馬繼國 張 野 趙剛剛 劉冒佚

(1.重慶路先峰科技有限公司，重慶 400044； 2.西南政法大學(xué)，重慶 401120； 3.重慶市城投公租房建設(shè)有限公司，重慶 400015)

引言

近年來，BIM技術(shù)在建筑工程行業(yè)高速發(fā)展，相關(guān)部門也在大力推廣?！?019年是我國推動落實《2016-2020年建筑行業(yè)信息化發(fā)展綱要》的關(guān)鍵之年，國家及各地政府對于BIM技術(shù)的重視程度不減，多地出臺指導(dǎo)意見，進一步推動BIM技術(shù)在更加廣泛、更加專業(yè)的領(lǐng)域進行應(yīng)用，積極鼓勵支持BIM實現(xiàn)本地化應(yīng)用”[1]。另外，趙雪媛[2]等人認為設(shè)計方是應(yīng)用BIM技術(shù)的先行者，要將BIM技術(shù)牢牢地立足于設(shè)計階段，再帶動BIM技術(shù)立足于建筑項目全生命周期的每個階段中。

當前在應(yīng)用BIM進行建筑設(shè)計的過程中，普遍存在根據(jù)二維圖紙進行三維模型“翻?！钡默F(xiàn)象，BIM的應(yīng)用價值還未得到真正體現(xiàn)[3]。因此，如何在項目設(shè)計階段充分利用BIM技術(shù)并發(fā)揮其使用價值成為我們關(guān)注的焦點。本文將介紹西南政法大學(xué)綜合實驗樓項目來探索BIM技術(shù)在設(shè)計階段中的應(yīng)用經(jīng)驗及其所產(chǎn)生的應(yīng)用價值。

1 項目概況

西南政法大學(xué)綜合實驗樓項目位于重慶市西南政法大學(xué)渝北校區(qū)圖書館兩側(cè)，建筑面積為74 705.99m2，項目總投資約2.31億元。項目包括1號和2號兩棟實驗樓，主要含有媒體技術(shù)教學(xué)實驗用房、經(jīng)濟管理教學(xué)實驗用房、法庭庭審教學(xué)實驗用房、司法技術(shù)教學(xué)實驗用房及信息技術(shù)教學(xué)實驗用房等。整個擬建地塊和已有建筑圖書館構(gòu)成一矩形用地，地勢北高南低，南北高差較大。

本項目1號樓、2號樓分列于已有建筑圖書館兩側(cè)，而圖書館為一棟大體量圓弧形建筑，具有極強的個性，故本方案布局形態(tài)更多考慮尋求與圖書館形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一，布局上分別布置三個呈放射狀的建筑形體，與圖書館形成向心的協(xié)調(diào)構(gòu)圖關(guān)系。1號樓由北至南的三個體塊之間形成多個內(nèi)凹的半開放空間，2號樓三個體塊以山墻對道路和圖書館，最大化地留出與圖書館和城市道路的空間，如圖1所示。

圖1 擬建項目效果圖

2 設(shè)計階段BIM技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用

2.1 日照分析

重慶是中國日照時間最短的地區(qū)之一[4]。為了確保項目建成后在冬季具有良好的日照條件，同時也要避免對相鄰圖書館產(chǎn)生日照遮擋影響，日照分析成為一個非常必要的環(huán)節(jié)。在原方案設(shè)計階段通過進行日照動態(tài)模擬分析充分考慮該地區(qū)的氣候條件、日照特點、地形特點、鄰近建筑的遮擋情況等因素，動態(tài)模擬分析后提出合理化建議。

(1)分析條件

重慶市地處四川盆地的東南部，地跨東經(jīng)105°11′～110°11′、北緯28°10′～32°13′之間，東西長470km，南北寬450km，總面積82 402.95km2[4]。

(2)分析參數(shù)

1)地理位置：載入重慶氣象數(shù)據(jù)資料，該氣象資料來源于清華大學(xué)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)庫》，包含了270個氣象臺站的實測數(shù)據(jù)；

