基于BIM技术的三维正向设计应用分析

吴尧

[摘要]结合某设计公司完成的一个完整的BIM三维正向设计项目，从项目的进度安排、人员配备到各专业工作模式设计流程，以及最后成果交付和设计成果的质量多个角度，对正向设计进行了优劣势分析，总结了当前常用的BIM配合模式的发展情况，提出了基于BIM技术的正向设计模式存在的不足及一定的优化意见。

[关键词]BIM; 正向设计; 数字化技术

[中国分类号]TP317.4                       [文献标志码]A

0引言

什么是BIM三维正向设计？戴斌成［1］指出基于BIM技术的三维正向设计是指基于BIM技术通过“先建模，后出图”的建筑设计方法，传统的二维设计的出图是一种利用CAD面向图纸的出图，都是基于对设计对象的抽象刻画后绘制出来的所有的设计内容。而BIM三维正向设计是一种通过多专业协调，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。提高设计效率、减少设计错误，是一种的面向对象的设计模式，所有设计的内容都有一个真实存的设计对象。

1BIM技术简介

BIM：作为建筑行业的一个新型搭建建筑信息模型（Building Information Modeling）的工具。刘海庆［2］等描述了BIM技术最早起源于1992年。在2002年，欧特克公司提出BIM技术，它可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行，乃至建筑全寿命周期［3］，将各种信息最终整合于一个多维信息模型数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低原材料、人力和物力的消耗、以实现可持续发展。严炜炯［4］就上海建筑行业BIM技术的应用进行了研究表明，在国内发展情况看，上海就BIM技术运用相对成熟。

2工程项目背景及现状

2.1工程项目背景

工程名称：新红旗小学工程、文昌中学工程 EPC 总承包

子项名称：新红旗小学

建设单位：重庆市永川区惠通建设发展有限公司

设计单位：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

建设地点：重庆市永川区协信昌州古城东侧地块

项目概况：新红旗小学工程位干重庆市永川区，北侧与东侧为新建提制道路，西侧为勤俭路，南侧为桃湾路。整个项目建设用地面积 43 957 m2。建设用地条件：本项目建设用地无地震，地界塌裂、暗河、洪涝等自然灾害，非人为风险高及将热招标地段。建筑与污地源的距离符合对各类污染源实施控制的国家现行有关标准的规定。无高压电线、长输天然气管道、输油管道穿越或跨越本项目建设用地。建筑面积、层数及建筑高度：新红旗小学，主要功能为普通教室、实验教室、办公、报告厅、风雨操场、食堂、看台、教师公寓及相关辅助用房，总建筑面积 29 025.862 m2，其中，教学楼建筑面积 13 216.55 m2，建筑层数为地上4层，建筑高度 16.3 m。行政教学楼建筑面积 7 698.85 m2，建筑层数为地上 4 层，建筑高度16.3 m。体育馆、食堂及看台建筑面积 5 256.93 m2，局部设备用房为地下室，地上2层，建筑高度 16.5 m。报告厅建筑面积 1 284.94 m2，建筑层数为地上1层，建筑高度 10.8 m，教师公寓建筑面积 1 588.23 m2，建筑展数为地上6层，建筑高度20.1 m，门卫建筑面积 53.34 m2，建筑层数为1层，建筑高度为3.3 m。

2.2工程项目目标和现状

本项目预计2020年9月开挖，2021年建成投产。希望2021年9月可以开学。目前项目设计和施工已经按期圆满完成，已经进入运营阶段。

3工程项目管理

3.1项目人员安排及进度计划制定

3.1.1参与人员情况

项目参与人员除了整个项目的项目经理、项目总工程师、审定、审核等，各专业分别配备了专业负责人、专业审核人、设计师、绘图员等。

3.1.2进度计划

项目经理按照重庆校方期望，预计2021年投产，则必须满足施工在年后不久，結构封顶，5～6月满足装修封顶，给设计院出图的时间仅仅2个月不到，项目根据总共的工期及项目体量、参与人员的数量、及各专业的负荷量制定了紧凑且合理的进度计划。

