BIM技術(shù)在建筑設(shè)計階段的應(yīng)用

■ 中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司 惠杰

引言

建設(shè)項目從規(guī)劃、設(shè)計、施工、運行維護(hù)到拆除的全過程具有技術(shù)含量高、建設(shè)周期長、不重復(fù)、多單元等特點。傳統(tǒng)的建設(shè)項目管理信息溝通不暢，重復(fù)建設(shè)屢見不鮮，采用BIM技術(shù)有利于實現(xiàn)建設(shè)項目的單元協(xié)作和信息共享。

規(guī)劃設(shè)計階段是影響建設(shè)成本和運營周期的重要階段，研究人員和開發(fā)人員對BIM在新建建筑的設(shè)計、規(guī)劃和建造方面的應(yīng)用越來越感興趣[1]，主要的研究趨勢集中在預(yù)先計劃和設(shè)計的改進(jìn)、碰撞檢測、可視化、量化、成本分析和數(shù)據(jù)管理[2]。在BIM的建筑評估和能源分析研究中，Alwan等[3]通過建筑環(huán)境評價應(yīng)用BIM技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用BIM技術(shù)可以快速有效地進(jìn)行綠色建筑評估；Samuel等[4]研究發(fā)現(xiàn)BIM工具可以有效地進(jìn)行建筑能耗分析，為設(shè)計人員提供幫助；Smith[5]討論了成本管理專業(yè)人員在BIM領(lǐng)域中各種現(xiàn)有軟件、技術(shù)和工具的實施和有效利用；李新偉[6]通過研究基于BIM的設(shè)計與施工協(xié)同工作模式，實現(xiàn)了設(shè)計階段和施工階段協(xié)同工作的信息傳遞；郝會杰[7]以北京海淀區(qū)西釣魚臺嘉園危改住宅小區(qū)（三期）工程為例，利用BIM軟件結(jié)合模架規(guī)則解決模架設(shè)計施工中的問題。

BIM技術(shù)具有共享性、可視化、協(xié)同性、仿真性、優(yōu)化性和繪圖性等特點，制定合理的BIM項目執(zhí)行計劃，有利于充分發(fā)揮BIM的各項價值，實現(xiàn)建設(shè)項目的預(yù)期目標(biāo)。本文對BIM技術(shù)在建筑設(shè)計階段的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期為BIM技術(shù)在建筑設(shè)計階段的應(yīng)用提供參考和借鑒。

1.BIM對建筑工程設(shè)計階段的技術(shù)影響

建筑信息模型（BIM）是工程領(lǐng)域出現(xiàn)的一項新技術(shù)，其將工程項目各種相關(guān)信息與三維數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，近年來在建筑工程的設(shè)計、施工和運營后管理階段得到廣泛應(yīng)用，顯著提高了工作效率，降低了工程建設(shè)風(fēng)險。

1.1 可視化

在傳統(tǒng)的可視化效果圖制作中，工程師通常需要把二維圖紙重新設(shè)計建立三維模型，而基于BIM技術(shù)的建筑工程設(shè)計可以直接省去這個步驟，如圖1所示，工程師直接從BIM軟件Revit平臺中以三維DWG格式導(dǎo)出模型，將模型導(dǎo)入3DS Max等軟件，制作建筑項目效果圖，這樣就不需要重新在3DS Max等軟件上建立三維模型，從而節(jié)省更多時間，把精力放在材質(zhì)選取、調(diào)整光源及人車顯示等，增強(qiáng)效果圖的真實感。

圖1 軟件制作效果圖

1.2 協(xié)調(diào)模擬

各專業(yè)之間協(xié)調(diào)配合是建筑工程設(shè)計工作中的重要內(nèi)容，在傳統(tǒng)的二維CAD圖紙設(shè)計中，各專業(yè)設(shè)計工程師由于協(xié)調(diào)不到位，常常導(dǎo)致碰撞問題的出現(xiàn)，致使設(shè)計效率和質(zhì)量降低。而在傳統(tǒng)建筑工程設(shè)計中，各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)也會浪費大量時間，協(xié)調(diào)效率和質(zhì)量無法得到保證。通常在實際施工中各專業(yè)協(xié)調(diào)時，需要參建方與各專業(yè)設(shè)計師開會協(xié)調(diào)，找出最終解決方案，這樣的協(xié)調(diào)組織方式耗時耗力，極大地降低了工作效率，甚至影響工程質(zhì)量。

