BIM技术在智慧校园协同设计中的应用研究

纪晓鹏1 李奋杰1 李 仲 郭昊栩3 杨树英 蔡秋婉

(1.中恒信息科技(广州)有限公司，广州 510000； 2.中新广州知识城财政投资建设项目管理中心，广州 510000； 3.华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广州 510000)

引言

广州实验中学作为黄埔区中新知识城的重点民生工程，担当着“推进科研成果创新转化，建设知识创造示范区，打造粤港澳大湾区高质量发展重要引擎”的使命。项目位于广州市黄埔区知识城狮龙大道与凤湖五路交叉口西南侧，用地面积103 000m2，总建筑面积183 532m2，共设置90个普通班，容纳学生4 500人，估算总投资约15亿元。将建设成集教学楼、宿舍楼、实验楼、艺术图书楼、学生活动中心、教育资源楼于一体的教育综合体(如图1所示)。

项目设计沿用传统书院多轴并进的空间秩序，同时创造性地提出了双主轴规划格局概念。在纵轴，以拾级而上呈现“书山有路”的传统教育长轴的求知问学意象； 而在横轴，则以贯穿高、初中部的连续拱廊形成类似“雅典学院”穿越式场景，致敬西学博雅教育典型场景。从而建立起融合中学与西学教育的纵横向空间主题架构，东西方教育思想的场所与氛围在此形成相互呼应。

图1 项目鸟瞰图

1 BIM应用策划

1.1 项目特点分析

(1)建筑设计多元化。学校建筑设计由单体建筑向复合化、群组化、建筑综合体、微型城市发展，使学校建筑设计朝开放性、功能复合性、空间多义性方向发展。

(2)绿色校园建设。绿色校园被认为是生态园林和生态城市建设的重要组成部分[1]。本项目绿色建筑级别为三星标准，在工程规划、勘察设计、施工、验收及备案等环节严格执行建筑节能和绿色建筑三星级别的相关技术标准、规范及技术措施。

(3)多方协调难度大、周期紧。项目建设过程中参建单位多，如何保证建设管理的标准、水平及协调能力尤为重要。作为重点民生工程，工期紧张，而保质保量并如期完成，对建设各方都存在挑战。

(4)打造智慧校园。智慧建筑是以物联网、云计算、大数据、BIM、人工智能等互联网技术为依托的新型建筑生态模式[2]。本项目旨在建设利用信息化手段为基础，将教学、科研、管理和校园生活进行充分融合形成一体化环境的智慧校园。

1.2 组织架构

项目成立全过程BIM专项小组，在项目前期和设计阶段，以建设单位为中心，成立工作组并建立“双向”工作联系模式。组织架构以企业内部体系为保障层和联络组为BIM工作指挥中心，执行组为BIM工作实施层，并由设计全过程BIM顾问团队统筹、指导和落实各项BIM工作(如图2所示)。

图2 组织架构

1.3 BIM标准体系

BIM实施标准是保证BIM顺利有效应用的基础[3]。因此，项目前期准备阶段，根据项目所属BIM环境，积极响应国家、广东省及广州市地方BIM标准，以《建筑信息模型应用统一标准》(GB/T51212-2016)、《广东省建筑信息模型应用统一标准》(DBJ/T 15-142- 2018)、《广州市民用建筑信息模型(BIM)设计技术规范》(DB4401/T 9- 2018)、《广州市建筑信息模型(BIM)施工应用技术规范》(DB4401/T 25-2019)等作为依据，编制满足项目要求的技术标准、方案等，并作为BIM设计的基础文件贯穿项目全过程(如图3所示)。

图3 BIM标准体系

2 BIM设计全过程集成应用

2.1 基于BIM的三维协同设计

三维协同设计是企业提高BIM设计效率的必要手段[4]。基于本项目前期策划阶段工作的顺利开展，BIM三维模型协同设计作为实施阶段的第一步，其完整的实施流程和精细化BIM模型的创建，对项目上下游企业间的协同、BIM模型后期延续应用及项目整体质量控制等方面尤为重要。

本项目BIM三维协同设计主要体现在方案阶段模型推敲和比选，初步设计阶段单体功能规划和布局，施工图设计阶段专业深化及协同优化，以及各阶段BIM模型的延续和数据的传递。本节主要选取项目部分应用进行阐述：

图5 陶砖幕墙

(1)“不湿鞋”的风雨连廊

学校作为师生学习、生活和工作的主要场所，考虑南方多雨及为提升校园生活的体验感，本项目设计基于BIM模型平台，通过三维协同辅助学校整体布局规划，在学校各个功能板块间设置风雨连廊，对连廊及其与单体连接处进行模型精细化处理，再通过场景应用类的BIM软件进行模拟和验证，保证下雨天连廊处不积水、师生在不同建筑间穿行“不湿鞋”的效果(如图4所示)。

