李倩

大慶油田工程項目管理有限公司天宇設計院

BIM（Building Information Modeling）可直譯成建筑信息模型，從字面意義來看，是包含建筑物各個組成部件的各種信息的3D 模型。M 可以引申為Management——建筑信息管理，Mobility——建筑信息傳遞[1]。由此可見，BIM 是在建筑生命周期內(nèi)對相關數(shù)據(jù)進行管理和傳遞的過程（圖1）。我國的BIM 技術應用起步較晚，在建筑工程設計領域?qū)IM 的應用主要是在項目可行性研究階段、勘察規(guī)劃設計階段、招投標階段、施工階段、運維階段這5 個方面。

圖1 BIM 建筑生命周期表Fig.1 BIM building life cycle table

近幾年我國建筑行業(yè)BIM 技術在規(guī)劃設計階段的應用有了較大的進步，但不同地區(qū)、不同設計單位對BIM 概念的認知程度不同，在執(zhí)行BIM 標準方面良莠不齊，主要存在以下兩個問題：

（1）在建筑工程設計階段，因國內(nèi)外市場上三維繪圖和設計軟件種類較多，設計單位對BIM 技術的認知程度不同，導致設計單位在選擇軟件時更多地偏重于三維繪圖而忽略了設計的本身。設計者多數(shù)是在傳統(tǒng)設計的基礎上，即在設計完二維圖紙的基礎上，利用二維圖紙繪制三維模型，沒有直接進行三維設計，更沒有做到利用三維BIM 技術進行數(shù)據(jù)管理和傳遞，三維模型僅僅停留在圖形層面上。

（2）BIM 技術含蓋建筑、結構、機電等多專業(yè)設計，在各專業(yè)協(xié)同設計方面，大多數(shù)設計單位都是各專業(yè)各自繪制三維繪圖或在設計軟件下繪制成三維模型，利用一個兼容性較好的平臺，將各專業(yè)模型組合到一起，形成一個看似專業(yè)齊全的三維設計模型，但專業(yè)間數(shù)據(jù)大多不能相互提取和利用，不具有全專業(yè)的協(xié)同性。

通過對建筑工程領域內(nèi)的國內(nèi)外設計、繪圖軟件的調(diào)研，尋求突破利用傳統(tǒng)二維設計翻建成三維模型的設計模式，以淘汰二維設計的傳統(tǒng)設計模式，即各專業(yè)從三維設計直接開始，專業(yè)間同步設計，專業(yè)間數(shù)據(jù)相互共享，達到全專業(yè)的正向協(xié)同設計。

1 關于BIM 技術的概念認知

BIM 技術是建筑全生命周期中各類數(shù)據(jù)的記錄載體，BIM 系統(tǒng)要做到信息數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)模型化、模型通用化，滿足BIM 技術在項目全設計周期的綜合應用[2]。在建筑工程設計階段要通過統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)模型架構，建立各專業(yè)的協(xié)同工作數(shù)據(jù)共享平臺，集成多專業(yè)計算、應用軟件和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)各專業(yè)相互共享、相互制約的同步設計。

在建筑工程設計中，建筑專業(yè)是主辦專業(yè)，BIM 技術應做到保證建筑專業(yè)直接從三維設計開始參與整個工程的設計，要為各專業(yè)提供具備充足自由度和豐富細節(jié)的三維數(shù)據(jù)，這也是各專業(yè)三維設計的基礎[3]。建筑專業(yè)提供的三維數(shù)據(jù)可供結構、機電等專業(yè)直接使用；結構專業(yè)在建筑專業(yè)提供的三維數(shù)據(jù)上直接參與結構計算和分析；機電專業(yè)在建筑專業(yè)提供的數(shù)據(jù)基礎上進行水力計算、熱負荷和照明等計算及分析；機電專業(yè)在設計時保證建筑構造和結構構件對其管線位置和走向?qū)崿F(xiàn)同步制約等。通過讀取建筑專業(yè)提供的三維數(shù)據(jù)，BIM 技術在設計階段還需進行綠色建筑分析、建筑節(jié)能計算等生態(tài)技術指標分析與評估。在設計過程中各專業(yè)參與方在三維數(shù)據(jù)下始終保持共享和制約，各專業(yè)開展設計時進行全流程協(xié)同工作。因此，可以說只有在從三維設計直接開始的，在三維設計過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)和計算分析成果共享的，各專業(yè)設計同步開展的設計，才是真正利用BIM 技術進行的三維正向設計[4-5]。

