常 婷， 韓 巍， 于東暉， 王鑫鑫

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100045)

0 引言

近年來，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計行業(yè)掀起了一場技術(shù)革命，逐漸改變了工程設(shè)計人員的工作方式。BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。三維的模型可以更直接的發(fā)現(xiàn)問題、完善設(shè)計，也為后續(xù)施工及運營帶來便捷。BIM設(shè)計幫助全專業(yè)完成從二維到三維的轉(zhuǎn)換。新技術(shù)總是要一步步被接受，也就衍生出正向BIM設(shè)計和反向BIM設(shè)計兩種形式。

反向BIM設(shè)計是目前主流的設(shè)計方式，俗稱“翻?！保焊鲗I(yè)工程師先完成二維的施工圖，再請專業(yè)的BIM團隊根據(jù)施工圖建立三維模型，經(jīng)過管綜和專業(yè)校核后，將需要調(diào)整的位置一一列出，再由各專業(yè)工程師調(diào)整并修改施工圖。流程可簡單概括為“出圖→建?！膱D”。

正向BIM設(shè)計也就是全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計，在設(shè)計階段由各專業(yè)工程師直接建立三維BIM模型，由三維模型直接導(dǎo)出二維施工圖，流程為“建?！鰣D”。正向設(shè)計流程看似更簡單直接，但需要設(shè)計人員改變傳統(tǒng)且熟悉的工作方式和管理流程，對專業(yè)間配合的同步性要求更高，對設(shè)計人員來說是一個不小的挑戰(zhàn)。

國家會議中心二期項目，采用全專業(yè)協(xié)同的BIM設(shè)計。BIM設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是基于建筑全生命周期的，模型建立階段不僅要解決設(shè)計、施工及建造階段的問題，還需考慮業(yè)主及運維管理團隊后期全過程的要求，這也是本項目BIM設(shè)計的重點和亮點之一。本文討論并總結(jié)了結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計過程中引入正向BIM設(shè)計的優(yōu)勢、現(xiàn)階段正向BIM設(shè)計存在的難點與問題，以期為后續(xù)項目開展全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計提供幫助。

1 工程概況

國家會議中心二期項目(簡稱國會二期)位于北京市朝陽區(qū)大屯路隧道以北，毗鄰國家會議中心一期，大屯北路從建筑中央穿過，與地鐵15號線奧森公園站接駁。項目體現(xiàn)“全球視野、國際標(biāo)準(zhǔn)、中國特色、大國氣派、科技引領(lǐng)”的設(shè)計理念，為北京城市中軸線上展示首都風(fēng)貌的重要建筑，主要功能為會議、展覽中心及配套用房(圖1)[1]。未來國會二期將作為北京乃至全國又一處重要的會議場所，除此之外，它還是2022年北京冬奧會和冬殘奧會主媒體中心(MMC)，為全球媒體提供全方位服務(wù)保障。

圖1 國會二期整體鳥瞰圖

2 工程設(shè)計重點與難點

2.1 體量大

國會二期總建筑面積約40.9萬m2，南北長約456m，東西寬約144m，建筑主要檐口高度45m(最高點52m)，地下12.5m。不設(shè)置永久結(jié)構(gòu)縫。結(jié)構(gòu)BIM模型如圖2所示。

圖2 國會二期結(jié)構(gòu)BIM模型

2.2 結(jié)構(gòu)復(fù)雜

本項目結(jié)構(gòu)體系設(shè)置如圖3所示。首層(0～20m)會議區(qū)設(shè)置約8 000m2的主會場，采用72m轉(zhuǎn)換桁架實現(xiàn)無柱空間，桁架中心高度6.9m。展覽區(qū)設(shè)置兩個約10 000m2的無柱展廳，采用81m轉(zhuǎn)換桁架實現(xiàn)無柱空間，桁架中心高度6.7m。首層橫跨市政道路大屯北路上方采用36m轉(zhuǎn)換桁架。具體布置如圖4所示。

圖3 國會二期結(jié)構(gòu)體系概況

圖4 國會二期首層結(jié)構(gòu)布置示意圖

二層(20～30.8m)的主要功能是辦公和會議。三層(30.8m～屋面)的主要功能是宴會廳、峰會廳、午宴廳和配套的休閑空間，其中存在大大小小的“房中房”，如圖5所示。

圖5 國會二期三層結(jié)構(gòu)布置示意圖

屋面根據(jù)建筑使用要求，宴會廳上方布置有72m平面桁架，峰會廳、午宴廳及其休閑區(qū)域上方布置72m的拉索上拱單層網(wǎng)殼，序廳上方布置平面桁架，最大懸挑長度約21m。屋頂結(jié)構(gòu)布置示意如圖6所示。

