基于BIM的多专业协同建筑设计教学模式探索

韩 锐， 刘大平， 邵 丹， 王礼华

(1. 哈尔滨工业大学 建筑学院黑龙江省寒地建筑科学重点实验室， 哈尔滨 15006;2. 吉林建筑大学 艺术设计学院， 长春 130118;3. 长春大学 计算机科学技术学院， 长春 130022;4. 日本大阪电气通信大学信息学部， 日本大阪府 564-0061)

基于BIM的多专业协同建筑设计教学模式探索

韩 锐1,2， 刘大平1， 邵 丹3， 王礼华4

(1. 哈尔滨工业大学 建筑学院黑龙江省寒地建筑科学重点实验室， 哈尔滨 15006;2. 吉林建筑大学 艺术设计学院， 长春 130118;3. 长春大学 计算机科学技术学院， 长春 130022;4. 日本大阪电气通信大学信息学部， 日本大阪府 564-0061)

近年来建筑信息模型(BIM)广泛应用于建筑工程各相关领域，使我国建筑产业的转型与技术升级又上了一个新台阶。为适应新形式下人才培养的需要，各土木建筑类高校均在积极探索教学模式及方法的改进，旨在弥补并完善传统课堂讲授式教学方法下人才培养的不足。基于BIM的集中式实验室教学，有机地融合多专业协同设计理念。通过建筑工程项目实例的递进式设计制作，提升学生们在专业技能、协调组织和设计全过程管理等方面的掌控能力；通过设计成果的技术指标比较，反映出学生们在设计理论知识和综合分析能力上的进步。为建筑设计教学模式及方法的革新积累宝贵的经验。

建筑信息模型； 建筑设计； 项目实例； 协同设计

0 引 言

建筑信息模型(Building Information Modeling)简称BIM，它是在计算机辅助设计等技术基础上发展起来的多维建筑信息管理系统，是传统二维设计建造方式向三维数字化设计建造方式转变的革命性技术，是促进绿色建筑发展、提高建筑产业信息化水平、推进智慧城市建设和实现建筑行业转型升级的基础性技术，具有极高的未来前瞻意义与不可替代性[1]。

BIM以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型基础，进行三维空间的建筑模型的实时性构建，具有可视性、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大先进特点[2]。为了实现BIM技术在建筑工程领域的广泛应用，Autodesk公司分别研发了基于不同专业工程设计的Revit Arch、Revit Structure以及Revit MEP软件,用以解决建筑空间、建筑结构与设备管线等综合问题。随着专业交叉协同的密集程度不断增加，三款软件最终被集成在同一个Revit操作平台中[3]。

近年来BIM在建筑工程各相关领域广泛应用，其优越的集成化实时三维成像特点日渐凸显。2013年3月，深圳市建筑设计院获批中国城乡与住房建设部关于保障性住房应用BIM技术的研究课题，在进行两年的项目实践研究过程中取得了丰硕成果；2013年12月，中国建筑标准研究院联合北京市建筑设计院等十余家国内一线甲级设计院共同撰写并出台了“建筑信息模型技术试用规范”，为日后BIM在国内建筑工程领域的普及奠定了共识性操作蓝本[4]；2014年10月，上海市政府以及建筑工程管理委员会召开全市范围内的“推进BIM技术应用指导意见”宣贯会，明确提出2016年底，基本形成满足BIM技术应用的配套政策、标准与市场环境；到2017年全市规模以上政府投资工程全部应用BIM技术。

世界各地的建筑类高校均在积极探讨未来基于BIM的人才培养模式。美国与加拿大的主要大学建筑设计学院均开设了BIM课程及研发中心。以加拿大渥太华卡尔顿大学为例，2010年创办的CIMS(卡尔顿虚拟建筑媒体中心)已经为全国的历史建筑进行了系统的三维激光扫描与BIM模型重构，建立了一系列的历史建筑修复标准[5]。日本东京大学和帝国大学的建筑与规划学院由政府注资在两所大学建立BIM研究中心，首先研究类型就是针对住宅的优化设计。建筑设计相关专业的学生每学年必须在BIM研究中心完成项目实践教学研究一个学期，从而在掌握人居理念与新技术的同时，了解国家对住宅设计的基本方针策略[6]。目前国内重点高校也相继开设了BIM研发机构，其中湖南大学近年来积极与国际上知名建筑事务所合作，连续两年举办BIM风暴集训营，取得了丰硕成果。天津大学2013年8月与Autodesk公司以及国家数工委联合举办了全国数字化建筑论坛，为数字信息技术在行业内的推广与交流起到了深远的推动作用[7]。我校建筑及土木工程相关专业也建立了基于卓越工程师培养计划的“创新型”“参与型”人才培养方案，以数字化网络工程技术与多学科交叉合作带动土木建筑类学科的教学改革与人才素质和技能的培养[8]。吉林省在BIM的应用与推广方面相对滞后。作为省内土建工程类的领军院校，我校正逐步加大对新技术的投入与探索，为适应国内及省内BIM应用型人才的需求，已有序开展BIM实验室的建设及相关教学方法的探索与研究。于2014年底，投资建设完成多专业协同设计BIM实验室，为课程教学研究开展提供了良好的硬件平台与集中式模拟、研讨和讲授环境。

