BIM技术支持下的建筑设计优化与应用研究

孙嘉悦

北京市建筑设计研究院有限公司 北京 100045

引言

建筑工程设计的主要目的之一是为工程项目施工做好详细、周全的计划，提前规避工程施工过程中可能发生的各种问题，减少施工中出现的人力、物力、时间和资金的损失，整体提升项目进度和效益。而随着工程建设项目规格、形态、功能的日趋复杂化，过去以CAD为主的二维工程设计模式因各专业协同、设计空间复杂多变等问题的出现，导致设计结果无法满足当前工程建设需要。随着信息技术、计算机技术的提升，围绕以建筑数字信息模型（BIM）为中心的全新协同方式、管理体系、施工模式逐渐进入到工程项目中，为建筑全生命周期的提质增效打下了坚实的基础。

1 BIM技术的特点及协同设计要点

1.1 BIM技术的特点

BIM技术融合工程建筑、信息技术等多种先进的科学技术，是企业数字化转型背景下产生的设计形式，通过建筑工程数字化建筑信息模型，形成全方位、全过程、全周期的控制模式。在当前工程项目中，利用BIM技术不仅能够完成设计阶段的各项协同设计工作，同时可以对施工阶段的全过程建造、工程结构维护与设备设施管理进行全方位管理，形成设计与施工的全面融合。就BIM技术的特点而言，主要表现为可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等特点。第一，设计人员利用BIM技术时能够通过三维立体模型直观地展现其设计意图，将分散、独立的构件汇集到同一视口中，使设计人员能够直观地观察到冲突点问题，实现可视化效果。第二，在设计过程中能够实现建筑、结构、给排水、暖通、电气等不同专业的协同，不同专业的设计人员在设计工作过程中通过BIM技术互提资料、核对条件、追踪专业进度，实现协同工作。第三，结合BIM技术计算，实现火灾人员疏散、进度模拟、管线排布模拟等，结合模拟后的数据结果对相关专业进行优化和设计，实现对设计条件合理性研究及工程施工成本的控制。第四，三维BIM技术的应用与二维传统CAD技术相比，三维设计能够辅助设计人员对设计条件中比较复杂、烦琐和精准度要求高的设计内容优化调整，借助三维模型进行设计推敲，提升设计人员对建筑的理解和把控能力，实现项目整体优化。最后，利用BIM技术二三维联动、数据参变等特点对设计成果进行加工出图，结合项目过程中协同优化所完成的设计成果质量高，为后期施工工期及造价带来显著的优化[1]。

1.2 BIM技术的协同设计要点

在传统建筑设计工作中，采用的设计方法普遍以二维设计为主。设计方法受限于应用的技术和工具，导致同专业内部和不同专业之间各设计人员独立展开工作，无法达到实时协同的目的。在此条件与背景下，建筑设计协同主要是由单专业人员利用天正和CAD相结合的绘图工具将设计内容绘制成二维图纸，同时分阶段将本专业图纸作为提资条件打包发送给其他内、外部专业；其他专业接收提资条件后，对其进行消化、整理、反提资，反复进行多轮提资、整理、校验，最终形成单专业成果图纸。成果图纸完成后，各专业负责人将自己专业的设计成果以二维图纸的方式汇总在一起，进而形成项目最终的设计成果。

在整体项目设计过程中，各个专业的设计成果均由二维图纸形式进行综合，设计之间缺乏信息交流和沟通。在单专业设计条件修改时很难及时与其他专业设计人员进行高效交流，因此容易导致某些专业因接收条件修改不及时问题而造成施工质量和效益影响。BIM技术的出现改变了传统设计之中各专业人员协同设计的工作方式，形成了由设计方、施工方、监理方、业主方等所有项目参与人员共同设计的模式。同时引入协同平台，结合三维数据模型将工程利益参与者整合在一起，将每个专业涉及的信息通过软件传递到三维模型及平台上，各方及时地共享更新信息，其他专业人员通过三维模型及平台接收条件修改的消息，及时地根据设计条件修改、调整本专业的设计方案，保证整体设计方案的准确、合理性。

2 BIM技术支持下的正向设计要点

过去，提及BIM技术和正向设计，大众普遍认为其是一种利用图纸进行翻模而形成的设计模型。其实不然，在BIM技术支持下的正向设计是在传统建筑设计基础上形成的一种协同、创新、提质增效的设计方式，是贯穿项目全生命周期、协助设计企业数字化转型的新方法、新方式。

利用BIM技术的翻模方案虽然受到了一定的关注，但是由于人员的专业性、模型的精准度等问题，其作用并没有真正意义上实现，没有达到提升建筑设计效率、优化设计方案、协调设计专业、提高设计质量的目的，也无法对建筑设计方案中存在的问题进行合理校对。随着建筑行业的持续发展不难发现，上述现象是BIM技术在建筑工程应用中的阶段性、过渡性现象，对整个建筑行业的发展有着一定的促进和推动作用。建筑BIM正向设计是对传统设计流程的整合，在建筑项目开展之初将各专业设计集成在三维信息化设计平台。该平台由参与工程设计的人员共有，形成共同的工作框架，实现环境共享、工作协同、数据交互、实时交流。各专业的设计成果通过BIM模型承载，从模型中直接获取所需要的图纸、明细表及相关数据，其他专业设计人员对这些设计条件进行提取和落实。从上述文中可见，建筑设计中容易出现某专业协调不到位而产生设计冲突，且这些冲突经常会多次出现、无法在短期内协调和控制。在这种情况下，将BIM技术和正向设计融入传统设计全流程工作中，能对建设项目中不同专业进行协调，有效控制设计工作要点，及时发现设计中可能出现的错误并处理，有效消除传统设计中存在的一定问题。