圖6 國會二期屋頂結(jié)構(gòu)布置示意圖

2.3 工期緊張

作為2022年北京冬奧會和冬殘奧會主媒體中心(MMC)，本項目需要在2021年7月交付國際廣播中心(IBC)使用，2021年9月交付主新聞中心(MPC)使用。

設(shè)計人員需提供賽后設(shè)計和賽時設(shè)計兩套施工圖紙。項目于2018年11月正式進入賽后初設(shè)階段，2020年4月完成全部賽后施工圖。2020年10月，主體結(jié)構(gòu)封頂。

2.4 多部門協(xié)同設(shè)計

本項目體量大、工期緊張，有近百位各專業(yè)工程師同時參與BIM模型的建立，其中，參與結(jié)構(gòu)建模的同事有20多位。在多部門協(xié)同的情況下，BIM工作平臺的整合及協(xié)同優(yōu)勢，是項目多團隊、多人員能夠順利配合開展工作的前提。

3 BIM設(shè)計重點與難點

3.1 專業(yè)間協(xié)同配合

專業(yè)間協(xié)同配合流程如下：首先，負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)計算的工程師根據(jù)建筑專業(yè)提資，進行初步建模計算，和建筑確定豎向構(gòu)件的布置，同時把初步計算模型提供給BIM建模的結(jié)構(gòu)工程師。本項目為了方便配合，將結(jié)構(gòu)的BIM建模拆分成梁板和墻柱兩部分。建模的結(jié)構(gòu)工程師除了要以計算模型為基準(zhǔn)，還要緊跟最新的建筑模型及機電提資，根據(jù)各專業(yè)功能調(diào)整對結(jié)構(gòu)BIM模型進行修改。結(jié)構(gòu)計算也要緊跟最新建筑模型，調(diào)整荷載及結(jié)構(gòu)布置。結(jié)構(gòu)的初步BIM模型建好后，提資給建筑、設(shè)備和電氣等專業(yè)進行管綜及功能核對，這些專業(yè)再將需要修改的位置反提給結(jié)構(gòu)專業(yè)，結(jié)構(gòu)建模的工程師根據(jù)已有的設(shè)計經(jīng)驗，估算構(gòu)件尺寸，修改BIM模型并提給負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)計算的工程師進行結(jié)構(gòu)驗算。

圖7中外圈的循環(huán)在設(shè)計初期會有很多輪，但是在BIM平臺上，這個過程中所有修改實時更新到中心文件上，便于各專業(yè)溝通。

圖7 全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計結(jié)構(gòu)配合流程

3.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM設(shè)計重點與難點

(1)初步建模。REVIT初步結(jié)構(gòu)模型建立方式有兩種：直接建模以及由計算軟件生成。

目前，PKPM，YJK和MIDAS等結(jié)構(gòu)計算軟件均可以和REVIT進行互轉(zhuǎn)，可將計算模型直接轉(zhuǎn)成REVIT模型。采用計算軟件生成的REVIT模型需要注意以下幾點：1)計算軟件使用的結(jié)構(gòu)族與出圖樣板對應(yīng)的結(jié)構(gòu)族不同，為保證二維出圖效果，需要在REVIT模型生成后，將所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的族進行替換。2)計算模型的精細(xì)度達(dá)不到出圖要求，如梁柱墻偏心布置、數(shù)值不大的升降板等，這類信息在計算模型中通常不考慮，生成REVIT模型后，需要進行調(diào)整。3)對于一些特殊構(gòu)件，如本項目使用較多的魚腹梁、加腋梁、刀把梁、亞字形截面、王字形截面等，計算軟件普遍缺少此類族，導(dǎo)出的REVIT模型不能準(zhǔn)確表達(dá)構(gòu)件截面形狀或者不滿足出圖要求，這些特殊構(gòu)件均需要設(shè)計人員二次開發(fā)結(jié)構(gòu)族并在REVIT模型中重新建模。

REVIT直接建模并不復(fù)雜，梁柱墻建模均為拾取起點到終點，板建模需拾取板邊界。

本項目在初步建模時，對上述兩種方式均進行了嘗試。從計算軟件生成REVIT模型看似簡單方便，但實際上存在大量的修改工作。對于簡單規(guī)整的項目，初步建模建議由計算軟件生成REVIT模型；對于復(fù)雜項目，直接建立REVIT模型更加直觀，模型的準(zhǔn)確性及完成度更容易得到保證。

