BIM参数化设计方法及信息模型的可视化研究

杨 光，林文雯

(华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450008；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210024)

建筑信息模型(BIM)技术是建筑工程、土木工程等专业领域的新技术，可以实现从建筑企划阶段到设计、施工、维护管理及拆除阶段的整个寿命周期的信息综合管理。近年来取得了巨大的进步。诸多发达国家BIM软件在工程设计中的应用率已超70%。在现代科学技术发展的驱动下，智能化项目建设已成为建筑领域重要的发展趋势。

BIM技术在工程设计以及施工中的应用起源于国外，我国起步较晚，但发展迅速。国内目前在理论研究、技术引进、标准制定、硬件设施等方面都在不断地完善提高。早年间，中国的工程从业者就认为BIM技术是计算机辅助建筑领域的一种新兴手段。它不但涵盖几何信息，而且包括建筑生命周期中的大量施工信息，而与一般CAD的设计方法相比较它有更明显的优势[1]。如今，大量成功的应用案例证明了其巨大的价值，已在建筑工程领域起到了日益巨大的功效。BIM的概念并不是少数人创造的革新，而是在众多从业者研究下逐渐发展起来[2]，在建筑设计、设计管理、成本管控，以及施工智能化等方面均有不俗的前景[3]。除建筑工程之外，BIM技术也推广应用在了桥梁、轨道交通、道路、堤坝、隧道等方面[4- 9]。

为了促进BIM技术在实际工程中的应用和发展，推广工程技术人员对相关软件的了解与认知，本文以BIM为核心，依托Autodesk Revit和NavisWorks平台，以参数化建模和数字化模型为载体，对实际工程项目的研究和实践，以求实现优化设计、图纸输出、协调施工、可视化检视等功能，为提高项目的设计、施工效率、产业化促进和实现信息化管理等寻求突破口，并期望有助于解决国内大型复杂建筑结构工程设计施工中存在的很多棘手问题。

1 工程概况

河南建设大厦工程坐落于郑州市郑东新区郑开大道与杨桥大道交叉口，由玻璃幕墙覆盖的两栋六边形塔楼、轻型钢结构连廊、底部裙房组成。两侧塔楼上部五层通过连体钢桁架连廊连接，形成了对称双塔连体建筑造型，建筑整体呈门字形，地上共21层、地下共2层，高91.1米，其中顶部连廊高5层、重约1440吨、最大跨度57米。建设大厦是集办公和商业于一体的建筑综合体，建筑物占地面积5184平方米，总建筑面积119444平方米，其中地上面积87654平方米；地下面积31790平方米，埋深为10.6米。建筑物的功能以办公为主，兼具商铺和展览等功能；地下设置厨房、餐厅、车库及配套设施等，并于地下二层局部设有人防区域。

2 参数化模型

2.1 主要结构分区

建筑按照其结构和功能，分成很多各不相同的区域。建立模型是BIM技术的基本特征，搜集数据信息并建立模型，建立完善的数据库，以实现结构和结构之间，结构与数据之间的相关性。本次BIM模型的建立根据建设大厦建筑施工图，按其结构分为6个分区，具体分区见表1。

本工程的BIM信息模型各个分区均由各类结构构件组成，模型中主要包含的构件及数量见结构构件统计表见表2。

表2 结构构件统计表

2.2 参数化构件的创建

参数化模型构件是在Autodesk Revit软件中进行建筑工程设计及构建建筑物工程BIM模型的基础。软件内置的构件模型功能有限，存在其局限性。如模型构件的尺寸、形式不满足实际工程的需要。究其原因主要为：首先，各国行业规范、标准不同，构件在形式、制式尺寸上有所差别，软件不可能对每个国家的特殊标准制作全套构件模型，在经济性上行不通。其次，构件模型文件占用存储空间问题。单一构件模型文件大小普遍大于200KB，较复杂的构件模型更会大于1MB甚至达到10MB以上。如果软件内含大量模型文件，使用者安装使用软件就会占用大量的存储空间，同时拖慢软件的运行，影响使用感受。因此软件给用户留下自行开发的空间和方式，以满足项目建模的需要。用户可根据需要自定义专有对象，即外部自建参数化模型构件，按需求制作完成后加载应用于项目。笔者在实践的基础上深化研究，开发了多种全新的自定义构件，见表3。

表3 自建参数化模型构件统计表

以表3内列出的本工程桩基础地基为例，本项目涉及桩基础形式共7种，内含桩1148个，承台232个。桩基础地基结构由桩和承台组成，Revit自带的桩基础构件仅有矩形两桩承台，桩为钢管混凝土桩，种类单一，且承台尺寸、桩径、桩长均为固定值。不能涵盖建设大厦工程桩基础建模的全部类型。为满足工程需要，笔者建立了混凝土桩族，3种承台族，6种带承台混凝土桩基础族。在自建族中对承台和桩的尺寸均进行了参数化，使用者可以根据需要直接定义相关尺寸，无需再重建构件。创建参数化桩基础分为两步，第一步为创建桩，由于桩设为了共享族，为了在桩作为被套嵌文件时，参数可以和套嵌的族文件参数关联，需要关联的参数在桩文件中需设为实例参数。为了方便使用者笔者在创建桩时对以下5个参数进行参数化:桩长、桩直径、最小预埋件高度、桩材质、桩顶参数标高;第二步为创建承台桩基础，桩基础采用的样板文件与扩展基础相同，加载到项目中时，桩基础也会出现在独立基础的目录下。承台族按照需求进行参数化的值有以下6个:承台平面尺寸、承台高度、桩位、最小预埋件深度、承台材质、承台顶部顶参照标高。自建桩基础具体形式如图1所示。

