吳琦

上海建工四建集團(tuán) 上海 201103

在國(guó)家“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃的政策引導(dǎo)下，BIM全過(guò)程應(yīng)用成為必然趨勢(shì)，建筑師對(duì)于三維設(shè)計(jì)工作流的需求迫切，同時(shí)現(xiàn)階段建筑設(shè)計(jì)的工作流面臨著革新。本文提出的建筑設(shè)計(jì)新型工作流，是 BIM全過(guò)程應(yīng)用的基礎(chǔ)下進(jìn)行建筑專業(yè)的的三維工作流應(yīng)用探索，并探索了關(guān)鍵應(yīng)用形態(tài)的實(shí)現(xiàn)方法，有助于促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)高質(zhì)量數(shù)字化發(fā)展。

1 提出建筑設(shè)計(jì)三維工作流的迫切需求

1.1 外部政策與內(nèi)在需求

進(jìn)入“十四五”時(shí)期，建筑業(yè)提出“數(shù)字建造”的轉(zhuǎn)型目標(biāo)，同時(shí)啟動(dòng)城市信息模型（CIM-City Information Modeling）的研究和示范性工作，數(shù)字化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)已經(jīng)毋庸置疑，對(duì)建筑師的影響貫穿了設(shè)計(jì)全過(guò)程。在過(guò)去多年的BIM應(yīng)用實(shí)踐中，由于建模技術(shù)、設(shè)計(jì)周期、資金等多方面限制，沒(méi)有做到以BIM模型為設(shè)計(jì)主體的目標(biāo)。在具體設(shè)計(jì)工作中，建筑師的思考與推敲是基于三維空間的，但建筑師的表達(dá)方法卻是二維的圖形。二維圖形是三維空間的映射，用二維圖紙表達(dá)三維空間的過(guò)程中維度低一級(jí)，導(dǎo)致二維圖紙的語(yǔ)言無(wú)法完整的表達(dá)建筑師對(duì)三維空間的設(shè)計(jì)意圖，這個(gè)降維表達(dá)的過(guò)程是傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)工作流的圖紙問(wèn)題產(chǎn)生的根源。綜上所述，建筑師對(duì)于三維設(shè)計(jì)工作流的需求是迫切的，基于BIM的設(shè)計(jì)工作有著內(nèi)在的驅(qū)動(dòng)力[1]。

1.2 建筑設(shè)計(jì)二維工作流面對(duì)的困難

在建筑設(shè)計(jì)前期階段，二維的工作流下存在“雙線”并行狀態(tài)即：一條采用AutoCAD繪制二維圖紙并計(jì)算面積流程，另一條用SketchUp建立三維模型推敲造型流程。兩條線彼此獨(dú)立運(yùn)行，之間通過(guò)數(shù)據(jù)整理復(fù)核，交換數(shù)據(jù)信息。也就是說(shuō)SketchUp的模型推敲好后需要在AutoCAD中重新繪制相關(guān)圖形；AutoCAD中調(diào)整好的圖紙需在SketchUp中修改以滿足指標(biāo)要求，這種數(shù)據(jù)交換的過(guò)程會(huì)在設(shè)計(jì)推進(jìn)的過(guò)程中重復(fù)多次。

在建筑設(shè)計(jì)深化階段，二維的工作流下總圖、平面、立面、剖面、詳圖都是分別獨(dú)立繪制的任意一處調(diào)整都需要立面、剖面、詳圖、指標(biāo)等多處做出相應(yīng)調(diào)整，使得繪圖任務(wù)繁重，導(dǎo)致二維圖紙細(xì)部節(jié)點(diǎn)回避精細(xì)化表達(dá)。除了上述痛點(diǎn)以外，還存在著設(shè)計(jì)周期過(guò)度壓縮，難以到達(dá)應(yīng)有的設(shè)計(jì)深度，設(shè)計(jì)質(zhì)量更無(wú)從談起。

