劉 雯（華建集團(tuán)上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200041）

自 21 世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展已大幅度提升了社會(huì)各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率。BIM（建筑信息模型）在建筑工程行業(yè)內(nèi)應(yīng)用實(shí)踐越來越火熱，而新的數(shù)字城市概念已經(jīng)將 BIM 技術(shù)的應(yīng)用范圍由狹義的建筑項(xiàng)目工程拓展至城市乃至區(qū)域等更大的領(lǐng)域之中。工程項(xiàng)目本屬于城鄉(xiāng)建設(shè)與管理里非常重要的一部分，BIM 在場(chǎng)地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究是拓寬其在工程領(lǐng)域應(yīng)用的一小步，也代表著將 BIM 應(yīng)用技術(shù)可能逐步轉(zhuǎn)換到更高空間級(jí)別上，進(jìn)一步提高了實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市的可能性。

由于場(chǎng)地設(shè)計(jì)以及室外總體是諸多學(xué)科不斷交叉的項(xiàng)目工程，市場(chǎng)上業(yè)主對(duì)智能化、數(shù)字化的建設(shè)過程、高效協(xié)同的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的需求也與日俱增，要求工程設(shè)計(jì)從業(yè)者和承包商提供更加精良的服務(wù)。正是在這種需求迫切的背景下，新技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)結(jié)合傳統(tǒng)專業(yè)知識(shí)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的實(shí)施方法正一步步向前邁進(jìn)。

1 方法研究

在項(xiàng)目工程的立項(xiàng)、方案設(shè)計(jì)乃至施工的各個(gè)階段中，場(chǎng)地設(shè)計(jì)的土方平衡、工程計(jì)算、方案優(yōu)化，到最終室外總體施工時(shí)的管線布置等必不可少?；貧w整個(gè)項(xiàng)目本身以及業(yè)主的層面，精確的場(chǎng)地土方量計(jì)算、最優(yōu)化高效的土方平衡方案以及高效率的室外管線綜合，能夠有效地把控項(xiàng)目整體進(jìn)度。

1.1 傳統(tǒng)模式的技術(shù)路線

在場(chǎng)地設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)模式大多依靠二維圖紙和經(jīng)驗(yàn)。例如目前很多工程依舊采用方格網(wǎng)的土方計(jì)算方法，土方量只能用手工計(jì)算方式，項(xiàng)目場(chǎng)地的整平、設(shè)計(jì)地形土方計(jì)算時(shí)往往需要做出幾十個(gè)截面，一旦變更則要重新計(jì)算，多次反復(fù)并且結(jié)果不精確。如今也有很多土方量計(jì)算軟件可以進(jìn)行土方量的測(cè)算，例如 HTCAD、CASS 等，但大多數(shù)軟件也只是增強(qiáng)了計(jì)算方法的多樣性，對(duì)于數(shù)據(jù)的篩選、計(jì)算的精確度以及三維模型的支持力度還略顯欠缺[1]。

民用建筑項(xiàng)目的室外總體管線綜合需要考慮的因素較多，除了自身項(xiàng)目的管線路由埋深等設(shè)計(jì)之外，還要與復(fù)雜的市政管線相接駁。一方面，市政的地下管線和城市地下空間結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)中常常出現(xiàn)錯(cuò)漏碰缺的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)考慮不周全從而導(dǎo)致施工過程中頻頻發(fā)生問題，浪費(fèi)資源，影響工期[2]；另一方面，由于室外總體設(shè)計(jì)涉及的各個(gè)專業(yè)管線種類過多，相對(duì)應(yīng)各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)圖紙也很多。在傳統(tǒng)的模式中，已固化的各專業(yè)工作模式與專業(yè)之間相互割裂的工作界面、工作狀態(tài)導(dǎo)致這些離散的信息很難高效地統(tǒng)一集中起來。

1.2 BIM 的技術(shù)路線

目前，運(yùn)用在場(chǎng)地設(shè)計(jì)以及總體管線綜合之中的 BIM技術(shù)是指主要基于 CIVIL 3 D 的平臺(tái)，集成運(yùn)用 CAD、REVIT、GIS、INFRAWORKS 各個(gè)軟件的特色功能，組成一個(gè)目前較為完善的技術(shù)系統(tǒng)。

