超高层办公楼建筑多专业协同BIM正向设计

(广东省建筑设计研究院，深圳 518000)

1 工程概况

1.1 项目概况

民生互联网大厦项目位于广东省深圳市前海港深现代服务业合作区，桂湾片区开发二单元05街坊。总建筑面积约25万m2，最大建筑高度180m，大楼集甲级写字楼、会议及商业等多种配套服务为一体，项目整体效果如图1所示。

图1 项目整体效果图

1.2 工程特点与难点

项目位于前海填海区，结构形式复杂，构造节点多且设计施工难度高。为了在限定的时间内高质量完成设计施工的全部工作，项目参建方需深度应用BIM技术，充分发挥BIM的精确化[1]、可视化[2]、协同化[3]工作的优势，提高工作效率、降低开发成本、提升建筑品质。实现提升工程协同效率的目标。

2 BIM正向设计和协作流程

建筑信息模型(Building Information Modeling)是一个设施物理特征和功能特征的数字化表达,是该工程相关方的共享资源,为工程全寿命期内的所有决策提供可靠的信息支持。建筑信息管理(Building Information Management)是指利用数字原型信息支持工程全寿命期信息共享的业务流程组织和控制。建筑信息管理的效益包括集中和可视化沟通、更早进行多方案比较、可持续分效设计、多专业集成、施工现场控制、竣工资料记录等[4]。

2.1 BIM应用目标

目前在建筑行业,BIM被认为是可提高生产率、提高项目质量和进行持续性建设的重要方向。在许多国家,BIM都是强制实施的。早期的BIM用户都已经提高了效率和生产率,获得了变革的收益,这使得他们在行业中获得了竞争优势[5]。

民生互联网大厦项目以打造全过程BIM应用为目标，在设计过程中实现图纸由Revit正向设计出图，并通过BIM可视化优势对设计方案进行了数百个位置的设计优化，有效提高了设计品质[6]。BIM模型从设计阶段至施工阶段由不同的单位维护，即设计阶段BIM模型由设计单位负责和施工阶段BIM模型由施工单位负责。每个阶段结束后向下一个主体单位移交，保持主体模型的唯一性，减少重复建模，确保了模型信息的无损传递。设计模型在施工阶段顺利进行了施工深化，并将进度、技术参数、商务算量等信息与模型相互关联，在施工阶段设计BIM团队定期进行施工BIM模型审核，帮助施工单位达成应用BIM技术实现施工管理的目标。

为实现设计的团队的BIM正向设计化，需在开展工作之前建立理论基础。我院在多年的BIM应用基础上，总结出一个从未接触正向设计的团队需要以下四个阶段来实现BIM正向设计目标(如图2)，分别是建模能力，出图能力，多专业协同设计能力和迭代提效能力。只有具备了上一个层级的能力后，才能向下一个层级突破[7]。

图2 Revit设计技术门槛

我院相关设计团队经多年积累已具备第一第二层级的能力，本项目在此基础之上向第三个层级突破。因此本项目的BIM正向设计应用目标为多专业设计协同[8]。

2.2 人员架构

本项目组建了一支包含多专业、项目经验丰富的施工图设计和BIM团队(如图3)，主要有两个组，第一组主要负责施工图设计，项目管控。另一组主要负责项目BIM正向设计技术层面的支持与管理。设计团队在实施过程中，针对模型的创建流程，梳理了模型创建标准和BIM正向设计实施流程，结合现有BIM构件资源库，模型样板进行了设计优化。在实施过程中，以降本提效为价值应用核心。结合设计过程，在不同设计深度绘制不同的设计模型，力求得到基于BIM的设计价值利用最大化。在设计团队未完全掌握BIM设计出图之前，由BIM团队在技术和协同层面对正向设计组进行技术支持有利于项目推进，避免设计返工。相较于施工图设计团队的自己摸索，节约了研究成本。

