建筑方案BIM正向设计方法浅析

华国栋

（上海水石建筑规划设计股份有限公司）

1 BIM正向设计的定义

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型，是目前基础建设行业最炙手可热的关键词，也已成为建设行业未来最重要的发展方向。国内设计环境中，BIM多指Autodesk Revit(下文简称Revit)和Graphic Soft Archicad两个软件，部分异形建筑会涉及Catia Digital Project。但以目前软件普及度和大众认知度来看，BIM约等于Revit。故此文后续将以Autodesk Revit 2020作为BIM技术整合的综合平台进行解读。

正向设计——笔者实践过程中提出的新定义：BIM正向设计是以REⅤIT软件 为 平 台 ，协 同Rhino、Grasshopper、CAD、小库等多个软件平台的综合设计流程。BIM软件本身还在发展中，并不代表仅使用REⅤIT就能满足所有不同设计需求。例如在处理平面总图方面，需要AUTO CAD和小库平台辅助；在处理复杂造型时，需要Rhinoceroes和Grasshopper软件辅助，在渲染出图方面还需要Lumion和Enscape这些渲染软件的辅助。在整个设计流程中，Revit软件最有价值的是信息综合管理能力，以及从三维模型导出精确二维图纸和各种数据的信息连续性。

2 BIM正向设计需要解决的技术问题

2.1 协同与工作集

协同设计工作分为两种情况。

①是建筑专业内部，因为设计体量过大，需要分楼幢或分区块设计，为了解决同时设计的冲突和影响，在统一的协同工作集下面一起工作，属于建筑设计师内部的相互协同。这种情况在传统CAD工作模式中非常容易造成冲突，例如修改平面和总图的人员没有及时告知修改造型和单体的设计人员进行相关修改，容易造成信息不对称，导致大量返改。而采用协同工作集的时候，互相之间的工作界面是被清晰界定的，比如说A工作集与B工作集预先设定好权限，如果A修改到B部分工作时，系统会自动弹出B是否修改确认的许可。且因为所有人员和部门是在修改服务器上的同一个核心文件，所有的修改都会综合反映到这个核心文件上，确保设计内容相互匹配。

②是各专业之间，例如建筑工程师和结构水暖机电工程师之间的跨专业协同。如果项目本身规模较小，可以将暖通、给排水和电气三个专业集中在一个MEP机电REⅤIT模型中制作。同时设备工程师和建筑师一起协同工作，原理和第一种情况相同，但是涉及专业间相互交圈时，沟通上就需要更有主动性。软件本身也提供了碰撞检查功能，确保结构和机电管线没有碰撞冲突。但软件并非万能，在正向设计的流程中需要建筑师作为主导实时检查相互间的关系，以确保建成实施的精确性[1]。

2.2 出图的标准化

出图标准化问题在传统流程中多是靠公司内部制定规则，基于人为检查及天正图集和天正图层解决。大多数方案公司对此落实并不到位，往往导致方案图纸移交到施工单位时出现大量信息缺失和纰漏。

正向设计，是需要方案建筑师从方案阶段直接做到施工图阶段甚至竣工图阶段为前提条件来思考整个设计流程的。因此前后阶段之间的交互性和图纸的规范性非常重要。

采用BIM正向设计出图模式，应该开始就预设好图纸本身的图纸集及需要的标准平面剖面立面的大概样张。这么做的最大优势，在设计过程中，正向设计是一定要考虑到反复修改和重新出图便利性的。预设好所有图纸的样式，图集，图例符号后，任何设计发生变更后都能够通过软件自动打印出更新后的图纸，避免反复排版和打印的无价值流程，让设计师聚焦于优化设计本身。

2.3 单体指标的精确性

传统CAD流程中面积是靠CAD选用封闭多段线后，用AREA功能进行数据读取，再到EXCEL表中手动相加。此种方式有一定灵活性，但同样也因大量的人工操作带来了不精确性。而因为面积线和设计原图修改的对应性，又需要重新检查复核，且面积计算规范中有大量不同情况下的面积判定，因此在最终出图时检查准确性也较为困难。这会导致在出图的时候面积数据不精准，结果在报规阶段遗留了大量数据问题，最终到施工图阶段更难以解决。

