BIM技術在建筑設計階段的應用

■ 中鐵十八局集團第三工程有限公司 惠杰

引言

建設項目從規劃、設計、施工、運行維護到拆除的全過程具有技術含量高、建設周期長、不重復、多單元等特點。傳統的建設項目管理信息溝通不暢，重復建設屢見不鮮，采用BIM技術有利于實現建設項目的單元協作和信息共享。

規劃設計階段是影響建設成本和運營周期的重要階段，研究人員和開發人員對BIM在新建建筑的設計、規劃和建造方面的應用越來越感興趣[1]，主要的研究趨勢集中在預先計劃和設計的改進、碰撞檢測、可視化、量化、成本分析和數據管理[2]。在BIM的建筑評估和能源分析研究中，Alwan等[3]通過建筑環境評價應用BIM技術研究發現，應用BIM技術可以快速有效地進行綠色建筑評估；Samuel等[4]研究發現BIM工具可以有效地進行建筑能耗分析，為設計人員提供幫助；Smith[5]討論了成本管理專業人員在BIM領域中各種現有軟件、技術和工具的實施和有效利用；李新偉[6]通過研究基于BIM的設計與施工協同工作模式，實現了設計階段和施工階段協同工作的信息傳遞；郝會杰[7]以北京海淀區西釣魚臺嘉園危改住宅小區（三期）工程為例，利用BIM軟件結合模架規則解決模架設計施工中的問題。

BIM技術具有共享性、可視化、協同性、仿真性、優化性和繪圖性等特點，制定合理的BIM項目執行計劃，有利于充分發揮BIM的各項價值，實現建設項目的預期目標。本文對BIM技術在建筑設計階段的應用進行研究，以期為BIM技術在建筑設計階段的應用提供參考和借鑒。

1.BIM對建筑工程設計階段的技術影響

建筑信息模型（BIM）是工程領域出現的一項新技術，其將工程項目各種相關信息與三維數字技術相結合，近年來在建筑工程的設計、施工和運營后管理階段得到廣泛應用，顯著提高了工作效率，降低了工程建設風險。

1.1 可視化

在傳統的可視化效果圖制作中，工程師通常需要把二維圖紙重新設計建立三維模型，而基于BIM技術的建筑工程設計可以直接省去這個步驟，如圖1所示，工程師直接從BIM軟件Revit平臺中以三維DWG格式導出模型，將模型導入3DS Max等軟件，制作建筑項目效果圖，這樣就不需要重新在3DS Max等軟件上建立三維模型，從而節省更多時間，把精力放在材質選取、調整光源及人車顯示等，增強效果圖的真實感。

圖1 軟件制作效果圖

1.2 協調模擬

各專業之間協調配合是建筑工程設計工作中的重要內容，在傳統的二維CAD圖紙設計中，各專業設計工程師由于協調不到位，常常導致碰撞問題的出現，致使設計效率和質量降低。而在傳統建筑工程設計中，各專業之間的協調也會浪費大量時間，協調效率和質量無法得到保證。通常在實際施工中各專業協調時，需要參建方與各專業設計師開會協調，找出最終解決方案，這樣的協調組織方式耗時耗力，極大地降低了工作效率，甚至影響工程質量。

1.3 優化出圖

BIM技術在建筑設計階段的一大應用特色是優化出圖，首先可以利用BIM軟件建立三維模型，根據需求自動生成建筑的立面圖、俯視圖及剖面圖等，這樣可以為設計師節省大量畫圖時間，把更多時間與精力放在優化設計上，不斷提高設計效率和設計質量。但現階段BIM軟件自動出圖最大的局限是自動生成的圖紙不能完全滿足建筑工程規范要求，還需要對軟件生成的圖紙進行大量修改，這無疑增加了設計師的工作量，如若能解決這種軟件自動出圖和最后實際圖紙之間“最后一公里”的問題，可以極大地提高設計效率，為建筑工程設計“添磚加瓦”。

2.BIM技術在設計階段的應用

本文以西咸創新大廈項目為工程背景，對BIM技術在設計階段的應用進行分析。

2.1 工程概況

西咸創新大廈位于西安西咸新區絲路經濟帶能源金融貿易區起步區內，能源二路及金融二路十字路口西北角區域，總建筑面積約42564.17m2，地上建筑面積33341.59m2，地下建筑面積9222.58m2，建筑高度78.00m，為高層公共建筑，其塔樓為商務辦公，裙房為商業用房，地下室為停車庫、人防及設備用房多個功能區域。建筑工程等級為一級，抗震設防烈度為八度，框架及剪力墻結構，地上20層、裙樓3層、地下一層。

2.2 設計方案

利用基于BIM技術的建筑工程可視化功能，結合周圍環境等情況確定建筑布局位置，最大程度地利用場地面積，如圖2（a）所示；利用基于BIM技術的建筑工程信息共享及交互設計的功能，讓多個不同設計工程師共同參與建筑整體規劃設計，提高規劃設計效率，如圖2（b）所示；進一步分析周圍環境以確定建筑朝向和建筑出入口等，通過合理的規劃設計以達到辦公商業人群分流，如圖2（c）所示。