(2)二次族開發(fā)。魚腹梁、加腋梁、刀把梁、亞字形截面、王字形截面、剪力墻異形墻洞等均在本項目中大量使用，需進行二次族開發(fā)。以魚腹梁為例，在YJK模型中，為準(zhǔn)確分析，一根魚腹梁需分為5段建模計算，即等截面H型鋼梁-變截面H型鋼梁-等截面H型鋼梁-變截面H型鋼梁-等截面H型鋼梁；REVIT模型中，也可以按照五段建模魚腹梁，如圖8(a)所示，這種建模方法對后期模型移交運營及結(jié)構(gòu)造價均不造成影響，但是二維出圖時，梁截面會分段進行標(biāo)注，如圖8(b)所示，而常規(guī)魚腹梁出圖效果應(yīng)按照圖8(c)所示。對特殊構(gòu)件進行二次族開發(fā)，是當(dāng)前REVIT軟件亟待解決的問題之一。

圖8 REVIT中魚腹梁建模

(3)復(fù)雜空間建模。對于轉(zhuǎn)換桁架、房中房(如峰會廳鋼結(jié)構(gòu)、午宴廳鋼結(jié)構(gòu)等)、水滴樓梯、弧墻、屋頂網(wǎng)殼、主入口VIP雨棚等空間結(jié)構(gòu)，為保證建筑效果，并且控制凈高、配合管綜，均需要進行精準(zhǔn)建模。設(shè)計人員要有足夠的耐心和細(xì)心保證構(gòu)件的定位、標(biāo)高均滿足各個專業(yè)要求，尤其是對于交接位置，如空間結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接部位、空間結(jié)構(gòu)與周邊結(jié)構(gòu)的凈距控制等，直接影響專業(yè)內(nèi)、專業(yè)間的配合效率。

(4)模型修改。在整個項目過程中，會經(jīng)歷大量的模型修改。由于多人協(xié)同工作，REVIT模型的修改要及時通知計算者以及梁板柱墻施工圖繪制者。通常，本項目每周會從最新的模型中導(dǎo)出模板圖，所有修改以云線及補充說明的形式，告知計算及施工圖繪制者。

(5)模型拆分。由于國會二期項目體量很大，整個項目拆分成5個結(jié)構(gòu)中心模型(地下部分、地上一、二、三層和屋頂層)。每個中心模型包含的信息量很大，需要至少5～6位結(jié)構(gòu)工程師同時維護并實時更新到中心文件，軟件卡頓現(xiàn)象較嚴(yán)重。如果繼續(xù)拆分模型，如每層拆成兩個或者更多的中心模型，則會導(dǎo)致專業(yè)內(nèi)、外的配合需要鏈接的模型數(shù)過多，不方便配合與管理，不利于保證模型及出圖效果統(tǒng)一，待后期交付總包及運營時，也會增加管理難度。

(6)出圖。生成結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，這也是BIM設(shè)計的最基本的要求。這里所說的設(shè)計圖紙，主要是結(jié)構(gòu)模板圖以及一些復(fù)雜剖面。第(5)項已經(jīng)提及，結(jié)構(gòu)中心模型包含的信息量很大，軟件卡頓嚴(yán)重，所以在工程量大、設(shè)計周期緊張、前置管綜完成度要求很高的情況下，本項目經(jīng)綜合考慮，采用REVIT直接生成模板圖及復(fù)雜剖面，而結(jié)構(gòu)梁板柱墻平法施工圖及相關(guān)的詳圖，通過CAD繪制。如后期可以提高軟件的運行速度、提高設(shè)計者的計算機配置，也可以實現(xiàn)所有施工圖紙采用REVIT軟件繪制。

由BIM模型導(dǎo)出的模板圖和傳統(tǒng)CAD繪制的圖紙并無二致，滿足出圖要求。典型的結(jié)構(gòu)模板圖如圖9所示。

圖9 典型的結(jié)構(gòu)模板圖

(7)基礎(chǔ)建模?；A(chǔ)建模需要耗費大量時間，并且基礎(chǔ)模型對專業(yè)間協(xié)同設(shè)計影響不大，因此，在設(shè)計及施工周期緊張的情況下，本著抓大放小的原則，可將基礎(chǔ)模型后置，即反向BIM，以確保主體結(jié)構(gòu)建模的時效性。基礎(chǔ)建模的復(fù)雜之處在于基礎(chǔ)放坡。獨立存在的基礎(chǔ)，目前有單獨的族，可以直接生成放坡。但是，對于承臺、集水坑和電梯基坑等布置集中處，放坡存在交叉，需要采用內(nèi)建模型對每個構(gòu)件單獨進行處理，若放坡進入相鄰集水坑或電梯基坑，還需要在集水坑或電梯基坑位置設(shè)置體量剪切。采用內(nèi)建模型進行基礎(chǔ)建模，還可以準(zhǔn)確的對基礎(chǔ)放坡的工程量進行統(tǒng)計，為后續(xù)的造價及算量提供依據(jù)。典型的基礎(chǔ)放坡如圖10所示。

圖10 REVIT基礎(chǔ)放坡模型

4 全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計的優(yōu)缺點

對于結(jié)構(gòu)專業(yè)來說，區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計，全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計有很多優(yōu)點。