2.3 协同流程

传统设计模式下各专业间相对独立,信息沟通以人为主,沟通较少或沟通不畅,与业主、施工等的沟通也缺乏有效的可视化工具。往往造成设计错误、返工等问题。

基于BIM的协同设计是通过BIM软件和环境,以BIM数据交换为核心的协作方式取代或部分取代了传统设计模式下低效的人工协同工作,使设计团队打破传统信息传递的壁垒,实现信息之间的多向交流。减轻了设计人员的负担、提高了设计效率、减少了设计错误,为智慧设计、智慧施工奠定了基础,与智慧城市的宗旨是一致的。一般情况下可以把设计企业的协同工作分为基于数据的设计协同和基于流程的管理协同两个层面,下文主要描述基于流程的协同[9]。”

本项目在施工图设计过程中进行的多专业配合与协同，下表是各专业协同设计过程中各专业提资及设计协调会开展情况。(表1)本协作流是在原施工图正向设计流程基础上，结合BIM正向设计的特点总结而出[10]。

图3 设计组人员组成

BIM技术支持组人员构成：

BIM技术负责人：郑昊；设计人：荆娜，陈景川，沈晓琳。

多专业配合样例：

表1 多专业协同流程

序号专业配合工作提出专业接收专业设计内容BIM工作施工图设计启动会1施工图设计启动会全专业全专业明确设计内容及注意事项,明确设计原则和统一技术条件准备各专业基础中心文件;统一原点,轴网;确定各专业模型间的链接关系;2结构建立第一版模型结构建筑确定结构主体施工图阶段设计协调会3建筑提第一版提资视图,防火分区建筑各专业作为机电专业设计的参照底图结构专业配合依据建筑链接结构配合视图;建筑视图分三层,建模视图、配合底图视图、出图视图,其中配合底图视图与出图视图为关联视图;请注意这是底图,非建筑出图视图;4设备专业给各专业提机房、管井机电专业建筑管井、机房定位、面积需求请注意在提资视图5结构提资,梁柱资料结构专业各专业明确开洞情况,同时明确梁高,机电专业在设计过程中应规避大梁;及时更新链接6管线初步综合设计建筑结构、机电建筑根据初步设计对净高要求复核各专业现有设计成果是否能满足需求;同时对建筑平面设计进行优化;BIM负责人协助建筑专业解决发现的问题施工图阶段设计协调会7建筑提第二版提资视图(平、立、剖),材料做法、防火分区建筑各专业根据上一轮设计讨论后设计优化的机电出图配套视图阶段性BIM模型/模型归档8水、暖提资给电(用电量)水、暖电气在专用提资视图并显著标注9机电专业提资大于800的洞口、集水井、排水沟给建筑、结构机电建筑、结构在专用提资视图并显著标注施工图阶段出图协调会10建筑大样绘制(卫生间详图、电梯详图、楼梯、墙身大样)建筑建筑大样在建筑视图中表达11建筑复核净高,并绘制墙身大样建筑建筑大样12结构绘制模板图结构各专业各专业复核横向、竖向管线位置13管线综合各专业各专业建筑再次复核净高是否能满足需求BIM负责人统一解决各专业设计过程中遇到的问题;BIM负责人组织管线综合协调会;14各专业修改优化施工图各专业各专业机电专业完成管线末端调整、利用施工图模型直接生成图纸、并基于该图纸进行注释、标注等图纸细致化工作;15洞口复核结构机电复核洞口确保留洞准确16校对各专业各专业17由三维导出二维满足政府各部分的审图要求的全套图纸各专业各专业完善图纸说明、复核图纸缺漏完善出图成果

图4 步骤2、3：结构提资建筑的配合视图

图5 步骤7：建筑的防火分区明确图纸

图6 步骤12：结构绘制的模板图

图7 步骤14：各专业修改优化施工图

图8 步骤14：各专业修改优化施工图(局部)

