BIM技术在建筑工程设计中的应用

李志成，王飞龙，吉久茂, 黄林冲

(1. 长沙中大建设监理有限公司，湖南 长沙 410075；2. 同济大学 建筑设计研究院(集团)有限公司， 上海 200092；3. 中山大学 工学院，广东 广州 510275)



BIM技术在建筑工程设计中的应用

李志成1，王飞龙1，吉久茂2, 黄林冲3

(1. 长沙中大建设监理有限公司，湖南 长沙 410075；2. 同济大学 建筑设计研究院(集团)有限公司， 上海 200092；3. 中山大学 工学院，广东 广州 510275)

摘要:基于建筑工程设计，描述BIM在设计行业应用的基本思路，对设计流程和设计平台进行详细表述，提出2种基本三维设计思路，BIM三维设计过程中遇到的常见问题，并对BIM技术在整个建筑行业的应用与发展进行了展望。

关键词：BIM；三维设计；Solibri；ROBOT

1BIM工程技术的应用背景

随着建筑工程的逐步发展，在如今信息大爆炸的时代，建筑也必然顺应这样的趋势，逐步走上信息产业化的道路。最近“互联网+”的热词风靡网络，对于土木工程领域，主要考虑的是互联网与建筑工程信息化如何更好地衔接，如何最大化地将信息化转变为实实在在的生产力[1-2]，提高工程行业传统通病的效率和水平。在这样的大环境下，BIM技术给建筑行业带来了一个绝佳的与互联网衔接的平台。BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用[3-4]。BIM在建筑行业的发展具有良好的前景，包括设计行业、施工行业和运营维护管理行业等，在此，主要探讨BIM在建筑工程设计中的应用。

2BIM在建筑工程设计中的应用概述

BIM技术在建筑设计过程中的应用主要体现在2个方面，即BIM咨询与BIM设计。其中，BIM咨询是为BIM设计服务的，BIM设计是BIM咨询服务的深层次延用。BIM咨询主要可以为客户做BIM碰撞检查、BIM造价分析、BIM施工模拟以及BIM微环境分析(可视度分析、日照分析、光环境分析、热环境分析、声环境分析)等。

BIM设计主要是进行三维建筑或结构设计，从方案到施工图以至于后期的运营维护管理进行全程服务[5]，后者应该是未来设计行业发展的主要方向。

3BIM在建筑工程设计中的基本思路

一般来说，BIM在设计方向的深层次应用具体体现在三维设计中，从方案设计到施工图设计，从建筑到结构再到机电设计。但由于种种原因，国内迟迟没能实现，目前国内某些知名企业也只能做到部分实现，称为“半三维设计”[6-8]。鉴于此，作者根据BIM目前所具备的基本条件，构思2种基本的三维设计思路(以结构设计专业为例)，即：完全运用三维设计平台进行相关的设计工作，二维只是一个简单的辅助，从而提高设计效率和质量[9]；其次由二维搭建三维BIM模型，利用三维对二维进行设计优化工作。

3.1BIM软件平台

目前结构三维设计具备的条件，即基本的软件分析平台有：REVIT，NAVISWORKS，TEKLA，SOLIBRI和ROBOT等[10-11](见图1)。

图1　基于BIM技术常见的软件平台Fig.1 Common software platforms based on BIM technology

REVIT可以作为三维设计优化平台，而ROBOT为三维设计结构分析平台，这里主要研讨ROBOT的基本应用。通常用户使用AutodeskRobotStructuralAnalysis软件建立三维空间模型，创建结构的楼面系统、竖向和侧向支撑系统等整体分析结构；添加各工况荷载，得到所有结构构件的分析和配筋结果。用户可选择建立刚性面域或实际混凝土楼面板传递荷载，根据相关规范对构件进行配筋设计，并得到相应的计算报告和配筋图[5]。其主要优势有以下几方面。

1)进行线性、非线性和动态(模态、频谱、地震、时间历史、p-Δ效应、屈曲变形、塑性)结构分析；

2)多语言工作环境(15个独立用户界面语言设置，设计及计算)；

3)多国工作环境：根据50多个国家设计规范进行设计；

4)框架、板、壳，以及功能强大的GUI建模工具和网格生成；

5)与REVIT进行双向集成，与企业识别系统整合；

6)开放的应用程序编程接口，允许用户对自己的应用程序进行前/后期的处理。

另外，SOLIBRI是芬兰Solibri公司的主要产品，也是目前BIM领域对三维设计进行合规性检查的常用软件。既可以用来检查模型本身的质量和完整性，例如空间之间有没有重叠？空间有没有被适当地围闭？构件之间有没有碰撞冲突等；也可以用来检查设计是不是满足业主的需求。它在建筑工程中的QS/QA、绿色设计等领域都有较好的应用。

3.2BIM设计基本流程

这里主要研讨如何在纯三维设计环境中进行相关的设计工作。

首先由建筑师在Revit中确定建筑方案，结构师通过建筑Revit方案模型进行结构构件的配置[6]；配置结束后，结构设计师将结构方案模型导入BIM结构分析软件Robot，在结构分析软件中进行结构的受力计算分析，根据分析结果，对结构构件进行相关调整，继而得出BIM结构分析模型；在Robot中直接将结构分析模型反导至Revit，得出BIM结构优化模型；接下来在Revit中对相关的结构的几何搭接做相关修改和初步检查，然后将BIM结构优化模型导出为IFC文件，转至Solibri进行合规性检查；根据检查出的相关问题返回Revit中进行完善修改，得出BIM终版结构模型[7]；最后，在Revit中联合CAD直接出平面施工图(CAD只作为辅助配合)，交付业主。

