基于BIM技術(shù)的建筑工程施工圖設(shè)計(jì)實(shí)施建議研究

劉旭峰

青島城市建筑設(shè)計(jì)院有限公司 山東 青島 266000

引言

BIM是建筑行業(yè)中常見的工具，能夠?qū)⒔ㄖ?xiàng)目施工圖以三維立體圖像呈現(xiàn)出來，在建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和拆除上均能得到有效應(yīng)用，為施工決策提供依據(jù)，輔助設(shè)計(jì)和施工工作的順利進(jìn)行。因此，針對施工圖設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義，更有利于提高建筑設(shè)計(jì)效率，滿足建筑設(shè)計(jì)和施工需要。

1 傳統(tǒng)人工施工圖設(shè)計(jì)的弊端

施工圖設(shè)計(jì)是建筑項(xiàng)目的基礎(chǔ)，對于后續(xù)施工和使用產(chǎn)生直接影響。根據(jù)施工圖紙進(jìn)行施工預(yù)算，預(yù)算結(jié)果將明確工程造價(jià)，若后續(xù)發(fā)生設(shè)計(jì)變更，還需要重新調(diào)整施工圖，再一步一步調(diào)整施工組織設(shè)計(jì)以及施工造價(jià)預(yù)算等內(nèi)容，變更內(nèi)容多，環(huán)節(jié)復(fù)雜。在傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員很難熟練掌握施工技術(shù)，對于現(xiàn)場環(huán)境的了解知之甚少，即便設(shè)計(jì)人員積累了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但仍然很難完全了解新項(xiàng)目的現(xiàn)場信息，需要設(shè)計(jì)人員到現(xiàn)場后經(jīng)過多次調(diào)研，才能保證施工圖設(shè)計(jì)的可行性。不僅工作量巨大，更需要花費(fèi)很長時(shí)間。一旦有人為因素造成錯(cuò)誤，還需要重新修改，增加返工和洽商次數(shù)。且業(yè)主、施工人員不了解二維施工圖，缺乏專業(yè)背景，理解困難。設(shè)計(jì)人員還需要進(jìn)行一對一講解，且很難讓業(yè)主建立直觀印象，溝通難度高。在這一背景下BIM技術(shù)的應(yīng)用提供了巨大幫助，BIM技術(shù)支持下建立三維模型，能夠讓施工圖直觀真實(shí)地呈現(xiàn)出來，方便于各方人員的溝通，有效提高溝通效率。同時(shí)設(shè)計(jì)人員通過輸入變更參數(shù)，系統(tǒng)自動完成優(yōu)化改進(jìn)，大幅減少人工工作量，規(guī)避人為失誤。

2 BIM技術(shù)在建筑施工圖設(shè)計(jì)中應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 協(xié)同化作業(yè)

在建筑施工圖設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)可以使用數(shù)字信息進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的模擬，并通過3D模型呈現(xiàn)。在BIM軟件支持下充分融合建筑資源信息，如項(xiàng)目空間關(guān)系、3D結(jié)構(gòu)以及材料特征等。不管是設(shè)計(jì)人員還是業(yè)主，在BIM平臺上可以共享信息資源，允許相關(guān)人員進(jìn)行評論和建議，實(shí)現(xiàn)協(xié)同化作業(yè)。此外對于設(shè)計(jì)人員而言，BIM平臺也是一個(gè)良好的溝通交流平臺，不同項(xiàng)目的設(shè)計(jì)師可以互相分享施工圖，互相借鑒和學(xué)習(xí)。BIM平臺能夠提供仿真模型，便于設(shè)計(jì)人員和施工人員分享施工要點(diǎn)的控制，更有利于施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，有利于推動施工環(huán)節(jié)的有序進(jìn)行。