3 BIM正向建筑设计与传统建筑设计模式的对比

传统建筑设计流程大体上来说是以Autocad为核心的总平面图设计，以天正和CAD结合进行建筑单体平面设计，以Sketch Up建模为主进行建筑造型设计推敲，以外部效果图公司为核心的渲染表达，以CAD和天正为主的平立剖图纸设计表达等等。

BIM正向设计流程则不一样。

①项目最初阶段确定好项目真实世界坐标位置，在BIM软件中完成世界坐标参考点和模型参考点的预设，此步骤需要结合AUTOCAD软件。

②在规划初期阶段，CAD单线即可满足户型推敲需求，此阶段不需要二维三维对应，不宜过早介入BIM三维模型。

③在方案平面阶段，BIM能够比较准确的同步列出各房间套内面积，公区面积，指标表，避免人力计算带来的误读，适合逐步将前续CAD成果转化为BIM成果。

④在单体造型阶段，BIM使用价值极高，能够确保平面图纸和造型的准确对应，实现三维化模型思考的设计方式，实时判断每一次平面或造型改动带来的关联性影响。

⑤在出图阶段，BIM可以做到修改模型即可不限量自动导出传统平立剖图纸。

⑥在扩初阶段，可实现外立面控制手册和方案图纸的设计连续性，以及分色图、材料图、门窗表统计的精确性。

⑦在施工图阶段，便于与水暖电等其他专业合作出图，便于与装配式建筑和幕墙深化团队对接，轻松完成落地品质控制和碰撞检查，乃至整个建筑智能化系统的整合等。

在整个设计阶段中，能最高效的应对因投资方、政府政策、设计决策变化带来的设计修改，做到实时修改，实时出图。总之，越需要考虑复杂建筑立体模型的应用场合，BIM作用越大，带来的效率和准确度提升越高。数据和设计内容的精确对应，实时联动，也是BIM正向设计能显著发挥优势的地方[2]。

4 方案前期设计阶段BIM正向设计的应用方法

前期设计规划阶段主要解决如何用足容积率的问题。损失可销售部分的容积率等于对土地价值开发的浪费，在规划阶段将容积率做到控规指标上限是规划设计阶段的基本要求。

规划设计中影响容积率有如下几个客观因素：日照规范、间距要求、退红线要求、限高要求等。还有几个人为操作因素：产品定位、不利地块利用度、单体楼型选择等。

传统设计方式中，CAD是完成规划阶段的主要工具。利用CAD单体图块的排布，在符合规范要求前提下进行总图推演，目前国内得到规划局认可的日照软件众智、天正均为CAD二次开发插件，因此BIM设计在规划初期阶段仅能作为辅助工具使用，但可以通过如下步骤为后续方案深化设计打好基础[3]。

建立项目基地模型，精确表达项目周边环境模型，项目基地边界位置、高程关系，周边路网关系等。一方面是项目规划分析需要，另一方面是确定项目坐标。通常得到的CAD地形图资料并非正南北，且没有明确的城市XYZ坐标。传统方式会选择红线一角点作为原点开始建模，或者直接旋转到与基地某红线边平行开始建模，这种方式往往为后期模型的精确化留下隐患。因为在无法确定世界坐标系和正确南北方向的模型上工作，容易出现团队成员间及各软件协同间的信息传递错误。且高程信息也往往被忽略，而实际设计中，高程关系也是必须考虑的总图要素。

采用正向BIM方式可以规避如上问题，在项目的初期确定精确可调整的地理位置坐标。同时需要理解REⅤIT的核心概念，世界坐标和项目坐标的分离（见图1）。

图1 基准点和测量点

Base Point即项目基点中圆形图标，指模型建立或者图纸绘制的相对坐标，一般取红线角点或单体建筑轴线角部交叉点。是为了绘图便利的图形坐标系。圆形坐标的概念即为常规建模中的项目模型基点，可以定在项目红线某角点处。但是，一旦确定，多软件协同中均需采用此点作为项目原点。举例说明，后期单体楼幢极有可能分拆各人分别设计，用于渲染出图时景观和建筑坐标也需统一。BIM团队和非BIM团队之间的协作，也需要统一的坐标系。同时，圆形图标也携带了项目坐标的正南北信息，便于在不同世界原点坐标的正南北方向绘图[4]。