場(chǎng)地設(shè)計(jì)主要依靠三維設(shè)計(jì)軟件，例如 CIVIL 3 D、GIS等，快速地生成數(shù)字地形模型，準(zhǔn)確地計(jì)算復(fù)雜場(chǎng)地工程的挖填量。在操作過程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)更新，從而為設(shè)計(jì)、項(xiàng)目工程管理等人員節(jié)省了大量的寶貴時(shí)間。這種所想、所見即所得的三維設(shè)計(jì)模式大幅提高了直觀性和準(zhǔn)確度。對(duì)于土方工程計(jì)算而言，傳統(tǒng)模式下要幾個(gè)人花一兩天時(shí)間才能出結(jié)果，而現(xiàn)在運(yùn)用軟件計(jì)算可能只需要幾分鐘。

總體管線綜合基于三維數(shù)字地形、土建模型、管道模型可生成大量多樣化的成果。如碰撞的報(bào)告、可包括專業(yè)內(nèi)部、各專業(yè)之間的矛盾協(xié)調(diào)；更智能、更便利生成的橫、總斷面；大量聯(lián)動(dòng)真實(shí)可控的數(shù)據(jù)表；可視化的成果等。

1.3 比較分析

傳統(tǒng)模式與 BIM 技術(shù)手段的比較分析結(jié)果如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)模式與 BIM 技術(shù)手段的比較分析

總體而言，場(chǎng)地的獨(dú)特性凸顯項(xiàng)目獨(dú)特性，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)上極易轉(zhuǎn)化為項(xiàng)目特色和賣點(diǎn)。一個(gè)尊重原始地形的場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)方案，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期就可以很好地把控對(duì)土方工程上經(jīng)濟(jì)和人力的投入。精確的場(chǎng)地分析和設(shè)計(jì)是優(yōu)秀項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確地評(píng)估、更快速地完成高質(zhì)量方案，便于管理者完全掌控整個(gè)項(xiàng)目。

從上述的對(duì)比分析中看出，在專業(yè)之間的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)上，一個(gè)虛擬但真實(shí)還原了設(shè)計(jì)意圖和建造本身的三維場(chǎng)地?cái)?shù)字模型是傳統(tǒng)各個(gè)專業(yè)的二維圖紙的信息疊加遠(yuǎn)不能企及的。但是任何自動(dòng)、智能的設(shè)計(jì)軟件都只是輔助設(shè)計(jì)、輔助人腦的工具，每一個(gè)步驟的實(shí)施都離不開使用者的主導(dǎo)控制。只有結(jié)合設(shè)計(jì)管理人員的專業(yè)素養(yǎng)、綜合分析能力和判斷力與BIM 技術(shù)，才能夠發(fā)揮其真正的作用。

2 項(xiàng)目前期的分析應(yīng)用

BIM 在項(xiàng)目前期的介入，以數(shù)字化模擬、數(shù)據(jù)管理應(yīng)用等方式，減少規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中模糊性的經(jīng)驗(yàn)決策。同時(shí)，三維直觀可視化的模型也易暴露項(xiàng)目中的灰色地帶。通過比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析成果，進(jìn)行規(guī)劃決策。反復(fù)驗(yàn)證的過程，對(duì)于項(xiàng)目中期、后期的走向是有益的。再者，將專業(yè)知識(shí)發(fā)揮在新型技術(shù)平臺(tái)上，不僅可提高設(shè)計(jì)人員的效率，還使項(xiàng)目定位的走向更加明晰。

在貴州省貴陽(yáng)市蘭草壩項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)中，考慮該地區(qū)山地高原地貌特征明顯，以充分利用原始場(chǎng)地地形為先決條件，進(jìn)行場(chǎng)地設(shè)計(jì)前期研究。圖 1 ～ 圖 4 表示基于原始場(chǎng)地地形的各個(gè)因子分析成果，從場(chǎng)地單因子層面上看，對(duì)規(guī)劃方案形成有比較科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的指導(dǎo)意義。

