BIM參數化設計方法及信息模型的可視化研究

楊 光，林文雯

(華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450008；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210024)

建筑信息模型(BIM)技術是建筑工程、土木工程等專業領域的新技術，可以實現從建筑企劃階段到設計、施工、維護管理及拆除階段的整個壽命周期的信息綜合管理。近年來取得了巨大的進步。諸多發達國家BIM軟件在工程設計中的應用率已超70%。在現代科學技術發展的驅動下，智能化項目建設已成為建筑領域重要的發展趨勢。

BIM技術在工程設計以及施工中的應用起源于國外，我國起步較晚，但發展迅速。國內目前在理論研究、技術引進、標準制定、硬件設施等方面都在不斷地完善提高。早年間，中國的工程從業者就認為BIM技術是計算機輔助建筑領域的一種新興手段。它不但涵蓋幾何信息，而且包括建筑生命周期中的大量施工信息，而與一般CAD的設計方法相比較它有更明顯的優勢[1]。如今，大量成功的應用案例證明了其巨大的價值，已在建筑工程領域起到了日益巨大的功效。BIM的概念并不是少數人創造的革新，而是在眾多從業者研究下逐漸發展起來[2]，在建筑設計、設計管理、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技術也推廣應用在了橋梁、軌道交通、道路、堤壩、隧道等方面[4- 9]。

為了促進BIM技術在實際工程中的應用和發展，推廣工程技術人員對相關軟件的了解與認知，本文以BIM為核心，依托Autodesk Revit和NavisWorks平臺，以參數化建模和數字化模型為載體，對實際工程項目的研究和實踐，以求實現優化設計、圖紙輸出、協調施工、可視化檢視等功能，為提高項目的設計、施工效率、產業化促進和實現信息化管理等尋求突破口，并期望有助于解決國內大型復雜建筑結構工程設計施工中存在的很多棘手問題。

1 工程概況

河南建設大廈工程坐落于鄭州市鄭東新區鄭開大道與楊橋大道交叉口，由玻璃幕墻覆蓋的兩棟六邊形塔樓、輕型鋼結構連廊、底部裙房組成。兩側塔樓上部五層通過連體鋼桁架連廊連接，形成了對稱雙塔連體建筑造型，建筑整體呈門字形，地上共21層、地下共2層，高91.1米，其中頂部連廊高5層、重約1440噸、最大跨度57米。建設大廈是集辦公和商業于一體的建筑綜合體，建筑物占地面積5184平方米，總建筑面積119444平方米，其中地上面積87654平方米；地下面積31790平方米，埋深為10.6米。建筑物的功能以辦公為主，兼具商鋪和展覽等功能；地下設置廚房、餐廳、車庫及配套設施等，并于地下二層局部設有人防區域。

2 參數化模型

2.1 主要結構分區

建筑按照其結構和功能，分成很多各不相同的區域。建立模型是BIM技術的基本特征，搜集數據信息并建立模型，建立完善的數據庫，以實現結構和結構之間，結構與數據之間的相關性。本次BIM模型的建立根據建設大廈建筑施工圖，按其結構分為6個分區，具體分區見表1。

本工程的BIM信息模型各個分區均由各類結構構件組成，模型中主要包含的構件及數量見結構構件統計表見表2。

表2 結構構件統計表

2.2 參數化構件的創建

參數化模型構件是在Autodesk Revit軟件中進行建筑工程設計及構建建筑物工程BIM模型的基礎。軟件內置的構件模型功能有限，存在其局限性。如模型構件的尺寸、形式不滿足實際工程的需要。究其原因主要為：首先，各國行業規范、標準不同，構件在形式、制式尺寸上有所差別，軟件不可能對每個國家的特殊標準制作全套構件模型，在經濟性上行不通。其次，構件模型文件占用存儲空間問題。單一構件模型文件大小普遍大于200KB，較復雜的構件模型更會大于1MB甚至達到10MB以上。如果軟件內含大量模型文件，使用者安裝使用軟件就會占用大量的存儲空間，同時拖慢軟件的運行，影響使用感受。因此軟件給用戶留下自行開發的空間和方式，以滿足項目建模的需要。用戶可根據需要自定義專有對象，即外部自建參數化模型構件，按需求制作完成后加載應用于項目。筆者在實踐的基礎上深化研究，開發了多種全新的自定義構件，見表3。

