基于BIM的建筑设计三维工作流应用形态探索

吴琦

上海建工四建集团 上海 201103

在国家“十四五”建筑业发展规划的政策引导下，BIM全过程应用成为必然趋势，建筑师对于三维设计工作流的需求迫切，同时现阶段建筑设计的工作流面临着革新。本文提出的建筑设计新型工作流，是 BIM全过程应用的基础下进行建筑专业的的三维工作流应用探索，并探索了关键应用形态的实现方法，有助于促进建筑设计行业高质量数字化发展。

1 提出建筑设计三维工作流的迫切需求

1.1 外部政策与内在需求

进入“十四五”时期，建筑业提出“数字建造”的转型目标，同时启动城市信息模型（CIM-City Information Modeling）的研究和示范性工作，数字化设计的趋势已经毋庸置疑，对建筑师的影响贯穿了设计全过程。在过去多年的BIM应用实践中，由于建模技术、设计周期、资金等多方面限制，没有做到以BIM模型为设计主体的目标。在具体设计工作中，建筑师的思考与推敲是基于三维空间的，但建筑师的表达方法却是二维的图形。二维图形是三维空间的映射，用二维图纸表达三维空间的过程中维度低一级，导致二维图纸的语言无法完整的表达建筑师对三维空间的设计意图，这个降维表达的过程是传统建筑设计工作流的图纸问题产生的根源。综上所述，建筑师对于三维设计工作流的需求是迫切的，基于BIM的设计工作有着内在的驱动力[1]。

1.2 建筑设计二维工作流面对的困难

在建筑设计前期阶段，二维的工作流下存在“双线”并行状态即：一条采用AutoCAD绘制二维图纸并计算面积流程，另一条用SketchUp建立三维模型推敲造型流程。两条线彼此独立运行，之间通过数据整理复核，交换数据信息。也就是说SketchUp的模型推敲好后需要在AutoCAD中重新绘制相关图形；AutoCAD中调整好的图纸需在SketchUp中修改以满足指标要求，这种数据交换的过程会在设计推进的过程中重复多次。

在建筑设计深化阶段，二维的工作流下总图、平面、立面、剖面、详图都是分别独立绘制的任意一处调整都需要立面、剖面、详图、指标等多处做出相应调整，使得绘图任务繁重，导致二维图纸细部节点回避精细化表达。除了上述痛点以外，还存在着设计周期过度压缩，难以到达应有的设计深度，设计质量更无从谈起。

1.3 建筑设计三维工作流综述

图1 三维工作流导图

本文提出的建筑设计三维工作流，是指将设计、模型、图纸、信息整合到一起，满足建筑设计到概念方案到可以指导施工的新型工作方法，使得设计过程，绘图过程以及表达过程减少割裂，数据信息来源与出口一致。我们发现二维工作流中很多约定俗成的表达以及容易忽略的常规做法，在三维模型中难以被规避。同时由于图纸表达是基于三维模型生成的，这就对三维模型的深度和精度提出更高要求，建筑师们将会花费大量精力构建三维模型，以满足相关阶段成果提交需求。当然，任何一种新技术的应用都需要一个学习和推广的过程，曾经的二维设计工作流的基础是五十年前AutoCAD技术的应用与推广，而三维设计工作流（包含软件技术）的应用才开始发扬，试想一下设计师们的BIM软件熟练度与AutoCAD的水平相当，所带来的设计与表达将会令人打开眼界。

2 三维工作流工具

2.1 基础工具

建筑师需要掌握至少一个常用的BIM软件，目前各方面比较成熟的BIM软件有REVIT、ARCHICAD、BENTLEY，目前的BIM软件都各有所长也都不完美。

REVIT优势在于深化设计、交叉作业，软件可将各专业作为整体，在同一时间开始展开各自的设计，通过信息的传递与共享搭建建筑整体BIM模型，各专业参与度高。劣势在于对曲面结构进行设计时往往具有较大难度，特别是异类连续形曲面结构，如不规则曲面屋顶、幕墙、古建筑等。目前用利用概念体量的方法完成了一些曲面的造型，但操作过程过于繁杂。

ARCHICAD功能上基本涵盖了从概念方案到施工图成果提交的所有功能需求, 与众多建模软件相比，其对计算机硬件的要求较低，无需购买高配置计算机即可展开工作, 专注于建筑设计领域。劣势在于对于结构、机电专业功能薄弱，曲面造型建模功能薄弱。

BENTLEY优势在于拥有多种建模方式，利用内置的实体、网格面、B-Spline曲线曲面、特征参数化、拓扑等多种建模方式，可自由拓展变形，非线性建模功能强大。劣势在于各专业软件必须配合使用，影响协同效率，且软件价格昂贵。