圖1 現(xiàn)狀高程分析

圖2 現(xiàn)狀坡向分析

圖3 現(xiàn)狀流域分析

圖4 現(xiàn)狀坡度分析

3 豎向設(shè)計(jì)、場(chǎng)地整平、土方計(jì)算以及工程管理

豎向設(shè)計(jì)一般包括合理布置場(chǎng)地標(biāo)高、場(chǎng)地整平、計(jì)算土方工程量、完成土方調(diào)配方案、協(xié)調(diào)室外標(biāo)高、確定合理的室外排水方案等內(nèi)容，其中場(chǎng)地整平、土方計(jì)算是場(chǎng)地豎向布置中較核心的一部分，也是項(xiàng)目工程管理中一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。在地形復(fù)雜、地下室開挖量大的項(xiàng)目中，應(yīng)用帶有數(shù)字支持以及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)的三維設(shè)計(jì)方式，處理土方工程以及方案調(diào)配優(yōu)化等問題，不僅大幅提升了施工效率，而且將設(shè)計(jì)以及管理人員從煩冗重復(fù)的繪圖計(jì)算工作解放出來，讓他們更加專注于方案設(shè)計(jì)，極大地提高效率、節(jié)約資源。

圖 5 為上海度假旅游區(qū)某酒店的室外總體豎向設(shè)計(jì)地形。在設(shè)計(jì)、施工過程中，結(jié)合場(chǎng)地豎向規(guī)范要求，完全利用三維的模型控制場(chǎng)地的標(biāo)高和坡率。如停車場(chǎng)的坡率不超過 3%，人行走道的縱坡坡率不超過 3%，車行道的坡率不超過 8%。

圖5 室外總體場(chǎng)地設(shè)計(jì)三維數(shù)字地形

蘇州工業(yè)園區(qū)體育中心項(xiàng)目工程借助 BIM 載體，場(chǎng)館本身應(yīng)用，在整個(gè)園區(qū)的土方工程中也實(shí)現(xiàn)了精益化設(shè)計(jì)成果。BIM 在蘇州體育中心項(xiàng)目的基坑施工階段土方計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)土方調(diào)配方案優(yōu)化中的應(yīng)用具有典型性，是土方工程精細(xì)化的管理成功案例[3]。

首先，基于初步整平后的場(chǎng)地模型以及項(xiàng)目工程地下開挖的要求，確定了第一步基坑開挖的范圍、深度，通過三維模型及時(shí)反饋出開挖出的土方數(shù)據(jù)結(jié)果。

根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)施工順序不同的安排，挖方的模型也分為各個(gè)時(shí)序、各個(gè)區(qū)域，進(jìn)一步精確地計(jì)算出土方項(xiàng)目預(yù)算，為下一步土方調(diào)配方案優(yōu)化提供指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3]。具體數(shù)據(jù)見表2。

基坑開挖后，場(chǎng)地內(nèi)尋找回填土的對(duì)方區(qū)域，配合實(shí)際項(xiàng)目工程的建筑標(biāo)高以及場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高，填方模型和挖方模型也分為各個(gè)時(shí)序、各個(gè)區(qū)域，進(jìn)一步精確地計(jì)算出土方項(xiàng)目預(yù)算。場(chǎng)地內(nèi)堆土容量明細(xì)表見表3。

3 個(gè)體育場(chǎng)館地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分完成后，建筑地坪下的一個(gè)回填計(jì)算過程：利用理論回填體積（回填深度×建筑地坪面積）扣減建筑地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（地梁、結(jié)構(gòu)柱等），得到一個(gè)較為精準(zhǔn)的回填土數(shù)值，地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的量則由 BIM 結(jié)構(gòu)模型—REVIT 模型提取。

表2 基坑開挖量明細(xì)表

表3 場(chǎng)地內(nèi)堆土容量明細(xì)表

經(jīng)過 BIM 的分析計(jì)算已知：基坑開挖土方量，堆填筑場(chǎng)地所需的土方量，各單體墊層下基坑回填所需的土方量。由計(jì)算可知，在概算編制時(shí)需判斷，是將多余的土運(yùn)出去，還是需額外采購(gòu)。同時(shí)還需考慮土質(zhì)在自然狀態(tài)和夯實(shí)狀態(tài)下體積的變化，精確規(guī)劃如表4 所示。在前期土方施工范圍精密地細(xì)分和土方準(zhǔn)確地計(jì)算基礎(chǔ)上，得到一個(gè)合理的土方調(diào)配方案?；陧?xiàng)目總體挖方與填方的數(shù)據(jù)修正，最后的數(shù)值結(jié)果為后期景觀專業(yè)的介入留有余地，對(duì)其后期景觀的豎向設(shè)計(jì)有非常重要的指導(dǎo)意義。

