應用BIM技術的建筑精益設計初探

Application of BIM Technology for Architectural Lean Design

劉哲（重慶大學建筑城規學院，重慶　400030）

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應用BIM技術的建筑精益設計初探

Application of BIM Technology for Architectural Lean Design

劉哲
（重慶大學建筑城規學院，重慶400030）

摘要：近年來，建筑行業的快速轉型以及BIM技術的迅速發展，為建筑精益設計提供了機會。該文結合實際項目，以異形復雜形體建筑設計為研究載體，參考精益制造相關理論，探索BIM技術在建筑精細化設計中的應用，通過相對較為先進的三維設計技術，使大量二維設計方式不便完成的工作得以更有效率地完成，獲得對項目質量和成本的更好把控；結合BIM設計的技術優勢，優化建筑設計的工作流程，以及各專業協同設計的具體配合方法；基于BIM技術在建筑設計階段中的應用，進行問題分析與策略研究。探索BIM技術與建筑精細化設計的有機結合，為建筑設計發展提出新思路。

關鍵詞：BIM技術；精益制造；精益設計；建筑設計

Abstract:In recent years，the rapid transformation of construction industry and the rapid development of BIM technology provide broad opportunities for the architectural lean design. Based on the actual case study of special-shaped complex, and lean manufacturing-related theories, the application of BIM technology in architectural lean design, with the relatively advanced 3D design technology, a lot of work which cannot be done with 2D design technology can be done more efficiently, project quality and cost can be better controlled and the working process of the architectural design and the specific coordinating methods can be optimized. Based on the application of BIM technology in architecture design phase，problems are analyzed with strategies studied. The exploration to the combination of BIM technology of architectural lean design can offer the new development ideas for architectural design.

Keywords:BIM technology; lean manufacturing; lean design; architectural design

1　研究背景

從2014年開始，樓市交易慘淡，庫存節節攀升，不少開發商開始為長時間的“冷”銷售而發愁。由于整體開發量過于飽和，當下的住宅市場更多是買方市場。至今情況并未好轉。

盡管住宅市場整體成交不景氣，但仍有一些企業和樓盤逆市飄紅。據了解，但凡在市場形勢不好時熱銷的樓盤，在精益設計方面都做得很不錯，以此打動了不少挑來挑去的購房者。樓市在經歷此輪“去行政化”、更多以市場自發調節為主后，業內對住宅設計的理解有望進一步升華，將有越來越多的房企主動從居住者行為習慣的角度去研究住宅，加之目前中國對于公共建筑的更加重視，建筑的精益設計不再是口號，建設“住起來更舒適的房子”而非“看起來好看的房子”將成趨勢。[1]

縱觀這次市場調整，可以看到，我國的建筑業發展已經從大規模建設、“粗獷設計”中走出來，逐步進入小規模、精細化建設，也是逐步與國際市場接軌的必然結果。這就要求建筑從業者要更加重視建筑精益設計，注重建筑的“質量”而非“數量”。

BIM設計使得我們可以更直觀、也必須要更深入地去了解建筑的各個細節，以前二維設計中被忽略或是不易發現的問題都將更多地暴露出來，帶來的好處最直接的反映就是減少施工現場返工。而且通過BIM精細化設計，我們可以針對建筑開發人員比較關心的在成本預控中占比較大的點進行量的統計。[2]由此看來，BIM是實現精益設計和建造的有力工具。

2　精益設計定義

2.1精益建造

精益建造來源于精益制造理論。精益制造，也稱精益生產，源于豐田生產方式，是由美國麻省理工學院組織世界上17個國家的專家、學者，花費5年時間，以汽車工業這一開創大批量生產方式和精益生產方式JIT的典型工業為例，經理論化后總結出來的。精益生產方式的優越性不僅體現在生產制造系統，同樣也體現在產品開發、協作配套、營銷網絡以及經營管理等各個方面，它是當前工業界最佳的一種生產組織體系和方式。

