基于BIM 的多专业协同设计研究

涂中强，师伟凯

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116；3.江苏瑾傲建筑科技有限公司，江苏 徐州 221116）

1 BIM 在建筑行业的应用价值

建筑信息化模型（Building Information Modeling，BIM） 构件首先包含全专业（建筑、结构、机电安装） 的三维模型（几何尺寸信息、位置信息），除此之外还应涵盖项目管理、运维等非几何信息，比如：成本、物料、人材机资源、施工质量控制、安全技术措施、设备运行维护参数（状态） 等信息。目前建筑行业明确提出的BIM 技术特点为：协调性（设计阶段：全专业；施工运营阶段：设计单位、建设单位、施工总/分包单位、建立单位、业主、政府相关单位等多方面）、可视化（三维模型/图片、漫游影片）、模拟性（设计阶段：净高分析、日照、采光分析、围护结构能耗分析、通风分析、安全疏散模拟分析；施工阶段：施工方案模拟）、可出图性（平面图、立面图、剖面图、三维轴测图）、优化性（管线综合排布方案、机房深化设计）、参数化性（参数模型、曲面设计）、信息完备且可传递性等[1-2]。

2 基于BIM 的正向协同设计

BIM 技术的应用贯通建筑项目的全寿命周期，见图1。协同性是BIM 的最重要的优势，BIM 技术的应用能力也逐步成为各建筑相关单位的核心竞争力。

图1 BIM 技术在建筑项目的全寿命周期应用示意图

在施工阶段，建设单位、设计单位、施工总承包（分包） 单位、监理单位等多方面应用BIM 技术进行施工现场协调、施工（安全） 方案模拟、签证、变更管理等，极大地提高了项目协作效率，同时也充分体现了多专业的配合。在设计阶段：结构与机电专业、机电安装与建筑装饰等多专业的协同设计是BIM 的最主要价值。传统的设计模式往往遗留大量的图纸的“错、漏、碰、缺”问题——建筑、结构和机电安装各专业的管线由于各自独立设计而没有交集，加之图纸会审工作需要耗费大量资源，协调水平参差不齐，因此导致商业综合体、医院等大型项目的机电管线安装施工出现了很多问题：管线扎堆、空间受限无法安装或难以考虑安装检修空间、管线强行避让不符合要求、净高受限、安装效果凌乱不美观等，以上问题往往会造成返工甚至难以施工的情况，对工期、成本、质量、安全和后期的维护造成很大的困扰。在设计阶段应用BIM 技术进行正向协同设计，优化方案、只要模型精度合理则可以极大程度地避免以上问题。目前BIM 多专业协同设计主要体现在施工阶段的方向设计—使用BIM 技术把二维施工图纸进行反向建模（翻模） 以达到项目管理的目的，而直接从设计阶段介入、使用BIM 进行正向协同设计的工程仍显“稀缺”。

3 确定项目BIM 协同标准

关于BIM 技术的现行国家标准主要有：GB/T 51235-2017《建筑信息模型施工应用标准》（2018年1 月1 日起实施）、GB/T 51301-2018《建筑信息模型设计交付标准》（2019 年6 月1 日起实施）、GB/T 51447-2021《建筑信息模型存储标准》（2022 年2 月1 日起实施）。北京、上海、深圳、江苏、浙江等省（直辖市） 的住房和城乡建设厅积极开展工程建设规范和标准性能指标数字化研究，各自都出台了相应标准。这些标准主要规定了BIM 与多源异构数据格式（输入、输出文件兼容）、项目数据资源标准（模型精度等级及构件对应）、BIM基础数据标准（专业系统、命名格式） 和BIM 数据（构件属性数据、共享参数等） 框架性应用标准。由于建筑物构件成千上万、构件族信息千差万别，BIM 的复杂性和模型应用价值的多维度性，企业还应该在国家标准、地方政府标准的基础上，建立“公司级”的模型标准，或者在项目前期与业主方（咨询委托方） 充分沟通，使用业主方（咨询委托方） 的项目标准，形成高效、稳定的协同方式。例如：主梁、板（重要区域楼板）、柱、防火（各） 墙、风（通风、排烟、中央空调）、水（冷水供水主管道、消防水主管道、采暖管道、排水管道）、电（强电桥架、安防弱电桥架、消防供电桥架） 各专业、系统设置，以及显示样式、颜色设置、共享参数设置、视图样板等、模型标准等，这些应通过企业级的建筑、结构、机电安装等项目样板统一设置。另外，还需规定资源分配、协作行为沟通以及协作管理等工作，包括：设计目标与组件库之间的目录设置、读写（修改） 权限，指令规范、行为规范、BIM 工作内容界定、BIM 过程记录管理，而交付协作管理则涉及对所交付的设计内容、模型施工文件等的评审管理工作等。