3.2各专业项目具体配合及出图流程

3.2.1建筑专业模型与图纸

（1）按照方案在Revit中进行初步设计，并提资结构初步设计。

（2）链接结构返提资的结构模型模型，在此基础上对建筑构件进行布局调整，土建碰撞处及时与结构设计沟通，待双方协商达成一致，完成详细建模，包括墙体、门窗、外立面、楼梯、扶梯等。

（3）在建筑模型基础上对室内进行设计、建模，包括墙面材质、地面材质、天花板吊顶、格栅等。

（4）与给排水、电气、暖通专业配合解决碰撞问题。

（5）检查平面、系统、图面是否完整，Revit导出图。

3.2.2结构专业模型与图纸

（1）通过建筑初步设计提资，利用结构计算软件进行结构设计。

（2）利用探索者三维交互中心软件，将YJK和Revit进行连接，将YJK计算模型数据导入Revit软件中，再进行结构的三维详细建模。

（3）建模和绘图过程中，实时与建筑、给排水、电气、暖通专业配合解决碰撞问题，协调沟通修改。

（4）结构梁底净高分析、主次梁连接检查，软件也可随时对配筋进行校核。

（5）在Revit中对每个结构构件进行非几何信息校对，并在Revit中进行施工图绘制和输出。

3.2.3机电专业模型与图纸

（1）在方案和业主的要求下进行初步的各专业的管线尺寸及布局设计。

（2）各个单专业建模，检查单专业管线之间的交叉碰撞，并在建筑、结构的模型的基础上进行梁底管线排布与综合，检查各个单专业管线与土建是否有碰撞，核查管线综合后净高是否不够，不够的情况先进行管线排布优化，如若净高还是不满足再提资土建专业，进行建筑和结构优化。

（3）在满足布局及净高的要求下，检查平面、系统、图面是否完整，进行Revit出图；并出具净高分析报告。

3.3各专业图纸输出成果

由于用了BIM三维协作设计，出图质量得到了大幅度提升，校审意见大幅度减少。并且发于施工后，设计变更明显屈指可数。施工图改图次数较传统二维设计明显大幅度减少，基本后期不需要进行大的设计变更，除非业主要求或不可抗力。

4基于BIM技术的三维正向设计的优势与弊端

4.1基于BIM技术的三维正向设计的优势

（1）BIM技术可以为设计师提供用时短、快速智能、自动精准的建筑虚拟模型，大大降低工程师的工作量。通过建筑虚拟模型的构建，工程师可以根据自己想要的效果进行修改，时间和地点都不受制约，可任意剖切任一角度的图纸，任意角度剖界面均可以达到三维空间协调与统一，而这种BIM技术生成的图纸效果是传统CAD绘制图纸技术无法实现的。另外，BIM技术都是在实际建筑面积、原材料等数据的基础上进行分析处理，再对建筑图纸进行自动生成，这样也为建筑图纸中数据信息的真实性提供了良好的保障。

（2）BIM技术可以进行构件拆分、尺寸优化、结构配筋核查、碰撞检查、管线综合、净高优化等工作，这大大缩短了图纸会审和图纸交底的时间，使一些设计师的疏漏或不合理设计能够得到及时的预判及纠正。同时，也有效地防止了各工种之间的矛盾。以本项目为例， 出施工图前预先进行了进行拆分构件、优化几何信息、核查结构非几何数据、检查专业间构件打架、综合管线、优化净高等工作，后期施工方出现的问题大大减少，相比与传统的二维出图，后期施工的工作量和损失大大的减少了。

（3）设计工程中需要考虑结构的合理性，要满足各种强条的情况下，传统的二维出图难免会有不少错误；本次项目利用了探索者和Revit 2种设计软件共同工作，探索者在结构设计出图时起到了巨大的作用，其具有核查配筋的功效，大大减少了超配或者少配的情况，保证出图的优质。

