BIM 技术在建筑工程正向设计中的应用

李倩

大庆油田工程项目管理有限公司天宇设计院

BIM（Building Information Modeling）可直译成建筑信息模型，从字面意义来看，是包含建筑物各个组成部件的各种信息的3D 模型。M 可以引申为Management——建筑信息管理，Mobility——建筑信息传递[1]。由此可见，BIM 是在建筑生命周期内对相关数据进行管理和传递的过程（图1）。我国的BIM 技术应用起步较晚，在建筑工程设计领域对BIM 的应用主要是在项目可行性研究阶段、勘察规划设计阶段、招投标阶段、施工阶段、运维阶段这5 个方面。

图1 BIM 建筑生命周期表Fig.1 BIM building life cycle table

近几年我国建筑行业BIM 技术在规划设计阶段的应用有了较大的进步，但不同地区、不同设计单位对BIM 概念的认知程度不同，在执行BIM 标准方面良莠不齐，主要存在以下两个问题：

（1）在建筑工程设计阶段，因国内外市场上三维绘图和设计软件种类较多，设计单位对BIM 技术的认知程度不同，导致设计单位在选择软件时更多地偏重于三维绘图而忽略了设计的本身。设计者多数是在传统设计的基础上，即在设计完二维图纸的基础上，利用二维图纸绘制三维模型，没有直接进行三维设计，更没有做到利用三维BIM 技术进行数据管理和传递，三维模型仅仅停留在图形层面上。

（2）BIM 技术含盖建筑、结构、机电等多专业设计，在各专业协同设计方面，大多数设计单位都是各专业各自绘制三维绘图或在设计软件下绘制成三维模型，利用一个兼容性较好的平台，将各专业模型组合到一起，形成一个看似专业齐全的三维设计模型，但专业间数据大多不能相互提取和利用，不具有全专业的协同性。

通过对建筑工程领域内的国内外设计、绘图软件的调研，寻求突破利用传统二维设计翻建成三维模型的设计模式，以淘汰二维设计的传统设计模式，即各专业从三维设计直接开始，专业间同步设计，专业间数据相互共享，达到全专业的正向协同设计。

1 关于BIM 技术的概念认知

BIM 技术是建筑全生命周期中各类数据的记录载体，BIM 系统要做到信息数据化、数据模型化、模型通用化，满足BIM 技术在项目全设计周期的综合应用[2]。在建筑工程设计阶段要通过统一的三维数据模型架构，建立各专业的协同工作数据共享平台，集成多专业计算、应用软件和管理系统，实现各专业相互共享、相互制约的同步设计。

在建筑工程设计中，建筑专业是主办专业，BIM 技术应做到保证建筑专业直接从三维设计开始参与整个工程的设计，要为各专业提供具备充足自由度和丰富细节的三维数据，这也是各专业三维设计的基础[3]。建筑专业提供的三维数据可供结构、机电等专业直接使用；结构专业在建筑专业提供的三维数据上直接参与结构计算和分析；机电专业在建筑专业提供的数据基础上进行水力计算、热负荷和照明等计算及分析；机电专业在设计时保证建筑构造和结构构件对其管线位置和走向实现同步制约等。通过读取建筑专业提供的三维数据，BIM 技术在设计阶段还需进行绿色建筑分析、建筑节能计算等生态技术指标分析与评估。在设计过程中各专业参与方在三维数据下始终保持共享和制约，各专业开展设计时进行全流程协同工作。因此，可以说只有在从三维设计直接开始的，在三维设计过程中实现数据和计算分析成果共享的，各专业设计同步开展的设计，才是真正利用BIM 技术进行的三维正向设计[4-5]。

2 利用BIM 技术实现三维正向设计

目前主流的设计方法依旧是首先将项目设计成二维平面图纸，再通过三维软件进行翻模绘制，绘制出各专业比较齐全的三维模型，大多数平台还可以进行对各专业模型的碰撞检查。但仅仅是在图形方面的检查，并不是数据共享级的检查。如暖通专业的采暖管线穿越结构专业剪力墙，不能利用数据交换分析是否可穿越该构件，还需要人工判断，在结构专业的剪力墙上如果允许采暖管线穿越也需要人工判断是否能开洞，不能实现自动开洞。各专业的数据无法在设计阶段实现共享，更无法实现同步设计[6]。

下面以新建的建筑工程设计阶段为例，对BIM技术在建筑工程中的三维正向设计进行简要的说明。该项目位于大庆市让胡路区方晓工业园区，为大庆油田天宇设计院的设计综合楼，建筑面积为7 800 m2，主体6 层，局部7 层，框架结构，外维护系统含玻璃幕墙系统、复合型外墙外保温系统等，建筑内部含消防系统、采暖系统、空调系统、照明系统、网络系统，广播系统等。由于该项目立面造型要求比较高，内部各专业系统较多，综合布线复杂，传统的设计难免出现方案意图表达不清，结构专业留洞不全，以及各系统之间管线碰撞等现象，本项目运用BIM 技术实现数据共享，各专业协同设计，避免了此类问题的发生。