表3 自建參數化模型構件統計表

以表3內列出的本工程樁基礎地基為例，本項目涉及樁基礎形式共7種，內含樁1148個，承臺232個。樁基礎地基結構由樁和承臺組成，Revit自帶的樁基礎構件僅有矩形兩樁承臺，樁為鋼管混凝土樁，種類單一，且承臺尺寸、樁徑、樁長均為固定值。不能涵蓋建設大廈工程樁基礎建模的全部類型。為滿足工程需要，筆者建立了混凝土樁族，3種承臺族，6種帶承臺混凝土樁基礎族。在自建族中對承臺和樁的尺寸均進行了參數化，使用者可以根據需要直接定義相關尺寸，無需再重建構件。創建參數化樁基礎分為兩步，第一步為創建樁，由于樁設為了共享族，為了在樁作為被套嵌文件時，參數可以和套嵌的族文件參數關聯，需要關聯的參數在樁文件中需設為實例參數。為了方便使用者筆者在創建樁時對以下5個參數進行參數化:樁長、樁直徑、最小預埋件高度、樁材質、樁頂參數標高;第二步為創建承臺樁基礎，樁基礎采用的樣板文件與擴展基礎相同，加載到項目中時，樁基礎也會出現在獨立基礎的目錄下。承臺族按照需求進行參數化的值有以下6個:承臺平面尺寸、承臺高度、樁位、最小預埋件深度、承臺材質、承臺頂部頂參照標高。自建樁基礎具體形式如圖1所示。

圖1 自建樁基礎BIM模型

自建樁基礎構件完成后，筆者將各帶承臺混凝土樁基礎自建構件導入項目文件其中，根據建設大廈圖紙中樁基礎地基相關信息進行標高、軸網的創建，進而制作完成大廈地基的BIM模型。在項目文件中，通過Revit族屬性面板可方便地查詢項目樁基礎的各種屬性，如各同種基礎構件的數量、位置、材質、尺寸等信息。如需改變設計，可通過修改構件的自定義的參數化數值，一步即可對所有相同構件進行修改，避免出現遺漏和錯誤。另外，在構建自定義模型的過程中，可加入材料、構造等的詳細參數屬性，從而可將施工過程中的關鍵參數直接計算出來。如在一只樁基礎具體構造的情況下可以得到各配比混凝土的用量，各尺寸鋼筋的用量等。

參數化構件的設計可大幅度提高建筑模型的建立和修改效率，在項目的展示推介，結構、建筑設計，工程施工，后期維護、管理這一全生命周期中都具有非常大的應用價值。可參與工程的規劃、報批，設計、施工部署，并通過該模型為制定重要施工專業方案提供技術支持。

3 數字化模型

高層建筑由于整體面積較大、樓層較高，并在在功能上十分復雜，所以存在著安全、空間規劃以及能耗等多種問題，在結構布局設計上相對特殊，對結構設計要求極高。正因如此，運用BIM的另一特點“可視化”，便于全方位的思考和分析，可充分提高建筑設計效率和施工質量水平。

3.1 三維數字化演示與設計輔助糾錯

復雜建筑工程中，往往存在一系列的影響因素，設計的方案往往與竣工的建筑存在一定的差異。究其主要原因：首先在設計過程中設計者難免出現少量的圖紙不對應，修改設計時遺漏等失誤。其次施工方對圖紙的理解與設計者不一致，或者設計者未考慮到施工條件的限制，無法完全按照設計施工，最后造成施工與初始設計的結構差異。諸如此類情況，很多甚至很難預見，更不可能完全避免。所以任何工程驗收都會有竣工圖這一項。

