全面BIM正向设计的关键技术与管理要点

(广州优比建筑咨询有限公司，广州 510060)

引言

BIM技术在设计阶段的本源目标是代替原有的CAD设计模式，将二维设计升级为基于BIM模型的数字化三维设计。在过去十多年的BIM实践历程中，由于遇到技术、资源、管理等多方面的限制，BIM设计并没有如预期般快速代替CAD设计，大量BIM设计应用的案例仅以BIM模型作为CAD设计成果的验证，或作为管线综合深化等专项应用的技术手段，行业内俗称“翻模”。相对应的，以BIM技术进行设计，并基于BIM模型输出图纸成果的方式则被称为“BIM正向设计”。坚持践行BIM正向设计模式的设计团队数量相当少，以设计院为单位整体推进BIM正向设计的设计企业在行业内则更属极少数。

进入“十四五”时期，建筑业提出“数字建造”的转型目标，同时开始启动城市信息模型(CIM-City Information Modeling)的研究和示范应用工作，在此背景下，BIM正向设计的必要性与迫切性就凸显出来。

数字建造的源头数据形成于设计阶段，主要承载形式是项目BIM模型，而建造活动依据的主要文件是图纸，因此只有当BIM模型与图纸文件相一致时，BIM模型才能作为数字建造的数据源。CIM对于其数据源也同样有模图一致的要求，否则就无法成为支撑智慧安全、智慧交通、智慧城管、智慧社区等智慧城市应用场景服务的数据底座。因此“模图一致”是对设计阶段BIM成果的一个基本要求。

虽然理论上通过人工和软件辅助检查等这些方法也可以做到模图一致，但真正实施起来需要花费的投入经济上很难承受，技术上也无法保证。要从技术上保证模图一致，目前能够找到的唯一可行办法应该是图从模出，也就是行业习惯所说的BIM正向设计。因此BIM正向设计对于“十四五”建筑业数字建造转型、CIM模型支撑智慧城市建设和管理，均有着重要的意义。

可以预见，在设计端内在的原生驱动力未能推动其全面转型为BIM正向设计的情况下，极有可能在数据应用端的外在驱动力下取得突破性的进展。

为了适应建筑业数字建造、CIM的发展需求，设计行业应与软件企业一起，研究实现BIM正向设计的具有普适性的技术路线，尽快实现全行业的主要设计模式从二维CAD模式跃迁至BIM正向设计模式。

本文着重探讨设计企业转型“全面BIM正向设计”的关键技术与管理要点，对于常规BIM设计应用不作深入探讨。必须强调的是，BIM正向设计目前确实还存在着很多技术难点尚未有理想的解决方案。本文的观点是不能因为一些难点而止步，应从整体效益出发推进设计进程。有些解决方案虽然并不完美，但能通过某些方式绕过障碍，我们也权且采用，同时期待软件厂商解决或自己尝试开发解决。

1 全面BIM正向设计综述

BIM正向设计是整个建筑设计过程的流程再造与优化升级。它不单单是通过BIM软件建立BIM模型进行设计、并且出图，更关键的在于多专业的协同设计、互提资料、校对、审核、交付、归档、变更，乃至设计过程中的讨论、汇报，施工配合阶段的交底、工地巡场等全流程生产方式的切换。只有将BIM模型、BIM软件作为日常设计、交流的工具，习惯成自然，才能形成可持续发展的生产力[1]。

图1 结构平法表达的实现示例

而这个生产方式的转变，离不开企业自上而下的策划与管理。BIM正向设计由于多专业紧密配合，其图面表达又来自于三维，因此与CAD模式相比，规则繁多、要求严谨。粗放的管理模式不适合BIM正向设计； 没有强有力的企业级技术管理，则难以形成技术迭代，无法从根本上提高效率。诸如设计样板文件、企业构件库的建立与维护，建模与出图规则的制定与落实，技术难点的研究与探索，易错点的总结与宣贯等，无不依赖于企业管理层面的主导。从这个角度看，说BIM正向设计是设计企业的“一把手工程”实不为过。

