BIM在学校建筑设计阶段的应用实践

闫瑞雪 陈平 郭志瑞 高肖艳

作者简介：闫瑞雪（1988.9-），女，汉族，河南新乡人，硕士学位，工程师，研究方向：建筑设计研究，E-mail：758031287@qq.com。

摘 要：随着工程行业的发展，对建筑领域信息化智能化要求越来越高，在建筑设计中使用BIM技术的需要也越来越广泛。文章论述了在学校建筑中采用BIM技术在不同设计阶段的多方面应用。对设计前期应用Autodesk Ecotect Analysis基于项目所在地气候条件进行建筑布局及被动式节能策略分析，方案阶段应用Autodesk Revit软件建模并进行方案比选与设计优化，初步设计与施工图设计阶段则通过多专业协同工作、碰撞检查、工程算量等过程使用BIM技术汇集了各类数据信息，实现了交互式参数化的精确建模与信息模型的高效率利用。

关键词：BIM；学校建筑；设计阶段；项目实践

1 前言

建筑工程行业是一个多学科领域汇集的行业，由于各學科在设计阶段使用软件繁多，缺少信息数据的互用性，从而造成大量重复劳动与时间耗费。近年来信息技术高速发展，建筑领域对于信息化、智能化以及绿色节能可持续发展等方面都提出了更高的要求。

BIM是Building Information Modeling（建筑信息模型）的简称，美国国家BIM标准委员会NBIMS给出的定义为：BIM是一个楼宇设施的物理和功能特征的数字化表达，用于创建一个共享的信息知识资源，从而形成一个从概念设计至最后报废拆除贯穿整个建筑生命周期的可靠决策基础[1]。在设计阶段应用BIM技术正向设计即从源头开始进行建筑信息模型的建立，不仅仅是辅助设计工具的升级，更多的是对建筑业设计方式、生产模式的变革[2]。

2学校建筑设计阶段BIM技术应用

2.1项目概况

渔营小学建设项目位于汉中市南郑区，项目用地面积20202.64㎡，总建筑面积21128.71㎡，包括两栋教学楼、一栋综合楼及附属门卫建筑。其中教学楼及综合楼为五层框架结构建筑，门卫室为单层框架结构建筑。建筑工程设计等级为一级，抗震设防烈度为七度。

本项目设计阶段BIM技术应用主要包括前期方案设计与优化、三维协同设计、模型出图、可视化展示、管线碰撞检查、工程量计算等方面。基于应用Autodesk Revit 软件进行正向设计，在不同阶段利用其强大的软件平台接口功能实现了设计信息模型数据的高效率使用，见图1。

2.2不同阶段具体应用

2.2.1前期设计与优化

渔营小学项目所在地汉中市南郑区属北亚热带气候，年平均气温14.5℃，年降水量约890.60mm，年日照时数约2301.4小时。汉中市在我国的《民用建筑热工设计规范GB50176-2016》中气候分区上属于ⅢA区，最冷月平均温度为3.1℃，最热月平均温度为26.3℃，采暖度日数HDD18（℃·d）为1945，空调度日数CDD26（℃·d）为63，采暖室外计算温度0.7℃，累年最低日平均温度-2.4℃，计算采暖期天数68，计算采暖期室外平均温度3.5℃，计算采暖期室外平均相对湿度80%。用地南侧和东侧均为城市道路，西侧和北侧相邻多层住宅小区。建设范围包括36班小学教室及相应教学辅助用房、校园广场、运动场地、道路、绿化等。基于项目用地的周边具体环境条件，在设计前期方案初步构思阶段，利用BIM软件Autodesk Ecotect Analysis气候分析工具weather tool对当地气象数据进行分析。

不同局部环境条件下朝向不同的建筑物日照、采光通风条件均不同。根据项目当地气候条件、建筑基地周边环境进行朝向分析，由软件分析结果可以得知汉中南郑地区建筑的最佳朝向为167.5°，最差朝向为77.5°，过冷时间内曝辐射量最多的朝向为157.5°，过热时间内曝辐射量最多的朝向为87.5°。气温在12月、1月、2月最低，因此建筑朝向应避开冬季的主导风向（西北风），减少冬季冷风渗透作用的同时能够在夏季利用建筑自然通风散热[3]。因此，前期设计时建筑坐北朝南或南偏东10°均为较好的建筑朝向。

