BIM技术在建筑设计阶段的应用

■ 中铁十八局集团第三工程有限公司 惠杰

引言

建设项目从规划、设计、施工、运行维护到拆除的全过程具有技术含量高、建设周期长、不重复、多单元等特点。传统的建设项目管理信息沟通不畅，重复建设屡见不鲜，采用BIM技术有利于实现建设项目的单元协作和信息共享。

规划设计阶段是影响建设成本和运营周期的重要阶段，研究人员和开发人员对BIM在新建建筑的设计、规划和建造方面的应用越来越感兴趣[1]，主要的研究趋势集中在预先计划和设计的改进、碰撞检测、可视化、量化、成本分析和数据管理[2]。在BIM的建筑评估和能源分析研究中，Alwan等[3]通过建筑环境评价应用BIM技术研究发现，应用BIM技术可以快速有效地进行绿色建筑评估；Samuel等[4]研究发现BIM工具可以有效地进行建筑能耗分析，为设计人员提供帮助；Smith[5]讨论了成本管理专业人员在BIM领域中各种现有软件、技术和工具的实施和有效利用；李新伟[6]通过研究基于BIM的设计与施工协同工作模式，实现了设计阶段和施工阶段协同工作的信息传递；郝会杰[7]以北京海淀区西钓鱼台嘉园危改住宅小区（三期）工程为例，利用BIM软件结合模架规则解决模架设计施工中的问题。

BIM技术具有共享性、可视化、协同性、仿真性、优化性和绘图性等特点，制定合理的BIM项目执行计划，有利于充分发挥BIM的各项价值，实现建设项目的预期目标。本文对BIM技术在建筑设计阶段的应用进行研究，以期为BIM技术在建筑设计阶段的应用提供参考和借鉴。

1.BIM对建筑工程设计阶段的技术影响

建筑信息模型（BIM）是工程领域出现的一项新技术，其将工程项目各种相关信息与三维数字技术相结合，近年来在建筑工程的设计、施工和运营后管理阶段得到广泛应用，显著提高了工作效率，降低了工程建设风险。

1.1 可视化

在传统的可视化效果图制作中，工程师通常需要把二维图纸重新设计建立三维模型，而基于BIM技术的建筑工程设计可以直接省去这个步骤，如图1所示，工程师直接从BIM软件Revit平台中以三维DWG格式导出模型，将模型导入3DS Max等软件，制作建筑项目效果图，这样就不需要重新在3DS Max等软件上建立三维模型，从而节省更多时间，把精力放在材质选取、调整光源及人车显示等，增强效果图的真实感。

图1 软件制作效果图

1.2 协调模拟

各专业之间协调配合是建筑工程设计工作中的重要内容，在传统的二维CAD图纸设计中，各专业设计工程师由于协调不到位，常常导致碰撞问题的出现，致使设计效率和质量降低。而在传统建筑工程设计中，各专业之间的协调也会浪费大量时间，协调效率和质量无法得到保证。通常在实际施工中各专业协调时，需要参建方与各专业设计师开会协调，找出最终解决方案，这样的协调组织方式耗时耗力，极大地降低了工作效率，甚至影响工程质量。

1.3 优化出图

BIM技术在建筑设计阶段的一大应用特色是优化出图，首先可以利用BIM软件建立三维模型，根据需求自动生成建筑的立面图、俯视图及剖面图等，这样可以为设计师节省大量画图时间，把更多时间与精力放在优化设计上，不断提高设计效率和设计质量。但现阶段BIM软件自动出图最大的局限是自动生成的图纸不能完全满足建筑工程规范要求，还需要对软件生成的图纸进行大量修改，这无疑增加了设计师的工作量，如若能解决这种软件自动出图和最后实际图纸之间“最后一公里”的问题，可以极大地提高设计效率，为建筑工程设计“添砖加瓦”。

2.BIM技术在设计阶段的应用

本文以西咸创新大厦项目为工程背景，对BIM技术在设计阶段的应用进行分析。

2.1 工程概况

西咸创新大厦位于西安西咸新区丝路经济带能源金融贸易区起步区内，能源二路及金融二路十字路口西北角区域，总建筑面积约42564.17m2，地上建筑面积33341.59m2，地下建筑面积9222.58m2，建筑高度78.00m，为高层公共建筑，其塔楼为商务办公，裙房为商业用房，地下室为停车库、人防及设备用房多个功能区域。建筑工程等级为一级，抗震设防烈度为八度，框架及剪力墙结构，地上20层、裙楼3层、地下一层。

2.2 设计方案

利用基于BIM技术的建筑工程可视化功能，结合周围环境等情况确定建筑布局位置，最大程度地利用场地面积，如图2（a）所示；利用基于BIM技术的建筑工程信息共享及交互设计的功能，让多个不同设计工程师共同参与建筑整体规划设计，提高规划设计效率，如图2（b）所示；进一步分析周围环境以确定建筑朝向和建筑出入口等，通过合理的规划设计以达到办公商业人群分流，如图2（c）所示。