2.1 规划设计阶段与方案设计阶段

规划设计阶段与方案设计阶段均属于设计前期，此阶段建筑专业创建的三维建筑模型精细化程度偏低，需定义模型主要构件（墙、柱子、地面、楼板、屋面等）的基本属性和材质，可快速、有效、直观地进行体块推敲和场地分析（图2），表达出室内、外空间功能和模型材质，对总平面进行分析、统计、方案渲染，最终进行方案的评审及多方案比选[7]。该阶段处于基本模型数据建立阶段。在结构专业的同步协同设计上，通过读取建筑三维设计模型，进行结构方案的初步优选，比选出适合建筑布局的柱网尺寸、柱子的大小、梁的大小和板的厚度，进行结构同步设计、整体分析，给出合理的结构方案。机电专业通过读取建筑三维设计模型，初判出采暖热负荷、电负荷等，进而确定机电设计方案。

图2 三维设计方案推敲图Fig.2 Three dimensional design scheme deliberation diagram

2.2 初步设计阶段

初步设计阶段已经进入深化设计阶段，建筑专业应进行深度的三维模型创建，从模型的基本构造到复合结构，再到复杂截面，保证模型的准确性。按照相关国家标准输入建筑模型各部位构件的构造信息，包括室内地面做法、室内吊顶做法、内外墙构造做法、屋面构造做法等（图3），这样也可以保证模型与图纸间数据的关联性[8]。建筑三维模型深化结束后需要向全专业协同平台发布三维模型信息，其他专业读取建筑三维模型提供的数据信息建立相关专业的三维模型，进行分析计算，并将计算和设计的成果返回到协同平台，实现各专业之间的互通性。

图3 构造表现图Fig.3 Structural representation diagram

2.2.1 建筑与结构专业

建筑三维模型中的承重构件可直接转换为结构三维模型构件，非承重构件和功能用房等自动转换为相应的荷载，通过三维显示可实时观察，能够观察结构空间形式、结构布置的合理性及结构细部构造特征，能够更加完善地检测设计的准确性，也可根据需要隐藏各构件，方便观察结构内部（图4）。同时结构三维模型应与二维平面相关联，在对一个构件的尺寸进行修改时，建筑三维模型中的平、立、剖面上的相应尺寸数据可进行自动修改。最后结构模型经编辑和调整后返至建筑三维模型进行数据整合。

图4 结构专业可视化模型Fig.4 Visual model of structural specialty

2.2.2 设备专业与建筑和结构专业

机电专业同时读取建筑和结构三维模型，进行楼层信息获取，创建各专业的模型，进行机电设备管线的准确计算和设计。在同步设计的过程中，可进行各专业间的碰撞检测，发现模型中的管线碰撞点，对局部进行避让和标高调整，优化管线位置和排布（图5）。同时根据各专业的计算结果，自动调整模型中管道尺寸，直接生成相应的计算报告书，完成全专业协同设计。

图5 设备专业可视化模型Fig.5 Visual model of equipment specialty

2.3 施工图设计

施工图设计主要用于施工图阶段的三维模型深化以及各专业之间的深化协同设计，最终交付的三维模型可满足施工的各种要求，也可以直接生成二维制图标准要求的二维图纸。

该阶段在各专业三维模型实时数据互通下，对各专业综合模型信息进行集成，形成一个全专业的三维设计模型（图6）。各专业可通过变更列表查看所有专业的数据变更情况，快速定位构件变更形式及位置；也可在当前环境下完成碰撞检查，即时解决冲突。检查方式可按楼层、专业、系统多种方式进行，自动定位碰撞构件和碰撞位置，生成碰撞列表和报告书；机电管道和构件的开洞及预埋信息可提供给建筑、结构及装配式专业，并可在装配式预制构件中自动生成预留孔洞、预埋管道及构件[9-10]。在数据相互校核下，完善所有专业的三维模型供后续施工和运维使用，也可将三维视图导出二维图纸交付设计产品。

图6 综合管网模型Fig.6 Integrated pipe network model

3 实施过程

以PKPM-BIM 平台下的设计为例，通过例举建筑结构和设备专业的初步设计内容，阐述利用BIM技术开展正向设计的具体实施过程。

3.1 建筑专业

进入BIM 平台下的建筑专业模块，建立建筑模型，根据不同阶段逐步精细化建筑模型，赋予模型构件数据信息，向协同平台发布建筑模型，其他专业进行模型读取。继续深化模型，在各专业三维模型实时数据互通下，对各专业综合模型信息进行集成，形成一个全专业的三维设计模型，完成碰撞检查，即时解决冲突，完善建筑模型。最后根据需求将三维视图导出二维施工图纸、建筑专业工程量清单、建筑三维表现图及动画演示图。