表4 基坑施工階段現(xiàn)場(chǎng)土方調(diào)配方案

4 室外總體管線綜合

地下工程管道數(shù)量多，功能復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期短，實(shí)際工程中容易與地下結(jié)構(gòu)的梁板柱、風(fēng)管和電氣橋架的位置發(fā)生沖突，常常會(huì)使得工程返工、延期，或影響美觀，造成不必要的損失。

在設(shè)計(jì)過程中，基于原始數(shù)據(jù)（周邊市政管網(wǎng)、場(chǎng)地?cái)?shù)字地形、設(shè)計(jì)數(shù)字地形）收集錄入統(tǒng)一的管理系統(tǒng)平臺(tái)，大量的管網(wǎng)設(shè)計(jì)資料由每個(gè)設(shè)計(jì)人員提供，集中進(jìn)行系統(tǒng)管理，使項(xiàng)目數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率大幅縮小，數(shù)據(jù)的一致性和設(shè)計(jì)質(zhì)量得到了保證。例如，給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)人員在 BIM 輔助設(shè)計(jì)下，基于三維的設(shè)計(jì)地形劃定場(chǎng)地內(nèi)的匯水區(qū)域，擬地表雨水流向，計(jì)算分區(qū)雨水量，從而確定管網(wǎng)直徑的尺寸和管線的坡降。

另一方面，在各專業(yè)協(xié)調(diào)的過程中，三維可視化的設(shè)計(jì)成果省去了比較雜亂的讀圖過程，隨時(shí)可以找出矛盾、需要協(xié)調(diào)處理的地方，大幅縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)省了人力。雖然在專業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)上目前還未能做到較大突破，但是三維的可視化模型可以實(shí)時(shí)反映沿著主管網(wǎng)走向的縱斷面、每段管網(wǎng)的起始標(biāo)高/坡降關(guān)系/終點(diǎn)標(biāo)高、與其他管線的穿插關(guān)系，與地表豎向設(shè)計(jì)的埋深關(guān)系，實(shí)時(shí)變更的設(shè)計(jì)地形為設(shè)計(jì)人員省去了復(fù)雜的繪圖工作。

5 基于 BIM 的場(chǎng)地設(shè)計(jì)革新

通過 BIM 技術(shù)在實(shí)際場(chǎng)地工程項(xiàng)目的應(yīng)用，綜合理論預(yù)期和現(xiàn)實(shí)成果，可以明晰地發(fā)現(xiàn)其核心價(jià)值在于集成所有的項(xiàng)目信息，以三維可視化的手段，基于可編輯、可完善整理、易分析提取的數(shù)據(jù)信息庫(kù)，為復(fù)雜、多反復(fù)的項(xiàng)目過程提供簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)的輔助支撐，滿足能夠協(xié)調(diào)解決在傳統(tǒng)模式下需要花費(fèi)巨大時(shí)間與人力成本問題的需求。由于這些迫切的需求，基于 BIM 技術(shù)的工程項(xiàng)目場(chǎng)地設(shè)計(jì)再創(chuàng)新將面臨可預(yù)見性的革新和發(fā)展。

5.1 應(yīng)用點(diǎn)創(chuàng)新

（1）應(yīng)用點(diǎn)一：項(xiàng)目決策。BIM 將提前介入項(xiàng)目立項(xiàng)階段，基于 BIM 的場(chǎng)地設(shè)計(jì)在項(xiàng)目前期中具有重要價(jià)值。在項(xiàng)目最開始的開發(fā)中，專業(yè)設(shè)計(jì)人員基于分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)可以幫助業(yè)主做出利益最大化的決策方向，涉及土地開發(fā)的必要性、不同地貌土地的適宜開發(fā)方向、不同地塊的開發(fā)成本預(yù)判、劃分近期遠(yuǎn)期開發(fā)區(qū)域策略等。

