BIM 技术在住宅建筑设计中应用研究

文／尚飞 上海杰地建筑设计有限公司 上海 200000

引言：

人们对居住环境品质的要求随着物质生活水平的提升而提升，信息化技术的应用与发展使得传统行业受到前所未有的冲击，建筑行业发展也面临新的挑战与机遇。BIM技术是信息化技术在建筑行业的一种应用。在住宅建筑设计中运用BIM，不仅能够发挥其技术优势，还能提高设计效率促进设计质量与居住舒适度的提升，对住宅建筑发展具有积极作用。如何有效于住宅建筑设计中融入BIM技术，从而设计出更贴近用户居住需求的住宅建筑是我们亟待解决的问题。

1.BIM 内涵与特征

BIM 思想起源于上世纪70 年代，随后查克伊士曼与麦格劳希尔建筑信息公司等就BIM 概念进行了明确。当前业界所公认的BIM 定义包含三个部分：

（1）某个工程项目或者建筑物物理性能的数字表达；

（2）信息资源共享的一个过程能够为工程各项目整个生命周期（从开工到拆除的全过程）的信息化决策提供参考依据；

（3）能够为工程项目各个阶段的信息导入导出、更新修整等操作提供支撑，实现利益相关者的实时协同工作[1]。BIM 技术可实现建筑的数字化描述，这个信息化模型包含建筑物构建性能、施工建造等各个方面的全部信息。

BIM 技术特征包括这几个：

（1）可视化：借助这个特征可给项目设计与建设带来很大便利，尤其是更为复杂的建筑项目，相关人员能够直观地了解建筑相关构件以及建筑全貌，如设计人员可将平面图纸转化为立体的建筑图像，不同人员可根据实际需求获得其需要的细化图纸。

（2）信息输出多元化：BIM 模型包含建筑各方面信息，如建筑材料物理属性、工程信息以及二维几何信息等，等同于一个较为丰富的数据库，同时能够通过交互接口实现与其他相关软件的转化交接，避免不必要的重复，无论是提取平面立面图或者详图等二维图形信息或者门窗构建明细与工程量统计等非图形信息，还是与其他相关软件支撑模型数据输出传递，均能够体现出信息输出多元化特点。

（3）参数化：关联部分会随着某处修改的变化而联动修改，如修改窗户尺寸参数，其关联部分如明细表、三维模型等会随之联动修改，同类构件还可以实现批量修改；模型几何物理属性关系能够互通联动，如按照相应规则梁柱的搭接部分能够自动扣减，建模过程中这个特点减少许多不必要的重复，使得工作效率更高。

（4）可计算性：BIM 模型包含能够识别的信息如几何数据、工程信息等，基于此便能够结合现实状态进行模拟计算，如模拟方面，BIM 能够对静态建筑进行模拟，还能够进行自然环境状态（设计施工阶段）或者灾害应急（运维阶段）状态下建筑的模拟；优化性方面，将BIM 技术与优化工具联合使用可实现复杂项目的优化，如优化方案（通过模拟分析评估不同方案进而择优）、异形建筑项优化设计（如异型结构、特殊幕墙形式等）。

2.BIM 技术在住宅建筑设计中的应用优势

BIM 技术应用于住宅建筑设计中的优势有这几个：

（1）实现二维向三维视角展示的转变：三维视角建筑展示可规避传统二维视角展示的不足，而且三维模型中包含住宅建筑项目相关信息，对于复杂建筑项目而言此优势更为明显。

（2）实现项目真实情况模拟：现阶段BIM 技术可通过模拟与可视化等实现所见即所得，如借助相关软件能够将住宅建筑项目场地地形图直观地展示出来，对于地形较为复杂无法就地测绘的场地还能够借助无人机拍摄获取信息输入软件。

（3）有利于内部协作能力的提高：住宅建筑项目中包含多个部门，不同专业人员（如建筑、电气、暖通、结构、排水等）可通过软件建立专业所需要的信息模型，通过BIM 信息平台可实现建筑项目信息的共享，为不同部门实时交流提供便捷。