2 利用BIM 技術實現(xiàn)三維正向設計

目前主流的設計方法依舊是首先將項目設計成二維平面圖紙，再通過三維軟件進行翻模繪制，繪制出各專業(yè)比較齊全的三維模型，大多數(shù)平臺還可以進行對各專業(yè)模型的碰撞檢查。但僅僅是在圖形方面的檢查，并不是數(shù)據(jù)共享級的檢查。如暖通專業(yè)的采暖管線穿越結構專業(yè)剪力墻，不能利用數(shù)據(jù)交換分析是否可穿越該構件，還需要人工判斷，在結構專業(yè)的剪力墻上如果允許采暖管線穿越也需要人工判斷是否能開洞，不能實現(xiàn)自動開洞。各專業(yè)的數(shù)據(jù)無法在設計階段實現(xiàn)共享，更無法實現(xiàn)同步設計[6]。

下面以新建的建筑工程設計階段為例，對BIM技術在建筑工程中的三維正向設計進行簡要的說明。該項目位于大慶市讓胡路區(qū)方曉工業(yè)園區(qū)，為大慶油田天宇設計院的設計綜合樓，建筑面積為7 800 m2，主體6 層，局部7 層，框架結構，外維護系統(tǒng)含玻璃幕墻系統(tǒng)、復合型外墻外保溫系統(tǒng)等，建筑內(nèi)部含消防系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)，廣播系統(tǒng)等。由于該項目立面造型要求比較高，內(nèi)部各專業(yè)系統(tǒng)較多，綜合布線復雜，傳統(tǒng)的設計難免出現(xiàn)方案意圖表達不清，結構專業(yè)留洞不全，以及各系統(tǒng)之間管線碰撞等現(xiàn)象，本項目運用BIM 技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，各專業(yè)協(xié)同設計，避免了此類問題的發(fā)生。

2.1 規(guī)劃設計階段與方案設計階段

規(guī)劃設計階段與方案設計階段均屬于設計前期，此階段建筑專業(yè)創(chuàng)建的三維建筑模型精細化程度偏低，需定義模型主要構件（墻、柱子、地面、樓板、屋面等）的基本屬性和材質(zhì)，可快速、有效、直觀地進行體塊推敲和場地分析（圖2），表達出室內(nèi)、外空間功能和模型材質(zhì)，對總平面進行分析、統(tǒng)計、方案渲染，最終進行方案的評審及多方案比選[7]。該階段處于基本模型數(shù)據(jù)建立階段。在結構專業(yè)的同步協(xié)同設計上，通過讀取建筑三維設計模型，進行結構方案的初步優(yōu)選，比選出適合建筑布局的柱網(wǎng)尺寸、柱子的大小、梁的大小和板的厚度，進行結構同步設計、整體分析，給出合理的結構方案。機電專業(yè)通過讀取建筑三維設計模型，初判出采暖熱負荷、電負荷等，進而確定機電設計方案。

圖2 三維設計方案推敲圖Fig.2 Three dimensional design scheme deliberation diagram

2.2 初步設計階段

初步設計階段已經(jīng)進入深化設計階段，建筑專業(yè)應進行深度的三維模型創(chuàng)建，從模型的基本構造到復合結構，再到復雜截面，保證模型的準確性。按照相關國家標準輸入建筑模型各部位構件的構造信息，包括室內(nèi)地面做法、室內(nèi)吊頂做法、內(nèi)外墻構造做法、屋面構造做法等（圖3），這樣也可以保證模型與圖紙間數(shù)據(jù)的關聯(lián)性[8]。建筑三維模型深化結束后需要向全專業(yè)協(xié)同平臺發(fā)布三維模型信息，其他專業(yè)讀取建筑三維模型提供的數(shù)據(jù)信息建立相關專業(yè)的三維模型，進行分析計算，并將計算和設計的成果返回到協(xié)同平臺，實現(xiàn)各專業(yè)之間的互通性。

圖3 構造表現(xiàn)圖Fig.3 Structural representation diagram

2.2.1 建筑與結構專業(yè)

建筑三維模型中的承重構件可直接轉換為結構三維模型構件，非承重構件和功能用房等自動轉換為相應的荷載，通過三維顯示可實時觀察，能夠觀察結構空間形式、結構布置的合理性及結構細部構造特征，能夠更加完善地檢測設計的準確性，也可根據(jù)需要隱藏各構件，方便觀察結構內(nèi)部（圖4）。同時結構三維模型應與二維平面相關聯(lián)，在對一個構件的尺寸進行修改時，建筑三維模型中的平、立、剖面上的相應尺寸數(shù)據(jù)可進行自動修改。最后結構模型經(jīng)編輯和調(diào)整后返至建筑三維模型進行數(shù)據(jù)整合。

