BIM 技术在场地设计中的应用探索

刘 雯（华建集团上海建筑设计研究院有限公司， 上海 200041）

自 21 世纪以来，计算机的应用以及数字化技术的快速发展已大幅度提升了社会各个行业、各个领域的生产效率。BIM（建筑信息模型）在建筑工程行业内应用实践越来越火热，而新的数字城市概念已经将 BIM 技术的应用范围由狭义的建筑项目工程拓展至城市乃至区域等更大的领域之中。工程项目本属于城乡建设与管理里非常重要的一部分，BIM 在场地设计中的应用研究是拓宽其在工程领域应用的一小步，也代表着将 BIM 应用技术可能逐步转换到更高空间级别上，进一步提高了实现数字城市的可能性。

由于场地设计以及室外总体是诸多学科不断交叉的项目工程，市场上业主对智能化、数字化的建设过程、高效协同的项目团队的需求也与日俱增，要求工程设计从业者和承包商提供更加精良的服务。正是在这种需求迫切的背景下，新技术应用平台结合传统专业知识和技术经验的实施方法正一步步向前迈进。

1 方法研究

在项目工程的立项、方案设计乃至施工的各个阶段中，场地设计的土方平衡、工程计算、方案优化，到最终室外总体施工时的管线布置等必不可少。回归整个项目本身以及业主的层面，精确的场地土方量计算、最优化高效的土方平衡方案以及高效率的室外管线综合，能够有效地把控项目整体进度。

1.1 传统模式的技术路线

在场地设计中，传统模式大多依靠二维图纸和经验。例如目前很多工程依旧采用方格网的土方计算方法，土方量只能用手工计算方式，项目场地的整平、设计地形土方计算时往往需要做出几十个截面，一旦变更则要重新计算，多次反复并且结果不精确。如今也有很多土方量计算软件可以进行土方量的测算，例如 HTCAD、CASS 等，但大多数软件也只是增强了计算方法的多样性，对于数据的筛选、计算的精确度以及三维模型的支持力度还略显欠缺[1]。

民用建筑项目的室外总体管线综合需要考虑的因素较多，除了自身项目的管线路由埋深等设计之外，还要与复杂的市政管线相接驳。一方面，市政的地下管线和城市地下空间结构往往比较复杂，所以在设计中常常出现错漏碰缺的现象，设计考虑不周全从而导致施工过程中频频发生问题，浪费资源，影响工期[2]；另一方面，由于室外总体设计涉及的各个专业管线种类过多，相对应各个专业的设计图纸也很多。在传统的模式中，已固化的各专业工作模式与专业之间相互割裂的工作界面、工作状态导致这些离散的信息很难高效地统一集中起来。

1.2 BIM 的技术路线

目前，运用在场地设计以及总体管线综合之中的 BIM技术是指主要基于 CIVIL 3 D 的平台，集成运用 CAD、REVIT、GIS、INFRAWORKS 各个软件的特色功能，组成一个目前较为完善的技术系统。

场地设计主要依靠三维设计软件，例如 CIVIL 3 D、GIS等，快速地生成数字地形模型，准确地计算复杂场地工程的挖填量。在操作过程中实现动态关联更新，从而为设计、项目工程管理等人员节省了大量的宝贵时间。这种所想、所见即所得的三维设计模式大幅提高了直观性和准确度。对于土方工程计算而言，传统模式下要几个人花一两天时间才能出结果，而现在运用软件计算可能只需要几分钟。

总体管线综合基于三维数字地形、土建模型、管道模型可生成大量多样化的成果。如碰撞的报告、可包括专业内部、各专业之间的矛盾协调；更智能、更便利生成的横、总断面；大量联动真实可控的数据表；可视化的成果等。

1.3 比较分析

传统模式与 BIM 技术手段的比较分析结果如表1 所示。

表1 传统模式与 BIM 技术手段的比较分析

总体而言，场地的独特性凸显项目独特性，在项目设计上极易转化为项目特色和卖点。一个尊重原始地形的场地竖向设计方案，在项目设计初期就可以很好地把控对土方工程上经济和人力的投入。精确的场地分析和设计是优秀项目设计的基础，准确地评估、更快速地完成高质量方案，便于管理者完全掌控整个项目。

从上述的对比分析中看出，在专业之间的设计协调上，一个虚拟但真实还原了设计意图和建造本身的三维场地数字模型是传统各个专业的二维图纸的信息叠加远不能企及的。但是任何自动、智能的设计软件都只是辅助设计、辅助人脑的工具，每一个步骤的实施都离不开使用者的主导控制。只有结合设计管理人员的专业素养、综合分析能力和判断力与BIM 技术，才能够发挥其真正的作用。

