BIM正向设计在电气领域的应用与研究

何剑波

（广州地铁设计研究院股份有限公司）

1 引言

早在1975年，来自美国乔治亚理工大学的“BIM之父”查尔斯·伊士曼教授就提出了“Building De‐scription System”（建筑描述系统）[1]。2003年我国住房和城乡建设部发布了《2003-2008年全国建筑业信息化发展规划纲要》[2]，中国正式进入BIM时代。但由于BIM技术本身的复杂性，导致目前大部分工程项目的BIM模型还处于“翻模阶段”，仅仅是成果展示用，并没有发挥BIM在全生命周期数字化信息化联动的核心作用。要想真正实现BIM在工程中核心作用，就得进行正向设计。BIM的正向设计不同于以往的“2D-3D”，而是以BIM模型为数据源完成建筑设计，并以“3D”形式将数据传输到施工、运维等阶段。

2 电气专业正向设计的特点

2.1 可视化沟通

目前国内大部分电气设计主要依托CAD软件，以点、线、面作为设计基础，将实际的三维部件以平面投影方式进行表达。相较于BIM三维设计，平面制图往往不够直观，容易造成理解偏差。尤其是对于不熟悉该项目的人员，还需要花费大量时间进行学习，造成人力成本浪费。而BIM三维模型可最大程度地还原工程实际面貌，线缆、灯具等电气设备一目了然，减少设计遗漏与误差。同时在设计成果展示中结合VR技术让人身临其境，降低沟通成本。

2.2 三维协同

电气设计涉及设备配电及控制，存在许多与其他专业的接口。在传统二维设计中其他相关专业提资存在不稳定性，造成图纸的反复修改，导致电气设计师们本该投入到优化创新设计的精力流失在校对修改图纸上，各专业图纸存在割裂[3]。在BIM正向设计中，所有专业均在同一模型上进行协同设计，模型的修改对于各专业的反馈都是同步、一致的[4]，如暖通专业在BIM模型中删减一台风机，可同步反馈到电气专业，及时删减其配电工程量。打通各专业沟通壁垒，让信息流不再单方面传递。

2.3 设备参数化

传统工程设计由于技术限制，设备无法添加大量信息，需要额外在平面图附加大量文字信息。文字信息在实际施工中易被人忽视，造成工程质量问题。BIM中的设备族可进行构件属性添加[5]，属性信息可以分成几何信息和非几何信息。几何信息包括设备尺寸、安装高度、层数等（见图1）；非几何信息包括设备编号、功率、额定电压、安装方式、防护等级、使用寿命、材质、制造商、责任人等。不同设备可以赋予不同的信息，并可随时进行删减和添加。在设计阶段，此操作模式可方便使用者筛选并快速提取，提高效率。

图1 构件属性信息

3 电气专业正向设计中存在的问题

3.1 软件适配度较差

二维制图软件主要是AutoCAD，目前AutoCAD已形成一套成熟体系，各专业有许多基于AutoCAD的辅助软件用于提高设计效率，如天正电气、Msteel工具箱等。BIM正向设计中主要使用的软件为Re‐vit[6]，相较于AutoCAD，Revit由于工程文件信息量大，对工作电脑配置要求更高，设计师们使用原有电脑建模常出现卡顿现象。目前国内BIM电气辅助软件以翻模功能为主。该类软件将CAD上已有的线缆桥架等设备转换成空间模型，但是由于二维平面缺乏空间信息，需重新对电气构件进行赋值，工作量巨大。像天正TR、鸿业BIMSpace等辅助软件虽然适配于正向设计，由于缺乏大量工程实践数据支撑，模型未能达到现场设计施工要求。

电气设计中管线及灯具布置工程量大且流程烦琐，BIM正向辅助软件中的电气配管与设备的连接未能识别墙体、天花等建筑构件，在实际工程中管线往往采用沿墙敷设的方式，同时由于相关专业设备族未定义连接方式，往往导致管线无法相关专业设备形成电气连接。房间灯具数量与照度要求相关，BIM软件中的照度计算需要手动输入相关参数，如装饰材料放射比、灯具安装高度、光源参数等，无法进行自动识别及布置。大型工程中房间数以百计，每一个房间均需手动输入信息进行照度计算和灯具布置，工作重复且烦琐。除此之外，目前BIM正向设计辅助软件未将平面图映射至电气系统图上，两者相互独立，设计师在完成平面图后还需要重新进行系统图的编制工作，效率低下。