4.2基于BIM技术的三维正向设计的弊端

（1）技术的不够熟练，加之全新的工作模式带来的工作顺序的改变，导致三维出图与二维出图相比，反而会付出更多的时间成本和人力成本，完成同一个项目，使用BIM所花时间可能是使用CAD所花时间的1.5或者2倍。

（2）软件存在多处bug，并且当项目体量达到一定规模，模型携带信息过多，会导致电脑卡顿，造成时间的浪费；很多时候国外BIM软件输出的施工图和档案并不符合国内建筑行业出图标准，使用这些BIM软件生成施工图后，会再进行大幅的修改，修改所花费的时间和人力不少于使用CAD重新绘图一次。例如：图框，传统cad的图框只需要改字，而对于BIM模型来说，需要花费大量的时间来创建一个合适的族。

（3）目前国内没有标准的政策来规范BIM设计，导致每个项目都有不同的规范，也存在了一种增加的无形的工作量。设计目前没有统一的标准，在设计前期就无法明确衡量整个项目所有的细节和潜在的问题，项目在进行阶段总会因为各种不确定性因素需要进行设计的变更。就算设计成果各方面均满足了相关规范准则，参与的各方也会针对整个建筑行业和政府规则的提出各种要求。

5BIM技术应用于反向设计的应用分析

5.1BIM技术应用于反向设计的应用分析

（1）在设计施工图阶段，应用BIM模型有利于设计人员即时纠偏、校正，发现问题，傅强［5］指出BIM技术可以有效提高各部门协同工作的时效性和准确性，除了查找设计问题。此外BIM技术还会考虑后期施工可行性和交付后运营维修等后期问题，提前暴露问题，有利于从根本上解决问题，减少施工返工，而造成的索赔等情况的出现；针对重难点区域进行管线布局优化、净高预判，有利于在精装阶段，设计人员对整体净高的把控；利用信息化手段全面提升建筑工程的管理水平，提高团队之间的沟通质量，项目数据的读取和存储更准确、更明了、更全面、更统一。

（2）模型在传统建筑信息模型后，到达构件预制阶段，使模型更为精细化。精准定位结构外伸的钢筋，机电的二次点位等，充分发挥BIM的优势和价值。检查完碰撞问题之后，再构建预制阶段的建筑信息模型，会考虑实际施工现场会发生的各种问题，并检查预制构件外伸钢筋间的碰撞、检查预制构件的制作方向和安装方向的是否冲突、预留洞检查、开槽的预留与点位预留、线槽的预留、管线的布置，最后作出预判以及及时纠正，周锦彬［6］也在其对基于BIM技术的装配式项目上指出BIM技术使预制化建造更为高效。

（3）BIM技术在施工方案阶段的应用主要是打通了以往二维图纸阶段遇到复杂三维问题难以直观和明确技术交底形成的障碍，并且利用数字化技术对这些信息进行处理，将其应用到实际的三维建筑模型的建立当中，细节问题的排查，协助设计方案优化，可以对施工工序的整个过程进行模拟演习。朱振华［7］进行了施工过程中的碰撞研究，发现使用BIM技术不仅可以使得工作效率得到有效提升，更有助于建筑项目的成本投入，提高工程项目的质量。

6体会和心得

就运用BIM三维正向设计来看，虽然前期花了更多的人力和时间成本，但是取得了巨大的成功。就现在建筑設计行业来看，能完整地按照标准的BIM三维正向设计完成一个大型项目，其实是一项巨大的挑战，不仅仅要求专业性知识的过硬，还要求项目管理层具有开拓创新，团队协作，科学决策的能力。基于BIM技术的三维正向设计要求各个专业之间的配合十分紧密，各种流程及操作的标准化、规范化的要求相对于传统模式更高，是对整个建筑设计的流程的重造及优化升级，使之变成时刻落地、持续生产和绿色生产的设计模式［8］，而不是仅仅探索性的技术尝试。所以，需要技术与管理2方面一起规划改造，需要企业高层的体系支撑。此次项目，本公司不仅在规定时间内完成，且设计和出图质量的各方面均处于良好以上。