2)日期：12月21日(冬至日)；

3)時間：早上6點至下午18點；

4)日照標準：重慶在大寒日(冬至日)建筑底層窗臺在8：00～16：00間日照時數(shù)不小于2h[5]。

(3)分析過程

結(jié)合《建筑日照計算參數(shù)標準GB/T 50947-2014》運用Ecotect軟件進行全天候動態(tài)模擬分析，如圖2所示。

圖2 日照動態(tài)模擬分析

(4)分析結(jié)果

經(jīng)日照動態(tài)模擬分析，1號樓AA至AH軸交A1軸位置及A-F交2軸位置立面，2號樓1-1至1-15軸立面，在冬至日當天一直處于遮擋狀態(tài)，這是由于重慶的特殊地理條件及太陽運行軌跡所決定的(如圖3藍線所示)； 1號樓1/01至2軸交G軸位置立面(特指1-4層)，房間日照嚴重不充足，陽光遮擋原因是因為1號樓建筑本身突出主體部分間距較小導(dǎo)致； 2號樓c-A至c-M軸交3-1軸、b-A至b-F軸交2-1軸、a-D至a-H軸交1-6軸位置立面(特指1-5層)，房間日照嚴重不充足，陽光遮擋原因是由于2號樓西側(cè)與已有建筑圖書館東側(cè)位置距離過近導(dǎo)致，如圖3紅線所示。

圖3 實驗樓分析結(jié)果示意(優(yōu)化前)

(5)處理建議

1)優(yōu)化調(diào)整了原設(shè)計方案中1號樓、2號樓的朝向和方位，由原來正北方向優(yōu)化調(diào)整為朝北偏東，方位偏轉(zhuǎn)角度調(diào)整；

2)優(yōu)化調(diào)整了建筑空間形態(tài)和布局，對原設(shè)計方案中在滿足空間使用功能和日照要求下，進行調(diào)換經(jīng)常使用空間(如：會議室、實驗室、辦公室等)和次要使用空間(如：儲藏室、工具間、設(shè)備間等)位置；

3)充分利用自然采光，配合節(jié)能減排設(shè)備，創(chuàng)造良好光環(huán)境和節(jié)約能源，結(jié)合本方案框架結(jié)構(gòu)特點，采用大面積開窗，背光遮擋區(qū)域房間窗洞口面積與該房間地面面積之比達到1：3；

4)為保證采光質(zhì)量，減輕或消除窗眩光，工作區(qū)域防止直射陽光，工作人員的視覺背景盡量避免為窗口。

通過對原設(shè)計方案優(yōu)化調(diào)整后(如圖4所示)，1號樓、2號樓建筑整體日照時間大于等于2小時，有效日照帶在8～16小時之間，滿足重慶市日照相關(guān)規(guī)范標準要求。

圖4 實驗樓調(diào)整優(yōu)化后平面布置

(6)目前日照分析存在標準、軟件不統(tǒng)一，建筑日照與方案設(shè)計抉擇(取舍)等問題

國家出臺有關(guān)城市規(guī)劃設(shè)計規(guī)范，但是對日照分析的范圍、計算方法和具體的實施標準沒有明確的統(tǒng)一規(guī)定，日照分析技術(shù)相對來說比較復(fù)雜，如果分析方法、標準不同，所產(chǎn)生的分析結(jié)果差異性就會很大； 在建筑規(guī)劃設(shè)計過程中，早期規(guī)劃理念往往都是較為理想的，不過在項目設(shè)計實施過程中，相關(guān)日照分析的結(jié)果卻滿足不了規(guī)劃設(shè)計要求指標，而想要使得日照需要得到實現(xiàn)，則規(guī)劃設(shè)計會發(fā)生較大變動，最終將是規(guī)劃方案受日照因素的制約或日照分析結(jié)果受規(guī)劃方案限制而得不到滿足，以下針對西南政法大學(xué)綜合實驗樓項目舉例：

1)本項目開展日照分析工作時，對分析方法(區(qū)域分析法：可快速直觀地表現(xiàn)特定建筑日照關(guān)系； 窗日照分析法：最精確、嚴格，但規(guī)范除對幼兒園、中小學(xué)普通教室的采光要求達到滿窗日照標準外，其他類建筑并未對滿窗提出要求[6]； 線上分析法：主要是針對方案前期有諸多不確定因素，用于分析建筑輪廓上給定高度的日照情況)及分析軟件(眾智、天正、SketchUp 日照大師、Ecotect)進行了討論，經(jīng)過分析比較最終選定的是窗日照分析法及Ecotect分析軟件。

2)本項目前期方案設(shè)計周期經(jīng)歷兩年多，一直因為政策變化及控制指標不滿足要求而不斷變化，原始設(shè)計方案為17層高層建筑，建筑位于已有圖書館西側(cè)，經(jīng)日照分析后發(fā)現(xiàn)新建建筑東側(cè)1-3層采光極差，已有建筑圖書館自下午兩點以后幾乎沒有自然采光，原有方案不斷進行設(shè)計調(diào)整但始終滿足不了日照采光要求，最終推翻原有設(shè)計方案將原有一棟高層變?yōu)閮蓷?層多層建筑，布置在原有圖書館兩側(cè)。