2 项目前期的分析应用

BIM 在项目前期的介入，以数字化模拟、数据管理应用等方式，减少规划设计过程中模糊性的经验决策。同时，三维直观可视化的模型也易暴露项目中的灰色地带。通过比较准确的数据分析成果，进行规划决策。反复验证的过程，对于项目中期、后期的走向是有益的。再者，将专业知识发挥在新型技术平台上，不仅可提高设计人员的效率，还使项目定位的走向更加明晰。

在贵州省贵阳市兰草坝项目规划设计中，考虑该地区山地高原地貌特征明显，以充分利用原始场地地形为先决条件，进行场地设计前期研究。图 1 ～ 图 4 表示基于原始场地地形的各个因子分析成果，从场地单因子层面上看，对规划方案形成有比较科学、经济的指导意义。

图1 现状高程分析

图2 现状坡向分析

图3 现状流域分析

图4 现状坡度分析

3 竖向设计、场地整平、土方计算以及工程管理

竖向设计一般包括合理布置场地标高、场地整平、计算土方工程量、完成土方调配方案、协调室外标高、确定合理的室外排水方案等内容，其中场地整平、土方计算是场地竖向布置中较核心的一部分，也是项目工程管理中一个比较重要的环节。在地形复杂、地下室开挖量大的项目中，应用带有数字支持以及数据动态联动的三维设计方式，处理土方工程以及方案调配优化等问题，不仅大幅提升了施工效率，而且将设计以及管理人员从烦冗重复的绘图计算工作解放出来，让他们更加专注于方案设计，极大地提高效率、节约资源。

图 5 为上海度假旅游区某酒店的室外总体竖向设计地形。在设计、施工过程中，结合场地竖向规范要求，完全利用三维的模型控制场地的标高和坡率。如停车场的坡率不超过 3%，人行走道的纵坡坡率不超过 3%，车行道的坡率不超过 8%。

图5 室外总体场地设计三维数字地形

苏州工业园区体育中心项目工程借助 BIM 载体，场馆本身应用，在整个园区的土方工程中也实现了精益化设计成果。BIM 在苏州体育中心项目的基坑施工阶段土方计算与现场土方调配方案优化中的应用具有典型性，是土方工程精细化的管理成功案例[3]。

首先，基于初步整平后的场地模型以及项目工程地下开挖的要求，确定了第一步基坑开挖的范围、深度，通过三维模型及时反馈出开挖出的土方数据结果。

根据场地内施工顺序不同的安排，挖方的模型也分为各个时序、各个区域，进一步精确地计算出土方项目预算，为下一步土方调配方案优化提供指导性的数据基础[3]。具体数据见表2。

基坑开挖后，场地内寻找回填土的对方区域，配合实际项目工程的建筑标高以及场地设计标高，填方模型和挖方模型也分为各个时序、各个区域，进一步精确地计算出土方项目预算。场地内堆土容量明细表见表3。

3 个体育场馆地下基础结构部分完成后，建筑地坪下的一个回填计算过程：利用理论回填体积（回填深度×建筑地坪面积）扣减建筑地下基础结构（地梁、结构柱等），得到一个较为精准的回填土数值，地下基础结构的量则由 BIM 结构模型—REVIT 模型提取。

表2 基坑开挖量明细表

表3 场地内堆土容量明细表

经过 BIM 的分析计算已知：基坑开挖土方量，堆填筑场地所需的土方量，各单体垫层下基坑回填所需的土方量。由计算可知，在概算编制时需判断，是将多余的土运出去，还是需额外采购。同时还需考虑土质在自然状态和夯实状态下体积的变化，精确规划如表4 所示。在前期土方施工范围精密地细分和土方准确地计算基础上，得到一个合理的土方调配方案。基于项目总体挖方与填方的数据修正，最后的数值结果为后期景观专业的介入留有余地，对其后期景观的竖向设计有非常重要的指导意义。

表4 基坑施工阶段现场土方调配方案

4 室外总体管线综合

地下工程管道数量多，功能复杂，设计周期短，实际工程中容易与地下结构的梁板柱、风管和电气桥架的位置发生冲突，常常会使得工程返工、延期，或影响美观，造成不必要的损失。