利用气候分析工具weather tool还可对汉中气象数据进行被动式节能设计的初步分析判断。可以得到基于六种主要被动式设计（被动式太阳能采暖、高性能材料、高热容+夜间通风、自然通风、直接蒸发降温 、间接蒸发降温）的节能效果。模拟分析时采用常规建筑保温性能参数设置，可得出：在汉中地区对建筑保温能耗影响较大的是高性能材料，全年优化比率较使用前可增加约12%；对建筑制冷能耗影响最大为自然通风，全年优化比率较使用前可增加约14%。基于此，节能设计分析结果可在后续设计过程中进一步深化，从而加强建筑被动式设计的节能效果。

2.2.2方案设计阶段应用

方案设计阶段主要为建筑设计师运用Autodesk Revit软件建立的渔营小学建筑信息模型，此阶段工作主要为确定学校平面功能布局、建筑体型组合、建筑整体外观造型、基地范围内道路、停车、绿化布置等，建立基础模型。设计过程中通过将BIM模型经Revit软件转换成gbXML文件格式，导入到Ecotect Analysis软件，利用其光环境分析功能结合教室窗间墙长度要求对方案中教室窗户尺寸及综合楼中庭采用天窗采光进行了方案比选与优化设计。并在综合楼引入天窗采光面积约160㎡，大幅提高了综合楼中庭及室内走廊的自然采光照度。

基于我国《中小学校设计规范GB50099-2011》对于学校普通教室黑板、讲台、课桌椅尺寸及其间距、纵横走道宽度、前排边座座椅与黑板远端水平视角角度等要求，通过Revit软件绘制相应系统族、载入构件族的方式，创建了基于本项目普通教室的系统文件，可进行复制、存储、载入实现信息模型的重复性使用及三维可视化说明。

项目建筑效果图则通过将BIM模型转换成Collada格式文件，导入到Lumion软件中进行材质编辑处理及后续渲染出图，实现Revit和Lumion 两个软件之间的数据交互，提高建筑信息模型的使用效率。在方案设计阶段，BIM模型深度达到LOD200，并经Revit软件实现项目总平面及建筑单体平、立、剖面出图。

2.2.3初步设计及施工图设计阶段应用

（1）中心文件协同设计

协同设计主要通过工作共享模式在中心文件创建后分系统建立本地文件工作集，实现不同专业设计人员在设计周期内对项目文件进行协同设计处理。在协同设计前，设置不同工作集可编辑权限来防止协同设计工作中各专业设计人员对原设计文件的非主观更改，并通过中心文件的同步设置保证工作集的设计实时更新。协同设计过程各专业提资以模型为主，辅以局部进行二维批注与注释，通过创建互提资料工作集、提资视图区分不同专业的提资与收资，实现一个模型的多专业提资[4]。

建筑专业基于BIM方案模型进行深化设计，确定不同功能位置如教学用房楼层间及隔墙的隔声处理、实验室的耐酸碱腐蚀地面、视听阅览室的防静电架空地板等构造工程做法、材料设计参数。

结构专业在建筑方案基础上结合地勘资料与项目所在地区抗震设防烈度、荷载效应、环境类别进行结构设计，通过分析计算确定各类结构构件、钢筋材料规格、几何尺寸等参数。渔营小学项目使用PKPM软件进行结构分析计算并输出dwg格式文件，基于dwg格式文件在Revit軟件中建立结构模型，结构平法施工图设计仍通过dwg文件出图。这是由于在现阶段BIM技术中结构模型的力学分析计算仍是整个BIM信息集成链中相对脱节的一环，我国的结构分析计算软件应用以PKPM为主，虽有相关研究通过自研插件将PKPM结构分析计算结果转换为中间格式文件导入Revit建立结构设计模型[5]，但目前无法得到普遍性应用，然而随着BIM技术日益发展这一问题将得以解决。

给排水、暖通、电气专业在正向设计时通过系统族、构件族的绘制载入及创建，经过滤器设置不同管网系统并选择附属管道、管件、附件实现对过滤器下整个系统进行统一修改编辑操作命令。供热管道选择添加管道保温隔热层并设置相应厚度与材质。在此基础上对管线密集、狭窄区域、有净高要求空间结合三维视图进行合理排布，在各类管线不发生碰撞情况下减少翻弯以节约材料并降低后期运营故障[6]。