2.2 三維立體直觀

BIM信息模型作為立體模型，能夠呈現(xiàn)出不同角度的橫截面。在BIM模型中建筑結(jié)構(gòu)梁、幕墻以及管道均可以呈現(xiàn)出三維模型，讓業(yè)主、施工人員等非設(shè)計(jì)專業(yè)人士可以更為直觀準(zhǔn)確地了解設(shè)計(jì)方案，相比于二維圖形更容易被理解，讓各方人員得到有效溝通[1]。三維模型能夠呈現(xiàn)出墻體、管道等隱蔽工程的結(jié)構(gòu)，能夠規(guī)避管道交叉、梁柱碰撞等問題，提前進(jìn)行改正，降低施工變更、設(shè)計(jì)變更風(fēng)險(xiǎn)。三維模型跟隨施工項(xiàng)目進(jìn)行，可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出施工進(jìn)度，方便于監(jiān)理人員進(jìn)行觀察。一旦不慎出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更，可以在BIM平臺上進(jìn)行修改，從而提高設(shè)計(jì)效率，避免對施工進(jìn)度造成嚴(yán)重影響。詳情見圖1 。

圖1 鋼筋的三維圖像

2.3 多方協(xié)同檢查

如上文中提到的，在BIM技術(shù)的支持下，能夠讓業(yè)主、施工人員以及監(jiān)理人員參與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，更有利于在施工早期糾正設(shè)計(jì)方案中存在的錯(cuò)誤，不斷優(yōu)化施工圖，規(guī)避設(shè)計(jì)問題，減少返工的問題。施工期間，可以隨時(shí)邀請多方參與檢查，保證各方對施工圖建立正確理解，提高多方協(xié)商管理的效率。

3 基于BIM技術(shù)的建筑工程施工圖設(shè)計(jì)

3.1 定義構(gòu)件

在IFC體系內(nèi)建立建筑結(jié)構(gòu)模型，如墻體結(jié)構(gòu)，先定義建筑實(shí)體，再利用實(shí)體進(jìn)行實(shí)體關(guān)聯(lián)，最后定義墻體實(shí)體，利用空間結(jié)構(gòu)將樓層和墻體關(guān)聯(lián)起來。在BIM模型中有大量力學(xué)性能、建造信息、材料等性能。IFC模型已經(jīng)可以基本滿足構(gòu)件屬性。在IFC模型中對多層材料進(jìn)行定義，常見墻體包括隔熱層、墻面磚、結(jié)構(gòu)層以及外墻面磚四類，首先對材料屬性加以定義，然后定義其和實(shí)體的關(guān)聯(lián)，最后將墻體材料和墻體關(guān)聯(lián)。

3.2 定義關(guān)聯(lián)

在BIM模型中定義關(guān)聯(lián)有重要作用，為了保證BIM模型完整性和一致性，在IFC構(gòu)件關(guān)聯(lián)中有對稱性關(guān)聯(lián)以及非對稱性關(guān)聯(lián)兩類。其中對稱性關(guān)聯(lián)表示兩個(gè)實(shí)體為對等關(guān)系，任意一個(gè)改變都會對另一個(gè)造成影響。如柱體和梁體的關(guān)聯(lián)，將柱體刪除梁體也會刪除，對梁體修改柱體也會出現(xiàn)對應(yīng)修改。而非對稱性關(guān)聯(lián)表示兩者存在主從關(guān)系，通過對主實(shí)體的修改進(jìn)行改變，但不會改變主實(shí)體本質(zhì)。如墻體和洞口的關(guān)系，洞口從屬于墻體，將墻體刪除也會對應(yīng)刪除洞口，但將洞口刪除卻不會影響墻體。

3.3 設(shè)計(jì)BIM模型

設(shè)計(jì)BIM模型不僅需要滿足設(shè)計(jì)要求，更要關(guān)注BIM技術(shù)發(fā)展，兼顧模型運(yùn)行性和便捷性。常使用羅星結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用面型對象，梁柱等結(jié)構(gòu)使用這一結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)件利用計(jì)算結(jié)果和構(gòu)件的耦合關(guān)系，建立構(gòu)件和計(jì)算結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。材料信息模型主要包含混凝土和鋼筋，建立材料屬性和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)聯(lián)。