2 BIM与专业设计的结合

BIM正向设计要求直接应用BIM技术、BIM模型进行设计，而各专业的传统设计流程中，已有成熟的专业设计软件与设计流程，当切换为BIM正向设计流程，就需要将BIM技术与专业设计软件相结合，才能实现真正的“正向”流程。

建筑专业的BIM正向设计主要在基于BIM的建筑方案比选、性能模拟分析、造型与空间的深化设计与出图等方面[2]。由于其在各专业中相对较成熟，在此不作展开。

2.1 结构专业BIM正向设计

对于结构专业来说，就需要与结构计算模型进行交互。结构专业的BIM正向设计与其他专业有一个明显的区别，即BIM模型与其本专业的计算分析模型是分离的(目前行业内的普遍状态)，目前仍需基于CAD重建结构BIM模型，或从计算模型导出BIM模型再完善[3]。在这种模式下BIM更像是结构本身的设计流程的一个分支，作为本专业成果的三维表达与其他专业进行提资与配合。BIM模型对于结构出图来说，以仅表达几何尺寸的模板图为主。钢筋信息方面，结构专业的平法表达在BIM软件中主要通过录入构件钢筋信息，再添加各种形式的标注来实现，如图1所示。

图2 广厦GSRevit从BIM模型直接平法出图

图3 根据BIM模型数据及规范要求进行机电设计

此过程如果通过手动录入钢筋信息，再手动标注成图，工作量非常大，不建议采用。目前已有多家软件厂商在研发从结构计算模型中导出钢筋信息至BIM构件，再通过插件自动标注成图的技术，未来有望成为成熟流程。

更进一步的解决方案则是将结构计算模型、BIM模型、BIM平法出图合而为一，目前已有结构专业的软件厂商在研发这个解决方案，其中广厦软件已推出产品化的软件GSRevit，如图2所示，未来应成为一种主流的方式[4]。

2.2 机电专业BIM正向设计

机电专业在以往“BIM翻模”流程中，主要用于管线综合设计。在BIM正向设计流程中，则需直接在BIM模型中提取建筑空间、房间、构件属性等信息，作为输入条件进行专业计算与系统设计，然后进行设备、末端、管线路由的设计及建模，最后标注出图，如图3所示。此过程需要设计师的思维转变[5]。

目前也已有软件厂商在Revit平台上进行机电设计相关的二次开发，如鸿业BIMSpace，有成体系的各专业设计工具，包括水力计算、空调负荷计算、设备选型布置、末端布置等，如图4所示，对机电专业的BIM正向设计有明显的提升作用。未来，预计越来越多的软件厂商甚至设计机构会进行基于规则的机电末端智能排布、管线智能排布的开发，从而大幅提高设计效率。

图4 鸿业BIMSpace设计功能示例(水泵选型)

3 BIM制图与成果导出dwg

3.1 BIM制图技术

BIM正向设计的概念已包含了基于模型形成设计文档的要求，因此是否基于BIM模型出图是判断是否正向的一个关键依据。关于这个观点业内仍有争议，本文不展望过远的未来，仅从当前设计行业的现实出发认为：BIM制图技术是BIM正向设计的首要关键技术。

目前广泛应用的BIM设计软件Revit与ArchiCAD等均支持基于三维模型进行二维表达[6]，并已考虑了专业的表达习惯，其制图原理基本一致，均为基于三维模型进行投影或剖切，得出二维的视图，再补充必要的注释图元，形成传统意义上的图纸，如图5所示。

图5 模型剖切及投影形成二维图纸

但其中来自构件的二维线条跟三维构件是关联的，无法像在AutoCAD里一样自由编辑。虽然BIM软件已经在此基础上根据专业表达习惯进行了大量的适配调整，外部载入的构件也可以自定义二维表达方式，但受到的掣肘仍然相当大，往往需要花大量的时间去研究如何实现，或者去修改构件的二维表达。