（4）有利于工作效率的提升：可将施工现场与立体建筑信息模型二者进行对比，进而发现不足或者潜在隐患，分析原因给予针对性处理，以免因质量问题而返工，减少非必要的重复工作，从而提升了工作效率。

3.BIM 技术在住宅建筑设计中的具体应用

3.1 BIM 技术在住宅建筑设计中的应用

BIM 技术的应用就纵向而言参与工程项目全生命周期，而横向上而言包含不同工种、不同专业，需要多方协作来完成相应深度的信息集成工作，在住宅建筑设计中BIM 技术的应用比较广泛。基于BIM 这种数字化、集成化的平台可实现建筑设计施工以及运营等不同环节的协调以及整合。下文将从这几个方面分析BIM 技术在住宅建筑设计中的运用。

3.1.1 设计可视化

设计可视化住宅建筑设计中BIM 应用的重要方面。BIM 技术一个突出特点便是可视性，这个特性不仅包括施工效果的可视化，还涉及不同阶段施工的可视化。BIM 技术的三维立体建模技术可将建筑形态全方位、直观以及形象地呈现出来，可视化、立体地方式能更直观清晰地呈现设计效果，一方面，便于业主以及其他相关方了解建筑相关信息，如外观、景观以及室内布局等。另一方面，借助BIM 技术设计人员可实现建筑模型室内布局、光照以及外观等不同角度的查看，为设计决策的评估提供便利。具体来讲设计可视化特点有这两个：其一，提供更好地决策支持，在设计过程中融入设计可视化，可便于设计团队理解设计决策以及评估其影响，例如在设计过程中借助立体建筑模型尝试材料、光照以及颜色不同设置，从而了能够了解不同选择呈现的效果反馈；其二，有助于沟通协作，BIM技术的运用实现了信息共享，在住宅建筑设计过程中，设计团队可借助设计可视化应用实现客户以及其他利益相关方对建筑模型的共享，如早期阶段设计人员可向上述各方就建筑模型进行展示，便于设计团队掌握客户以及其他相关利益方的需求甚至期望，适时就设计进行针对性调整，同时就设计团队内部而言，设计可视化可为团队内协作提供便利（建筑模型共享以及讨论），有助于设计质量的提升。

3.1.2 碰撞检测

设计团队可借助BIM 技术及时发现设计中存在的冲突问题，便于设计人员对构件间关系查看，实施碰撞检测，从而实时检测电缆、管道以及其他系统元素相互间的干扰进而提供针对性解决方案，以免后续施工出现错误甚至延误。碰撞检测与上文提及的设计可视化一样均为住宅设计中BIM 技术的重要应用。碰撞检测步骤为：在BIM 软件中导入各个系统模型并于模型中进行对应定位-BIM 软件自动检测系统间冲突（如管道与梁间的相互干扰）-可视化呈现检测结果（存在冲突则模型中冲突部分标记以及颜色编码会显示出来）-按照检测结果呈现的冲突类型以及严重程度采取针对性措施干预（如根据需要调整管道或者选择重新设计梁）。碰撞检测按照建筑结构-设备内各专业-结构电缆管道-管道间故障的顺序进行，碰撞测试内容较多，墙面、排风、电缆供水管道、供水管线、结构与结构等均为测试范围。碰撞检测的作用有这三点：其一，通过碰撞检测能够尽早发现不同系统存在的冲突问题进而及时解决，较大程度减少后续施工过程中因发现问题而导致的重新工作，从这个角度来讲有助于时间与成本的节约；其二，通过碰撞检测及时发现问题与不足进而予以改进优化，促进了空间资源利用率的提升，最大程度减少非必要的冲突与资源浪费；其三，通过碰撞检测便于相关人员及时发现与解决设计存在的冲突问题，减少对后续施工的不良影响，现场调整与修改得以减少，从这个角度来讲有助于施工效率的提高。例如暖通工程，为现代住宅建筑工程的重要组成，负责建筑空调运行以及供暖，不仅包含设备、管道以及阀门布置连接，还包括管道间、管道与墙体间的关联，通过碰撞测试可及时发现存在的冲突并予以解决，提高管道、设备以及阀件的排布可行性，同时也有助于土建、暖通二者工程配合效果的提升。