在设计过程中，基于原始数据（周边市政管网、场地数字地形、设计数字地形）收集录入统一的管理系统平台，大量的管网设计资料由每个设计人员提供，集中进行系统管理，使项目数据的出错率大幅缩小，数据的一致性和设计质量得到了保证。例如，给排水管网设计人员在 BIM 辅助设计下，基于三维的设计地形划定场地内的汇水区域，拟地表雨水流向，计算分区雨水量，从而确定管网直径的尺寸和管线的坡降。

另一方面，在各专业协调的过程中，三维可视化的设计成果省去了比较杂乱的读图过程，随时可以找出矛盾、需要协调处理的地方，大幅缩短了设计周期，节省了人力。虽然在专业技术、经验、知识上目前还未能做到较大突破，但是三维的可视化模型可以实时反映沿着主管网走向的纵断面、每段管网的起始标高/坡降关系/终点标高、与其他管线的穿插关系，与地表竖向设计的埋深关系，实时变更的设计地形为设计人员省去了复杂的绘图工作。

5 基于 BIM 的场地设计革新

通过 BIM 技术在实际场地工程项目的应用，综合理论预期和现实成果，可以明晰地发现其核心价值在于集成所有的项目信息，以三维可视化的手段，基于可编辑、可完善整理、易分析提取的数据信息库，为复杂、多反复的项目过程提供简单、精准的辅助支撑，满足能够协调解决在传统模式下需要花费巨大时间与人力成本问题的需求。由于这些迫切的需求，基于 BIM 技术的工程项目场地设计再创新将面临可预见性的革新和发展。

5.1 应用点创新

（1）应用点一：项目决策。BIM 将提前介入项目立项阶段，基于 BIM 的场地设计在项目前期中具有重要价值。在项目最开始的开发中，专业设计人员基于分析数据基础可以帮助业主做出利益最大化的决策方向，涉及土地开发的必要性、不同地貌土地的适宜开发方向、不同地块的开发成本预判、划分近期远期开发区域策略等。

（2）应用点二：设计管理。数字虽虚拟却真实还原了设计意图和建造本身的三维场地模型。这是设计管理手中的一把利器。在传统模式下，管理者只能面对大量的单专业且信息离散的图纸，包括景观竖向、市政管线、市政标高、给排水、天然气、强弱电等异常复杂的二维图纸叠加，无法辨别项目进度、图纸质量。三维直观的模型可以提取出的显在信息和隐藏信息是巨大的。假设项目管理中运用了场地模型，管理者将非常清楚哪些专业设计可能进度滞后、硬性的设计要求有无满足，例如管线埋深、管道间的避让等。亦随时提取业主关心的数据，例如坡率的控制、三维效果等。

（3）应用点三：成本控制。在项目前期的成本估算中及工程项目建造过程中，BIM 技术都发挥了非常大的作用。另外，基于 BIM 的场地设计也减少了效果图成本，呈现了最真实的建造成果。

5.2 设计方法重构

新的工具带来了设计技术流线上的改变，各个专业之间的相互等待提资改为面对同一平台共同作业。随着设计进程的时间推移，各个专业间的设计边界将会由清楚到模糊再到清楚。事实上，虽然绘图效率有提升，但是设计人员面对这种融合后的工作流程可能会面对更大的压力和挑战。因为设计人员需要提前解决在传统模式下大量要到后期施工阶段才会暴露的问题，然而依循传统模式的许多设计环节，例如各专业间的设计协调、深化设计调整等都要被迫前移。节省下来的工期、效率以及避免浪费的资源使得最大的得利者是业主和社会公民。

5.3 设计表达与建造革新

三维设计的表达方式种类其实远远超越二维图纸的方式。譬如竖向设计的表达不再拘泥于等高线、点高程或者方格网放线等施工图，当然这些传统的二维表达方式都可以轻松地从三维模型中提取。可以试想新的三维设计的表达方式之一可能是一连串精度非常高的点云数据。其阅读对象也不再是需要放点弹线的施工工人，而是一台可以直接录入数据的全球卫星导航系统三维机械控制推土机。

6 结 语

早在 2015 年，中央城市工作会议就明确提出“城市的精细化管理”要求。随后，城市的建造与管理也引入了“互联网+”的模式。运用爆炸式发展的大数据协助城市管理者实现精细化管理，智慧城市的概念也应运而生，智慧城市概念下的城市规划是离不开数字化信息化的 BIM/GIS 技术的。场地设计作为城市规划的重要部分，也必将顺应这个时代的需求，走向革新之路。