很多设计院都不能很好地推行BIM三维正向设计，归根结底原因有3个：一是做BIM不能提升设计效率，现在项目周期普遍都比较短，设计人员不足，无法花更多的人力和物力在前期投入上；二是做BIM并不能提高设计项目的报价；三是传统二维设计师怕被彻底取代，有些抵触情绪。最后由于现在BIM技术未完全达到设计、施工、运营维护等一体化，并未展现出多少的实用价值，导致大部分人还是对此抱有怀疑态度，感觉反而浪费时间，基于以上几点，建筑行业在先天条件上是有些抵触正向设计的，因为他们必然觉得费力不讨好。但是在经历了该项目后，笔者认为这些想法太过于急功近利，每个模式都是需要人去探索，需要团队去磨合的。但是大型设计院却不惜花费大量人力物力都要去大力推广正向设计，这是大型设计院对未来的布局。建筑信息化是国家政策主推的方向，目前很多地方政策要求在投标、设计、交付，均由BIM形式，BIM是实现建筑信息化的手段，这是基于国家长远发展，人力资源变化等等一系列因素做出的抉择。

国家大力推行数字技术，传统的二维设计已经满足不了当今数字化高速发展，势必被基于BIM技术的三维正向设计所取代。传统二维图纸归档模式不便于长期的信息存储，时间一久，计算依据和图纸难免缺失、氧化，导致后期信息断裂。直接以模型传递工作信息的模式进行设计优化、工程算量、造价、出图等一系列的管理模式。提高了设计的完成度和精细度，减少二维的设计盲区，让模型服务后期施工成为可能，这也是BIM正向设计的最终目的。现在或许普及面并不广泛，或者所花费的时间和精力比传统的二维设计要多，但是这并不能阻挡工业革新的步伐。随着科技的发展，5G、6G的诞生，社会势必成为一个为所有物品赋予数字信息的新世界。当今智慧城市［9］发展日渐壮大，随之CIM、BIM和GIS等将会紧跟其步伐［10］，成为智慧生活的一部分。现在不少设计院都在大力推行基于BIM的三維正向设计，道阻且长，当年CAD取代传统手绘的过程亦是如此，没有一条路是容易的，但绝对是明智的。

参考文献

［1］戴斌成.BIM正向设计的探索和研究方向［J］.智能建筑与智慧城市，2022（5）：112-114.

［2］刘庆海，武利军. BIM技术在建筑行业中的发展［C］//.北京力学会第二十八届学术年会论文集（下）.2022：110-112.

［3］刘洁. BIM技术在某EPC项目中的应用研究［D］.北京：北京化工大学，2021.

［4］严炜炯.上海市房建BIM技术应用现状及发展趋势［J］.上海建设科技，2021（4）：57-59.

［5］傅强. 某建设项目BIM辅助协同设计的分析［D］.北京：清华大学，2019.

［6］周锦彬. 基于BIM的装配式建筑设计施工协同机制研究［D］.广州：广东工业大学，2019.

［7］朱振华.BIM技术在建筑施工进程中的碰撞研究［J］.建材与装饰，2015（49）：46-47.

［8］徐伟，闫雪萌，李志鹏.浅析基于BIM技术的建筑全生命周期绿色数字化建造［J］.上海节能，2021（12）：1365-1369.

［9］赵强.BIM技术在智慧城市“数字孪生”建设中的应用［J］.智能建筑与智慧城市，2022（3）：108-110.

［10］郑旸.浅谈基于未来城市理念的BIM发展前景［J］.福建建设科技，2021（3）：99-101+108.