3.2 结构专业

进入BIM 平台下的结构专业模块，获取建筑模型，通过读取建筑三维模型信息，生成柱、梁、板、墙、墙洞、板洞等数据，同时根据结构专业自身校核结果进行数据修改。进入SATWE 分析计算模块，对模型进行分析及计算，生成计算数据，再将数据上传至平台端进行实时发布，通过发布的数据查看各专业间的碰撞检查结果，向各专业提出结构构件的开洞条件。

3.3 设备专业

3.3.1 给排水专业

给排水专业设计与结构设计一样，首先读取建筑三维模型信息，完成给排水专业的环境设置。与常规设计一样，需结合室外管网的现状/新建情况，就近选取进户位置，设置阀井、阀门，录入管线管径和标高，自动生成竖管及弯头等管件。通过水力计算后对三维模型重新赋值，调整阀门的选型；读取建筑三维模型下的卫生洁具属性，设计支线及干线和连接弯头等。最终将数据上传至平台端进行实时发布。通过发布的数据向建筑与结构专业提交开洞申请，待建筑与结构专业批准申请后，与建筑与结构相关的管线才可被通过。同时查看与其他专业间的碰撞检查结果，进行同步修改。

在BIM 给排水系统中的水力计算工具里，通过读取建筑三维模型，构建给排水系统三维模型，进行水力计算。在计算前可对已建的三维给水模型进行细部调整，查看管件连接方式是否有误等，可在后台计算，输出Word 格式的水力计算书。计算完成后可自动根据计算结果修改已建模型的管径。

3.3.2 暖通专业

在建筑三维模型下进行整体热负荷计算后，布置散热器。可根据所采用的散热器系统形式，选择散热器的立管样式。在选择散热器布置方式和立管样式的同时，赋予管径和标高的属性值，按需求在暖通的三维模型中传递给建筑三维模型。赋予管线特性（供水/回水）、管径、标高、坡度后，在建筑三维模型下设置管线。可以自动将散热器、立管、干管做合理空间搭接，布置配套阀门、仪表和设备。散热器和管线搭接完毕后，系统已经初具规模，布置阀门时以管线的管径为准或者构件的管径为准，自动改变阀门型号或者生成变径连接图，其他仪表和设备的设置过程跟阀门设置相同。与给排水专业相同，最终将数据上传至平台端对数据进行实时发布，向建筑、结构提交申请以及检查碰撞结果，进行同步修改。

在BIM 暖通系统中的负荷计算工具里，通过读取已有模型信息，构建给暖通系统三维模型，设置调整计算参数，即可由系统自动生成各模块计算报告书。各项计算结果也可反馈至已建模型，实现自动调整管道及连接构件尺寸的功能。

3.3.3 电气专业

电气专业在建筑三维模型下设置“照明系统代号AL、动力系统颜色”等信息以区分不同的电力系统管线。可按传统思维模式在三维模型下进行电气设计。例如在管线设置中，可选择管线连接方式，同步开展系统设计，也可在建筑三维模型下布置配电柜、配电箱等设备，并调整方向。

在BIM 电气系统中可自动进行电负荷计算，并生成系统图，计算完成后，还需要进行人工计算核对，根据计算数据进行电气专业的模型调整。

3.4 造价专业

造价阶段处在BIM 技术设计应用中的末端。待所有专业三维模型设计完成，对各个专业的设计进行碰撞检查及对各个专业协同设计完成后，造价专业便可以进入工作角色。造价专业通过读取全专业的三维模型信息，可以直接导出各专业的设计工程量，工程量的准确程度直接取决于各专业三维模型的准确程度，即设计人员对构件各种参数的定义要非常准确，否则导出的工程量就会出现偏差，例如结构专业中钢筋布置参数的输入直接影响钢筋使用的数量。造价专业依据导出的工程量，参考工程量清单计价规范进行工程量清单的编制，作为招标文件的一部分组成招标文件。

4 结论

大庆油田天宇设计院综合楼已投产使用，首次运用BIM 技术参与全过程设计，在协同设计过程中对建筑体块、材质选择、柱网尺寸、管线走向、管径尺寸、灯具布置等进行了多次全专业的优化，检查出多项各专业相互冲突等问题，有效避免了传统设计模式下的各种设计错误，真正利用BIM 技术实现了建筑设计周期管理和信息实时传递，保证了各专业协同工作的精准率，提高了设计效率和设计质量，对开展三维设计模式下的设计工作具有很强的指导意义。