(1)提高專業(yè)間協(xié)同工作效率：各專業(yè)所有修改所見即所得，無歧義，溝通效率提高很多。

(2)圖紙質(zhì)量高：基于BIM模型的協(xié)同工作，提高了全專業(yè)設(shè)計閉合性，最大限度減少錯漏碰缺。設(shè)計階段的前置管綜，提高了建筑師對重點空間的把控，使得設(shè)計成果遠(yuǎn)超預(yù)期。施工階段由于專業(yè)配合導(dǎo)致的變更大大減少。

(3)三維可視化程度高：對于空間結(jié)構(gòu)，尤其是房中房等附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的相對關(guān)系、是否滿足建筑效果及凈高控制、結(jié)構(gòu)找形與建筑完成面的契合以及復(fù)雜交接關(guān)系控制等，通過BIM模型可以一目了然。高度可視化的模型，也使管綜布置明確、合理。

圖11 峰會廳二次結(jié)構(gòu)與屋面及設(shè)備管線示意圖

(4)方便外部模型的鏈接與整合：項目過程中可以實現(xiàn)幕墻、鋼結(jié)構(gòu)深化等專項設(shè)計的跨階段統(tǒng)籌，尤其在結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工先行的情況下，最大限度實現(xiàn)了對復(fù)雜幕墻、景觀等專項設(shè)計的預(yù)留條件，保證后續(xù)工作順利開展。

(5)為后續(xù)設(shè)計施工一體化奠定基礎(chǔ)：BIM協(xié)同設(shè)計形成了可視化技術(shù)交底，現(xiàn)有成果可直接應(yīng)用到深化設(shè)計，施工模擬、施工方案優(yōu)化等方面，高效且直觀，隨著EPC與裝配式項目的推廣，這種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模型與平臺，可以有效地提高項目質(zhì)量同時降低不必要的成本。

全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計也存在難點與問題：

(1)結(jié)構(gòu)工作量增大顯著：設(shè)計階段的前置管綜，要求結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計中期就提供相對準(zhǔn)確的BIM模型，而結(jié)構(gòu)建模也需要一定的時間完成，此時建筑平面尚未穩(wěn)定，所以結(jié)構(gòu)計算提給BIM梁板和墻柱的第一版計算模型相對粗糙，隨著建筑平面的逐步完善以及管綜的進行，BIM梁板和墻柱會根據(jù)專業(yè)的提資多次調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件，造成工作量明顯增大。與傳統(tǒng)的CAD工作模式相比，在設(shè)計周期不變的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作量至少增加30%。

(2)REVIT軟件尚需二次開發(fā)：目前REVIT軟件尚有很多不完善之處。比如說構(gòu)件之間的扣減，按照墻柱>梁>樓板的優(yōu)先級，需要多次手動扣減。構(gòu)件之間是否扣減并不影響專業(yè)內(nèi)外配合與出圖效果，僅會影響材料用量統(tǒng)計。對于精細(xì)化建模，扣減的工作量不可忽視，希望未來軟件可以實現(xiàn)一鍵扣減。另外，族庫并不完整，尚需研發(fā)人員根據(jù)工程特點開發(fā)特定的族，同時滿足二維出圖要求。

(3)對于大型項目，尤其是多人在中心文件上同時工作時，軟件卡頓現(xiàn)象嚴(yán)重，影響工作效率。

(4)對專業(yè)間協(xié)同要求高，必須多專業(yè)同步建模，才能最大限度的提高效率、減少不必要的返工。因此個別專業(yè)、個別設(shè)計人員工作的不及時、不到位，將給整個團隊帶來嚴(yán)重后果。

5 結(jié)語

全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計幫助設(shè)計師完成從二維到三維的轉(zhuǎn)變。設(shè)計信息的完整性、系統(tǒng)性、連續(xù)性、可傳遞性得到大大加強，不僅可以提高專業(yè)間協(xié)同工作效率，完善的專業(yè)設(shè)計閉合性也可最大限度減少錯漏碰缺，得到高質(zhì)量的施工圖紙，為后續(xù)設(shè)計施工一體化奠定基礎(chǔ)。

在當(dāng)前大環(huán)境下，設(shè)計及施工周期普遍緊張，全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計相對于傳統(tǒng)設(shè)計，結(jié)構(gòu)專業(yè)的工作量明顯增多，再加上軟件平臺尚不完善，影響工作效率，使得全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計的推廣阻力重重。未來應(yīng)著重REVIT軟件的二次開發(fā)，提升用戶使用感受。相信不久的未來，全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計會成為主流設(shè)計方式，受到越來越多的工程師的青睞，運用它創(chuàng)造出更為完善的建筑設(shè)計。