图9 步骤10:绘制大样

2.4 应用软件

结合该项目实际情况，本项目以Autodesk Revit 建模为主，在需要时应用其他软件加以辅助[11-12](表3)。

表2 BIM正向设计所需相关软件

软件工具设计阶段公司软件专业功能方案设计初步设计施工图设计TrimbleSketchup造型●●AutodeskRevit建筑结构机电●●●Navisworks协调管理●●天正天正BIM建筑●●●鸿业HYBIMSPACE机电●●广厦GSRevit结构●●互联立方Isbim机电●●

其中建筑设计主要应用天正BIM软件，在结构出图主要依托广厦GSRevit软件，在机电建模及管线综合中主要应用了鸿业BIMspace软件，部分应用了互联立方的isbim插件。

配套族库主要应用于天正BIM和鸿业BIMSpace配套族库，以上两款软件的配套族库基本满足70%设计需求，剩余30%族库来自于我院历年积累的项目族库。

2.5 模型深度与标准

2.5.1 模型深度等级建立原则[13]

阶段适用性原则：采用BIM进行正向设计，在设计过程中的各个实施阶段中，满足当前实施阶段的设计深度表达和BIM应用需求即可。

阶段可继承性原则：模型建立过程中，需要考虑到下一实施阶段的可继承性问题，预防设计工作的重复劳动，提高工作效率。

阶段成果满足工程标准原则：模型建立后的形成的成果文件，需满足现行有关工程文件的表达深度要求。

2.5.2 模型深度等级划分概念

各专业工程对象单元设计深度由几何图形深度等级(LOD)[14]定义如下：

(1)LOD100等级：工程对象概念体量、符号模型建模，包含基本占位轮廓、粗略尺寸、方位、总体高度或线条、面积、体积区域。

(2)LOD200等级：工程对象单元近似形状建模，具有关键轮廓控制尺寸，包含其最大尺寸和最大活动范围。

(3)LOD300等级：工程对象单元基本组成部件形状建模，具有确定的尺寸，可识别的通用类型形状特征，包含专业接口(或连接件)、尺寸、位置和色彩。能反映关键性的设计需求或施工要求。

(4)LOD400等级：工程对象单元安装组成部件特征建模，具有准确的尺寸，可识别的具体选用产品形状特征，包含准确的专业接口(或连接件)、尺寸、位置、色彩和纹理。

2.5.3 模型深度等级深度要求

模型信息内容包括几何信息和非几何信息。

模型信息满足阶段性的需求，即工程设计的表达需求，BIM应用需求、和图纸文件所需要表达的工程文件编制深度需求等。

本项目在设计阶段满足LOD300深度等级，在施工阶段将设计院传递下来的模型深化至LOD400深度。

2.5.4 Revit出图标准制定

是否有个好用的Revit样板是项目能否顺利实施的前置条件(图10)。为保证项目的顺利出图，我们针对单位、文字样式，尺寸样式等基础设置内容，以及线样式、对象样式、 图层颜色、出图设置等内容统一设置(图11)，形成符合本项目特点的出图样板。

图10 Revit出图模板

图11 revit线型线宽设置

3 BIM辅助设计应用

3.1 建筑专业BIM应用

3.1.1 双曲幕墙建筑边线定位

本项目立面为优美的双曲幕墙 ，每层楼板边缘都不一致，边缘定位困难[15]。如采用传统CAD方式，根据立面确定逐层收分，不仅效率低下而且不准确。本项目通过外方提供的幕墙模型与图纸[16]，经模型深化，逐层定位楼板边缘，确保楼板边缘的准确性，成果如图12。

图12 双曲幕墙的建筑楼板边线定位

3.1.2 室外景观模拟与幕墙优化

本项目地上建筑为三栋超高层办公楼，设计人员利用BIM模型对该楼幕墙观感性进行评估。制作了室内VR 360全景制作，力求真实反映从从B栋看A栋和C栋的景观与立面效果。实施效果如图13。