4 选定BIM 软件平台并充分考虑兼容性

4.1 BIM 软件

表1 为国内主要BIM 软件列表。由表1 可知，BIM 不是指某个特定的软件，而是一系列的（模型、物料参数、进度、技术管理） 数字化技术（管理方法） 软件，是一系列的模型建立、整合、展示、模拟分析、管理的技术手段。国内广联达、鲁班、品茗等软件厂商都有自身的BIM 软件体系，从BIM 应用的角度来看,要在选用方案上选择同一平台下的软件（插件），避免不兼容（构件丢失、信息无法识别） 的情况出现。仅从建模的角度，这些软件都共同兼容Revit（推荐使用的建模、模型整合软件）。

表1 国内主要BIM 软件列表

4.2 Revit 软件平台的多专业协同（设计） 方式

Revit 软件平台的协作方式有两种：跨专业类别（结构、机电、土建、装饰或者大型项目、复杂项目） 的协作宜采用工作集模式（软件、硬件投入大），同专业类别（安装各专业之间或者小型项目）的协作宜采用绑定链接模式（软件、硬件投入小，比较灵活）。有时两种方式也同时使用，而整个协同设计过程以BIM 为核心。

图2 为BIM 多专业协同的正向设计流程图。由图2 可知，通过Revit 软件平台，设计师可以在同一软件平台、相同的环境下，以相同的标准实时设计，实现了各专业之间的数据和信息交换（共享），共同完成设计，从而减少了整体设计周期，促进了团队设计的无缝衔接，提高了项目的整体总体设计效果与品质[3]。

图2 BIM 多专业协同的正向设计流程图

5 项目的实施

5.1 确定阶段性模型配合精度

优秀的BIM 团队具有成熟科学的工作流程：接到任务项目启动前期，应与业主方或委托方充分接洽好BIM 咨询目标，项目负责人将项目情况（提资情况）、模型精度、设计周期（工期） 及其他要求统一告知各专业负责人，再由各专业负责人即时将设计任务拆分交底至各专业设计师，须确保信息完整传递。

项目运行前期，应制定明确、合理的阶段性模型精度目标以控制好阶段性的模型精度。模型的应用也是一个由粗到细的过程，每一个关键节点（阶段） 应该确定明确的模型精度（目标），为了体现团队协同的效率、模型精度应随着项目信息的逐步深入而逐步落实细化。

建模时，应该高度注意协作、协同，体现科学的协同配合，各专业、人员应充分沟通协作，为模型的阶段性价值（目的） 同步穿插作业，避免单专业过度超前细化作业、超前提高模型精度，造成局部窝工，导致建模团队效率降低。应该充分认识到团队工作的高度协同性，“牵一发而动全身”，模型修改（调整） 效率与模型精度是成反向趋势的，调整精细程度高的模型会付出更大代价。

5.2 建筑结构的方案设计

方案设计时，建筑物的形态、装饰装修设计结合地域文化，避免“千城一面”，高质量建筑要体现绿色建筑理念：节约资源（节地、能、水、材）、保护环境、减少污染，为人们提供“健康、舒适、高效”的使用空间，最大限度地实现“人与自然和谐共生”[3]。初步设计、施工图设计过程中应采用专业软件对建筑物的结构、通风、采光、能耗、人员疏散等性能进行模拟分析，不断优化调整建筑物的各项性能指标，寻求综合性能平衡点，得到最优的设计方案。