图1 自建桩基础BIM模型

自建桩基础构件完成后，笔者将各带承台混凝土桩基础自建构件导入项目文件其中，根据建设大厦图纸中桩基础地基相关信息进行标高、轴网的创建，进而制作完成大厦地基的BIM模型。在项目文件中，通过Revit族属性面板可方便地查询项目桩基础的各种属性，如各同种基础构件的数量、位置、材质、尺寸等信息。如需改变设计，可通过修改构件的自定义的参数化数值，一步即可对所有相同构件进行修改，避免出现遗漏和错误。另外，在构建自定义模型的过程中，可加入材料、构造等的详细参数属性，从而可将施工过程中的关键参数直接计算出来。如在一只桩基础具体构造的情况下可以得到各配比混凝土的用量，各尺寸钢筋的用量等。

参数化构件的设计可大幅度提高建筑模型的建立和修改效率，在项目的展示推介，结构、建筑设计，工程施工，后期维护、管理这一全生命周期中都具有非常大的应用价值。可参与工程的规划、报批，设计、施工部署，并通过该模型为制定重要施工专业方案提供技术支持。

3 数字化模型

高层建筑由于整体面积较大、楼层较高，并在在功能上十分复杂，所以存在着安全、空间规划以及能耗等多种问题，在结构布局设计上相对特殊，对结构设计要求极高。正因如此，运用BIM的另一特点“可视化”，便于全方位的思考和分析，可充分提高建筑设计效率和施工质量水平。

3.1 三维数字化演示与设计辅助纠错

复杂建筑工程中，往往存在一系列的影响因素，设计的方案往往与竣工的建筑存在一定的差异。究其主要原因：首先在设计过程中设计者难免出现少量的图纸不对应，修改设计时遗漏等失误。其次施工方对图纸的理解与设计者不一致，或者设计者未考虑到施工条件的限制，无法完全按照设计施工，最后造成施工与初始设计的结构差异。诸如此类情况，很多甚至很难预见，更不可能完全避免。所以任何工程验收都会有竣工图这一项。

通过建立BIM数字化模型，可实现建筑工程项目的可视化演示，使人们能够便捷直观的观察外部结构构造与内部布局，可真实的体现三维仿真场景，将传统的二维线条式设计转化为三维的立体实物图形。从细部结构而言，决策者、设计者、施工方可按照需要，从自定义的角度观察建筑物的特征、尺寸、方向和材料等。从整体建筑而言，设计人员能够从精确的信息模型中查看建筑的结构的现实布局和各种细节，借由项目的三维模型，结合Revit软件的智能判断，便捷地发现工程设计中由于个人的空间思维能力，以及多人、多门类设计者协作时语言沟通的局限性，造成设计中的各种难以避免的缺陷。

以建筑结构设计和管线设计为例，项目施工过程中经常会存在构造不合理之处和结构之间的碰撞冲突，比如常见的管线阀门与墙体，管道与梁柱的冲突。还有建筑结构各视图之间对照错误，整体和局部结构图互相冲突不一致的错误。这些单凭个人的细心负责、专家的严格审查，不能完全避免。而采用Revit软件建模完成后的结构模型利用碰撞检查技术亮显碰撞的局部构件、交叉深度等信息，将碰撞分析结果实时反馈给设计者，使用碰撞分析检测方法实现了后期的协同设计，并对冲突位置进行修正。

3.2 数字化模型与虚拟现实

构造建筑工程项目的数字化模型不是仅仅模拟设计出的模型，还可以模拟诸多不便在现实生活中进行操作的事物。在设计阶段，可以对结构建成投入使用后的正常运行情况及突发状况进行模拟，并由模拟成果进行更深层次的优化。例如:对空调系统进行运行模拟，确定系统在不同的外部与内部条件下的运行情况。进而估算系统正常运行时的全年能耗，整栋建筑的最大瞬时功率等。以此为基础对空调系统的设备的容量的确定、设备的排布的优化，以达到确定最佳运行制度，降低后期运行费用，提高系统运行效率的作用。模拟并指导建筑物内发生突发事件或者有事故灾难的紧急疏散，以及进行日照、热能传导等运行状况模拟，皆可在建筑投入使用后对其管理和运行维护起到极大的帮助。

综上所述，BIM技术的建筑工程可视化的实际应用，如在工程的生命周期中，采用Autodesk Revit软件和NavisWorks平台联合制作三维可视化模型，如图2所示。可以对决策者，管理审批单位，进行项目推介时的直观展示。其后在设计过程中提高结构设计的效率和质量，在设计过程中可以轻易地发现问题，减小设计中的失误与差错。在施工过程中方便优化施工方式和进度，增进效率，降低施工方成本。在运行过程中帮助优化运行方式，降低物业的运行费用，提高使用者感受，并对突发状况进行模拟，保障楼内人员安全。