1.3 優(yōu)化出圖

BIM技術(shù)在建筑設(shè)計階段的一大應(yīng)用特色是優(yōu)化出圖，首先可以利用BIM軟件建立三維模型，根據(jù)需求自動生成建筑的立面圖、俯視圖及剖面圖等，這樣可以為設(shè)計師節(jié)省大量畫圖時間，把更多時間與精力放在優(yōu)化設(shè)計上，不斷提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。但現(xiàn)階段BIM軟件自動出圖最大的局限是自動生成的圖紙不能完全滿足建筑工程規(guī)范要求，還需要對軟件生成的圖紙進(jìn)行大量修改，這無疑增加了設(shè)計師的工作量，如若能解決這種軟件自動出圖和最后實際圖紙之間“最后一公里”的問題，可以極大地提高設(shè)計效率，為建筑工程設(shè)計“添磚加瓦”。

2.BIM技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用

本文以西咸創(chuàng)新大廈項目為工程背景，對BIM技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1 工程概況

西咸創(chuàng)新大廈位于西安西咸新區(qū)絲路經(jīng)濟(jì)帶能源金融貿(mào)易區(qū)起步區(qū)內(nèi)，能源二路及金融二路十字路口西北角區(qū)域，總建筑面積約42564.17m2，地上建筑面積33341.59m2，地下建筑面積9222.58m2，建筑高度78.00m，為高層公共建筑，其塔樓為商務(wù)辦公，裙房為商業(yè)用房，地下室為停車庫、人防及設(shè)備用房多個功能區(qū)域。建筑工程等級為一級，抗震設(shè)防烈度為八度，框架及剪力墻結(jié)構(gòu)，地上20層、裙樓3層、地下一層。

2.2 設(shè)計方案

利用基于BIM技術(shù)的建筑工程可視化功能，結(jié)合周圍環(huán)境等情況確定建筑布局位置，最大程度地利用場地面積，如圖2（a）所示；利用基于BIM技術(shù)的建筑工程信息共享及交互設(shè)計的功能，讓多個不同設(shè)計工程師共同參與建筑整體規(guī)劃設(shè)計，提高規(guī)劃設(shè)計效率，如圖2（b）所示；進(jìn)一步分析周圍環(huán)境以確定建筑朝向和建筑出入口等，通過合理的規(guī)劃設(shè)計以達(dá)到辦公商業(yè)人群分流，如圖2（c）所示。

圖2 規(guī)劃設(shè)計方案圖

利用3DS Max和Revit軟件對建筑工程建立體量模型圖，如圖3（a）所示；根據(jù)建筑工程的基本要求，對比分析建筑面積、每一棟的體量及功能布局，最終得到精細(xì)化的體量模型，如圖3（b）所示；通過建立與分析單個建筑的體量模型，最終得到整個建筑項目合理的概念體量模型，提高后續(xù)的設(shè)計效率，利用BIM技術(shù)軟件的即時顯示功能，對建筑的空間功分區(qū)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，如圖3（c）所示；檢查功能分區(qū)的合理性與實用性需要設(shè)計師具有一定的設(shè)計經(jīng)驗和空間想象能力，設(shè)計師也可以通過BIM軟件對建筑功能分區(qū)及時進(jìn)行交流討論與分析，最終得到合理的功能分區(qū)布局，如圖3（d）所示。最后，利用BIM軟件的仿真渲染功能，對建筑的顏色和材料進(jìn)行仿真模擬，由此得到的最終設(shè)計效果渲染圖，圖3（e）、（f）展示了外裝飾的設(shè)計效果。

圖3 建筑體量、空間分區(qū)與外裝飾設(shè)計圖

2.3 性能分析

僅利用BIM技術(shù)對建筑工程進(jìn)行建模渲染，對于建筑工程設(shè)計來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，建筑設(shè)計還需要對建筑進(jìn)行性能分析，可以利用BIM軟件對建筑的場地環(huán)境進(jìn)行三維建模，然后將三維模型導(dǎo)入流體力學(xué)CFD分析軟件對建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析模擬。