由此可見，對日照分析相關(guān)法規(guī)政策中存在模糊不確定的問題進行細化、明確，加強地方性有關(guān)日照分析的管理辦法，優(yōu)化日照技術(shù)管理規(guī)定，建立科學(xué)的日照分析標準、計算方法，確定高層建筑日照間距標準是很有必要的； 將日照分析優(yōu)化提前考慮到地塊規(guī)劃設(shè)計，便于日照分析可以貫穿于整個規(guī)劃設(shè)計階段，充分考慮周邊建筑環(huán)境對建筑本身的相互影響關(guān)系。

2.2 空間規(guī)劃

現(xiàn)代建筑對人的使用功能需求和使用舒適度更加關(guān)注和重視，因此在進行建筑設(shè)計時，需要利用BIM技術(shù)對建筑的功能、布局等進行合理安排，將空間使用需求和建筑工藝緊密融合，從根本上提升建筑空間規(guī)劃設(shè)計[7]。

(1)原有設(shè)計方案中衛(wèi)生間處在大廳居中位置，隱私性較低，達不到自然采光及通風要求，衛(wèi)生間易積聚潮氣、發(fā)霉、揮發(fā)異味，衛(wèi)生間直接對應(yīng)公共區(qū)，為滿足室外人員使用需求，必須經(jīng)由門廳進出，而門廳又緊鄰700座位的學(xué)術(shù)報告廳，報告廳正常使用時人流相對比較密集，衛(wèi)生間蹲位數(shù)量滿足不了高峰期使用需求，容易出現(xiàn)高峰排隊現(xiàn)象，也會出現(xiàn)衛(wèi)生間的異味揮發(fā)嚴重影響公共區(qū)域使用品質(zhì)(如圖5)。

圖5 方案優(yōu)化前

業(yè)主對衛(wèi)生間后期使用和維護非常重視，為滿足業(yè)主使用需求，經(jīng)過BIM可視化方案論證及通風分析驗證，消防控制室可以設(shè)置在密閉且通風不佳的位置，衛(wèi)生間可設(shè)置在靠外墻窗位置，于是進行設(shè)計方案房間布局調(diào)整。將衛(wèi)生間調(diào)整至原消防控制室位置，并進行一定空間擴充增加蹲位數(shù)量，將消防控制室調(diào)整至原衛(wèi)生間相鄰管理間位置，同時也滿足消防控制室直通室外的規(guī)范要求，原有衛(wèi)生間位置變更為管理用房并預(yù)留出學(xué)術(shù)報告廳出入衛(wèi)生間的走廊通道。調(diào)整后(如圖6)的衛(wèi)生間布局既能滿足學(xué)術(shù)報告廳使用標準蹲位、小便器數(shù)量，也滿足了室外人員使用衛(wèi)生間的流線和學(xué)術(shù)報告廳的人員流線不交叉，又保證衛(wèi)生間具有自然采光、通風良好使用性能，同時又不影響門廳和學(xué)術(shù)報告廳的室內(nèi)空氣質(zhì)量，最終建筑設(shè)計方案達到衛(wèi)生、健康、文明的目標，體現(xiàn)了人性化設(shè)計與管理[8]。

圖6 方案優(yōu)化后

(2)原有設(shè)計方案中，女衛(wèi)生間和清潔間布置在外墻靠窗位置，經(jīng)BIM可視化及室內(nèi)采光分析，發(fā)現(xiàn)女衛(wèi)生間蹲便隔板遮擋使自然采光系數(shù)降低，清潔間完全遮擋盥洗間自然采光及自然通風，降低了衛(wèi)生間空間利用率及使用舒適度，如圖7所示。

圖7 方案優(yōu)化前

結(jié)合BIM模型對原設(shè)計方案在不影響使用功能的前提下進行調(diào)整，將原有男衛(wèi)生間與女衛(wèi)生間的位置對調(diào)，原先靠窗位置蹲便間取消，靠墻側(cè)變更為小便器； 將原有清潔間及盥洗間位置對調(diào)，盥洗間緊鄰?fù)鈮Υ皯粼O(shè)置，清潔間為不經(jīng)常使用空間，可以放在密閉空間位置。調(diào)整后(如圖8)衛(wèi)生間及盥洗間空間布局更為規(guī)整通透，既能滿足當前樓層人員使用標準(蹲位、小便器數(shù)量)，又保證衛(wèi)生間、盥洗室具有自然采光、通風良好使用性能，同時提升了空間利用價值及使用舒適度。