3.3 数字化模型二维图纸输出

传统的建筑设计中，通常使用CAD二维平面设计，相应的制图标准也已经在设计、施工单位间进行了多年的使用，并且国内各单位和技术公司在AutoCAD中进行了大量的插件二次开发，能够较为完善的满足国内各领域工程制图的需要。但二维平面设计有其很大的局限性，图纸平面、立面、剖面图全部需要设计者独立勾画。绘制图纸时，设计者首先需要在脑中构建工程结构三维实景，而后将设计的结构通过绘图学知识表达至图纸之上，设计时需要由设计者将同一结构各视图互相参照，上下对位确保图纸的准确。当建筑物规模庞大，层数较多时，设计图纸非常多，各层相似却不一样，制图过程中易出现错误。建设大厦楼体形状造型特异，相应的建筑构造非常复杂，不同楼层，即便同一位置的结构也有区别，为了表达出各部分结构的详细情况，在设计完备之前甚至不能确定最佳的细部视图剖切位置。如此繁琐的重复性工作，极易因为个人的疲劳和疏忽造成图纸的不对应。若中途改变设计，设计者需要花大量时间重新对位，平面、立面、剖面图均需修改，同时相关的标注、文字、详图都需修改，过程中也容易出现遗漏和错误。

采用Revit软件进行结构的建模设计，不会出现有关问题。因为所有的平、立、剖面图，局部详图、尺寸标注等都是从结构的三维信息模型中直接切分出来的，与模型本身完全对应并紧密关联，对参数化构件任何地方进行修改，建筑图纸中的相同构件均能够实时自动更新，此时图纸模型相互关联的准确性和实时显示的好处就突显出来。

由于Revit软件主要客户为欧美发达国家，制图出图符合欧美标准，虽已经采用国内计量单位并添加了部分相应的内建构件，但针对国内制图标准的内建图纸视图较少，所输出图纸与国家标准有区别。笔者为适应国内的制图标准二次开发，增加了多种图纸格式与标注样式，设计时只需做好图纸与信息模型的关联，即可进行构件模型的修改，不用担心出现某几张图纸之间相互矛盾和遗漏对其他关联结构设计的影响。极大降低了修改图纸时因个人疏忽及空间想象力不足造成错误的概率，提高了设计图纸的准确度及工作效率，减少返工。在事先设置好视图的情况下可以直接生成二维图纸，并保证图纸和设计模型的一致，节省时间，大大提高设计效率。

3.4 三维可视化施工

在建筑的施工过程中，国内仍普遍采用按照二维图纸施工的方式，即施工技术人员通过读图将二维图纸所含信息整合，在脑中形成建筑三维模型，再结合相关施工技术知识拟定施工方案，指挥工人施工。此过程有一定的局限性，容易出现问题。如由于设计人员图纸表义不清或存在错误，又或者施工技术人员对图纸的理解与设计者设计思路不同，在相互沟通不畅的情况下造成施工结果与设计相左，轻则造成纠纷，重则造成结构之间相互抵触，大范围拆除重建，造成延误工期，浪费和亏损甚至烂尾。

图2 Navisworks三维仿真模拟

施工过程中使用BIM技术辅助，能够解决沟通不畅，理解错误的问题，同时可以优化施工工序，提高效率。由于BIM各构造各工序之间具备互动性和反馈性，且整个过程都是可视化的。在项目建造过程中直观展现施工过程、施工进度等情况，极大的方便项目各方的沟通，减少由于语言沟通障碍和知识、认知等的差异造成的沟通错误，减少施工误差及冲突。在融合BIM技术设计的基础上建立施工的三维数字化过程演示模型，模拟施工现场分区、施工设施布置，再按照施工组织设计时空顺序，对施工全过程进行推演，能够达到充分利用施工场地、合理规划施工场地布置、有效的规划场地临时道路分布的目的。同时帮助各方及时发现问题，减少施工过程中各标段，各工序之间相互冲突的可能性。以达到优化施工方案，提高施工效率与质量，降低建造成本的目的。

4 结语

随着BIM技术日趋成熟，国内应用与开发不断深化，本文通过对实际工程BIM项目中自建参数化构件二次开发，构筑信息化模型，模型二维出图及在建筑物全生命周期中的使用进行探索，以求对规划设计及施工部署提供技术支持，BIM技术在可视化仿真和质量安全管理方面的作用尤为突出，可有效地提高工程建设项目的施工效率和整体质量，解决建筑工程中很多问题。

近几年国家大力推进BIM技术，各行业纷纷出台相关政策。许多大型工程在招评标时BIM技术的使用是重要加分项，极大促进了该技术的应用与研究。Revit作为BIM技术应用最广泛的软件，在房建工程以外的大型工程中如水利工程、桥梁工程、工业建筑上的软件环境深度开发有很大空间，值得深入研究。