图4 风雨连廊

(2)“多样的”陶砖

在项目设计过程中，学校各单体外立面主要采用陶砖幕墙的形式，凸显了浓厚的教学文化韵味。针对陶砖幕墙BIM模型，先采用Revit创建自适应嵌套族(即陶砖单元)，再结合Revit+Dynamo形成参数化单元幕墙，最后通过参数控件调整陶砖单元的形式、规格及间距等，形成不同的排布形式和效果，以便陶砖外立面方案的优化和选择。“多样的”陶砖立面，使项目各单体呈现不同的外装饰风格，BIM三维参数化协同也极大提高了设计的工作效率(如图5所示)。

(3)“丰富的”活动中心

项目活动中心集成了厨房、公共食堂、室内游泳馆、室内体育馆、空中体育场及能源中心，其功能丰富也使多专业协同成为设计的难点。协同设计过程包括视觉协同和综合协调两部分[5]，视觉协同方面主要在BIM三维模型基础上进行设计，合理分析和布置各功能区域(如食堂、体育馆座位的合理设计)，提高设计沟通效果； 综合协调方面主要体现在解决多专业间的协调碰撞(如机电设备、钢结构等)，提高设计整体质量(如图6所示)。

图6 活动中心

2.2 基于BIM的可视化建筑性能分析

本项目建筑节能和绿色建筑要求达到三星级别标准，通过对BIM设计模型进行建筑性能模拟，能有效控制建筑实体的建筑环境与系统的整体性能。在整个工程的实施过程中，以三维设计为主导线索，模拟分析与BIM设计同步，通过不断模拟优化 BIM 设计参数[6]。根据项目的特点，建筑性能分析模拟主要针对各建筑区域或功能房间，通过BIM对其进行光照、通风、视觉、听觉及火灾疏散等进行分析优化。本节主要选取项目部分模拟分析进行阐述：

(1)“上课中”的教室

教室作为使用率最高的场所，其重要性不言而喻，为了给师生营造一个最佳的上课环境，在进行项目BIM建筑设计过程中，根据《中小学校设计规范》(GB50099-2011)，先对教室的空间和座位进行合理布置，形成BIM参数化模型； 再通过性能分析软件Ecotect Analysis对模型进行光照和通风分析优化，其平均采光系数达4.0%以上、自然通风平均值为2.19m·s-1，满足使用功能需求； 最后将优化后的模型交互到BIM场景应用类软件，对特殊位置处(如最后排、最前排、边座和角座)进行第一视角模拟，分析上课时学生的视觉效果，以达到最优的座位排布效果(如图7所示)。

图7 普通教室—性能分析

(2)“表演中”的报告厅

本项目报告厅需满足各种校园活动表演、报告会及学术交流等，为提高舞台表演观赏性，通过BIM设计进行座位参数化布置并分析优化； 同时，为提高报告厅收音效果，通过EASE软件对其进行专项声学分析优化。基于BIM建筑性能分析，为项目创造一个最佳的活动表演或交流汇报环境。

(3)“比赛中”的体育馆

为保证体育场使用的安全消防性能，项目上以“体育赛事状态下”(人群密集)作为模拟环境，基于BIM设计模型下，确定建筑平面布局，尤其楼梯、门等安全出口的布置； 通过Pathfinder软件对模拟环境进行参数设定[7](如各区域满负荷下人员数量、人员速度及肩宽等)并运行计算，结果以三维可视化动态的效果展示人员疏散的全过程，并分析和优化各疏散路径和出口的拥挤情况和疏散时间(如图8所示)。

图8 体育场—疏散模拟

2.3 基于BIM的专业深化设计

BIM深化设计不仅能提高多专业协同设计质量，提前发现和解决专业间碰撞问题,而且能结合其安装工艺，分析布局合理性，不断完善和提升设计品质。本项目BIM深化设计主要体现在陶砖外立面深化、不规则幕墙深化、体育馆钢结构屋架深化、室内装饰装修及机电深化等应用。本节主要选取陶砖外立面深化设计和机电深化设计两部分进行阐述：

(1)陶砖外立面深化

在项目外立面陶砖幕墙BIM设计过程中，结合其构造形式和安装工艺进行BIM模型精细化处理(如图9所示)，并通过参数化进行优化调整。例如：

1)将陶砖后面的横向L型角钢优化调整为横向的钢片置于拼接缝中，确保从正面看不到龙骨，提升美观的效果(如图10所示)；

2)竖向钢通骨架往往会影响立面整体性，其油漆选色优化可调为与背景色一致，保证了立面的整体性、纯洁性(如图11所示)。

图9 陶砖深化-1

图10 陶砖深化-2

图11 陶砖深化-3

(2)机电设备深化

BIM机电设备深化是最常见的BIM应用之一。项目机电设备BIM设计过程中，沿用初步设计BIM模型，对机电各系统、各路由进行深化，通过多专业协同方式解决专业间管线交圈问题，并以“一次管综→二次管综→复核→出图及会签”的主要流程输出深化完成设计成果，提高设计效率(如图12所示)。