（2）碰撞检查

不同专业利用Navisworks进行碰撞检查。在项目进行实际操作检查碰撞时，主要采用了两种检查方式：一方面在管线密集区局部检查时利用系统外观渲染器对相应设备和构件设置不同的醒目颜色，人工视觉识别区分各类构件及进一步走入式检查；另一方面利用软件自动检查功能对机电系统与土建构件相对位置之间、机电系统各管线之间位置进行检查。软件自动化检查通过事先设置不同的系统构成相应的选择集，再对不同选择集设定为检查对象，相互之间进行自动检查。渔营小学项目经设计阶段BIM技术进行碰撞检查发现软硬碰撞30余处，经及时调整，避免了后续施工的部分设计变更。

（3）工程算量

利用BIM模型进行工程量计算能够基于模型存储的项目构件信息数据库进行相应构件信息提取，大幅减少传统算量过程中人工二次识别图纸信息引起的潜在错误。使用Revit软件明细表功能进行渔营小学建设项目的工程量统计，汇总后输出报表以便后续造价计算。需要注意的是，此处Revit软件统计计算出的工程量为构成工程模型的实物净量，与我国《建设工程工程量清单计价规范GB50854-2013》中的工程计量方式存在部分差别。例如清单规范中现浇混凝土板计量单位为m3且不必扣除小于等于0.3㎡的孔洞所占体积，散水、坡道、室外地坪等计量单位为㎡且不必扣除小于等于0.3㎡的孔洞所占面积，但软件统计出的数据信息则不包含这部分工程量。而施工过程中需要使用但最终不体现在实体模型中如模板、脚手架等工程量要通过关联相应具体构件如现浇混凝土墙、板等的几何信息进行工程量计算[7]。因此如要编制适用于《建设工程工程量清单计价规范GB50854-2013》的施工图预算工程量则需造价人员对软件明细表统计出的工程量进行进一步处理后使用。

（4）成果交付

渔营小学项目通过Autodesk Revit软件建立建筑信息模型并联合多种软件进行BIM技术正向协同设计实现项目建筑、给排水、暖通、电气专业各阶段设计出图并交付深度达到LOD300的BIM模型。为后续项目施工阶段的三维可视化设计交底、施工深化、运营维护建立了信息基础模型，并减少了因设计阶段各专业协调问题产生的返工。

3结论

BIM技术在建筑工程设计领域推广、使用已有较长时间，由于其不同于二维设计软件对操作使用要求高，精细度深致工作量较大。但随着BIM技术发展，开发了众多软件接口功能从而实现了信息模型的高效利用，同时经正向设计积累基于一定标准下的系统族库，能够在项目全寿命周期较大程度提高生产效率。本文以渔营小学建设项目工程设计为例，阐述了在设计阶段利用BIM技术进行三维正向设计相对于传统二维设计的优势，归纳为：

（1）在前期设计阶段通过BIM技术利用Ecotect Analysis软件工具载入项目所在地气象信息文件，能够基于具体气候环境分析建筑布局适宜的朝向、被动式设计策略分析等对设计方案进行建筑物理环境性能化的评估，从分析结果对方案进行合理调整。

（2）在初步设计、施工图设计阶段利用Autodesk Revit软件进行多专业协同设计能够较大程度提高设计准确性并形成高度信息集成的可视化三维模型，更好地呈现设计意图。

（3）为设计概算阶段的工程量计算减少了较大重复性工作；通过交付精细度达LOD300的BIM实体模型并进一步在施工阶段深化应用能够大幅减少因管线碰撞、预埋错位等带来的设计变更与返工，提高了施工效率。

参考文献

[1]National Institute of Building Science，United States National Building Information Modeling Standard，Version1.http：/ /buildingsmartalliance. org.

[2]余腾飞.BIM技术在装配式建筑设计阶段中的应用研究——以北京市某定向安置房项目为例[C].重庆大学，2018.

[3]王文韬，赵吉坤.基于BIM技术的绿色建筑节能优化研究[J].建筑节能（中英文），2022（07）：41-49.

[4]吕中一，王伟，张银安.BIM机电正向设计研究——以武汉东湖·阿丽拉酒店为例[J].暖通空调，2022（10）：67-74.

[5]方长建，赖逸峰，康永君.建筑工程结构设计BIM数据交换SIM标准[J].土木工程与管理学报，2022（06）：27-33.

[6]宋宁，段旭辉，王像.BIM+MR技术在华晨宝马能源中心项目的应用[J].城市建设理论研究，2023（01）：89-91.

[7]付欢，史健勇，王凯.基于 BIM 的工程量计算与计价方法[J].土木工程与管理学报，2018（01）：138-145.