1 传统建筑设计教学中存在的问题

国内现行的建筑设计教学模式主要以课堂传授两段起承式为主，即：低年级专修艺术、技术和理论知识作为基础；高年级建筑设计案例解决的综合能力培养。传统方式如何在新技术、新形势的影响下，能够更好地适应新型人才需求？对于学生综合能力培养如何在其完成设计教学案例的同时主动介入相关技术的“直观”辅导？都是当下建筑设计教育者亟待解决的问题[9]。具体的问题总结有3点：

(1) 以笔者所在建筑工程类高校院校为例，建筑设计专业高年级以项目案例作为教学载体，学生需要主观整合低年级所掌握的基础知识，配合自行查阅设计规范与教师辅导共同完成设计内容。成果包括建筑工程总平面规划设计、建筑各层平面与立面设计，透视效果图，以及设计说明与相关经济技术指标等文字内容。在建筑剖面与节点详图的绘制方面深度不够，而这两项内容恰恰是对于建筑设计人员必须要熟练掌握的基本职业素养。传统的课堂设计辅导针对性弱，只能宽泛地解决基本的节点问题，而对于每个同学独特的设计方案无法一一做到详尽阐述[10]。因此，在初级建筑设计层面如何保证设计深度是教学研究中希望解决的第一个问题。

(2) 作为一名合格的建筑设计师不能仅仅只关注建筑的功能与形式，同样需要关注建筑技术层面的问题：如建筑构配件的交接处理，细部的剖面构造，以及建筑的结构与设备管线(水暖、消防、通风以及电气)的“交圈”关系。因为建筑工程设计本质是一个综合分析问题、解决问题的过程[11]。如何能够在保证建筑空间设计效果的同时将建筑结构设计与配套设施设计的基本概念有效融合，从而帮助学生建立一个更加全面、合理的设计“大局观”，是高校建筑设计教育者需解决的第二个问题[12]。

(3) 建筑设计的表现形式与方法，是当下建筑设计教学中容易被忽视却十分重要的一个环节，因为建筑的合理表现是一种外化的语言形式，能够帮助观者建立一个更全面，直观的建筑印象。实验室集中设计表现教学，以共用三维模型为载体，可以更好地传达教师的意图需求、使不同学生的表现视角与表现手法产生创造性碰撞[13]。传统的建筑设计教学往往拿捏不到学生个性化表现训练的合适比重，而且主要的设计软件CAD与SKETCH表现能力都有所局限，脱离开集中式的实验室渲染表现与虚拟空间模拟训练，使学生在呈现建筑设计作品深度上往往力不从心[14]。如何将建筑设计与优秀合理的表现形式最大程度的合而为一，将是本研究亟待解决的第三个问题。

2 BIM实验室案例教学探索

2.1 初步设计

在BIM实验室教学研究的第一个阶段，组织了来自建筑学、土木工程、电气自动化与暖通给排水专业的学生共12名，以及来自对应专业方向的青年骨干教师4名。利用课余时间在我校BIM实验室进行了一次民用建筑设计项目模拟。项目来源长春市大禹褐石公园8号楼。初步设计阶段将12名同学按照专业划分为4个小组，对应专业教师为项目组长。

首先由建筑设计小组完成建筑平面及立面方案，而后由结构设计小组依据此方案确定框架剪力墙结构体系，接着分别由电气小组与给排水小组进行建筑内部桥架及管线设计。此过程完全效仿目前设计院常规项目流程。在项目进行当中各小组独立工作，历时20 d完成项目初步设计。经4位教师校验，出现明显空间设计问题15处、建筑外墙装饰及屋面防水节点设计错误12处、楼梯间梯段梁穿墙现象2处、上水管穿梁现象18处、电气开关与桥架外露现象20处。经过初步设计总结后，建筑设计专业教师与本专业学生携手利用3D MAX软件对建筑设计方案进行了模拟演示，使同学们切身认识到：建筑协同设计的重要性、构造节点知识的匮乏以及三维建筑空间表达方式的局限。