图13 室内外幕墙效果观感模拟

3.1.3 坡道、夹层施工图BIM协同设计与复核

图14 坡道夹层协同设计

该位置夹层非常复杂(如图14), 通过搭建三维模型，发现净高不满足要求的地方，在模型推敲多种解决方案，直至彻底解决问题。传统设计方式只能通过画剖面来解决，不直观且设计效率低下，无法全面真实反馈实际问题。通过BIM模型协同的方式能够暴露设计缺陷，帮助设计师综合权衡找到一条较好的解决方案[3]。

3.2 结构专业BIM应用

3.2.1 斜柱定位

本项目的结构柱全部为斜柱，定位困难。如何有效定位斜柱、确保结构计算的正确性和结构体系的安全性是本项目的一大难题。因此我们采用BIM技术辅助结构竖向定位，确保计算模型中斜柱位置与双曲幕墙保持一致性(图15)。

图15 结构斜柱定位流程

3.2.2 结构正向设计示意图

本项目尝试了广东省院与广厦科技联合开发的GSRevit结构正向设计软件，实现了部分模型出图。结构正向设计流程如图16。使用GSRevit之前，我们只能采用设计师出图+建模的方式满足BIM对结构的需求，在应用GSRevit软件之后，我们设计模型与计算模型融为一体，减少了后期建模与模型调整的时间，进一步释放设计人员的工作量。

图16 结构正向设计流程

3.2.3 精确预留结构孔洞设计流程

传统设计模式中预留预埋是由机电安装单位与土建总包团队负责的，易出现洞口留错、留漏的问题。本项目在设计阶段进行基于BIM的管线综合和预留孔洞设计，所留洞口经结构专业复核，开洞大小及不会影响结构强度后出留洞图给施工单位(如图17)。施工单位仅需按模型位置留洞，避免洞口留错留漏的问题。

图17 项目留洞流程

3.3.4 专项报告-重点管控位置复核

通过对复杂位置的模型复核与重点审查(图18)，可以帮助设计人员和业主掌握该处的净高、空间情况。减少设计出错的可能、同时帮助施工人员理解设计意图。该项工作极大减少了发生设计变更的可能性，也是确保设计质量的重要支撑。

图18 复杂设计部位的BIM验证

3.3.5 地质模型的建立以及桩基础复核

通过搭建地质模型(图19)，帮助设计人员评估桩基桩长情况，确保每根桩都打入地基持力层[16]。本项目位于前海填海区，地质情况复杂，结构稳定性要求高。通过该项复核工作，我们可以了解本项目的桩基设计是否符合设计规范，端承桩是否打入持力层。

图19 桩长桩基础复核

3.3 施工阶段应用

3.3.1 BIM施工场地布置

BIM平面布置直观、用于前期场地策划，可有效利用现场场地，对施工前期准备帮助很大。成果如图20。该项应用显著提升了施工人员对项目的了解程度，较平面更直观方便[17]。

图20 项目施工场地布置

3.3.2 BIM施工塔吊模拟

通过模拟塔吊爬升情况，合理安排塔吊爬升进度，避免塔吊摇臂碰撞风险(图21)。

图21 塔吊模拟

3.4 VR、AR技术辅助设计与定位

3.4.1 VR应用

根据室内精装方案，分院利用BIM模型快速拉出室内精装模型，导入VR软件进行浏览，该技术成本低，效果较好，具有一定的新颖性(图22)。

图22 VR模拟

3.4.2 管线综合图——AR显示

AR显示解决了管线综合图过于凌乱的痛点，解决了施工人员不方便查看模型的问题，方便在施工过程中使用模型(图23)。

图23 通过图纸扫描即可实现AR呈现

3.4.3 球图应用

通过搭建重点部位的球图(图24)，可以帮助设计人员评估该位置360°空间观感。

图24 球图应用

3.5 4D施工模拟技术

围绕同一个模型和同一个计划可以方便展开设计、计划、成本、质量信息业务。通过施工模拟复核施工单位的施工进度计划，从而有效降低施工过程中的返工。利用BIM技术模拟施工总控计划，结合BIM模型上负载的时间、进度、工程量信息，对施工过程中需要投入的资源、总体施工节奏进行更加直观的呈现，既可以为施工资源投入进行均衡性评估，也为计划和调整提供数据支持，还可以针对潜在风险制定应急预案，最终提高计划的可实施性(图25)。