Survey Point即图中三角形图标，是测绘中的世界原点坐标，用于现场测绘放样精确确定楼幢位置。此两点是三维空间点，均有XYZ三个坐标。三角形坐标用于确定项目和世界坐标的相对位置和角度，后期确定XY坐标体系时也是以此为基准。用REⅤIT进行图纸整理的价值在于为后期建模，出图，施工图对接做准备，且能有效规避团队合作时坐标系错乱各人楼幢无法拼合的问题。

CAD+SU流程的设计实践中，不同软件的世界坐标系存在比例问题，原点位置问题及南北方向角度问题，在REⅤIT体系中统一整合后，此类问题可以彻底规避。

建立项目周边环境模型有两个阶段用途。阶段一主要用于日照分析和规划阶段周边环境的分析解读，此阶段只需要基本的体量模型，重在表达清楚周边建筑的轮廓，高度和层数。资料输入来源一般是CAD格式的周边地形红线图，建议采用Rhino、Sketchup建模导入REⅤIT的方式。BIM正向设计是以REⅤIT为信息收集终端的综合流程，并不一定所有模型都在REⅤIT中建模，运用高效适用的方式建模，最终以BIM信息进行综合是能够提效且最大化工作成果的合理方式。

5 方案深化阶段的BIM设计应用

除规划阶段的应用，BIM正向设计最主要的应用在方案设计后期阶段，尤其是跟施工图配合，提交外立面控制手册和控制外立面细节的阶段，一个精确的全三维模型能起到非常大的辅助作用。

首先，相比于传统的CAD加SU的模式，平面和模型往往会有多人协同时信息的不对称问题，例如出现造型设计已更改，但是平面或者墙身没有跟上修改的情况，以前的传统模式，只能适用于较简单的横平竖直的墙身，一旦出现现代建筑设计中有斜面或曲面幕墙的情况，往往力不从心，难以准确计算精确的斜度和视觉投影线，这些在BIM正向设计当中都能够避免。

另外一个优势是BIM正向设计能够使图纸更新更快速和便捷。在上文中已提到，BIM的本质是在模型阶段，通过三维精确模型的方式解决传统出图问题。也就是说，通过一个模型的表达，能够剖切出精确的墙身和平立面放大图，以及处理立面的分色材料图等。这些在传统设计流程中需要较多人力用手动去完成的工作，现在都可以在软件里面用软件协同的方式综合RHINO和SU软件来一次性完成。也就是说，在方案后期深化设计时，只要模型本身建模精确，所有的墙身节点和外立面分色图都会随之而变，这就起到了通过正向BIM设计流程精确控制建筑设计品质的作用[5]。

在跟施工图单位对接的过程中，BIM正向设计流程也有非常大的优势，尤其是在复核梁板柱和建筑平面图对应性方面，建筑和结构拍图流程因为设计时间问题往往被压缩。最后各专业图纸放在一起，在物理上是无法实现的。但是如果采用BIM正向设计的方式，由方案设计师实时更新BIM模型，可以在设计调整的初级阶段进行碰撞检查，确保各专业设计图纸能够完全对应，在落地的时候就不会出现大量的返工，造成人力和物力的严重浪费。

最后，在材料的管理和选型上，BIM正向设计也有非常大的优势，因为REⅤIT内的材料库是能够自定义的，可以放入对应材料的贴图，进行成组编号，备注信息颜色信息尺寸等。在表达材料分缝的时候，贴图跟线稿CAD也能准确对应。所以在现场施工的时候，能够确保工程图纸、效果图和施工现场的精确对应性，区别于传统模式，依赖反复沟通和设计师个人的仔细程度，确保每一个材料位置不发生错误。在方案设计阶段，通过BIM正向设计流程的运用，把精确性、对应性需要复核的工作流程，交给电脑软件去实时处理，让人尽量多的去做主观的设计判断和设计创意，这就是BIM正向设计流程相比传统设计流程的最大优势。