2.2 BIM软件培训

BIM相关设计软件是进项建筑协同设计的基础，本次BIM实验室教学研究对BIM支撑下的Revit Arch(建筑设计)、Revit Structure(结构设计)以及Revit MEP(设备设计)等软件为12名学生进行了为期30 d的基本操作培训，并且在培训过程当中，带领学生们深入工地现场，统一普及相关的建筑学、建筑结构以及暖通与电气等专业理论知识。使学生在掌握软件操作及命令运用的同时透彻了解民用建筑构造的实践经验和专业知识。尤其对建筑节点与各专业交圈关系的认识，让他们收获颇丰，不仅培养了大家可以细致入微的设计素养,更奠定了能够统筹全局的设计观念。这是实验室教学较之传统课堂讲授式教学更加灵活的组织课堂形式、更加容易接近实际项目的优点。

2.3 项目实践与多专业协同设计

(1) 分组与项目前期安排。12名同学在本阶段的项目实践中将重新分配成A、B、C 3个组，每一组均配备1名建筑设计专业、1名结构专业、1名电气专业以及1名给排水专业的同学。3个组同时以任务书要求的建筑风格、建筑面积、建筑容积率、建筑户型格局以及防火抗震等级要求进行项目分解与步骤安排。

(2) 设计实施方案前期汇报。A、B、C 3组历时1周分别提交设计实施方案，并对设计中容易遇到的各专业交圈问题进行预判和汇总，由老师组织答辩，并依据各组设计方案确定BIM项目实施方案，提出相应设计与进度要求。设计实施方案汇报过程如图1所示。

图1 针对设计节点与设计流程安排的设计实施方案汇报

(3) 建筑平面及立面设计阶段。本次教学研究利用吉林建筑大学BIM实验室，内部被隔断分隔成三个相对独立的空间，每个项目组分配5台电脑，其中一台为工作站服务器，用来上传BIM中心文件；一台笔记本与一台投影仪，用来阶段性项目讨论；一台打印机用来阶段性项目成果输出。

在前期分析总结建设方主要诉求的基础上，确定建筑设计任务，完成平面空间的布局与基本建筑外观的形式。3组中建筑设计专业的同学在统一轴网与标高的Revit Arch文件中分别开始设计制作该项目的平面与立面。在规定时间内完成了设计内容，并进行了基本的设计总结与论证。将生成的三维建筑模型与传统教学模式下的二维图纸进行比较分析，发现明显改善并提高了学生对建筑设计节点详图与建筑构造的基本认知，充分体现了BIM教学的深入性和直观性。阶段性成果如图2～4所示。

(4) 中期BIM模型结构分析。案例采用BIM的“进程管理与网络多专业协同”制作模式。首先由A组设计完成建筑模型，而后以该模型为中心文件，项目进入下一环节由土木工程专业教师对该建筑的结构选型为A、B、C 3组同学做具体分析讲解。确定钢筋混凝土框架结构样式与主要梁、柱部分的配筋信息，并协助B组同学将Revit Arch文件通过网络同步更新在Revit Structure中进行该建筑的结构模型创建。在此过程中引入多专业协同设计的教学模式，有效提升了设计教学效率与质量。中期成果如图及建筑结构集中式讲解过程如图5所示。

(5) 后期BIM模型的碰撞检测。项目后半程，在完成主体结构模型基础上，将BIM文件同步更新到Revit MEP中进行水暖管线的综合设计。3个组水暖专业的同学区分为供暖的回路设计与自来水的给水和排水设计。竣工模型由全部同学参与进行管线结构的“交圈”碰撞检测，发现整理错漏问题30处，在老师的指导下，对设计进行完善，最终由建设单位与设计单位鉴定并验收项目完成，项目数据信息总结归档。项目设备系统设计成果如图6所示。

(6) 课题设计项目成果汇总。历时3个月，从建筑装饰物，到建筑风格细化后的门窗构件。3个项目组共完成BIM图元及模型族文件56个，材质信息文件50个，大禹褐石公园8#楼建筑方案3套，相关BIM模型文件3个，输出建筑施工深化A1图纸110页，结构施工深化 A1图纸80页，水暖及电气施工深化 A1图纸150页。3个项目组在规定的时间进度内均完成了设计任务。借助BIM软件的帮助，使施工图的节点深度达到施工指导水准。3个方案在网络协同设计的帮助下，有效规避掉前期初步设计96%的交圈碰撞问题。借BIM软件的虚拟现实技术，3个项目组在项目结尾均完成了1 min 30 s的建筑施工模拟及应用动画，全面直观地再现了建筑的内外空间结构。