圖8 方案優(yōu)化后

(3)目前空間規(guī)劃存在滿足法規(guī)要求和后期使用合理性之間角逐取舍(就低不就高)問題傳統(tǒng)建筑設(shè)計整體空間布局在方案設(shè)計階段已基本定形，后期通過初步設(shè)計、施工圖設(shè)計階段進行優(yōu)化調(diào)整。目前國家層面有關(guān)空間規(guī)劃專項標準規(guī)范不是特別完善，地方對建筑空間規(guī)劃要求又結(jié)合當?shù)貙嶋H需求，項目空間規(guī)劃布局深化協(xié)調(diào)時往往會發(fā)生滿足法規(guī)要求和后期使用合理性角逐取舍，大部分為了保證工程進度和投資成本，選擇滿足法規(guī)要求即可。以下針對西南政法大學(xué)綜合實驗樓項目舉例：

圖9 凈高合規(guī)性檢查

1)本項目地下車庫中有兩根結(jié)構(gòu)柱布置在機動車行車路線上，行車本應(yīng)直線通過，結(jié)果需要走S線才能通過，從設(shè)計圖紙上看起來沒什么特別影響，但是進行三維行車模擬時，就發(fā)現(xiàn)行車流線很受限制而且對行車安全也存在很大的安全隱患。BIM行車模擬報告反饋業(yè)主并提出優(yōu)化建議，進行設(shè)計協(xié)調(diào)會討論后不做修改，原因如下：其一，柱子間行車間距正好滿足規(guī)范要求，暫未考慮后期使用合理性； 其二，如果修改設(shè)計，要對上下層結(jié)構(gòu)受力重新計算，上下層空間布局都要調(diào)整，調(diào)整后又要重新走圖紙審查流程，會造成項目進度延后，成本增加等。最后，建設(shè)單位在滿足規(guī)范要求和后期使用合理性之間選擇了前者。

2)本項目地上主體B區(qū)樓梯間整體寬度5.8m，梯段寬度2.1m，樓梯井寬度1.6m，樓梯井寬度設(shè)置過大，設(shè)計圖紙表達中看不出有任何問題，但是通過BIM人流疏散模擬分析驗證后發(fā)現(xiàn)，上下課及緊急疏散期間屬于人員流動密集區(qū)，容易發(fā)生推搡踩踏墜落事件，存在極大的安全隱患。BIM將人流疏散模擬分析報告問題反饋業(yè)主并提出優(yōu)化建議，進行設(shè)計協(xié)調(diào)會討論后不做修改，原因如下：其一，樓梯井寬度設(shè)置滿足公共建筑規(guī)范，規(guī)范中只明確不宜小于規(guī)定值； 其二，樓梯井要修改樓梯間長度已固定，加寬梯段休息平臺就沒有可變空間，只能縮短樓梯井寬度，單要重新計算臨近教室面積； 其三，樓梯間要更改窗戶也要隨之移動位置，會影響外立面造型調(diào)整。最后，建設(shè)單位基于時間成本考慮，在滿足規(guī)范要求和后期使用合理性之間選擇了前者。

由此可得出，建筑空間布局規(guī)劃中不能只局限于單方面優(yōu)化，要從建筑空間規(guī)劃功能性、經(jīng)濟型、協(xié)調(diào)性等方面考慮。建議后續(xù)項目規(guī)劃設(shè)計時BIM技術(shù)就融入，能夠為規(guī)劃設(shè)計提供更優(yōu)質(zhì)的咨詢服務(wù)，提升整個項目的建設(shè)品質(zhì)。

2.3 合規(guī)性檢查

本建筑設(shè)計采用二維、三維聯(lián)動設(shè)計協(xié)同，彌補了傳統(tǒng)二維設(shè)計信息表達不清的不足，在設(shè)計過程中以BIM模型為載體，對單專業(yè)和多專業(yè)間設(shè)計協(xié)同進行沖突分析、合規(guī)性檢查，從而達到方案設(shè)計的最優(yōu)化。后勤走道凈寬1 350mm，走道內(nèi)管線密集，走道梁底凈高3 450mm，下方安裝有風管、消防噴淋管、空調(diào)熱水管及電氣橋架，考慮管線綜合排布，扣除保溫層厚度、支吊架預(yù)留空間后，走道凈高只能達到1 600mm，凈高不滿足規(guī)范使用要求，經(jīng)BIM專業(yè)深化后空調(diào)熱水回水管沿走道另一側(cè)更改路由，排煙風管改為900mm×200mm，水泵房送風管更改路由,如圖9所示。優(yōu)化后走道滿足凈高使用需求、滿足后期維護檢修空間。