1.3 建筑設(shè)計(jì)三維工作流綜述

圖1 三維工作流導(dǎo)圖

本文提出的建筑設(shè)計(jì)三維工作流，是指將設(shè)計(jì)、模型、圖紙、信息整合到一起，滿足建筑設(shè)計(jì)到概念方案到可以指導(dǎo)施工的新型工作方法，使得設(shè)計(jì)過(guò)程，繪圖過(guò)程以及表達(dá)過(guò)程減少割裂，數(shù)據(jù)信息來(lái)源與出口一致。我們發(fā)現(xiàn)二維工作流中很多約定俗成的表達(dá)以及容易忽略的常規(guī)做法，在三維模型中難以被規(guī)避。同時(shí)由于圖紙表達(dá)是基于三維模型生成的，這就對(duì)三維模型的深度和精度提出更高要求，建筑師們將會(huì)花費(fèi)大量精力構(gòu)建三維模型，以滿足相關(guān)階段成果提交需求。當(dāng)然，任何一種新技術(shù)的應(yīng)用都需要一個(gè)學(xué)習(xí)和推廣的過(guò)程，曾經(jīng)的二維設(shè)計(jì)工作流的基礎(chǔ)是五十年前AutoCAD技術(shù)的應(yīng)用與推廣，而三維設(shè)計(jì)工作流（包含軟件技術(shù)）的應(yīng)用才開(kāi)始發(fā)揚(yáng)，試想一下設(shè)計(jì)師們的BIM軟件熟練度與AutoCAD的水平相當(dāng)，所帶來(lái)的設(shè)計(jì)與表達(dá)將會(huì)令人打開(kāi)眼界。

2 三維工作流工具

2.1 基礎(chǔ)工具

建筑師需要掌握至少一個(gè)常用的BIM軟件，目前各方面比較成熟的BIM軟件有REVIT、ARCHICAD、BENTLEY，目前的BIM軟件都各有所長(zhǎng)也都不完美。

REVIT優(yōu)勢(shì)在于深化設(shè)計(jì)、交叉作業(yè)，軟件可將各專業(yè)作為整體，在同一時(shí)間開(kāi)始展開(kāi)各自的設(shè)計(jì)，通過(guò)信息的傳遞與共享搭建建筑整體BIM模型，各專業(yè)參與度高。劣勢(shì)在于對(duì)曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往具有較大難度，特別是異類連續(xù)形曲面結(jié)構(gòu)，如不規(guī)則曲面屋頂、幕墻、古建筑等。目前用利用概念體量的方法完成了一些曲面的造型，但操作過(guò)程過(guò)于繁雜。

ARCHICAD功能上基本涵蓋了從概念方案到施工圖成果提交的所有功能需求, 與眾多建模軟件相比，其對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求較低，無(wú)需購(gòu)買高配置計(jì)算機(jī)即可展開(kāi)工作, 專注于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域。劣勢(shì)在于對(duì)于結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)功能薄弱，曲面造型建模功能薄弱。

BENTLEY優(yōu)勢(shì)在于擁有多種建模方式，利用內(nèi)置的實(shí)體、網(wǎng)格面、B-Spline曲線曲面、特征參數(shù)化、拓?fù)涞榷喾N建模方式，可自由拓展變形，非線性建模功能強(qiáng)大。劣勢(shì)在于各專業(yè)軟件必須配合使用，影響協(xié)同效率，且軟件價(jià)格昂貴。

圖2 常用BIM軟件圖標(biāo)

2.2 可視化工具

目前最常用的實(shí)時(shí)渲染引擎有LUMION、ENSCAPE。LUMION是最強(qiáng)大，經(jīng)過(guò)10個(gè)版本的開(kāi)發(fā)，功能已經(jīng)非常完善，出來(lái)的效果基本不輸專業(yè)渲染器。ENSCAPE是更加輕量化的實(shí)時(shí)可視化引擎。最早它是在SketchUp平臺(tái)上發(fā)布，現(xiàn)在已經(jīng)支持Revit、Rhino、ARCHICAD、Vectorworks等軟件平臺(tái)。其簡(jiǎn)潔易用，效果清新，安裝插件后，可以在軟件視圖中直接調(diào)用，是建筑師推敲空間效果的利器。

圖3 常用渲染引擎圖標(biāo)

2.3 庫(kù)與模板

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)流程，每一個(gè)項(xiàng)目重復(fù)利用的知識(shí)庫(kù)內(nèi)容很少，很多內(nèi)容都必須重復(fù)計(jì)算，繪制，調(diào)整，再計(jì)算，再繪制，再調(diào)整；又比如SketchUp的建模，每個(gè)項(xiàng)目都要重新建表皮做法，無(wú)法重復(fù)用。而三維設(shè)計(jì)流程可以借助BIM軟件的功能，從預(yù)設(shè)的模板和積累的知識(shí)庫(kù)中調(diào)取資源，不同的建筑表皮做法可以存入收藏夾，不同項(xiàng)目可以調(diào)用收藏夾內(nèi)的做法，快速重建多樣的表皮。知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用還能體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容，控制設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)深度、精細(xì)度和完成度都是重要的支撐。對(duì)于這種知識(shí)庫(kù)的積累和重復(fù)利用，是三維設(shè)計(jì)工作流程甚至是建筑設(shè)計(jì)公司高效發(fā)展的迫切需要。