(7) BIM模型施工应用。2015年6月，大禹褐石公园8号楼如期开工建设，3个项目组的BIM成果文件得到了施工单位、设计单位以及建设单位的鉴定认可。通过BIM系列软件中的Navisworks以及二次开发软件，最终将定稿实施方案被载入移动设备IPad中，利用云服务器BIM GLUE的浏览功能在施工现场即时与施工进度比对，工期历时4个月，专业负责教师及12名学生参与了8号楼建造全过程。整个观摩学习过程强化了学生们的设计实践成果转换意识，使他们更加系统直观地掌握了从方案设计到深化设计再到施工建造的全流程。

图5 基于Revit Structure设计制作的结构模型与专业教师的集中式讲解过程

3 创新意义

有别于同类院校的BIM教学模式：如果仅将BIM作为一门单纯的软件课程，加载在原有建筑设计教学体系中，期待学生在学习BIM知识、BIM技能、BIM理念的同时自己完成多专业知识的整合——这种片面的教学方式，不仅不利于专业知识的传授，更无法体现多专业协同的BIM理念[15]。笔者对于BIM实验室教学研究，以项目实例为载体，深入直观的解析三维BIM建筑模型设计制作的全过程，有效消除了抽象描述与实际建筑设计的距离，有效培养学生三维空间感知与节点构造关系的理解能力。针对项目设计与模拟建造过程中的多专业交圈问题，实施相关专业理论知识传授与协同设计辅导，旨在塑造一整套围绕着BIM理念，循序渐进、关注建筑全生命周期的数字化建筑设计人才培养的实验室教学模式，打破传统课堂讲授式建筑设计教学节点深度不足、知识难于整合以及表达效果乏力的桎梏[16]。

4 结 语

近年来BIM技术在行业内的推进对人才需求提出了新的定义，基于BIM理念培养下的建筑设计人才又同时促进着行业内高、新技术的应用以及建筑设计施工行业的升级与转型，两者互补齐进形成了良性循环，为中国城镇化建设的深入以及绿色智能建筑的推广起到了积极的促进作用。通过本次BIM实验室教学模式的探索与全新教学方法实施过程的尝试，为数字信息时代的建筑设计积累了多样化的教学经验。借助实际建筑工程案例作为载体，在各专业协同的基础上加以深化。建造过程的各个环节实施针对性的分析讲解，使学生加深综合设计的理念并拓展相关专业知识的积累。在项目完成后，各项目组分别对设计过程中的频发问题进行整理总结加以讨论，尤其在项目后半程安排的碰撞分析检测，真实模拟再现了民用建筑设计中普遍存在易被忽视的“交圈”碰撞问题，提升了学生的设计大局观,并加深临场设计经验的积累。本次BIM实验室教学研究的顺利完成可看作是高等建筑设计类院校课堂教学方法革新的一次积极探索，为培养未来知识结构体系健全，综合能力突出的规划类、建筑设计类高级人才奠定了“全专业、全过程”的大局观以及宝贵的实践设计经验。

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Research on the Teaching Mode of Multi Professional Collaboration Architectural Design Based on BIM

HANRui1,2,LIUDaping1，SHAODan3，WANGLihua4

(1. Heilongjiang Cold Region Architectural Science Key Laboratory, School of Architecture, Harbin Institute of Technology；Harbin 150006, China; 2. College of Art and Design, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China; 3. College of Computer Science and Technology, Changchun University, Changchun 130022, China; 4. Department of Information, Osaka Electro-Communication University, Osaka 564-0061, Japan)

In recent years, BIM has been widely used in various fields of construction engineering, it is adding fuel to the transformation of China's construction industry and technology upgrade. In order to adapt the needs of the personnel training in new market situation, most colleges of civil engineering and architecture are actively exploring the improvement of the teaching mode and method in courses. The purpose is to make up and improve the deficiency of the traditional classroom teaching method. We have tried to do centralized teaching based on BIM in the laboratory, and integrated the multi-professional collaborative design organically. Finally we enhanced the students' control ability of professional skills, coordination ability, ability of organization and the whole design process of management, through the progressive design of the construction project example. The students made great progress in the design theory and comprehensive analysis ability, through the comparison of technical indexes between BIM design results and traditional design results. This research will accumulate valuable experience for the innovation of architectural design teaching mode and method.

building information modeling (BIM)； architectural design； project examples； collaborative design

2016-08-01

2016年度吉林省教育科学规划课题(项目编号：GH16291)；吉林省教育厅“十三五”社会科学研究规划重点项目(项目编号：吉教科文合字[2016]第120号)；中华人民共和国教育部“春晖计划”科研项目

韩 锐(1981-)，男，辽宁金县人。博士生，讲师，主要从事数字化建筑设计教学及应用研究。

Tel.：18643199988; E-mail:archanrui@sina.com

刘大平(1955-)，男，哈尔滨人，教授，研究方向：现代建筑史与保护利用研究。

Tel.：13804518268; E-mail: ldp_abc@sina.com

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1006-7167(2017)04-0174-05