圖2 規劃設計方案圖

利用3DS Max和Revit軟件對建筑工程建立體量模型圖，如圖3（a）所示；根據建筑工程的基本要求，對比分析建筑面積、每一棟的體量及功能布局，最終得到精細化的體量模型，如圖3（b）所示；通過建立與分析單個建筑的體量模型，最終得到整個建筑項目合理的概念體量模型，提高后續的設計效率，利用BIM技術軟件的即時顯示功能，對建筑的空間功分區進行詳細設計，如圖3（c）所示；檢查功能分區的合理性與實用性需要設計師具有一定的設計經驗和空間想象能力，設計師也可以通過BIM軟件對建筑功能分區及時進行交流討論與分析，最終得到合理的功能分區布局，如圖3（d）所示。最后，利用BIM軟件的仿真渲染功能，對建筑的顏色和材料進行仿真模擬，由此得到的最終設計效果渲染圖，圖3（e）、（f）展示了外裝飾的設計效果。

圖3 建筑體量、空間分區與外裝飾設計圖

2.3 性能分析

僅利用BIM技術對建筑工程進行建模渲染，對于建筑工程設計來說是遠遠不夠的，建筑設計還需要對建筑進行性能分析，可以利用BIM軟件對建筑的場地環境進行三維建模，然后將三維模型導入流體力學CFD分析軟件對建筑風環境進行分析模擬。

圖4和圖5分別為建筑在夏季時受東南偏南風風場作用和冬季時受東北偏北風風場作用下風環境情況，建筑項目室外1.5m高度處的風速和風壓云圖。從圖4（a）可以看出，建筑群的最高風速出現在建筑群迎風面的內側邊角，整個建筑群平均風速達到2.7m/s，且建筑周邊的風速流場分布較均勻，沒有渦流產生。從整體上來看，夏季通風狀況良好，符合舒適度要求且滿足綠色建筑的標準。從圖4（b）可以看出，建筑群的最大風壓出現在建筑群迎風面前排建筑外側，大約為3.5Pa，東南面風壓大致為2Pa～3.5Pa。在夏季東南風場下，建筑群風壓基本滿足要求，建筑群具有一定的自然通風能力。從圖5（a）可以看出，建筑群的平均風速在1.7m/s 左右，風速最高達到2.3m/s，且建筑周邊的風速流場分布較均勻，沒有渦流產生；夏季通風狀況良好，符合舒適度要求且滿足綠色建筑的標準。從圖5（b）可以看出，建筑群的東北面風壓大約為1.5Pa～2.5Pa，最大風壓出現在迎風面的前排建筑東南方向外側，約為2.5Pa；在冬季東北風場下，建筑群風壓基本滿足要求，建筑群具有一定的自然通風能力。

圖4 夏季風速與風壓云圖

圖5 冬季季風速與風壓云圖

2.4 方案深化

在傳統建筑工程設計中，初步設計后才能進行方案深化，但是基于BIM技術在建筑設計階段的應用，利用BIM技術的可視化、協調模擬和優化出圖的功能，可以將方案深化提前，可以及早發現問題，提前解決問題，提高方案深化效率。

進行方案深化時，要對建筑進行細化處理，建筑的墻柱、門及樓梯等細節部件進行復核檢查，及時發現問題、解決問題。通過不斷的細化處理，方案優化后的建筑幕墻效果如圖6所示，在實際的幕墻優化中發現轉接件在幕墻玻璃嵌板位置過于靠近立柱，優化后該轉接件僅在A1#樓就有11915根，長度約15625m，重約3.4t，可節省材料費6萬元。在圖6（c）中通過優化將原設計的平面轉弧面的特殊玻璃改為單曲面弧形玻璃，在明細表中，該轉接件玻璃僅在A1#樓就共計約560m2，平面轉弧面的玻璃比單曲面弧形玻璃貴90元/m2，總計這一舉措僅A1#樓就可省5.04萬元。由此可得，通過不斷的方案深化，不但可以發現建筑中存在的問題，且可以節省工程造價。

圖6 優化建筑幕墻效果圖

3.結論

本文以西咸創新大廈項目為例，對BIM技術在建筑工程方案設計及深化的應用進行分析，主要結論如下：

一是利用BIM技術可視化功能，能合理確定建筑布局規劃方案；通過建立與分析單個建筑的體量模型，最終得到整個建筑項目合理的概念體量模型，能為后續的設計提供數據支持；利用BIM技術軟件的即時顯示功能對建筑的空間功分區進行詳細設計，最終得到合理的功能分區布局。由此，BIM技術能夠快速合理的確定建筑工程設計方案。

二是通過利用BIM軟件與分析軟件數據對接，對建筑群進行風環境分析，不斷地優化分析數據，對比不同方案下的建筑風環境分析結果，最終得出滿足綠色建筑風環境要求的方案設計。

三是利用BIM技術對建筑模型進行細化處理，及時發現問題，提前解決問題，通過不斷深化處理，可以發現建筑中存在的問題，且可以節省工程造價。