因此，BIM正向设计的技术体系需要研究各个专业、各种图别(如平、立、剖面、大样、明细表等)的BIM制图方式、各种图面的表达细节，以实现符合(或至少接近)传统的专业制图规范与表达习惯，如图6所示。

图6 机电图面表达细部示意

以Revit为例，与BIM制图相关的技术体系包括：对象样式、线宽设定、各种视图的构件开关设定、线型设定、各种构件的二维表达设定等。这些设定中的一部分可以保存为预设的视图样板，进而保存为设计模板文件。

3.2 BIM成果导出dwg文件

图7 优比ReCAD插件导出符合习惯的dwg文件

图8 Revit原生导出dwg文件与优比ReCAD插件导出效果对比

BIM正向设计与CAD设计之间并非割裂与替代的关系。实际项目中，只有做到BIM与CAD之间的二三维融合与无缝对接，才能真正让BIM正向设计落地。这其中既有各专业内部的设计分析软件与BIM软件之间的配合，也有设计成果与业主及室内设计、园林景观、幕墙深化、造价等专项专业或外部参与方之间的配合，此外还有审批、交付、归档等各环节的要求，均无法离开CAD作为连接载体。Dwg仍将是在未来相当长的一段时间内设计交互、成果提交的通行格式。

然而，主流的BIM设计软件Revit自带的导出功能难以实现接近AutoCAD绘图的效果，字体、图层、标注样式、线型等方面的设定自由度低，往往造成dwg文件的后处理工作量巨大，影响交付效果，对BIM设计的推进也造成额外的阻力。

为解决此问题，需使用二次开发技术，对软件导出的dwg文件进行后处理，批量解决上述问题。如优比咨询开发的“优比ReCAD”软件，通过图层、字体、标注、图块等数十项的设置与优化，使Revit模型出图达到与CAD制图几乎完全一致的效果，如图7-8所示，大幅提高了正向出图的效率与效果，降低了正向设计的出图门槛，解决了以往“BIM导出的dwg文件难以后续使用”的疑难杂症。

业界在对BIM正向设计的相关研究与讨论中，对于成果导出dwg文件环节的关注度相对较低，但在实际项目进程中，往往在此环节遇到较大的外部阻力，需额外花费很多的工作量进行处理，因此在此专门提出，并提供上述可供参考的解决方案。

4 BIM多专业协同与互提资料

4.1 BIM多专业协同

BIM协同设计指基于BIM模型和BIM软件进行各专业的交互与协作，目的是取代或部分取代CAD设计模式下低效的工作模式，充分利用BIM模型数据的可视化、可传递性，实现各专业间信息的多向、及时交流，从而提高设计效率、减少设计错误[7]。

BIM协同方式是BIM正向设计流程中的关键环节，主流BIM设计软件Revit与ArchiCAD均支持团队工作模式及外部链接两种方式进行协同设计。以Revit为例，其团队工作模式称为“工作集“方式，常见的协同方式为工作集与链接两者组合，如图9所示，这种协同方式同时也直接决定了各专业如何持续地互相嵌入、互相引用进行设计与出图，如图10所示。

图9 Revit工作集与链接结合的协同方式示意

通过专业间的BIM协同，可以实时查看整个项目各专业、各团队成员的最新设计成果，确保图纸的一致性，及时发现专业冲突，从而达到更好的协同效果[8]。

图10 机电专业直接引用土建专业模型形成底图

在此过程中，“信息唯一性原则”是BIM正向设计需遵循的一个基本原则，即要求各专业在不断深化设计、版本迭代的过程中，各方拿到的都是同一份最新版本的文件，这样就可以避免很多因版本不一致导致的专业冲突问题。

在BIM正向设计的流程中，这个问题的重要性更凸显出来，因为BIM是结构化的信息[9]，各专业之间的信息耦合要求非常高，同时BIM文档的集成度也比以往高得多，一个专业的文档就一个或几个文件，一旦脱节，其影响的范围会更广。因此信息的唯一性是BIM正向设计协同质量的关键一环。