3.2 体系、标准不完善

传统二维设计经过几十年的发展早已形成一套从设计、审查、施工、运维的完整体系，各家单位都有自己独立的ISO管理体系[7]，从而保证了图纸的准确性和严谨性。目前的BIM模型审查管理流程大都是参照二维设计体系，为满足相关审查出图要求需要将三维模型转换为二维平面，增加了正向设计无效工作量。

从2016年至今，国家相关部门已陆续颁布7部国家标准[8]。但是目前的标准规范主要是针对全专业设计施工，细分到各个专业模型的具体表达未作出要求，如电气专业每个构件信息要求，电气系统图格式，审查要求等都无相关说明。正向设计要求BIM模型在设计、施工和运维中是共享的，但由于BIM模型在信息传递中缺乏统一的标准规范，会导致设计单位交付的BIM模型无法直接用于施工建造，需要施工单位重新进行创建。同时标准的缺乏也使得不同BIM设计软件在相互转化中出现信息丢失的情况。

3.3 主观能动性差

设计师在过去的几十年已经习惯传统二维制图方式，对于BIM三维设计新兴事物有种天然排斥[9]。BIM正向设计要求设计师除了具备扎实的专业设计技能外，还要有较强的学习能力，能及时掌握最新的前沿科技，但是国内设计单位缺乏完善的BIM培训体系，导致BIM设计人才严重不足。同时也由于正向设计软件适配度较差，上手难度高，完成上述工作需要花费大量时间精力，在目前高周转的设计行业中，时间最为缺乏，上述因素导致设计单位主观能动性较差，依旧停留在二维设计阶段[10]。

4 电气专业正向设计发展的建议

4.1 软件开发

目前正向设计辅助软件适配度低的原因，归根结底是因为软件开发与使用者相互独立[11]。电气设计中考虑到箱柜馈线较多，为节约空间和成本，馈线电缆往往采用金属线槽而不是穿管进行敷设，而目前的BIM软件只支持配电箱线管馈出，这就是脱离工程实际需求（见图2）。软件研发人员不明白设计施工的需求，设计师空有想法，但苦于不会编程。所以软件研发服务商应该加强与设计单位的合作，及时听取设计单位的需求，深入设计施工一线，唯有如此，才能突破技术瓶颈，开发出真正适配正向设计的辅助软件。同时，软件研发人员和设计师要深入挖掘模型数据，找到提高出图效率的突破口，例如可以通过模型中的箱柜进出线布置自动生成箱柜系统图，并且修改一方数据，另一方可以及时进行联动。出图效率提高了，才能真正体现正向设计的经济效益和社会效益。

图2 配电箱线缆馈出形式

4.2 体系、标准制定

正向设计作为新兴的设计方式，需要创建一套完整的体系。首先要提高审查人员对于创新技术的认可度，完善三维模型审查机制，建立三维审查平台，自动核查有无违反相关标准规范。除此之外，可将三维模型作为出图的正式文件代替以往的二维蓝图。唯有打通从设计、审查、施工和运维的阻碍，才能真正实现三维出图，三维使用。

设计、施工、运维单位应该联合起来，针对出图标准、模型构件要求、数据信息等内容制定统一标准。另外，还要结合项目实际经验，确保新标准的可行性和高效性。

4.3 人才培养

人才培养主要分成两个部分，首先是校内教学。目前国内高校有关BIM的培训课程依旧较少，且基本上停留在熟悉软件操作的阶段，极大影响了BIM相关人才的培养，作为高校应该加强与企业的交流，形成产学合作、校企联合，通过让学生亲身体验实际工程项目来提高人才储备。其次是工作培训，对于已经入职的设计师要形成一套科学的培训体系，包括成立BIM答疑小组、邀请BIM专业进行培训交流、开设BIM竞赛等方式提高人员的操作和应用水平。此外，通过提高薪资待遇、增设福利项目等激励措施调动人员的工作热情。

5 结语

BIM正向设计是真正实现智能建造和智慧城市的必由之路，其改变了传统建模思维，促进了从二维到三维的技术革新。但是现阶段BIM正向设计仍处于初级阶段，还有诸多问题有待解决，针对该项工作的重难点，应当从软件开发、体系完善和人才培养等方面入手。唯有依靠国家政策支持和行业、个人的努力，才能真正实现技术的不断发展。