1992年，丹麥學者Lauris Koskel提出要將制造業已經成熟應用的生產原則包括精益生產等應用到建筑業，以提高建筑業的管理水平，并于1993年在IGLC（International Group of Lean Construction）大會上首次提出“精益建造”（Lean Construction）概念。[10]

中國精益建造技術中心（LCTC，Lean Construction Technology Center）把精益建造定義為：綜合生產管理理論、建筑管理理論以及建筑生產的特殊性，面向建筑產品的全生命周期，持續地減少和消除浪費，最大限度地滿足顧客的要求的系統性的方法。所謂精益建造，就是將制造業的“精益思想”在建筑業加以改造和應用，徹底消除建筑施工過程中的浪費和不確定性，最大限度地滿足顧客要求，從而實現建筑企業的利潤最大化。精益建造追求7個“零”極限目標，即零轉換浪費、零庫存、零浪費、零不良、零故障、零停滯、零傷害，它以顧客的要求為中心，以最大限度地滿足市場的需要為宗旨，能夠在最短的時間里提高建筑物的質量。與傳統的建筑管理理論相比，精益建造更強調幾大原則：面向建筑產品的全生命周期；減少變化；消除浪費；重視客戶價值；團隊合作；拉動式生產。

2.2精益設計與BIM

精益設計，也稱精細化設計，思想來源于精益建造，是精益建造的最初環節，并且貫穿始終，深刻影響著精益建造的好壞。以BIM為應用平臺，以精益建造理論體系為指導，發揮BIM強大的技術功能支持與豐富關聯數據庫的優勢，可以實現建筑的精益設計，有效提升建筑業的效率，提升建筑的質量。主要有以下結合點：BIM的高度傳承性可以實現設計與施工的整合；BIM可以有效提高設計水平；BIM可以有效在模型階段變化并找到最佳解決方式，以減少變化從而減少浪費；BIM可以使建筑建造過程標準化管理；BIM強調客戶價值；BIM強調團隊合作；BIM是一個服務于建筑全生命周期的設計過程（圖1）。[3]

圖1　精益建造理論與BIM結合點（圖片來源：作者自繪）

3　 BIM與建筑精細化設計結合實踐分析

麓湖生態城B3組團由成都基準方中建筑設計有限公司完成。因其建筑設計的復雜性，故整體采用BIM完成設計、施工對接及施工管理，包含土建、外裝、室內管網、內裝、景觀及相關工程量。BIM的設計方式要求建筑師全盤掌握建筑細節，結構構成，設備排布，圖紙文檔和成果交付。BIM通過多樣性的成果傳遞方式如Apple iPad等便攜設備運用，提高施工質量，優化工程管理。為了更好地解決防水及簡化維護，項目采用大弧度雙曲面薄殼混凝土。土建施工的精度要求很高，為此專門做了一個樣板段用以解決工程技術問題，現階段樣板段土建已經完成。BIM提交成果對施工單位的精度控制等，模板制作都起到了決定作用。

BIM是“Building Information Model”的簡稱，中文譯為“建筑信息模型”。主要強調“信息”二字，即所有的建筑構件都具有信息屬性。“BIM革命”是以模型的方式幫助建筑師和建筑建造更加準確直觀的反映建筑。[4]雖然目前還沒能達到所謂的全過程BIM，但僅僅是基于三維電腦建模下的這種“繪圖方式”，就可以給建筑設計方式方法帶來根本改變，設計師能夠從三維而非傳統二維的方式準確地審視設計，優化設計，精益設計，從而改變整個設計流程。