图2 规划设计方案图

利用3DS Max和Revit软件对建筑工程建立体量模型图，如图3（a）所示；根据建筑工程的基本要求，对比分析建筑面积、每一栋的体量及功能布局，最终得到精细化的体量模型，如图3（b）所示；通过建立与分析单个建筑的体量模型，最终得到整个建筑项目合理的概念体量模型，提高后续的设计效率，利用BIM技术软件的即时显示功能，对建筑的空间功分区进行详细设计，如图3（c）所示；检查功能分区的合理性与实用性需要设计师具有一定的设计经验和空间想象能力，设计师也可以通过BIM软件对建筑功能分区及时进行交流讨论与分析，最终得到合理的功能分区布局，如图3（d）所示。最后，利用BIM软件的仿真渲染功能，对建筑的颜色和材料进行仿真模拟，由此得到的最终设计效果渲染图，图3（e）、（f）展示了外装饰的设计效果。

图3 建筑体量、空间分区与外装饰设计图

2.3 性能分析

仅利用BIM技术对建筑工程进行建模渲染，对于建筑工程设计来说是远远不够的，建筑设计还需要对建筑进行性能分析，可以利用BIM软件对建筑的场地环境进行三维建模，然后将三维模型导入流体力学CFD分析软件对建筑风环境进行分析模拟。

图4和图5分别为建筑在夏季时受东南偏南风风场作用和冬季时受东北偏北风风场作用下风环境情况，建筑项目室外1.5m高度处的风速和风压云图。从图4（a）可以看出，建筑群的最高风速出现在建筑群迎风面的内侧边角，整个建筑群平均风速达到2.7m/s，且建筑周边的风速流场分布较均匀，没有涡流产生。从整体上来看，夏季通风状况良好，符合舒适度要求且满足绿色建筑的标准。从图4（b）可以看出，建筑群的最大风压出现在建筑群迎风面前排建筑外侧，大约为3.5Pa，东南面风压大致为2Pa～3.5Pa。在夏季东南风场下，建筑群风压基本满足要求，建筑群具有一定的自然通风能力。从图5（a）可以看出，建筑群的平均风速在1.7m/s 左右，风速最高达到2.3m/s，且建筑周边的风速流场分布较均匀，没有涡流产生；夏季通风状况良好，符合舒适度要求且满足绿色建筑的标准。从图5（b）可以看出，建筑群的东北面风压大约为1.5Pa～2.5Pa，最大风压出现在迎风面的前排建筑东南方向外侧，约为2.5Pa；在冬季东北风场下，建筑群风压基本满足要求，建筑群具有一定的自然通风能力。

图4 夏季风速与风压云图

图5 冬季季风速与风压云图

2.4 方案深化

在传统建筑工程设计中，初步设计后才能进行方案深化，但是基于BIM技术在建筑设计阶段的应用，利用BIM技术的可视化、协调模拟和优化出图的功能，可以将方案深化提前，可以及早发现问题，提前解决问题，提高方案深化效率。

进行方案深化时，要对建筑进行细化处理，建筑的墙柱、门及楼梯等细节部件进行复核检查，及时发现问题、解决问题。通过不断的细化处理，方案优化后的建筑幕墙效果如图6所示，在实际的幕墙优化中发现转接件在幕墙玻璃嵌板位置过于靠近立柱，优化后该转接件仅在A1#楼就有11915根，长度约15625m，重约3.4t，可节省材料费6万元。在图6（c）中通过优化将原设计的平面转弧面的特殊玻璃改为单曲面弧形玻璃，在明细表中，该转接件玻璃仅在A1#楼就共计约560m2，平面转弧面的玻璃比单曲面弧形玻璃贵90元/m2，总计这一举措仅A1#楼就可省5.04万元。由此可得，通过不断的方案深化，不但可以发现建筑中存在的问题，且可以节省工程造价。

图6 优化建筑幕墙效果图

3.结论

本文以西咸创新大厦项目为例，对BIM技术在建筑工程方案设计及深化的应用进行分析，主要结论如下：

一是利用BIM技术可视化功能，能合理确定建筑布局规划方案；通过建立与分析单个建筑的体量模型，最终得到整个建筑项目合理的概念体量模型，能为后续的设计提供数据支持；利用BIM技术软件的即时显示功能对建筑的空间功分区进行详细设计，最终得到合理的功能分区布局。由此，BIM技术能够快速合理的确定建筑工程设计方案。

二是通过利用BIM软件与分析软件数据对接，对建筑群进行风环境分析，不断地优化分析数据，对比不同方案下的建筑风环境分析结果，最终得出满足绿色建筑风环境要求的方案设计。

三是利用BIM技术对建筑模型进行细化处理，及时发现问题，提前解决问题，通过不断深化处理，可以发现建筑中存在的问题，且可以节省工程造价。