設(shè)計階段利用BIM技術(shù)共提出合規(guī)性檢查問題256項，如表1所示。其中土建專業(yè)問題主要集中在圖紙缺少信息、圖紙構(gòu)件不符或缺失、室內(nèi)外標高銜接有誤、降板處梁高不足、構(gòu)件多余、構(gòu)件碰撞等； 機電專業(yè)問題主要集中在管道與路由錯誤、凈高不足、圖紙內(nèi)容缺失、機電與建筑不符、機電構(gòu)件布置錯誤不合理、建筑功能空間不滿足機電使用需求等。

表1 合規(guī)性問題檢表

2.4 多專業(yè)協(xié)同深化

傳統(tǒng)建筑設(shè)計基本是二維圖紙設(shè)計，各專業(yè)設(shè)計師都是獨立負責完成本專業(yè)的繪圖設(shè)計，在設(shè)計過程中沒有實現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，最終設(shè)計圖紙勢必會存在各專業(yè)的碰撞和沖突問題。而BIM技術(shù)的應(yīng)用可以對整個建筑設(shè)計過程進行一次提前模擬，這就相當于一個全方位的三維圖審過程。在此過程中大批量隱藏在設(shè)計圖紙中的問題得以直觀顯現(xiàn)，這些暴露問題可能不牽涉設(shè)計強規(guī)強條，但跟各專業(yè)協(xié)同配合緊密相關(guān)(比如空間位置交叉沖突)，在以往的單專業(yè)設(shè)計審查過程中很難被發(fā)現(xiàn)。本次建筑設(shè)計運用BIM技術(shù)和精益實踐原則規(guī)劃設(shè)計團隊的組織結(jié)構(gòu)、工作模式以及團隊間協(xié)同溝通方式，方便在設(shè)計過程中快速高效識別錯誤，減少錯誤并限制錯誤的擴散[9-10]。

在機電管線深化設(shè)計過程中，利用數(shù)字化協(xié)同平臺提取所需的其他專業(yè)模型，在智能軟件中完成沖突分析、檢測，導(dǎo)出沖突分析報告，而后經(jīng)過協(xié)同平臺分享給各專業(yè)負責人進行沖突調(diào)整，線上進行相關(guān)沖突問題分析討論，最終確定沖突問題解決方案，各方確認模型無誤后更新原有模型版本，同時導(dǎo)出各專業(yè)管線綜合平面圖紙，使用方通過平臺下載客戶端或直接手機掃描二維碼查看最新版本模型及圖紙，如圖10所示。

圖10 數(shù)字化設(shè)計協(xié)同

3 結(jié)語

本文以實際項目為例，闡述了BIM在設(shè)計階段的主要應(yīng)用價值，包括：進行日照分析與優(yōu)化從而提升建筑采光效能； 通過空間規(guī)劃優(yōu)化建筑內(nèi)部布局的合理性； 通過合規(guī)性檢查使設(shè)計符合更高于規(guī)范要求，圖紙施工問題前置解決，大大減少后期施工變更； BIM技術(shù)應(yīng)用榮獲了國家省市專業(yè)大獎及示范項目，提升了項目影響力并獲得了業(yè)主方的認可。BIM技術(shù)為建筑設(shè)計的工作效率和質(zhì)量提供了強有力的技術(shù)支持，已成建筑行業(yè)發(fā)展的必然選擇。

在本次項目實踐中認識到，BIM技術(shù)在現(xiàn)階段設(shè)計應(yīng)用存在缺少統(tǒng)一工作標準資源數(shù)據(jù)庫和異地協(xié)同設(shè)計效率低下。未來可通過建立大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)字典庫，行業(yè)或設(shè)計單位可以獲得統(tǒng)一的設(shè)計標準和規(guī)范，來保障設(shè)計成果的統(tǒng)一性和準確性，實現(xiàn)正確的設(shè)計過程管理。還可以通過改變傳統(tǒng)的設(shè)計組織結(jié)構(gòu)、工作及團隊協(xié)同溝通方式，把BIM技術(shù)更高效地應(yīng)用到設(shè)計階段過程中去?；谠O(shè)計協(xié)同管理平臺，通過二三維聯(lián)動使專業(yè)之間的數(shù)據(jù)、信息可視化共享，設(shè)計人員可以實現(xiàn)跨部門、跨地區(qū)分享交流成果，進行設(shè)計評審或設(shè)計沖突討論。