3.1精細三維可視化設計

通過全面三維可視，實現整體化空間設計。大多數情況下，不管從平面還是造型出發，建筑空間往往是被剝離在設計之外。BIM思維，建筑室內外空間、表皮、平面功能都被整合在一個相關的邏輯系統中，布置平面的時候已經同步設計建筑空間，而空間又可以被直觀反映在建筑立面造型上，最終圖紙是模型在不同層面的表達。同時使設計構思更好表達，整合設計環節提升品質。建筑師習慣用空間思考問題，當設計師可以以三維的方式觀察設計對象，模擬人視點進行空間推敲，就能夠專注于設計本身。BIM為空間設計的方法提供了強有力的技術支持，它使得內外兼容的空間設計變得簡單易行，讓設計回歸建筑的空間本質。[5]

此建筑的一個難點為屋頂的曲面建模，在進行建模時，首先找到斷面曲線，然后進行放樣，最后裁剪。當屋頂輪廓建好后，立面和剖面隨之生成。如若進行二維設計將會有很多麻煩和不準確性。在進行MEP建模時，根據相關專業提供的平面圖紙，放入模型中進行三維的檢驗，在標高允許的情況下，避免管道與結構構件的“打架”，三維下進行穿梁和繞梁。甚至還可以做出非常精細的欄桿設計（圖2）。

圖2　三維可視化（圖片來源：作者自繪）

3.2準確的數據傳輸

借助BIM的三維設計，設計師自己完成建筑造型的推敲和建模工作，甚至效果圖的視點都可以在模型上反復推敲，減少了和其他成員的模糊溝通。將原本應由建筑師完成的工作重新納入思考范圍，提高對設計的控制能力。借助BIM的信息關聯特性，使得方案的調整、表達、平立剖繪制變得十分簡單，減少重復性的工作，設計師有更多的時間和精力回歸到設計本質問題的解決。同時實現數據的高度傳承。三維模型的準確化，直接導出二維圖紙，必然促成二維圖紙的準確，且具有極高的同步性和傳承性，省去了很多三維到二維傳達的麻煩和數據丟失。[6]

在同甲方的交流中，如若需要修改，直接在模型上進行，二維圖紙會相應的自動更新，小的改動可以很快在平立剖面同時完成，大大提高了效率。

3.3設計精度的精準把控

借助參數化手段提高效率，使得設計過程“可持續化”。利用BIM平臺的參數化功能使得設計成果的開放性大大提高，滿足了設計師對多種可預見性參數的參與，使得設計的客觀性加強。同時更容易暴露問題，提高設計綜合水平。三維設計帶來的好處除了“更直觀”，也“更直接”地把傳統二維設計中容易忽略的問題暴露在設計師面前，使設計師不得不解決問題。也可以使建筑設計更好把控，首先，模型深度可調整。在不同的模型深度要求和比例尺下，可以使用不同的圖紙，而這些不同深度的圖紙，又都集成在同一個模型下。其次，設計合理化。三維的設計方式，用三維可視的方式，視覺合理促成構造合理，最終直接影響到構造合理。再次，設計輸出表達便捷。倘若我們要修改或者添加建筑的細節，只需要對模型進行相應的修改，而非平面、立面、剖面、詳圖、大樣的分別修改。

在進行窗框設計時，甲方要求在窗框加上標準化企口設計。如若在所有窗框模型加入，勢必造成工作量的大大提高和模型的增大，因此決定以標準做法為例，模型上只預留相應的位置。在這種解決方式下，如果真的需要模型繼續深入，也可以輕松辦到，當前的問題也得到很好的解決（圖3）。