从整个过程来看，全程以BIM三维设计理念为核心，二维CAD作为辅助修饰工具，既提高了协同率，也有利于设计质量的提升，减少后期施工中不必要的麻烦，具体流程如图2所示。

下面讨论另外一种BIM设计流程。这种形式并不是以三维设计为主，而是在二维设计的基础上，搭建BIM工程模型，在此基础上对二维图纸进行设计优化。在这方面。目前主要的平台是Vevit。基本流程如图3所示。

图2　BIM结构三维设计工作流程Fig.2 Workflow of structure three-dimensional design

图3　BIM结构半三维设计工作流Fig.3 Workflow of structure semi- 3D design

这种设计流程虽然不是纯三维设计，但却是目前最能提高生产效率的方法。通过三维BIM模型去优化二维模型，常见的问题有：楼梯间、坡道的净高问题；外幕墙与结构构件的碰撞；地下室工程桩的校验等。

在BIM设计的过程中，楼梯间的问题往往比较多，典型的有建筑门与梯梁的碰撞；平台梁下的净高；楼梯的开洞等等。如图4～5所示，为楼梯间的布置与结构梁发生碰撞，需要建筑重新修改方案。

净高问题是BIM案例中最典型的问题之一，常见的问题主要出现在管线综合的过程中与结构构件净高不满足，以及各种夹层的净高问题等。

如图6所示某项目的地下室，集水坑下方距地仅1.900m,不满足2.200m净高使用要求。特别是地下室下沉式广场以及设备夹层、自行车夹层等地方，都是净高问题最容易出现的部位。在BIM设计的过程中，应引起足够重视。

图4　建筑楼梯的布置问题(与结构梁碰撞)Fig.4 Layout of the building stairs(collisionwith the beam)

图5　某楼梯BIM模型图Fig.5 BIM model of a stair

在BIM结构设计的过程中，还可以配合机电设备专业进行BIM机电管线综合设计(如图7所示)，进而在施工前期，结构设计师就可以准确的地给机电管线预留好洞口。

图6　常见的设计净高问题(不满足功能应用要求)Fig.6 Common problem of design height(beyond the requirements of the application function)

图7　BIM机电模型示意图Fig.7 Schematic of BIM electromechanical model

在净高控制中，结合BIM技术，可以进一步准确把握各功能分区的管下净高问题，避免后期机电安装的返工，从而提高安装效率，加快工程投入使用；显然也能给业主也带来客观收益，并为其日后的运营维护管理工作做好良好的前期准备工作。

4BIM技术在设计应用中常见的问题

根据作者的BIM工程经验，BIM技术在工程设计过程中，主要关注以下三大问题。

1)柱位布置问题。在经过多轮的柱位修改后，很容易发生不同楼层的柱位偏离情况，特别是遇到斜柱时，二维平面不易定位，这个时候就需要三维进行辅助定位。

2)净高问题。坡道处的净高在设计过程中最易发生碰头的情况，特别是螺旋式坡道，需特别注意。

同时，在BIM技术在应用过程中也存在诸多的发展瓶颈。目前结构三维设计的主要障碍在于大部分设计师不愿意利用三维设计探索，而是已经习惯了传统的二维设计思维。

3)对施工洞口的预留，预防后期的返工。见图8。

图8　BIM施工模型洞口预留示意图Fig.8 Reserved hole in the BIM construction model

5某项目BIM协调设计中的碰撞检测和净高检测的应用

在BIM设计的流程中，常见的问题是设计中不同专业间的错漏碰缺。如某项目的设计中，建筑的门与结构剪力墙发生了碰撞，最后通过BIM协调，重新对剪力墙进行设计，满足了建筑门洞的需求，如图9所示。

在施工过程中常见有净高问题，如图10所示项目中，原先楼梯上方的净高不够，最后通过BIM可视化设计，把板做成斜板，满足了这个地方的净高要求，另外，在机电管线综合方面，也起到了非常好的应用，地下室消防机房走廊的管线比较多，特别是结构转换梁处梁高较高，管线碰撞较为严重，通过BIM协调设计后，将管线进行合理的横纵向调整，利用梁间空腔对管线进行重新排布，进而满足机房外走道的净高要求，如图11所示。

(a) 修改前；(b) 修改后图9　修改前后的BIM模型对照图Fig.9 Comparison drawings of BIM model before & after revision

(a) 修改前；(b) 修改后图10　修改前后的BIM模型净高对照图Fig.10 Comparison drawings of BIM model clear height before & after revision

(a) 修改前；(b) 修改后图11　修改前后的BIM模型净高对照图Fig.11 Comparison drawings of BIM model line configuration before & after revision

6结论

1) 提出了纯三维设计的流程，系统描述了利用BIM技术可以在建筑工程中解决的常见隐蔽性问题，进而提高设计质量和施工质量。

2)鉴于目前的技术和市场需求来说，纯三维设计，仍然未得到很好的发展和普及性应用。半三维设计在设计优化和施工配合中，在某些复杂的项目上，反而起到了举足轻重的作用。

3)基于BIM市场的复杂性，必须认清BIM对建筑行业真正的应用价值点，而不是盲目的跟风追随。

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* 收稿日期：2015-12-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51108472)；广东省自然科学基金资助项目(2016A030313233)；广东省科技计划项目(2015A0202170004)

通讯作者：黄林冲(1980-)，男，湖北咸宁人，副教授，博士，从事土木工程安全与防灾方面的研究；E-mail:hlinch@mail.sysu.edu.cn

中图分类号：TU45

文献标志码：A

文章编号：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