两大主流BIM设计软件Revit与ArchiCAD均支持团队工作模式，以Revit的工作集协同方式为例，单专业的多人协作均在同一个中心文件中进行，保证了单专业的信息唯一性； 多专业之间直接以中心文件链接中心文件，保证了专业之间对接的信息唯一性，在技术层面具备了实现的条件。同时也需要从管理层面加以落实，如文件存放的唯一路径、文件名的唯一性等。

4.2 BIM设计互提资料

专业间互提资料是伴随设计过程持续、频繁进行的专业配合操作。对于Revit的协同方式来说，建议将互提资料嵌入至各专业的中心文件中，以便接受专业查看、追溯，如图11所示，在本专业的Revit文件中设专门的视图，用云线圈示并加说明，然后让接收专业链接并引用该视图。

基于前面所述“信息唯一性”原则，接受专业每次只需更新链接文件，即可通过视图的设置显示提资视图，如图12-13所示，从而确保提资信息全部传达到位。

图11 Revit提资流程

图12 接受专业读取提资视图设置

图13 接受专业读取提资视图

对于项目负责人或设计管理人来说，可以通过提资信息的列表导出，对各专业提资情况进行汇总、落实，从而实现提资的销项、闭环，同时每一个提资均可追溯，也避免了信息的疏漏丢失。

5 BIM设计校审

BIM正向设计的校审与传统二维CAD设计的校审有较大区别，其成果既包括传统意义上的图纸，同时还包括各专业的BIM模型，以及模型里面包含的信息，因此不管是校对还是审核，针对的都是整体的设计成果，而非仅针对打印出来的图纸。这对校审人员也提出了更高的要求。

在Revit中直接查看设计工作文件并在其中进行批注的方式，适合设计团队内部互校、专业负责人审核本专业设计成果，如图14所示。

图14 在Revit中直接校审批注及列表统计

我们通过制作专门的校审符号构件，可以实现不同形状表示不同的状态，如图15所示，放置校审意见时显示为三角形，当设计人员修改或回应后，更改符号状态变为圆形，这样可以非常直观地显示校审意见是否已经落实修改，避免遗漏。同时也可以通过明细表功能，对校审意见进行列表汇总，还可以非常方便地追溯校审位置。

图15 专门制作的校审符号

图16 优比NavisSync插件通过二三维同步浏览辅助校审

图17 基于BIM模型制作的VR/AR场景示例

对于模型的校审，一般通过Navisworks软件进行。在Navisworks中进行模型的轻量化整合，同时可添加批注、记录视点，操作比较简单，批注意见也可以列表进行统一管理。Navisworks虽然功能强大、轻量化程度高，但对于设计校审来说有一个非常不便的地方，就是它无法同时显示模型与dwg图纸，因此优比咨询开发了基于Navisworks的二三维同步浏览插件，如图16所示，通过独立的窗体，用以展示dwg文件，同时提供了配套的对位功能，将Navisworks的模型视点位置(包括视点位置与观察点位置)实时显示在dwg文件窗体中，也可以通过拖动dwg文件窗体中的控制点实时控制Navisworks的模型视点，双向都是实时同步，这样就可以快速地在查看dwg图纸的同时，看到三维效果； 在三维模型漫游时也可以随时知道当前视点的位置。

这样的校审方式没有强制改变传统以看图为主的校审习惯，同时又把BIM模型纳入到校审体系当中，发挥其三维可视化的优势，可以潜移默化地让设计院中高层技术骨干慢慢适应BIM设计体系，是一个值得推介的方式。

6 BIM设计成果交付

BIM正向设计的交付成果比CAD设计流程要丰富得多，除了传统意义上的图纸，还包括整合了各专业的BIM模型，以及从BIM模型衍生出的一系列成果，如漫游动画、全景图、VR/AR场景(图17)、各种统计表、各种可视化分析等，设计BIM模型本身也可以延续到施工阶段继续应用，从而创造更多的附加价值。