圖4和圖5分別為建筑在夏季時受東南偏南風(fēng)風(fēng)場作用和冬季時受東北偏北風(fēng)風(fēng)場作用下風(fēng)環(huán)境情況，建筑項目室外1.5m高度處的風(fēng)速和風(fēng)壓云圖。從圖4（a）可以看出，建筑群的最高風(fēng)速出現(xiàn)在建筑群迎風(fēng)面的內(nèi)側(cè)邊角，整個建筑群平均風(fēng)速達(dá)到2.7m/s，且建筑周邊的風(fēng)速流場分布較均勻，沒有渦流產(chǎn)生。從整體上來看，夏季通風(fēng)狀況良好，符合舒適度要求且滿足綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)。從圖4（b）可以看出，建筑群的最大風(fēng)壓出現(xiàn)在建筑群迎風(fēng)面前排建筑外側(cè)，大約為3.5Pa，東南面風(fēng)壓大致為2Pa～3.5Pa。在夏季東南風(fēng)場下，建筑群風(fēng)壓基本滿足要求，建筑群具有一定的自然通風(fēng)能力。從圖5（a）可以看出，建筑群的平均風(fēng)速在1.7m/s 左右，風(fēng)速最高達(dá)到2.3m/s，且建筑周邊的風(fēng)速流場分布較均勻，沒有渦流產(chǎn)生；夏季通風(fēng)狀況良好，符合舒適度要求且滿足綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)。從圖5（b）可以看出，建筑群的東北面風(fēng)壓大約為1.5Pa～2.5Pa，最大風(fēng)壓出現(xiàn)在迎風(fēng)面的前排建筑東南方向外側(cè)，約為2.5Pa；在冬季東北風(fēng)場下，建筑群風(fēng)壓基本滿足要求，建筑群具有一定的自然通風(fēng)能力。

圖4 夏季風(fēng)速與風(fēng)壓云圖

圖5 冬季季風(fēng)速與風(fēng)壓云圖

2.4 方案深化

在傳統(tǒng)建筑工程設(shè)計中，初步設(shè)計后才能進(jìn)行方案深化，但是基于BIM技術(shù)在建筑設(shè)計階段的應(yīng)用，利用BIM技術(shù)的可視化、協(xié)調(diào)模擬和優(yōu)化出圖的功能，可以將方案深化提前，可以及早發(fā)現(xiàn)問題，提前解決問題，提高方案深化效率。

進(jìn)行方案深化時，要對建筑進(jìn)行細(xì)化處理，建筑的墻柱、門及樓梯等細(xì)節(jié)部件進(jìn)行復(fù)核檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過不斷的細(xì)化處理，方案優(yōu)化后的建筑幕墻效果如圖6所示，在實際的幕墻優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接件在幕墻玻璃嵌板位置過于靠近立柱，優(yōu)化后該轉(zhuǎn)接件僅在A1#樓就有11915根，長度約15625m，重約3.4t，可節(jié)省材料費6萬元。在圖6（c）中通過優(yōu)化將原設(shè)計的平面轉(zhuǎn)弧面的特殊玻璃改為單曲面弧形玻璃，在明細(xì)表中，該轉(zhuǎn)接件玻璃僅在A1#樓就共計約560m2，平面轉(zhuǎn)弧面的玻璃比單曲面弧形玻璃貴90元/m2，總計這一舉措僅A1#樓就可省5.04萬元。由此可得，通過不斷的方案深化，不但可以發(fā)現(xiàn)建筑中存在的問題，且可以節(jié)省工程造價。

圖6 優(yōu)化建筑幕墻效果圖

3.結(jié)論

本文以西咸創(chuàng)新大廈項目為例，對BIM技術(shù)在建筑工程方案設(shè)計及深化的應(yīng)用進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

一是利用BIM技術(shù)可視化功能，能合理確定建筑布局規(guī)劃方案；通過建立與分析單個建筑的體量模型，最終得到整個建筑項目合理的概念體量模型，能為后續(xù)的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持；利用BIM技術(shù)軟件的即時顯示功能對建筑的空間功分區(qū)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，最終得到合理的功能分區(qū)布局。由此，BIM技術(shù)能夠快速合理的確定建筑工程設(shè)計方案。

二是通過利用BIM軟件與分析軟件數(shù)據(jù)對接，對建筑群進(jìn)行風(fēng)環(huán)境分析，不斷地優(yōu)化分析數(shù)據(jù)，對比不同方案下的建筑風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果，最終得出滿足綠色建筑風(fēng)環(huán)境要求的方案設(shè)計。

三是利用BIM技術(shù)對建筑模型進(jìn)行細(xì)化處理，及時發(fā)現(xiàn)問題，提前解決問題，通過不斷深化處理，可以發(fā)現(xiàn)建筑中存在的問題，且可以節(jié)省工程造價。