圖4 結構專業(yè)可視化模型Fig.4 Visual model of structural specialty

2.2.2 設備專業(yè)與建筑和結構專業(yè)

機電專業(yè)同時讀取建筑和結構三維模型，進行樓層信息獲取，創(chuàng)建各專業(yè)的模型，進行機電設備管線的準確計算和設計。在同步設計的過程中，可進行各專業(yè)間的碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)模型中的管線碰撞點，對局部進行避讓和標高調(diào)整，優(yōu)化管線位置和排布（圖5）。同時根據(jù)各專業(yè)的計算結果，自動調(diào)整模型中管道尺寸，直接生成相應的計算報告書，完成全專業(yè)協(xié)同設計。

圖5 設備專業(yè)可視化模型Fig.5 Visual model of equipment specialty

2.3 施工圖設計

施工圖設計主要用于施工圖階段的三維模型深化以及各專業(yè)之間的深化協(xié)同設計，最終交付的三維模型可滿足施工的各種要求，也可以直接生成二維制圖標準要求的二維圖紙。

該階段在各專業(yè)三維模型實時數(shù)據(jù)互通下，對各專業(yè)綜合模型信息進行集成，形成一個全專業(yè)的三維設計模型（圖6）。各專業(yè)可通過變更列表查看所有專業(yè)的數(shù)據(jù)變更情況，快速定位構件變更形式及位置；也可在當前環(huán)境下完成碰撞檢查，即時解決沖突。檢查方式可按樓層、專業(yè)、系統(tǒng)多種方式進行，自動定位碰撞構件和碰撞位置，生成碰撞列表和報告書；機電管道和構件的開洞及預埋信息可提供給建筑、結構及裝配式專業(yè)，并可在裝配式預制構件中自動生成預留孔洞、預埋管道及構件[9-10]。在數(shù)據(jù)相互校核下，完善所有專業(yè)的三維模型供后續(xù)施工和運維使用，也可將三維視圖導出二維圖紙交付設計產(chǎn)品。

圖6 綜合管網(wǎng)模型Fig.6 Integrated pipe network model

3 實施過程

以PKPM-BIM 平臺下的設計為例，通過例舉建筑結構和設備專業(yè)的初步設計內(nèi)容，闡述利用BIM技術開展正向設計的具體實施過程。

3.1 建筑專業(yè)

進入BIM 平臺下的建筑專業(yè)模塊，建立建筑模型，根據(jù)不同階段逐步精細化建筑模型，賦予模型構件數(shù)據(jù)信息，向協(xié)同平臺發(fā)布建筑模型，其他專業(yè)進行模型讀取。繼續(xù)深化模型，在各專業(yè)三維模型實時數(shù)據(jù)互通下，對各專業(yè)綜合模型信息進行集成，形成一個全專業(yè)的三維設計模型，完成碰撞檢查，即時解決沖突，完善建筑模型。最后根據(jù)需求將三維視圖導出二維施工圖紙、建筑專業(yè)工程量清單、建筑三維表現(xiàn)圖及動畫演示圖。

3.2 結構專業(yè)

進入BIM 平臺下的結構專業(yè)模塊，獲取建筑模型，通過讀取建筑三維模型信息，生成柱、梁、板、墻、墻洞、板洞等數(shù)據(jù)，同時根據(jù)結構專業(yè)自身校核結果進行數(shù)據(jù)修改。進入SATWE 分析計算模塊，對模型進行分析及計算，生成計算數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)上傳至平臺端進行實時發(fā)布，通過發(fā)布的數(shù)據(jù)查看各專業(yè)間的碰撞檢查結果，向各專業(yè)提出結構構件的開洞條件。

3.3 設備專業(yè)

3.3.1 給排水專業(yè)

給排水專業(yè)設計與結構設計一樣，首先讀取建筑三維模型信息，完成給排水專業(yè)的環(huán)境設置。與常規(guī)設計一樣，需結合室外管網(wǎng)的現(xiàn)狀/新建情況，就近選取進戶位置，設置閥井、閥門，錄入管線管徑和標高，自動生成豎管及彎頭等管件。通過水力計算后對三維模型重新賦值，調(diào)整閥門的選型；讀取建筑三維模型下的衛(wèi)生潔具屬性，設計支線及干線和連接彎頭等。最終將數(shù)據(jù)上傳至平臺端進行實時發(fā)布。通過發(fā)布的數(shù)據(jù)向建筑與結構專業(yè)提交開洞申請，待建筑與結構專業(yè)批準申請后，與建筑與結構相關的管線才可被通過。同時查看與其他專業(yè)間的碰撞檢查結果，進行同步修改。