7 BIM正向设计项目管理

7.1 BIM正向设计项目策划

BIM正向设计要求各个专业之间的配合更加紧密，对各种流程及操作的标准化、规范化要求更高，因此如果项目确定采用BIM正向设计的方式进行，在项目开始之前应先进行BIM设计的总体策划。对于尚未形成BIM正向设计固定模式与标准流程的设计企业来说，这一步必不可少； 对于已有一定实践经验的企业，总体策划应该已经形成固定的标准文档，但仍需要根据项目具体情况、软件技术发展情况而不断更新。

项目级的BIM正向设计总体策划除项目可参照图18，主要应包括以下内容：

1)项目基本信息、各专业人员、BIM负责人(主要负责BIM模型质量控制)；

2)局域网工作目录；

3)BIM协同方式、工作集划分；

图18 BIM正向设计项目策划示例

图19 工作视图与出图视图对比示例

4)BIM模型拆分架构；

5)BIM出图范围；

6)初始文件、基准文件。

7.2 BIM正向设计过程管理

由于BIM设计的整合性、动态协同性，在设计过程中需特别注意加强管理，确保各专业设计推进的条理性、规范性，进而保证协同质量，避免不可控的风险。BIM设计过程中的管控要点包括随时成图、随时合模、视图与底图的管理、文档备份等，都与CAD设计模式有较大区别，需要设计师从一开始就形成习惯。

过程管理应注意以下方面：

1)随时成图：区分建模与出图视图(图19)，随时观察成图状态；

2)随时合模：持续保留合模的“容器”，各分项持续更新时，可随时观察整体最新设计效果(图20)；

3)保持精确：在三维环境下工作更容易出现捕捉、对位不精确的情况，需制定建模基本守则以保持精确；

4)及时清理临时视图与底图；

5)文档备份：定期备份、节点备份制度化；

6)成果打包：使用Revit自带的eTransmit插件进行模型文件的打包，方便快捷。

8 设计企业技术管理

企业层面的标准化技术管理，对于Revit软件平台来说，其中关键的内容是企业级Revit样板定制、企业级族库管理、企业级建模与出图规则。此外，部分企业已经搭建或开始筹划企业级的多项目BIM设计协同平台定制开发，这部分投入比较大，本文不作深入探讨。

图20 Navisworks合模示例

图21 Revit样板内容举要

企业Revit样板的定制需考虑的因素非常多，既统一了各个项目、各个设计师的模型与图纸的成果样式，同时又集成了各专业的很多技术细节，是提升效率的关键之一，因此需给予足够的重视并由熟悉Revit操作、同时也熟悉各专业出图要求的技术人员进行设定，并定期维护、升级。图21示意了其中一部分内容。篇幅所限，不作展开。

BIM设计的效率极大依赖于构件库(Revit中称为族库)的完善，对于BIM正向设计来说尤其如此，因为正向设计需考虑出图，对于构件的二维表达有更高的要求，外部引入的族往往需要经过设计师的改造才能满足出图要求。因此企业级的族库管理也是标准化管理的重要内容，对族库的有效管理和利用，将大大降低设计企业BIM应用的成本，促进资源共享和数据重用[10]。

随着项目的积累，BIM资源库规模的增长将极为迅速，因此建议设计企业采购成熟的族库管理软件，由专人进行集中管理，避免散落在各个项目中。

9 总结

我们理解的BIM正向设计模式，是整个建筑设计过程的流程再造与优化升级，是可落地的、可成为持续生产力的设计模式，而不仅仅是尝试性的技术探索。因此，需要技术与管理两方面的总体规划，需要企业层面的体系化支撑。

本文对设计企业全面转型BIM正向设计过程中需考虑的关键技术与管理要点作出梳理，所提及内容均在广州珠江外资建筑设计院近年的转型实践中得到验证，希望能给设计企业一些参考。