通過建立BIM數字化模型，可實現建筑工程項目的可視化演示，使人們能夠便捷直觀的觀察外部結構構造與內部布局，可真實的體現三維仿真場景，將傳統的二維線條式設計轉化為三維的立體實物圖形。從細部結構而言，決策者、設計者、施工方可按照需要，從自定義的角度觀察建筑物的特征、尺寸、方向和材料等。從整體建筑而言，設計人員能夠從精確的信息模型中查看建筑的結構的現實布局和各種細節，借由項目的三維模型，結合Revit軟件的智能判斷，便捷地發現工程設計中由于個人的空間思維能力，以及多人、多門類設計者協作時語言溝通的局限性，造成設計中的各種難以避免的缺陷。

以建筑結構設計和管線設計為例，項目施工過程中經常會存在構造不合理之處和結構之間的碰撞沖突，比如常見的管線閥門與墻體，管道與梁柱的沖突。還有建筑結構各視圖之間對照錯誤，整體和局部結構圖互相沖突不一致的錯誤。這些單憑個人的細心負責、專家的嚴格審查，不能完全避免。而采用Revit軟件建模完成后的結構模型利用碰撞檢查技術亮顯碰撞的局部構件、交叉深度等信息，將碰撞分析結果實時反饋給設計者，使用碰撞分析檢測方法實現了后期的協同設計，并對沖突位置進行修正。

3.2 數字化模型與虛擬現實

構造建筑工程項目的數字化模型不是僅僅模擬設計出的模型，還可以模擬諸多不便在現實生活中進行操作的事物。在設計階段，可以對結構建成投入使用后的正常運行情況及突發狀況進行模擬，并由模擬成果進行更深層次的優化。例如:對空調系統進行運行模擬，確定系統在不同的外部與內部條件下的運行情況。進而估算系統正常運行時的全年能耗，整棟建筑的最大瞬時功率等。以此為基礎對空調系統的設備的容量的確定、設備的排布的優化，以達到確定最佳運行制度，降低后期運行費用，提高系統運行效率的作用。模擬并指導建筑物內發生突發事件或者有事故災難的緊急疏散，以及進行日照、熱能傳導等運行狀況模擬，皆可在建筑投入使用后對其管理和運行維護起到極大的幫助。

綜上所述，BIM技術的建筑工程可視化的實際應用，如在工程的生命周期中，采用Autodesk Revit軟件和NavisWorks平臺聯合制作三維可視化模型，如圖2所示。可以對決策者，管理審批單位，進行項目推介時的直觀展示。其后在設計過程中提高結構設計的效率和質量，在設計過程中可以輕易地發現問題，減小設計中的失誤與差錯。在施工過程中方便優化施工方式和進度，增進效率，降低施工方成本。在運行過程中幫助優化運行方式，降低物業的運行費用，提高使用者感受，并對突發狀況進行模擬，保障樓內人員安全。

3.3 數字化模型二維圖紙輸出

傳統的建筑設計中，通常使用CAD二維平面設計，相應的制圖標準也已經在設計、施工單位間進行了多年的使用，并且國內各單位和技術公司在AutoCAD中進行了大量的插件二次開發，能夠較為完善的滿足國內各領域工程制圖的需要。但二維平面設計有其很大的局限性，圖紙平面、立面、剖面圖全部需要設計者獨立勾畫。繪制圖紙時，設計者首先需要在腦中構建工程結構三維實景，而后將設計的結構通過繪圖學知識表達至圖紙之上，設計時需要由設計者將同一結構各視圖互相參照，上下對位確保圖紙的準確。當建筑物規模龐大，層數較多時，設計圖紙非常多，各層相似卻不一樣，制圖過程中易出現錯誤。建設大廈樓體形狀造型特異，相應的建筑構造非常復雜，不同樓層，即便同一位置的結構也有區別，為了表達出各部分結構的詳細情況，在設計完備之前甚至不能確定最佳的細部視圖剖切位置。如此繁瑣的重復性工作，極易因為個人的疲勞和疏忽造成圖紙的不對應。若中途改變設計，設計者需要花大量時間重新對位，平面、立面、剖面圖均需修改，同時相關的標注、文字、詳圖都需修改，過程中也容易出現遺漏和錯誤。