3.1.3 物料管理

建筑工程建设对物料需求是比较大的，且涉及到不同种类的材料设备，BIM 技术在住宅建筑工程中的运用也涉及到物料管理，BIM 技术的使用可为设计团队追踪管理材料提供便利，如基于该技术以及供应链集成实施掌控材料成本、数量以及交付时间等情况，兼顾实施效率与可持续性。同时促进了物料管理信息化水平的提高，优化物料管理流程，提升管理效率，实现对物料的实时动态管理，有助于成本控制。

3.1.4 能源分析

现阶段，减少建筑能耗已成为设计人员设计过程中考量的一个重要方面。BIM 技术在住宅设计中的一个应用便是能源分析，运用BIM 技术可帮助设计人员了解住宅能源情况进而更为准确地评估其节能潜力，通过对建筑热传导、采光以及通风等的模拟，针对性优化设计方案，促进能源效益的提高。通过节能设计手段的运用可大幅度降低住宅建筑能耗，提高能源利用率同时改善用户居住体验。如以采光设计为例进行说明，运用BIM 技术可模拟不同方向时建筑状况，进而获得光照时间与面积数据，在此基础上设计人员通过有效地能耗分析选择最具科学性的建筑方向，基于BIM 技术分析住宅建筑不同方向的能耗差异，进而在住宅建筑设计中结合实际需要以及能耗分析结果确定相应能量模型；如运用BIM 技术对不同气候条件下住宅建筑所产生的能源消耗情况进行分析，进而针对性设计，可分析住宅建筑整体结构以及孔洞，确保遮阳效果。此外，借助BIM 平台可交互使用不同数据信息，进而实现各种数据的协调集中，进一步保障节能的可靠性。

3.1.5 施工管理

借助构建的三维立体模型使得施工计划与进度管理更为顺利，在早期发现存在潜在隐患并及时干预，促进了施工流程与资源分配的优化。首先，借助参数化模型，可直观地呈现建筑物相关信息，从而有效避免施工人员因设计图纸理解偏差而导致不必要的负面影响。其次，借助可视化模型可实现不同专业间的协作，如不同专业可于构建的三维信息模型上叠加，便于相关人员找出冲突或者错误，进而及时调整，减少设计变更的发生，同时BIM 技术的运用可为施工人员规划施工流程、调整把控施工进度提供便利。此外，项目竣工阶段，BIM 技术同样有较大发挥空间，借助生成的竣工模型可为后续住宅建筑运营维护提供相应参考。

3.2 BIM 技术在住宅建筑设计中的应用实例

3.2.1 项目概况

本项目为珠海市某住宅项目，拟用地116300.5 平方米，地上建筑面积256015.55 平米，周边交通便利且环境良好。本工程涉及到不同专业间协作，时间较紧，若选择计算机辅助则耗时长且难以满足设计数据精确度需要，在住宅建筑设计过程中运用BIM 技术。鉴于Revit 是BIM 重要工具，综合考量采用Revit 软件进行设计。

3.2.2 准备工作

评估本住宅工程规模，对其特征、设计意图等相关信息进行了解与掌握，初步制定构建方案，为了确保本住宅工程不同环节轴网坐标保持一致便于后续整合优化，结合各方面信息资料进行三维模型构建，并将其与CAD 图纸相结合构建专业轴网。

3.2.3 模型构建

设计人员构建相关工作集，Revit 软件中导入的图纸均存储以DWG.格式并将这些图纸向数字化信息转化，完成二维向三维、平面向立体的转变。本工程实例中建模操作过程中将住宅建筑屋顶以及外立面等作为重点对象，根据建筑构件差异调整相应的形状材质等属性。同时有权限的相关人员可以参与到工作集中借助Revit 软件结合实际需要不断优化梁柱、屋面以及楼梯等的布置，如楼梯为系统族，便运用自带楼梯族设置相应的楼梯参数如踏步、材质以及功能等。不同专业也可借助BIM 平台实现协同设计，如设备工程师基于此进行建筑与结构模型的集合，根据建设需要构建消防、给排水以及电气信息等模型，如给排水方面应基于设计需要选择适宜的标高、管径，必要时于立面视图实施布置便于建筑主体以及管道二者空间关系的直观呈现。此外，需要注意材料统计报表的细化，进一步优化管道布置。