圖4 建筑幕墻、欄桿庫(kù)

3 關(guān)鍵應(yīng)用形態(tài)

3.1 虛擬建造

虛擬建造不僅僅是建立出建筑模型，更重要的是能將現(xiàn)實(shí)中難以觀察到的部分模擬出來(lái)。讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中每個(gè)人隨時(shí)可實(shí)時(shí)高效獲取獲取項(xiàng)目整體信息， 降低設(shè)計(jì)師提資或交流過(guò)程中的摩擦與專業(yè)知識(shí)壁壘。近幾年，漫游動(dòng)畫在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了越來(lái)越多的廣泛應(yīng)用，比如三維地勢(shì)仿真、人機(jī)交互、真實(shí)修建空間等特性，都是傳統(tǒng)方式所不能實(shí)現(xiàn)的。

虛擬建造常見(jiàn)的功能有漫游動(dòng)畫，其功能是設(shè)計(jì)師可以從任意距離、視點(diǎn)和精密程度進(jìn)行觀察，可以自由切換多種運(yùn)動(dòng)模式，如飛行、跑步、行走、駕駛等；也可以給用戶帶來(lái)視覺(jué)上的沖擊，同時(shí)擁有感同身受的體驗(yàn)。目的是為了追求真實(shí)且貼近現(xiàn)實(shí)生活，也是用來(lái)表現(xiàn)某一座建筑的創(chuàng)作、構(gòu)想、設(shè)計(jì)、完成、運(yùn)營(yíng)的過(guò)程，展示建筑本身的生命周期。虛擬建造常見(jiàn)的形態(tài)有仿真模擬，其功能是有效模擬建筑內(nèi)部空間人行動(dòng)線，同時(shí)支持正常情況和疏散情況。目前常見(jiàn)的軟件主要有Massmotion、Analyser、Legion等，其中Massmotion支持三維模型導(dǎo)入，格式為3ds、dae、dgn、dwg、dxf、fbx、obj、skp、ifc文件可導(dǎo)入Massmotion使用，此方法與建筑師的三維工作流聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)，同時(shí)可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性[2]。

圖5 enscape窗口與revit模型聯(lián)動(dòng)

圖6 立面細(xì)節(jié)推敲

圖7 室內(nèi)效果推敲

3.2 碰撞檢測(cè)

基于BIM的碰撞檢測(cè)是BIM技術(shù)應(yīng)用初期最易實(shí)現(xiàn)、最直觀、最易產(chǎn)生價(jià)值的功能之一。常用方法是利用BIM平臺(tái)上進(jìn)行多模型的整合，核查各處碰撞，包括土建、管線專業(yè)內(nèi)的碰撞與專業(yè)間的碰撞。這個(gè)過(guò)程可以輕易的將隱藏的空間問(wèn)題暴露出來(lái)。碰撞檢查分為硬碰撞和軟碰撞兩種，硬碰撞是指實(shí)體與實(shí)體之間交叉碰撞，軟碰撞是指實(shí)際并沒(méi)有碰撞，但間距和空間無(wú)法滿足相關(guān)施工要求。建筑設(shè)計(jì)工作過(guò)程中主要關(guān)注硬碰撞，隨著項(xiàng)目的深化還要關(guān)注軟碰撞，例如暖通之間的間隙必須滿足安裝和檢修的空間要求，即使物理上沒(méi)有碰撞，但保溫、支架、施工安裝距離等間隙不夠?qū)儆谲浥鲎病?yīng)用BIM可視化技術(shù)，施工設(shè)計(jì)人員在建造之前就可以對(duì)項(xiàng)目的土建、管線、工藝設(shè)備等進(jìn)行管線綜合及碰撞檢查，不但能夠徹底消除硬碰撞、軟碰撞，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，減少在建筑施工階段可能存在的錯(cuò)誤損失和返工的可能性，而且優(yōu)化凈空，優(yōu)化管線排布方案。最后施工人員可以利用碰撞優(yōu)化后的三維管線方案，進(jìn)行施工交底、施工模擬，提高施工質(zhì)量，同時(shí)也提高了與業(yè)主溝通的能力[2]。

常見(jiàn)的碰撞問(wèn)題包括：

建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)：標(biāo)高、剪力墻、柱等位置不一致，或梁與門沖突；