图12 机电深化流程

2.4 基于BIM的数据融合

本项目结合BIM、GIS及无人机航拍技术，依托地理信息环境大数据，提供各种空间查询及空间分析，为BIM在各实施阶段的可视化展示、管理、决策提供技术支持(如图13所示)。

图13 BIM+GIS+无人机

2.5 BIM协同管理平台

协同设计是当下设计行业技术更新的一个重要方向，改变了传统设计分散的交流模式，实现了信息集中存储与访问，提高了各参建方协同工作的效率[8]。项目上使用广联达协筑云平台作为多方BIM协同管理平台(如图14所示)，保证了项目各参建方、各专业间信息模型的无缝衔接和协同高效工作，主要体现如下几个方面：

(1)成员管理机制，保障权责分明；

(2)数据文档统一管理；

(3)线上工作任务发布及审批；

(4)线上成果审核。

图14 项目BIM协同管理平台

3 BIM创新应用

3.1 线上协同，共同战“疫”

项目实施过程中，受疫情影响，为推进项目整体BIM工作，通过云平台功能进行线上协同办公，及时召开线上视频会议，保证了协同设计方案沟通、技术交流及成果交付等工作的顺利开展，大大提高了特殊时期的工作效率(如图15所示)。

图15 线上工作协同

3.2 CIM试点&BIM三维审查

本项目作为广州市CIM平台测试项目，前期积极配合有关单位开展测试工作，并提出相关有效建议； 同时，作为广州市施工图BIM三维审查地试点项目范围，积极响应政府要求，开展项目BIM审查测试工作(如图16所示)。

图16 广州市BIM审查平台

CIM平台测试和BIM三维审查工作的开展，有效地提高了项目参与人员及参建单位对CIM/BIM审查的认识，也为本项目及各参建企业后续项目BIM审查工作奠定了经验基础。

3.3 基于BIM软件的自主研发

项目实施过程中，为实现BIM设计工作简约、高效落实，项目团队基于Autodesk为Revit软件提供的API接口，可以通过API编程直接读取到这些信息[9]，针对性的开发功能约50项，增加了本项目及后续项目BIM应用的经济效益。局部功能阐述如下：

(1)构件库管理

构件库管理(如图17所示)是基于《企业族库使用方案》与架设的云服务器，集下载/上传/制作/浏览为一身，规范化企业内部族库的使用习惯，同时可根据项目需求增设专属的“项目构件库”，能有效协调统一项目成员对各类型族的使用，提高项目成果的统一性和标准化。

图17 构件库管理

(2)二三维联动

二三维联动(如图18所示)主要是通过在二维(或三维)视图下选择相应构件，能自动在三维(或二维)视图下找到相对应位置构件的功能，实现了多专业在协调沟通上能准确、快速进行定位，极大提高了设计交底、多专业协调会等的工作效率。

图18 二三维联动

(3)自定义工作集

自定义工作集(如图19所示)是项目成员根据自身软件功能使用习惯，将经常性调取的功能模块自定义到同一面板，如“构件可见性”、“构件上色”等，提高软件功能使用效率，以辅助提高项目工作。

图19 自定义工具集

3.4 BIM+智慧校园

基于本项目前期可研阶段中“建设BIM+智慧校园的智能化集成系统”的明确要求，制定工作前置方案，将BIM+智慧校园工作提前计划和实施，制定并开展如下6步工作：

(1)BIM+智慧校园系统定义；

(2)智能化系统设计；

(3)BIM运维平台调研；

(4)确定BIM运维平台功能模块；

(5)分析对比(接口要求)；

(6)项目运维(BIM)模型标准。

简而言之，提前将BIM运维内容结合到前期工作，能为BIM+智慧校园的建设工作奠定坚实基础, 同时保证各阶段数据的标准化和集成化，以便后期运维管理使用。

4 总结与展望

本项目BIM设计的集成应用为打造绿色、健康的智慧校园奠定了坚实基础。同时，项目的建成有利于当地进一步提高基础教学质量和办学效益，推进城市义务教育现代化进程，促进城市化建设，为中新广州知识城实现基础教育长远战略目标打下良好的基础。

基于BIM技术在设计全过程中的集成应用成果，BIM技术将延伸到项目建造的整个过程。接下来，项目BIM技术的实施将在BIM/CIM三维审查、BIM机电预制装配式施工、BIM+智慧工地及BIM+智慧校园等方面继续落实并深入研究，也将继续探索BIM技术在项目全生命周期的应用与价值。