（2）應(yīng)用點(diǎn)二：設(shè)計(jì)管理。數(shù)字雖虛擬卻真實(shí)還原了設(shè)計(jì)意圖和建造本身的三維場(chǎng)地模型。這是設(shè)計(jì)管理手中的一把利器。在傳統(tǒng)模式下，管理者只能面對(duì)大量的單專業(yè)且信息離散的圖紙，包括景觀豎向、市政管線、市政標(biāo)高、給排水、天然氣、強(qiáng)弱電等異常復(fù)雜的二維圖紙疊加，無(wú)法辨別項(xiàng)目進(jìn)度、圖紙質(zhì)量。三維直觀的模型可以提取出的顯在信息和隱藏信息是巨大的。假設(shè)項(xiàng)目管理中運(yùn)用了場(chǎng)地模型，管理者將非常清楚哪些專業(yè)設(shè)計(jì)可能進(jìn)度滯后、硬性的設(shè)計(jì)要求有無(wú)滿足，例如管線埋深、管道間的避讓等。亦隨時(shí)提取業(yè)主關(guān)心的數(shù)據(jù)，例如坡率的控制、三維效果等。

（3）應(yīng)用點(diǎn)三：成本控制。在項(xiàng)目前期的成本估算中及工程項(xiàng)目建造過程中，BIM 技術(shù)都發(fā)揮了非常大的作用。另外，基于 BIM 的場(chǎng)地設(shè)計(jì)也減少了效果圖成本，呈現(xiàn)了最真實(shí)的建造成果。

5.2 設(shè)計(jì)方法重構(gòu)

新的工具帶來了設(shè)計(jì)技術(shù)流線上的改變，各個(gè)專業(yè)之間的相互等待提資改為面對(duì)同一平臺(tái)共同作業(yè)。隨著設(shè)計(jì)進(jìn)程的時(shí)間推移，各個(gè)專業(yè)間的設(shè)計(jì)邊界將會(huì)由清楚到模糊再到清楚。事實(shí)上，雖然繪圖效率有提升，但是設(shè)計(jì)人員面對(duì)這種融合后的工作流程可能會(huì)面對(duì)更大的壓力和挑戰(zhàn)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員需要提前解決在傳統(tǒng)模式下大量要到后期施工階段才會(huì)暴露的問題，然而依循傳統(tǒng)模式的許多設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，例如各專業(yè)間的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、深化設(shè)計(jì)調(diào)整等都要被迫前移。節(jié)省下來的工期、效率以及避免浪費(fèi)的資源使得最大的得利者是業(yè)主和社會(huì)公民。

5.3 設(shè)計(jì)表達(dá)與建造革新

三維設(shè)計(jì)的表達(dá)方式種類其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越二維圖紙的方式。譬如豎向設(shè)計(jì)的表達(dá)不再拘泥于等高線、點(diǎn)高程或者方格網(wǎng)放線等施工圖，當(dāng)然這些傳統(tǒng)的二維表達(dá)方式都可以輕松地從三維模型中提取。可以試想新的三維設(shè)計(jì)的表達(dá)方式之一可能是一連串精度非常高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其閱讀對(duì)象也不再是需要放點(diǎn)彈線的施工工人，而是一臺(tái)可以直接錄入數(shù)據(jù)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三維機(jī)械控制推土機(jī)。

6 結(jié) 語(yǔ)

早在 2015 年，中央城市工作會(huì)議就明確提出“城市的精細(xì)化管理”要求。隨后，城市的建造與管理也引入了“互聯(lián)網(wǎng)+”的模式。運(yùn)用爆炸式發(fā)展的大數(shù)據(jù)協(xié)助城市管理者實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，智慧城市的概念也應(yīng)運(yùn)而生，智慧城市概念下的城市規(guī)劃是離不開數(shù)字化信息化的 BIM/GIS 技術(shù)的。場(chǎng)地設(shè)計(jì)作為城市規(guī)劃的重要部分，也必將順應(yīng)這個(gè)時(shí)代的需求，走向革新之路。