結(jié)構(gòu)與設(shè)備專業(yè)：設(shè)備管道與柱沖突；

設(shè)備內(nèi)部各專業(yè)：各專業(yè)與管線沖突；

設(shè)備與室內(nèi)裝修：管線末端與室內(nèi)吊頂沖突；

解決管線空間布局。

圖8 建筑結(jié)構(gòu)碰撞分析

圖9 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)備全專業(yè)碰撞分析

3.3 數(shù)據(jù)信息整合

在基于BIM的的建筑設(shè)計(jì)工作流中，每一個(gè)項(xiàng)目都是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄了建筑元素構(gòu)件的三維幾何形體及其信息。在基于BIM的設(shè)計(jì)工作流程中，我們需要在創(chuàng)建三維模型構(gòu)件的同時(shí)，注重?cái)?shù)據(jù)信息的創(chuàng)建和整合應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)信息在各個(gè)階段、各參與方之間流轉(zhuǎn)，最大限度發(fā)揮數(shù)據(jù)信息的作用。提取由建筑設(shè)計(jì)內(nèi)容的工程量。如面積、房間數(shù)、門窗數(shù)、各類設(shè)施設(shè)備數(shù)等。與二維CAD相比，工作量有較大提高，但在建模完成后，生成剖面圖及立面圖以及在門窗表統(tǒng)計(jì)等工作上的工作量會(huì)大大節(jié)約。

工程量統(tǒng)計(jì)可采取REVIT內(nèi)直接統(tǒng)計(jì)和利用其他軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)兩種方式。對(duì)于建筑專業(yè)工程量信息一半采用REVIT內(nèi)直接統(tǒng)計(jì)的方式，應(yīng)根據(jù)國(guó)家(或地方)清單計(jì)價(jià)規(guī)范，可在Revit明細(xì)表內(nèi)制定清單代碼掛接規(guī)則。按照族名稱(或類型名稱)，將項(xiàng)目編碼、項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目?jī)?nèi)容、項(xiàng)目特征等參數(shù)信息，批量賦予模型構(gòu)件。建立材質(zhì)提取或構(gòu)件明細(xì)表。

圖10 REVIT模型統(tǒng)計(jì)房間、機(jī)電設(shè)備并輸出明細(xì)表

3.4 設(shè)計(jì)成果圖模合一

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)被人詬病最多的就是各種圖紙中的內(nèi)容和數(shù)據(jù)信息不對(duì)應(yīng)，平面圖與立面圖、剖面圖之間是松散的關(guān)系，缺乏聯(lián)系。當(dāng)設(shè)計(jì)變更后，平面首先調(diào)整，立面圖、剖面圖需要跟著修改，同時(shí)還需要調(diào)整與之相關(guān)聯(lián)的其他圖紙。我們?cè)谛張D紙的過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)平/立/剖面圖對(duì)不上的情況。而且當(dāng)存量圖紙信息達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，再新增圖紙內(nèi)容并調(diào)整設(shè)計(jì)，工作量巨大。建筑師大量的時(shí)間，花在了設(shè)計(jì)變更后人工去整合與調(diào)整這些割裂的聯(lián)系。早期BIM軟件并不善于表達(dá)建筑設(shè)計(jì)的二維圖紙，給出圖造成了一定的難度。這在一個(gè)側(cè)面影響了建筑師對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用。

完全基于BIM模型文件生成的圖紙，是指從模型里直接切出并和模型文件相互關(guān)聯(lián)的，即模型修改的同時(shí)，二維圖紙相應(yīng)修改。其關(guān)聯(lián)的二維圖紙包括：

平面系統(tǒng)：包括各樓層平面圖、屋頂平面圖、場(chǎng)地平面圖立面系統(tǒng)：包括室內(nèi)、外立面圖

剖面系統(tǒng)：各個(gè)方向的剖面圖、墻身剖面

局部放大圖：包括衛(wèi)生間詳圖、樓梯間、關(guān)鍵局部

詳圖：特殊需要表達(dá)的節(jié)點(diǎn)詳圖、門窗詳圖

明細(xì)表：包括面積表、門窗表、室內(nèi)、外材料明細(xì)表等三維透視圖/軸測(cè)圖：包括整體透視圖、軸測(cè)圖等

圖11 三維模型二維圖紙聯(lián)動(dòng)