在BIM 給排水系統(tǒng)中的水力計算工具里，通過讀取建筑三維模型，構建給排水系統(tǒng)三維模型，進行水力計算。在計算前可對已建的三維給水模型進行細部調(diào)整，查看管件連接方式是否有誤等，可在后臺計算，輸出Word 格式的水力計算書。計算完成后可自動根據(jù)計算結果修改已建模型的管徑。

3.3.2 暖通專業(yè)

在建筑三維模型下進行整體熱負荷計算后，布置散熱器?？筛鶕?jù)所采用的散熱器系統(tǒng)形式，選擇散熱器的立管樣式。在選擇散熱器布置方式和立管樣式的同時，賦予管徑和標高的屬性值，按需求在暖通的三維模型中傳遞給建筑三維模型。賦予管線特性（供水/回水）、管徑、標高、坡度后，在建筑三維模型下設置管線?？梢宰詣訉⑸崞?、立管、干管做合理空間搭接，布置配套閥門、儀表和設備。散熱器和管線搭接完畢后，系統(tǒng)已經(jīng)初具規(guī)模，布置閥門時以管線的管徑為準或者構件的管徑為準，自動改變閥門型號或者生成變徑連接圖，其他儀表和設備的設置過程跟閥門設置相同。與給排水專業(yè)相同，最終將數(shù)據(jù)上傳至平臺端對數(shù)據(jù)進行實時發(fā)布，向建筑、結構提交申請以及檢查碰撞結果，進行同步修改。

在BIM 暖通系統(tǒng)中的負荷計算工具里，通過讀取已有模型信息，構建給暖通系統(tǒng)三維模型，設置調(diào)整計算參數(shù)，即可由系統(tǒng)自動生成各模塊計算報告書。各項計算結果也可反饋至已建模型，實現(xiàn)自動調(diào)整管道及連接構件尺寸的功能。

3.3.3 電氣專業(yè)

電氣專業(yè)在建筑三維模型下設置“照明系統(tǒng)代號AL、動力系統(tǒng)顏色”等信息以區(qū)分不同的電力系統(tǒng)管線?？砂磦鹘y(tǒng)思維模式在三維模型下進行電氣設計。例如在管線設置中，可選擇管線連接方式，同步開展系統(tǒng)設計，也可在建筑三維模型下布置配電柜、配電箱等設備，并調(diào)整方向。

在BIM 電氣系統(tǒng)中可自動進行電負荷計算，并生成系統(tǒng)圖，計算完成后，還需要進行人工計算核對，根據(jù)計算數(shù)據(jù)進行電氣專業(yè)的模型調(diào)整。

3.4 造價專業(yè)

造價階段處在BIM 技術設計應用中的末端。待所有專業(yè)三維模型設計完成，對各個專業(yè)的設計進行碰撞檢查及對各個專業(yè)協(xié)同設計完成后，造價專業(yè)便可以進入工作角色。造價專業(yè)通過讀取全專業(yè)的三維模型信息，可以直接導出各專業(yè)的設計工程量，工程量的準確程度直接取決于各專業(yè)三維模型的準確程度，即設計人員對構件各種參數(shù)的定義要非常準確，否則導出的工程量就會出現(xiàn)偏差，例如結構專業(yè)中鋼筋布置參數(shù)的輸入直接影響鋼筋使用的數(shù)量。造價專業(yè)依據(jù)導出的工程量，參考工程量清單計價規(guī)范進行工程量清單的編制，作為招標文件的一部分組成招標文件。

4 結論

大慶油田天宇設計院綜合樓已投產(chǎn)使用，首次運用BIM 技術參與全過程設計，在協(xié)同設計過程中對建筑體塊、材質(zhì)選擇、柱網(wǎng)尺寸、管線走向、管徑尺寸、燈具布置等進行了多次全專業(yè)的優(yōu)化，檢查出多項各專業(yè)相互沖突等問題，有效避免了傳統(tǒng)設計模式下的各種設計錯誤，真正利用BIM 技術實現(xiàn)了建筑設計周期管理和信息實時傳遞，保證了各專業(yè)協(xié)同工作的精準率，提高了設計效率和設計質(zhì)量，對開展三維設計模式下的設計工作具有很強的指導意義。