图2 常用BIM软件图标

2.2 可视化工具

目前最常用的实时渲染引擎有LUMION、ENSCAPE。LUMION是最强大，经过10个版本的开发，功能已经非常完善，出来的效果基本不输专业渲染器。ENSCAPE是更加轻量化的实时可视化引擎。最早它是在SketchUp平台上发布，现在已经支持Revit、Rhino、ARCHICAD、Vectorworks等软件平台。其简洁易用，效果清新，安装插件后，可以在软件视图中直接调用，是建筑师推敲空间效果的利器。

图3 常用渲染引擎图标

2.3 库与模板

现有的设计流程，每一个项目重复利用的知识库内容很少，很多内容都必须重复计算，绘制，调整，再计算，再绘制，再调整；又比如SketchUp的建模，每个项目都要重新建表皮做法，无法重复用。而三维设计流程可以借助BIM软件的功能，从预设的模板和积累的知识库中调取资源，不同的建筑表皮做法可以存入收藏夹，不同项目可以调用收藏夹内的做法，快速重建多样的表皮。知识库的应用还能体现标准化的内容，控制设计质量，对项目的设计深度、精细度和完成度都是重要的支撑。对于这种知识库的积累和重复利用，是三维设计工作流程甚至是建筑设计公司高效发展的迫切需要。

图4 建筑幕墙、栏杆库

3 关键应用形态

3.1 虚拟建造

虚拟建造不仅仅是建立出建筑模型，更重要的是能将现实中难以观察到的部分模拟出来。让设计团队中每个人随时可实时高效获取获取项目整体信息， 降低设计师提资或交流过程中的摩擦与专业知识壁垒。近几年，漫游动画在国内外已经得到了越来越多的广泛应用，比如三维地势仿真、人机交互、真实修建空间等特性，都是传统方式所不能实现的。

虚拟建造常见的功能有漫游动画，其功能是设计师可以从任意距离、视点和精密程度进行观察，可以自由切换多种运动模式，如飞行、跑步、行走、驾驶等；也可以给用户带来视觉上的冲击，同时拥有感同身受的体验。目的是为了追求真实且贴近现实生活，也是用来表现某一座建筑的创作、构想、设计、完成、运营的过程，展示建筑本身的生命周期。虚拟建造常见的形态有仿真模拟，其功能是有效模拟建筑内部空间人行动线，同时支持正常情况和疏散情况。目前常见的软件主要有Massmotion、Analyser、Legion等，其中Massmotion支持三维模型导入，格式为3ds、dae、dgn、dwg、dxf、fbx、obj、skp、ifc文件可导入Massmotion使用，此方法与建筑师的三维工作流联动性强，同时可以验证设计的合理性[2]。

图5 enscape窗口与revit模型联动

图6 立面细节推敲

图7 室内效果推敲

3.2 碰撞检测

基于BIM的碰撞检测是BIM技术应用初期最易实现、最直观、最易产生价值的功能之一。常用方法是利用BIM平台上进行多模型的整合，核查各处碰撞，包括土建、管线专业内的碰撞与专业间的碰撞。这个过程可以轻易的将隐藏的空间问题暴露出来。碰撞检查分为硬碰撞和软碰撞两种，硬碰撞是指实体与实体之间交叉碰撞，软碰撞是指实际并没有碰撞，但间距和空间无法满足相关施工要求。建筑设计工作过程中主要关注硬碰撞，随着项目的深化还要关注软碰撞，例如暖通之间的间隙必须满足安装和检修的空间要求，即使物理上没有碰撞，但保温、支架、施工安装距离等间隙不够属于软碰撞。应用BIM可视化技术，施工设计人员在建造之前就可以对项目的土建、管线、工艺设备等进行管线综合及碰撞检查，不但能够彻底消除硬碰撞、软碰撞，优化工程设计，减少在建筑施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性，而且优化净空，优化管线排布方案。最后施工人员可以利用碰撞优化后的三维管线方案，进行施工交底、施工模拟，提高施工质量，同时也提高了与业主沟通的能力[2]。

常见的碰撞问题包括：

建筑与结构专业：标高、剪力墙、柱等位置不一致，或梁与门冲突；

结构与设备专业：设备管道与柱冲突；

设备内部各专业：各专业与管线冲突；

设备与室内装修：管线末端与室内吊顶冲突；

解决管线空间布局。

图8 建筑结构碰撞分析

图9 建筑结构设备全专业碰撞分析

3.3 数据信息整合

在基于BIM的的建筑设计工作流中，每一个项目都是一个数据库，数据库中记录了建筑元素构件的三维几何形体及其信息。在基于BIM的设计工作流程中，我们需要在创建三维模型构件的同时，注重数据信息的创建和整合应用，使得数据信息在各个阶段、各参与方之间流转，最大限度发挥数据信息的作用。提取由建筑设计内容的工程量。如面积、房间数、门窗数、各类设施设备数等。与二维CAD相比，工作量有较大提高，但在建模完成后，生成剖面图及立面图以及在门窗表统计等工作上的工作量会大大节约。