采用Revit軟件進行結構的建模設計，不會出現有關問題。因為所有的平、立、剖面圖，局部詳圖、尺寸標注等都是從結構的三維信息模型中直接切分出來的，與模型本身完全對應并緊密關聯，對參數化構件任何地方進行修改，建筑圖紙中的相同構件均能夠實時自動更新，此時圖紙模型相互關聯的準確性和實時顯示的好處就突顯出來。

由于Revit軟件主要客戶為歐美發達國家，制圖出圖符合歐美標準，雖已經采用國內計量單位并添加了部分相應的內建構件，但針對國內制圖標準的內建圖紙視圖較少，所輸出圖紙與國家標準有區別。筆者為適應國內的制圖標準二次開發，增加了多種圖紙格式與標注樣式，設計時只需做好圖紙與信息模型的關聯，即可進行構件模型的修改，不用擔心出現某幾張圖紙之間相互矛盾和遺漏對其他關聯結構設計的影響。極大降低了修改圖紙時因個人疏忽及空間想象力不足造成錯誤的概率，提高了設計圖紙的準確度及工作效率，減少返工。在事先設置好視圖的情況下可以直接生成二維圖紙，并保證圖紙和設計模型的一致，節省時間，大大提高設計效率。

3.4 三維可視化施工

在建筑的施工過程中，國內仍普遍采用按照二維圖紙施工的方式，即施工技術人員通過讀圖將二維圖紙所含信息整合，在腦中形成建筑三維模型，再結合相關施工技術知識擬定施工方案，指揮工人施工。此過程有一定的局限性，容易出現問題。如由于設計人員圖紙表義不清或存在錯誤，又或者施工技術人員對圖紙的理解與設計者設計思路不同，在相互溝通不暢的情況下造成施工結果與設計相左，輕則造成糾紛，重則造成結構之間相互抵觸，大范圍拆除重建，造成延誤工期，浪費和虧損甚至爛尾。

圖2 Navisworks三維仿真模擬

施工過程中使用BIM技術輔助，能夠解決溝通不暢，理解錯誤的問題，同時可以優化施工工序，提高效率。由于BIM各構造各工序之間具備互動性和反饋性，且整個過程都是可視化的。在項目建造過程中直觀展現施工過程、施工進度等情況，極大的方便項目各方的溝通，減少由于語言溝通障礙和知識、認知等的差異造成的溝通錯誤，減少施工誤差及沖突。在融合BIM技術設計的基礎上建立施工的三維數字化過程演示模型，模擬施工現場分區、施工設施布置，再按照施工組織設計時空順序，對施工全過程進行推演，能夠達到充分利用施工場地、合理規劃施工場地布置、有效的規劃場地臨時道路分布的目的。同時幫助各方及時發現問題，減少施工過程中各標段，各工序之間相互沖突的可能性。以達到優化施工方案，提高施工效率與質量，降低建造成本的目的。

4 結語

隨著BIM技術日趨成熟，國內應用與開發不斷深化，本文通過對實際工程BIM項目中自建參數化構件二次開發，構筑信息化模型，模型二維出圖及在建筑物全生命周期中的使用進行探索，以求對規劃設計及施工部署提供技術支持，BIM技術在可視化仿真和質量安全管理方面的作用尤為突出，可有效地提高工程建設項目的施工效率和整體質量，解決建筑工程中很多問題。

近幾年國家大力推進BIM技術，各行業紛紛出臺相關政策。許多大型工程在招評標時BIM技術的使用是重要加分項，極大促進了該技術的應用與研究。Revit作為BIM技術應用最廣泛的軟件，在房建工程以外的大型工程中如水利工程、橋梁工程、工業建筑上的軟件環境深度開發有很大空間，值得深入研究。