樓面系統(tǒng)、豎向和側(cè)向支撐系統(tǒng)等整體分析結(jié)構(gòu)；添加各工況荷載，得到所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分析和配筋結(jié)果。用戶可選擇建立剛性面域或?qū)嶋H混凝土樓面板傳遞荷載，根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)構(gòu)件進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，并得到相應(yīng)的計(jì)算報(bào)告和配筋圖[5]。其主要優(yōu)勢(shì)有以下幾方面。

1)進(jìn)行線性、非線性和動(dòng)態(tài)(模態(tài)、頻譜、地震、時(shí)間歷史、p-Δ效應(yīng)、屈曲變形、塑性)結(jié)構(gòu)分析；

2)多語言工作環(huán)境(15個(gè)獨(dú)立用戶界面語言設(shè)置，設(shè)計(jì)及計(jì)算)；

3)多國工作環(huán)境：根據(jù)50多個(gè)國家設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)；

4)框架、板、殼，以及功能強(qiáng)大的GUI建模工具和網(wǎng)格生成；

5)與REVIT進(jìn)行雙向集成，與企業(yè)識(shí)別系統(tǒng)整合；

6)開放的應(yīng)用程序編程接口，允許用戶對(duì)自己的應(yīng)用程序進(jìn)行前/后期的處理。

另外，SOLIBRI是芬蘭Solibri公司的主要產(chǎn)品，也是目前BIM領(lǐng)域?qū)θS設(shè)計(jì)進(jìn)行合規(guī)性檢查的常用軟件。既可以用來檢查模型本身的質(zhì)量和完整性，例如空間之間有沒有重疊？空間有沒有被適當(dāng)?shù)貒]？構(gòu)件之間有沒有碰撞沖突等；也可以用來檢查設(shè)計(jì)是不是滿足業(yè)主的需求。它在建筑工程中的QS/QA、綠色設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用。

3.2BIM設(shè)計(jì)基本流程

這里主要研討如何在純?nèi)S設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)工作。

首先由建筑師在Revit中確定建筑方案，結(jié)構(gòu)師通過建筑Revit方案模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配置[6]；配置結(jié)束后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師將結(jié)構(gòu)方案模型導(dǎo)入BIM結(jié)構(gòu)分析軟件Robot，在結(jié)構(gòu)分析軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算分析，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，繼而得出BIM結(jié)構(gòu)分析模型；在Robot中直接將結(jié)構(gòu)分析模型反導(dǎo)至Revit，得出BIM結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型；接下來在Revit中對(duì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)的幾何搭接做相關(guān)修改和初步檢查，然后將BIM結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型導(dǎo)出為IFC文件，轉(zhuǎn)至Solibri進(jìn)行合規(guī)性檢查；根據(jù)檢查出的相關(guān)問題返回Revit中進(jìn)行完善修改，得出BIM終版結(jié)構(gòu)模型[7]；最后，在Revit中聯(lián)合CAD直接出平面施工圖(CAD只作為輔助配合)，交付業(yè)主。

從整個(gè)過程來看，全程以BIM三維設(shè)計(jì)理念為核心，二維CAD作為輔助修飾工具，既提高了協(xié)同率，也有利于設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升，減少后期施工中不必要的麻煩，具體流程如圖2所示。

下面討論另外一種BIM設(shè)計(jì)流程。這種形式并不是以三維設(shè)計(jì)為主，而是在二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，搭建BIM工程模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)二維圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在這方面。目前主要的平臺(tái)是Vevit。基本流程如圖3所示。

圖2　BIM結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)工作流程Fig.2 Workflow of structure three-dimensional design

圖3　BIM結(jié)構(gòu)半三維設(shè)計(jì)工作流Fig.3 Workflow of structure semi- 3D design

這種設(shè)計(jì)流程雖然不是純?nèi)S設(shè)計(jì)，但卻是目前最能提高生產(chǎn)效率的方法。通過三維BIM模型去優(yōu)化二維模型，常見的問題有：樓梯間、坡道的凈高問題；外幕墻與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的碰撞；地下室工程樁的校驗(yàn)等。

在BIM設(shè)計(jì)的過程中，樓梯間的問題往往比較多，典型的有建筑門與梯梁的碰撞；平臺(tái)梁下的凈高；樓梯的開洞等等。如圖4～5所示，為樓梯間的布置與結(jié)構(gòu)梁發(fā)生碰撞，需要建筑重新修改方案。

凈高問題是BIM案例中最典型的問題之一，常見的問題主要出現(xiàn)在管線綜合的過程中與結(jié)構(gòu)構(gòu)件凈高不滿足，以及各種夾層的凈高問題等。

如圖6所示某項(xiàng)目的地下室，集水坑下方距地僅1.900m,不滿足2.200m凈高使用要求。特別是地下室下沉式廣場(chǎng)以及設(shè)備夾層、自行車夾層等地方，都是凈高問題最容易出現(xiàn)的部位。在BIM設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)引起足夠重視。

圖4　建筑樓梯的布置問題(與結(jié)構(gòu)梁碰撞)Fig.4 Layout of the building stairs(collisionwith the beam)

圖5　某樓梯BIM模型圖Fig.5 BIM model of a stair

在BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，還可以配合機(jī)電設(shè)備專業(yè)進(jìn)行BIM機(jī)電管線綜合設(shè)計(jì)(如圖7所示)，進(jìn)而在施工前期，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師就可以準(zhǔn)確的地給機(jī)電管線預(yù)留好洞口。