2.1 方案设计阶段的场地分析

建筑设计中，方案设计的合理与否都直接关系到工程整体施工进程，影响工程施工能否顺利开展。场地分析作为建筑设计中关键的一部分，在BIM技术支持下进行场地分析，能快速解决传统方案设计中存在无法量化问题，如日照、道路、高程点等问题。通过三维激光扫描技术采集现场测量后的数据，能够将建筑方案和整体场地结合在一起，形成多指标、科学化的优化方案。场地分析工作开展时，设计人员需要根据测绘部门、地质部门提供的现场地形数据建立场地BIM模型，将相关数据整合在一起。利用地理信息技术对场地周围的环境、气候等因素进行综合分析。在具体设计的时候，设计人员除了需要考虑项目自身的要求之外，还需要融入当地文化、地形、建筑面积、建筑结构形态、建筑功能等方面的要求，将不同的数据整合到一起，通过全面数据分析、进而帮助建筑师合理的制定设计策略，使建筑物与场地、环境、文化更加融合[2]。

2.2 初步方案阶段的设计

初步设计是根据既定的建筑设计方案、技术指标开展的设计初步优化过程。在当前建筑设计工作中，利用BIM技术能够高效、高质完成初步设计条件的建立，实现各专业信息的同步控制，及时对建筑功能、空间布局、工程施工经济性指标进行分析，方便设计方案的优化。

在初步设计的过程中，通过Revit模型构建建筑内部的流动线、空间感、功能分区，针对机电专业初步判断管线密集区域位置，在初设过程中对管线路由进行调整。通过各专业之间协同设计进行专业冲突评估、质量验证等，达到优化方案和综合协调匹配的设计目标。

2.3 施工图设计阶段

施工图设计是建筑设计的重要组成部分，通过设计完成的图纸将设计意图完整表达出来，作为施工依据展开工作。其设计图纸内容必须符合国家相关部门给出的规定。在进行施工图纸设计的时候，需要在其他设计方案、设计信息准确无误的基础上，对各项数据和信息进行审核，在符合规范的基础上进行修改。

在正向设计过程中，主要图纸均由Revit模型中导出。将施工图纸归纳到Revit模型之中，利用视图详细程度、视觉样式、剖切高度、构件显隐、裁切和适当的二维注释，可将其制作成为相应的二维工程图纸；利用Revit软件中独特的三维联动性，使构件能够根据设计变化自动在各视图进行更新，大大提高了整体工作效率与质量。完善的Revit模型能够完整地将设计意图表达在三维模型和出图图纸中，进而实现各个图纸之间的互动。对于复杂转换井道、越级夹层、设备管廊等土建条件苛刻位置，三维模型能够准确表达空间效果，便于机电管线排布。施工图设计阶段应用BIM技术与正向设计融合，不但能够有效减少设计的“错、漏、碰、缺”问题发生，也能够减少沟通成本，提高工作效率。同时依据BIM技术中图模一致的特性，能够保证每个专业之间的设计统一性和图纸平、立、剖、详图设计的连续性和统一性[3]。

初设模型向下传递到施工图阶段时，需要深入分析模型及数据的合理应用。在施工图深化过程中应优先确定建筑、结构设计条件中所使用的门、窗、墙、梁、板、柱、基坑以及其他土建相关构件，确定本阶段三维、二维所需参数的基础上，将相关的数据植入到模型数据中并创建相应的构件。在创建构件过程中，以设计图纸的标准图集、企业出图标准为基础，构建行之有效的三维设计文件，设置相应的参数与信息，有效控制相关数据增量。土建模型及机电初始文件建立后暖通、给排水、电气专业介入深化，其正向设计流程应与土建专业相同；设计周期较短时，项目负责人应指导多专业进度并行，以确保终版图纸符合时间周期。项目在施工阶段为适应现场情况所做的变更及洽商调整，应及时将其更新至施工图阶段模型框架内，并由模型中出具变更图纸和变更单。此方式极大程度上方便了后期模型的交付、图纸存档以及图模一致性。BIM技术与正向设计主要以三维模型为基础，利用二维抽象符号和线条进行集中表达。两种展示信息最终表达内容是一致的，没有直接冲突，两方结合可以实现有效的结合，有利于清晰、准确表达设计师的意图。

2.4 在协同设计中的具体应用

在设计过程中，所有参与到项目设计环节的设计师通过BIM协同平台进行协作。BIM技术能够将设计过程中实际涉及的信息完整集成。对于不同性质的建筑物来说，它能够有效地将集成信息不断、实时地反馈给设计师们，设计师通过信息调整设计条件，提高了工作效率和设计完整度。工作效率的提升对于节约时间和建设成本都起到了积极的作用。在建筑工程设计及建设过程中，BIM技术是贯穿建筑全生命周期、为不断动态优化的设计提供服务。传统的施工环节中，建筑从业人员根据设计图纸按部就班完成施工。有时面对设计如何优化，或外部突发状况是无力反应的。而通过利用BIM技术，在设计深化过程中存在的问题能够及时反馈给设计师们，得到有效处理。同时，由于BIM集成了每个施工环节的信息，也能够发现并且规避建设后期可能出现的问题。

3 结束语

在建筑正向设计工作中，将BIM技术应用其中有效提高了设计决策的合理性，通过信息共享完善设计阶段各专业的协同，减少不同专业配合中发生的冲突，保证工程图纸最终的设计质量。由此可见，BIM技术在建筑设计工作中的应用能有效提升工程设计效率、工程施工质量和工程整体效益，同时能优化建筑资源的利用率，促进行业正向发展。