圖3　模型深入設計（圖片來源：作者自繪）

3.4高效率團隊協作

整合設計環節。設計過程涉及多立場，多專業，多工種，設計中反復推敲帶來調整的變更往往是多環節多工序的，BIM思維提供了一種新的工作方式，即：各個環節緊密聯系，同步調整的協同設計方式。另外，對于大型復雜的工程項目，采用BIM技術進行三維設計有著明顯的優勢及意義。BIM模型是對整個建筑設計的一次“預演”，建模的過程同時也是一次全面的“三維校審”過程。在此過程中可發現大量隱藏在設計中的問題，這些問題往往不涉及規范，但跟專業配合緊密相關，或者屬于空間高度上的沖突，在傳統的單專業校審過程中很難被發現。實現高效團隊合作和成本控制。在進行設計的過程中，可以幾個人同時修改一個模型，分工合作處理、提高效率。支持很多設計師通過權限修改模型，一鍵發送和接收修改部分，方便快捷（圖4）。BIM精細化設計使得我們可以針對建筑開發人員比較關心的成本預控中占比較大的點進行量的統計。提供設計變更中帶來的量的增加，從而判斷對成本的影響。[7]

通過Teamwork進行團隊協同，分工合作及發布圖紙與其他專業配合，大大提高效率。如打開團隊文件進行設計、隨時發送接收設計成果與團隊成員交流。同時，可以通過發布圖紙，與其他專業以及甲方隨時交流。在與幕墻公司配合時。基于模型我們提供了所有異形窗框的平面、立面尺寸及定位，與他們共同探討如何最大限度的合理使用大玻璃，以節省造價。達到了比較好的效果（圖5）。

圖4　傳統設計方法與BIM設計方法（圖片來源：作者自繪）

圖5　團隊合作（圖片來源：作者自繪）

4　結語

作為建筑行業的革命性技術，BIM的優勢和重要性正在被越來越多的業內人士所認同。精細化設計和BIM技術的有機結合，也會是重要的發展方向。但是建筑師因為需要花費更多的時間和精力，及設計費無法得到重視等原因，普及的并不好。[8]

在此，必須明確BIM不是一個軟件，而是一個更加全能的設計師利用一系列軟件更好的完成設計。BIM工作流程的理解和應用更為重要。樣式雷家族的燙樣、卒姆托工作室的各種材料模型都是BIM，因為他們都在試圖用真實的材料“蓋”房子。所謂BIM，就是建筑師盡量在相同條件下，把房子蓋一邊，發現問題，再告訴別人，應該怎么蓋。在完成實際項目的過程中，深深體會到BIM對于建筑精細化設計的優勢，雖然沒能深入掌握，但是已經嘗到甜頭。作為建筑師，需要不拘泥于自身的專業范疇，主動與其他專業相互滲透，同時需要建筑師在設計中承擔更多的責任。認真使用新工具輔助設計，使我國的建筑設計水平更上一層樓。[9]

參考文獻：

[1]肖正華.趙冠謙：精細化設計不再是口號[EB/OL].[2014-07-11] http://www.chinabim.com/school/arch/2014-07-11/6516. html.

[2]黃偉華，劉春雷，閆文凱.BIM技術在建筑設計方案前期深入探索應用[J].土木建筑工程信息技術，2013，5（4）.

[3]賀靈童.不只是精益——BIM與精益建造[J].工程質量，2014，32（2）.

[4]何關培，李剛.BIM應用將給建筑業帶來什么變化？[J].信息化，2010（01）.

[5]賀靈童.BIM在全球的應用現狀[J].工程質量2013，31 （3）.

[6]歐陽國輝，王軼.精細設計——日本城市與建筑[J].中外建筑，2012（9）：24-28.

[7]包劍劍，蘇振民，佘小頡.精益建造體系下的BIM協同應用的機制及價值流[J].建筑經濟，2013（06）.

[8]住宅精細化與建筑細節[J].城市住宅，2014（1/2）.

[9]杰里·萊瑟林，王新.美國BIM應用的觀察與啟示[J].時代建筑，2013（2）.

[10] Ames O.Coplien，Gertrud Bjrnvig. Lean Architecture: for Agile Software Development[M].Wiley，2010：82-83.

責任編輯：孫蘇

作者簡介：劉哲（1989-），男，河北石家莊人，研究生，主要從事非線性建筑和BIM研究。

收稿日期：2015-11-13

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.01.036

中圖分類號：TU22

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）01-0036-04