3.5 BIM三維技術(shù)交底

一般包括圖紙交底、施工技術(shù)措施交底及安全技術(shù)交底等。在每一單項(xiàng)和分部分項(xiàng)工程開(kāi)始前，均應(yīng)進(jìn)行技術(shù)交底工作。要嚴(yán)格按照施工圖、施工組織設(shè)計(jì)、施工驗(yàn)收規(guī)范、操作規(guī)程和安全規(guī)程的有關(guān)技術(shù)規(guī)定施工。傳統(tǒng)的圖紙交底、圖紙會(huì)審等工作開(kāi)展主要體現(xiàn)在：基于二維CAD圖紙或者打印出來(lái)的紙質(zhì)藍(lán)圖進(jìn)行使用。BIM的圖紙交底工作，前期需要大量的準(zhǔn)備工作（模型創(chuàng)建、問(wèn)題查找等），但使用過(guò)程卻變得非常高效，且有質(zhì)量。很多時(shí)候二維CAD圖紙深化不到位，遺留后期施工問(wèn)題較多。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，施工中深化設(shè)計(jì)在BIM融入之下得到了大幅改善。在施工現(xiàn)場(chǎng)一下復(fù)雜、涉及專業(yè)交叉作業(yè)的環(huán)境中應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、施工輔助、使空間中的布置進(jìn)行可視化模擬，碰撞核對(duì)。最后通過(guò)可視化技術(shù)交底的方法可以有效對(duì)施工圖中存在的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行校對(duì)及審閱，大幅提升后期施工質(zhì)量，減少變更與修改，從而達(dá)到降低成本的效果。目前建筑項(xiàng)目專業(yè)眾多、體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管線排布錯(cuò)綜復(fù)雜、空間布局繁雜等現(xiàn)象。這樣就對(duì)施工方提出了很高的專業(yè)素質(zhì)與技術(shù)能力的要求。而傳統(tǒng)的專業(yè)施工協(xié)調(diào)方法是基于2D平面進(jìn)行，對(duì)于隱藏點(diǎn)很難表現(xiàn)出來(lái)，尤其是構(gòu)件與空間、人員與空間的軟碰撞更是難上加難的問(wèn)題，直接導(dǎo)致了施工困難，增加返工，成本過(guò)高等現(xiàn)象。通過(guò)BIM進(jìn)行可視化交底方法呈現(xiàn)，更加容易進(jìn)行專業(yè)間問(wèn)題發(fā)現(xiàn)與協(xié)調(diào)。

3.6 BIM結(jié)合人工智能

隨著軟硬件件技術(shù)的升級(jí)迭代，建筑設(shè)計(jì)的形態(tài)與BIM平臺(tái)可能會(huì)出現(xiàn)更復(fù)雜的功能，建筑師與機(jī)器之間的聯(lián)系越來(lái)越緊密。參考人工智能技術(shù)在其他行業(yè)的發(fā)展與運(yùn)用方式，可以預(yù)見(jiàn)在數(shù)字化技術(shù)相對(duì)落后的建筑行業(yè)，人工智能技術(shù)將會(huì)給建筑行業(yè)注入新的生命力。目前，以Revit為代表的 BIM 平臺(tái)及其系列工具已經(jīng)得到初步運(yùn)用，但傳統(tǒng)的基于文件的桌面設(shè)計(jì)工具很難植入人工智能技術(shù)，很難融入最新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，無(wú)法成為新的技術(shù)核心，只能作為一個(gè)用戶端存在。以Revit 為代表的BIM 建模平臺(tái)基于文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，模型中構(gòu)件耦合性非常高，與外部數(shù)據(jù)交換通常需要數(shù)百兆以上的數(shù)據(jù)傳輸。高耦合性、大容量的 BIM建模操作、關(guān)聯(lián)更新，需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，但高耦合性導(dǎo)致的笨重、低效的數(shù)據(jù)交換，嚴(yán)重阻塞了設(shè)計(jì)工具與外部系統(tǒng)、云端資源的連接[3]。

假設(shè)BIM建模平臺(tái)解決這一技術(shù)難題，支持傳統(tǒng)三維建模技術(shù)直接跨入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，將瞬間打開(kāi)BIM技術(shù)的極大想象空間。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在云端將和其他互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)以同樣的方式存在，大量成熟互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能快速應(yīng)用到設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)上，從而快速推動(dòng)工具的發(fā)展與數(shù)據(jù)的深度計(jì)算。其中，最具想象空間的是融合三維模型和圖像、視頻、文本等其它數(shù)據(jù)的、高精細(xì)度的大數(shù)據(jù)技術(shù)。基于互聯(lián)網(wǎng)的存儲(chǔ)資源、計(jì)算能力和計(jì)算框架，將直接觸發(fā)建筑行業(yè)的應(yīng)用革命。

本文是上海建工四建集團(tuán)企業(yè)A級(jí)課題《BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)流程與管理》研究成果的總結(jié)。 BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)流程與管理，課題編號(hào) 2018YFD2108。