5.3 机电模型综合协同调整

在设计阶段BIM 介入的项目，项目负责人应优先提资结构及建筑方案（BIM），土建专业先行搭建模型，建模过程应该是一个团队充分协作的过程。标高、轴网、项目原点等基准设置应“充分论证—检查—确保无错误、避免疏漏”。建筑专业须单独建立项目轴网标高文件并提供给各专业，或者各专业通过复制监视轴网文件后建立各自模型文件的标高轴网并锁定，严禁结构机电专业自建。

机电管线在排布之前，也需要由BIM 机电项目负责人确定一个机电专业的管线综合排布方案：综合管线宜布置在车位上方，管道尽量在平面上均匀、平行敷设，条件允许的情况下不分层，以便于安装、检修，成排管道尽量底标高（管中心线标高） 相同，采用综合支架安装（施工单位相同时）。在关键空间受限且管线、设备繁多的关键节点部位，管线分层敷设道时，不宜超过2 层。管线集中的过尺寸较大的梁（在模型中用区别于与其他的梁的颜色显示） 部位，有上下重叠排布的可能，控制净高结合装饰、吊顶和净高要求，考虑最大梁高（结构） 和主要管线，竖向分层最多三层，从下到上按照“风、水、电（母线槽、电缆桥架）”的顺序，考虑净高以及预留各类管线及阀门的检修空间的要求，应当控制底标高（为后续的细部调整留下空间）。

图3 为BIM 多专业协同设计机电专业管线整合模型图。采用剖面图标示节点布置情况：标注风管、桥架的底标高、给水、消防管道的中心线标高。平面图应标明管线的中线位置，并出具三维视图，充分展示节点构建、管线的空间位置，避免出现管线标高为“沿梁底敷设”。机电各专业通过链接结构模型、土建模型后，可以把楼板隐藏掉（见图3），然后根据建筑设计、消防设计、净高检查、局部吊顶内管线设备过多等情况，结合装修要求、机房管线设备密集区的布置要求（给机房、泵房预留足够的空间）、机电安装各专业管线空间布置规定，考虑施工技术措施、安全措施，对模型进行综合调整，达到“零碰撞”模型（无直接标高位置的硬撞，也无空间净距过小的软碰撞），最后各专业细化修改模型、采用“明细表功能”，设置好明细表属性、格式等，得到工程量报表，根据报表逐条审核修改出现“未定义”的管道、管件等，进一步检查核查修改模型，使模型的精度符合合同约定的交付标准[4-5]。

6 结束语

目前，建筑行业与信息化技术的高度融合——使用BIM 技术在设计阶段、施工阶段、运维阶段的整个或者某个阶段中，进行协同设计、协同施工、虚拟建造、工程量计算、造价管理、设施运行维护等，对项目进行信息化管理，使建筑全寿命周期内的信息化变革迈出了重要的一步。而在设计阶段，其主要任务是多专业的协同设计——各专业设计师使用BIM 技术，进行建筑设计、结构设计、机电安装（风、水、电） 等全专业的相互配合、高效协同，进而向建设单位交付高质量的BIM。设计单位使用BIM 交付，可以确保整个工程的项目管理、设施运维等信息保存完整和顺利传输。

得益于基于计算机技术、软件的飞速发展、BIM 应用人才的积累，推动了BIM 技术应用的繁荣。设计单位、施工单位、BIM 咨询等单位，使用BIM 机电管线综合排布技术在施工前进行虚拟建造，以更加直观、高效的方式，处理图纸矛盾，避免管线碰撞，做好配合预留洞口，优化管线排布，提前做好净高检查，设计综合支吊架，深化设计管线、设备密集区域、机房甚至做好机房设备一体化预制等方面积累了大量工程经验。BIM 技术在体量大、难度大的机电安装项目或者局部空间受限、管线密集的复杂节点区域的机电安装项目中的应用优势，获得了工程界的普遍认可，BIM 技术在建筑工程项目的不同阶段——设计、建造、采购、运营等环节都存在大量的应用，但BIM 数据在各阶段的“流通性”存在壁垒，模型数据和信息难以跟随项目实施而传递，造成了浪费，为打破这种壁垒，设计阶段采用BIM 正向设计交付势在必行。