图25 4D施工模拟

3.6 质量安全管理

基于BIM的项目管理软件可以提升项目的精细化管理水平(图26)，通过该平台，可将现场出现的或问题与模型对接，通过收集等设备实时发送上传，基于云实现数据同步，并通过多种表现形式在模型中显示现场的实际情况，协助管理人员对现场出现的问题进行直观管理。平台支持追踪问题的处理过程，直至归档结束，既起到了问题的督促作用，又有效防止管理中的遗漏现象，提高了质量安全管理的灵活性和可靠性[18]。

图26 质量安全管理手机端

4 应用效果评价

(1) 从设计质量层面来说，本项目采用 BIM 正向设计技术进行设计，兼顾造型、节能、环保等多方优势，实现业主需求。通过BIM可视化特点累计发现超过100条问题意见，在施工过程中设计变更显著少于同类项目30%以上，有效减少现场的返工与浪费。

(2) 从设计效率层面来说，从正向设计中获得效益不简单地是从单专业或者个人设计效率中获得效益，而是从多专业协同中获得更高的效率。从而在整个设计周期中做到比传统设计模式更快更好。

(3) 基于高细度的BIM模型，设计、施工团队共同协同与优化，目前全楼平均净高提升200mm以上。考虑项目位于深圳前海核心区的地理位置，创造了设计口碑。

(4) 在深化设计阶段协调各专业排布、全面考虑现场实施的不利因素，提前修改、提前规避返工或拆改，确保现场能按图施工，保证了工期进度。

(5) 综合效益层面，本项目秉承 BIM 落地实施的理念，通过全参与方分共同努力，形成了可实施、可推广、可创效的高品质设计-施工BIM协同之路。

BIM使更多的信息被储存在同一地方。拥有一个能够自动更新所有图纸的动态模型可以为建筑师节约更多时间,减少仓促的变更也使他们有更多时间去考虑其他问题。BIM不仅是个创建文档的软件,也是一个可以在设计的不同阶段辅助设计的工具。它支持渲染以加强与客户的交流,也支持可视化来完成设计工程团队内的决策。任务间的流动性可以节约成本和精力,而且对施工期间的协调也有帮助[19]。

5 总结

5.1 创新

本工程站在设计施工的角度实现建设项目全生命周期的BIM技术应用，BIM技术应用点众多，实现了全专业的应用。本项目从BIM正向设计、BIM辅助设计等角度全面推进工程应用，降低了损耗，取得了不错的效益。

应用BM技术,可大幅度提高建筑工程的集成化程度,促进建筑业生产方式的转变,提高投资、设计、施工乃至整个工程生命期的质量和效率,提升科学决策和管理水平。对于投资,有助于业主提升对整个项目的掌控能力和科学管理水平、提高效率缩短工期、降低投资风险;对于设计,支撑可持续设计、强化设计协调、减少因“错缺、漏、碰”导致的设计变更,促进设计效率和设计质量的提升;对于施工,支撑工业化建造和绿色施工、优化施工方案,促进工程项目实现精细化管理、提高工程质量、降低成本和安全风险;对于运维,有助于提高资产管理以及物业使用和应急管理水平[20]。

本项目期望通过建筑信息模型(BIM)与建设管理模式的协同和融合过程,并结合大型复杂群体项目的特点和难点,梳理和建立一系列的流程,找出一种有效集成的管理方式改变传统模式种种弊端,推进传统建设管理模式的变革[21]。

5.2 展望

尽管本项目的BIM应用覆盖建设阶段全生命周期和全专业，但在项目级BIM应用的标准化、大数据的分析汇总、与其他行业的数据交换方面还有进一步的研究空间，希望本项目的BIM及时应用经验能为日后BIM技术的发展起到推动作用。