圖6　常見的設(shè)計(jì)凈高問題(不滿足功能應(yīng)用要求)Fig.6 Common problem of design height(beyond the requirements of the application function)

圖7　BIM機(jī)電模型示意圖Fig.7 Schematic of BIM electromechanical model

在凈高控制中，結(jié)合BIM技術(shù)，可以進(jìn)一步準(zhǔn)確把握各功能分區(qū)的管下凈高問題，避免后期機(jī)電安裝的返工，從而提高安裝效率，加快工程投入使用；顯然也能給業(yè)主也帶來客觀收益，并為其日后的運(yùn)營維護(hù)管理工作做好良好的前期準(zhǔn)備工作。

4BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)應(yīng)用中常見的問題

根據(jù)作者的BIM工程經(jīng)驗(yàn)，BIM技術(shù)在工程設(shè)計(jì)過程中，主要關(guān)注以下三大問題。

1)柱位布置問題。在經(jīng)過多輪的柱位修改后，很容易發(fā)生不同樓層的柱位偏離情況，特別是遇到斜柱時(shí)，二維平面不易定位，這個(gè)時(shí)候就需要三維進(jìn)行輔助定位。

2)凈高問題。坡道處的凈高在設(shè)計(jì)過程中最易發(fā)生碰頭的情況，特別是螺旋式坡道，需特別注意。

同時(shí)，在BIM技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在諸多的發(fā)展瓶頸。目前結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)的主要障礙在于大部分設(shè)計(jì)師不愿意利用三維設(shè)計(jì)探索，而是已經(jīng)習(xí)慣了傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)思維。

3)對(duì)施工洞口的預(yù)留，預(yù)防后期的返工。見圖8。

圖8　BIM施工模型洞口預(yù)留示意圖Fig.8 Reserved hole in the BIM construction model

5某項(xiàng)目BIM協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)中的碰撞檢測(cè)和凈高檢測(cè)的應(yīng)用

在BIM設(shè)計(jì)的流程中，常見的問題是設(shè)計(jì)中不同專業(yè)間的錯(cuò)漏碰缺。如某項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，建筑的門與結(jié)構(gòu)剪力墻發(fā)生了碰撞，最后通過BIM協(xié)調(diào)，重新對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足了建筑門洞的需求，如圖9所示。

在施工過程中常見有凈高問題，如圖10所示項(xiàng)目中，原先樓梯上方的凈高不夠，最后通過BIM可視化設(shè)計(jì)，把板做成斜板，滿足了這個(gè)地方的凈高要求，另外，在機(jī)電管線綜合方面，也起到了非常好的應(yīng)用，地下室消防機(jī)房走廊的管線比較多，特別是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁處梁高較高，管線碰撞較為嚴(yán)重，通過BIM協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)后，將管線進(jìn)行合理的橫縱向調(diào)整，利用梁間空腔對(duì)管線進(jìn)行重新排布，進(jìn)而滿足機(jī)房外走道的凈高要求，如圖11所示。

(a) 修改前；(b) 修改后圖9　修改前后的BIM模型對(duì)照?qǐng)DFig.9 Comparison drawings of BIM model before & after revision

(a) 修改前；(b) 修改后圖10　修改前后的BIM模型凈高對(duì)照?qǐng)DFig.10 Comparison drawings of BIM model clear height before & after revision

(a) 修改前；(b) 修改后圖11　修改前后的BIM模型凈高對(duì)照?qǐng)DFig.11 Comparison drawings of BIM model line configuration before & after revision

6結(jié)論

1) 提出了純?nèi)S設(shè)計(jì)的流程，系統(tǒng)描述了利用BIM技術(shù)可以在建筑工程中解決的常見隱蔽性問題，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工質(zhì)量。

2)鑒于目前的技術(shù)和市場(chǎng)需求來說，純?nèi)S設(shè)計(jì)，仍然未得到很好的發(fā)展和普及性應(yīng)用。半三維設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工配合中，在某些復(fù)雜的項(xiàng)目上，反而起到了舉足輕重的作用。

3)基于BIM市場(chǎng)的復(fù)雜性，必須認(rèn)清BIM對(duì)建筑行業(yè)真正的應(yīng)用價(jià)值點(diǎn)，而不是盲目的跟風(fēng)追隨。

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* 收稿日期：2015-12-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108472)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016A030313233)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A0202170004)

通訊作者：黃林沖(1980-)，男，湖北咸寧人，副教授，博士，從事土木工程安全與防災(zāi)方面的研究；E-mail:hlinch@mail.sysu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TU45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)06-1179-07

Application of BIM technology in construction engineering design

LI Zhicheng1, WANG Feilong1, JI Jiumao2, HUANG Linchong3

(1.ChangshaCentralSouthUniversityConstructionSupervisionCo.Ltd,Changsha410075，China;2.TongjiUniversityArchitecturalDesignResearchInstitute(Group)Co.Ltd，Shanghai200092,China；3.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

Abstract：This paper describes the application of BIM in the design industry, and the design flow and design platform, with the two kinds of 3D design methods. The common problems in the process of BIM 3D design by BIM technology are described, and the application and development of BIM technology in the whole construction industry is also prospected.

Key words：BIM; 3D-design; Solibri; ROBOT