3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

使用BIM模型，在Visual Studio.Net平臺上用AutoCAD二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)施工圖設(shè)計(jì)。作圖時(shí)不僅要按照規(guī)范設(shè)計(jì)，還要充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。智能系統(tǒng)可以模仿人工制圖過程，錄入梁柱等數(shù)字模型信息，在AutoCAD上繪制施工圖。系統(tǒng)也同時(shí)提供算量統(tǒng)計(jì)、規(guī)范設(shè)計(jì)結(jié)果以及三維模型檢查等功能。

4 BIM技術(shù)在建筑工程施工圖設(shè)計(jì)中的實(shí)施建議

4.1 協(xié)同多系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在施工圖設(shè)計(jì)中使用BIM技術(shù)，需要協(xié)同應(yīng)用AutoCAD系統(tǒng)、VS平臺等技術(shù)，設(shè)計(jì)人員利用各系統(tǒng)和軟件繪制模型，建立三維立體模型，更有利于提高設(shè)計(jì)效率，達(dá)到更真實(shí)準(zhǔn)確的仿真效果。在AutoCAD軟件上繪制施工圖，能夠?qū)⒖睖y數(shù)據(jù)應(yīng)用其中，建設(shè)準(zhǔn)確的仿真模型。BIM系統(tǒng)的應(yīng)用能夠便于計(jì)算和校驗(yàn)，形成三維模型。建設(shè)企業(yè)要建立BIM協(xié)同平臺，積極將BIM平臺和管理平臺聯(lián)合起來，當(dāng)施工圖發(fā)生改變后，根據(jù)BIM變更信息，提示采購部門、財(cái)務(wù)部門等作出對應(yīng)的修改，保證項(xiàng)目管理的協(xié)同性和一體化。

4.2 貫穿設(shè)計(jì)全程

設(shè)計(jì)人員通過BIM軟件輸入勘測數(shù)據(jù)等信息建立模型，確保模型和項(xiàng)目需要相符合。再根據(jù)設(shè)計(jì)方案調(diào)整樓梯、梁柱、樓板等構(gòu)件設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)出三維立體效果。在BIM軟件中提供成本、材料、力學(xué)性能等程序，能夠在輸入屬性后自動計(jì)算出建筑項(xiàng)目的成本、性能等參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率，能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，最大程度降低人為誤差[2]。設(shè)計(jì)人員若需要更改設(shè)計(jì)，可以隨時(shí)通過刪除等功能改變設(shè)計(jì)方案，操作簡單，無需要重新繪圖，節(jié)約大量設(shè)計(jì)時(shí)間。如在地下停車場的管道設(shè)計(jì)上，占據(jù)較大空間，三維設(shè)計(jì)圖能夠呈現(xiàn)出管線三維模型，在達(dá)到設(shè)計(jì)需要基礎(chǔ)上，能夠呈現(xiàn)出管線施工效果，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減少管線占據(jù)空間。如將地下停車場照明線路統(tǒng)一為同一回路，工具間使用單獨(dú)回路，優(yōu)化設(shè)計(jì)提高照明設(shè)計(jì)的人性化水平。

4.3 要求多方參與審查

針對施工圖的審查可以要求多方參與，施工單位施工前可以借助于BIM模型分析施工圖在施工領(lǐng)域的可行性，從施工角度對施工圖提出建議，為順利施工奠定基礎(chǔ)。同時(shí)在BIM平臺上發(fā)布施工圖變更信息，給各方人員發(fā)送信息，能夠第一時(shí)間指出設(shè)計(jì)變更的位置及影響，讓業(yè)主、施工方等快速理解，第一時(shí)間將變更內(nèi)容解釋清楚。在施工分包環(huán)節(jié)上，用BIM模型進(jìn)行分包，能夠讓各個(gè)分包商明確自己的施工內(nèi)容和交接位置。