3.2.4 碰撞检测

在模型成功导入Revit 软件后便可进行不同系统、元素间的碰撞检测，从而及时发现冲突问题。具体来说，待明确连接主文件模型后选择轴网坐标，借助关联软件的拍摄功能分析模型中的三维视图，确保业主以及相关人员能够直观清晰地对模型空间构建进行观看；设计好相应碰撞规则并自动化截取碰撞节点，碰撞检测完成后则自动生成检测报告，如果存在冲突则会显示出来。本工程中不同专业交互实施碰撞检测，及时修改不合理设置，其中给排水以及建筑专业共检测15 个冲突点，将现实情况与检测结果结合起来综合分析及时纠正冲突，优化管线设计。

3.2.5 节能设计

采光是绿色建筑设计的重点内容，通过合理的采光设计可兼顾节能降耗与居住体验提升两个方面。收集相关环境信息，结合玻璃材质、窗户采光面积以及空间布局等信息进行处理，观察空间不同方位采光度，基于BIM 技术整合室内人工采光进而模拟不同空间区域（餐厅、卧室以及厨房等）的光线效果；基于BIM 技术进行外墙保温设计，包括外墙基层、保温层以及受力情况等相关参数，分析荷载分布；模拟输水流量与排水布局情况，全面整合材料，选择具有节能优势的材料优化节能排水系统设计，同时结合碰撞检查明确的冲突点进一步优化设计，尽可能减少不必要的资源浪费。

3.2.6 效益分析

研究表明将BIM 技术运用住宅建筑设计中，一栋建筑其工程施工人员工作效率以及工程经济效益分别能够提高7%、17%。本研究效益主要体现在两方面：其一经济效益。住宅建筑设计过程中运用BIM 技术缩短了工期，如项目单层完成时间缩短逐步缩短，同时运用BIM 技术及时发现存在不足，如经碰撞分析及时发现冲突并优化，节省了后续变更费用，实现成本的节约；其二环境效益，BIM 技术运用显著提升了住宅建筑建设效率，确保施工进度，减少不必要资源浪费情况的出现。

表1 住宅建筑设计BIM 技术运用前后情况比较

4.BIM 技术应用前景分析

随着人类迈入信息时代，信息化技术对传统行业影响的深度与广度也在不断增加。BIM 技术实质是信息技术在建筑行业运用的体现。一方面，作为一种新技术，我国并未积累丰富的实践经验，在实际运用中仍面临一些问题。如基于BIM 技术可实现不同部分人员的协作，这些人员均参与到项目设计中，如果未能合理管理以及明确权限，可能造成负面影响，一旦BIM 技术运用中出现问题将难以明确权责到具体个人；BIM 技术的有效运用需要充足的资金、设备配置以及专业人才等给予支撑，可能导致前期成本的增加。对于存在的问题均需要针对问题原因采取措施改进[2]。另一方面，即使BIM 技术当期行业运用中仍存在需要改进的地方，但瑕不掩瑜，现阶段其技术优势是难以替代的，而且随着BIM 技术在建筑行业应用环境的进一步改善，其优势将会越来越明显，如基于仿真模拟建筑模型可实现多部门协同办公，减少时间空间的干扰；设计人员借助4D 模型辅助设计，更为清晰直观、整体地呈现建筑情况。

结语：

建筑行业是我国经济的重要支柱之一，其中住宅产业占较大比重。BIM技术因其自身优势而被运用于建筑行业，这也是行业信息化发展的必然要求。本文分析总结BIM技术在住宅建筑工程可视化设计、碰撞检测、物料管理、能耗分析以及施工管理等多个方面设计中的运用，结合住宅建筑一体化设计实例分析BIM 技术的具体应用。可以看出BIM 技术对于住宅建筑设计具有明显的积极作用，很有必要深入研究并丰富实践。