工程量统计可采取REVIT内直接统计和利用其他软件进行统计两种方式。对于建筑专业工程量信息一半采用REVIT内直接统计的方式，应根据国家(或地方)清单计价规范，可在Revit明细表内制定清单代码挂接规则。按照族名称(或类型名称)，将项目编码、项目名称、项目内容、项目特征等参数信息，批量赋予模型构件。建立材质提取或构件明细表。

图10 REVIT模型统计房间、机电设备并输出明细表

3.4 设计成果图模合一

传统二维设计被人诟病最多的就是各种图纸中的内容和数据信息不对应，平面图与立面图、剖面图之间是松散的关系，缺乏联系。当设计变更后，平面首先调整，立面图、剖面图需要跟着修改，同时还需要调整与之相关联的其他图纸。我们在校审图纸的过程中，经常发现平/立/剖面图对不上的情况。而且当存量图纸信息达到一定数量的时候，再新增图纸内容并调整设计，工作量巨大。建筑师大量的时间，花在了设计变更后人工去整合与调整这些割裂的联系。早期BIM软件并不善于表达建筑设计的二维图纸，给出图造成了一定的难度。这在一个侧面影响了建筑师对BIM技术的应用。

完全基于BIM模型文件生成的图纸，是指从模型里直接切出并和模型文件相互关联的，即模型修改的同时，二维图纸相应修改。其关联的二维图纸包括：

平面系统：包括各楼层平面图、屋顶平面图、场地平面图立面系统：包括室内、外立面图

剖面系统：各个方向的剖面图、墙身剖面

局部放大图：包括卫生间详图、楼梯间、关键局部

详图：特殊需要表达的节点详图、门窗详图

明细表：包括面积表、门窗表、室内、外材料明细表等三维透视图/轴测图：包括整体透视图、轴测图等

图11 三维模型二维图纸联动

3.5 BIM三维技术交底

一般包括图纸交底、施工技术措施交底及安全技术交底等。在每一单项和分部分项工程开始前，均应进行技术交底工作。要严格按照施工图、施工组织设计、施工验收规范、操作规程和安全规程的有关技术规定施工。传统的图纸交底、图纸会审等工作开展主要体现在：基于二维CAD图纸或者打印出来的纸质蓝图进行使用。BIM的图纸交底工作，前期需要大量的准备工作（模型创建、问题查找等），但使用过程却变得非常高效，且有质量。很多时候二维CAD图纸深化不到位，遗留后期施工问题较多。随着BIM技术的应用与发展，施工中深化设计在BIM融入之下得到了大幅改善。在施工现场一下复杂、涉及专业交叉作业的环境中应用BIM技术进行深化设计、施工辅助、使空间中的布置进行可视化模拟，碰撞核对。最后通过可视化技术交底的方法可以有效对施工图中存在的设计缺陷进行校对及审阅，大幅提升后期施工质量，减少变更与修改，从而达到降低成本的效果。目前建筑项目专业众多、体量大、结构复杂、管线排布错综复杂、空间布局繁杂等现象。这样就对施工方提出了很高的专业素质与技术能力的要求。而传统的专业施工协调方法是基于2D平面进行，对于隐藏点很难表现出来，尤其是构件与空间、人员与空间的软碰撞更是难上加难的问题，直接导致了施工困难，增加返工，成本过高等现象。通过BIM进行可视化交底方法呈现，更加容易进行专业间问题发现与协调。

3.6 BIM结合人工智能

随着软硬件件技术的升级迭代，建筑设计的形态与BIM平台可能会出现更复杂的功能，建筑师与机器之间的联系越来越紧密。参考人工智能技术在其他行业的发展与运用方式，可以预见在数字化技术相对落后的建筑行业，人工智能技术将会给建筑行业注入新的生命力。目前，以Revit为代表的 BIM 平台及其系列工具已经得到初步运用，但传统的基于文件的桌面设计工具很难植入人工智能技术，很难融入最新的互联网技术体系，无法成为新的技术核心，只能作为一个用户端存在。以Revit 为代表的BIM 建模平台基于文件进行数据交换，模型中构件耦合性非常高，与外部数据交换通常需要数百兆以上的数据传输。高耦合性、大容量的 BIM建模操作、关联更新，需要强大的计算能力，但高耦合性导致的笨重、低效的数据交换，严重阻塞了设计工具与外部系统、云端资源的连接[3]。

假设BIM建模平台解决这一技术难题，支持传统三维建模技术直接跨入互联网技术体系，将瞬间打开BIM技术的极大想象空间。设计数据在云端将和其他互联网数据以同样的方式存在，大量成熟互联网技术能快速应用到设计工具和设计数据上，从而快速推动工具的发展与数据的深度计算。其中，最具想象空间的是融合三维模型和图像、视频、文本等其它数据的、高精细度的大数据技术。基于互联网的存储资源、计算能力和计算框架，将直接触发建筑行业的应用革命。

本文是上海建工四建集团企业A级课题《BIM正向设计技术及设计流程与管理》研究成果的总结。 BIM正向设计技术及设计流程与管理，课题编号 2018YFD2108。