4.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)成本

通過BIM施工圖直觀呈現(xiàn)出施工效果，優(yōu)化管線設(shè)計(jì)，從而規(guī)避無用設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本。假設(shè)某工程基坑開挖深度為9.4m采取三軸攪拌樁、灌注樁以及混凝土支撐結(jié)構(gòu)，使用BIM系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在安全性能的基礎(chǔ)上將基坑深度從9.4m調(diào)整至8.5m，可以有效節(jié)約造價(jià)成本達(dá)數(shù)百萬元，具有較高經(jīng)濟(jì)效益。又如在地下車庫設(shè)計(jì)上，滿足管線高度要求后，地下車庫高度應(yīng)在2.2m以上。但部分區(qū)域需要安裝噴淋系統(tǒng)和風(fēng)道等消防系統(tǒng)，安裝后凈高只能達(dá)到2m，無法滿足車庫使用需要。使用BIM系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對風(fēng)道和管線進(jìn)行優(yōu)化，提高層高，滿足停車場要求[3]。

4.5 快速檢驗(yàn)設(shè)計(jì)變更

在施工圖設(shè)計(jì)中，不可避免遇到設(shè)計(jì)變更和修改的情況，設(shè)計(jì)方、業(yè)主以及施工方就某一部分出現(xiàn)爭端。這時(shí)設(shè)計(jì)人員充分利用BIM軟件對施工圖精心修改，驗(yàn)證不同方案的可行性，可以快速得出設(shè)計(jì)方案的可行性，判斷設(shè)計(jì)方案是否合理，也能幫助設(shè)計(jì)人員向業(yè)主講解設(shè)計(jì)的目的。設(shè)計(jì)人員使用BIM軟件輸入不同參數(shù)，快速更改設(shè)計(jì)方案。并模擬現(xiàn)場施工，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性。并根據(jù)變更后的三維模型，快速計(jì)算造價(jià)和工程量，方便于業(yè)主判斷是否滿足自己的要求。使用BIM技術(shù)，結(jié)合MSProject、Visio軟件進(jìn)行施工模擬，也有利于根據(jù)施工工期要求，對構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，快速完成設(shè)計(jì)變更方案。詳情見圖2 。

圖2 BIM模型參數(shù)修改界面

4.6 為后續(xù)施工提供科學(xué)指導(dǎo)

BIM施工圖的應(yīng)用能夠?qū)κ┕み^程進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)，根據(jù)BIM平臺呈現(xiàn)出的三維立體模型，呈現(xiàn)出不同材料的建筑效果，并利用軟件進(jìn)行材料計(jì)算，有利于指導(dǎo)施工期間材料的使用，準(zhǔn)確采購施工材料，避免造成施工成本浪費(fèi)。建立BIM模型后可以呈現(xiàn)出仿真建筑物效果，詳細(xì)分析施工材料是否合適，材料尺寸是否合理，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員判斷施工材料是否可以滿足安全等性能指標(biāo)，提高建筑模型的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。根據(jù)BIM模型的指導(dǎo)，施工人員也能確認(rèn)施工材料使用情況，指導(dǎo)實(shí)際施工技術(shù)，確保施工期間合理應(yīng)用材料，避免材料浪費(fèi)的問題。

5 結(jié)束語

綜上所述，在建筑施工圖設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)的應(yīng)用具有協(xié)同化作業(yè)、三維立體直觀、多方協(xié)同檢查的優(yōu)勢，在建筑工程施工圖設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，應(yīng)當(dāng)積極協(xié)同多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化管理，并讓BIM模型貫穿設(shè)計(jì)全程，要求多方參與審查提高設(shè)計(jì)圖的合理性和科學(xué)性，為后續(xù)施工提供科學(xué)指導(dǎo)，降低設(shè)計(jì)變更風(fēng)險(xiǎn)，推動建筑工程的順利進(jìn)行。