BIM在學校建筑設計階段的應用實踐

閆瑞雪 陳平 郭志瑞 高肖艷

作者簡介：閆瑞雪（1988.9-），女，漢族，河南新鄉人，碩士學位，工程師，研究方向：建筑設計研究，E-mail：758031287@qq.com。

摘 要：隨著工程行業的發展，對建筑領域信息化智能化要求越來越高，在建筑設計中使用BIM技術的需要也越來越廣泛。文章論述了在學校建筑中采用BIM技術在不同設計階段的多方面應用。對設計前期應用Autodesk Ecotect Analysis基于項目所在地氣候條件進行建筑布局及被動式節能策略分析，方案階段應用Autodesk Revit軟件建模并進行方案比選與設計優化，初步設計與施工圖設計階段則通過多專業協同工作、碰撞檢查、工程算量等過程使用BIM技術匯集了各類數據信息，實現了交互式參數化的精確建模與信息模型的高效率利用。

關鍵詞：BIM；學校建筑；設計階段；項目實踐

1 前言

建筑工程行業是一個多學科領域匯集的行業，由于各學科在設計階段使用軟件繁多，缺少信息數據的互用性，從而造成大量重復勞動與時間耗費。近年來信息技術高速發展，建筑領域對于信息化、智能化以及綠色節能可持續發展等方面都提出了更高的要求。

BIM是Building Information Modeling（建筑信息模型）的簡稱，美國國家BIM標準委員會NBIMS給出的定義為：BIM是一個樓宇設施的物理和功能特征的數字化表達，用于創建一個共享的信息知識資源，從而形成一個從概念設計至最后報廢拆除貫穿整個建筑生命周期的可靠決策基礎[1]。在設計階段應用BIM技術正向設計即從源頭開始進行建筑信息模型的建立，不僅僅是輔助設計工具的升級，更多的是對建筑業設計方式、生產模式的變革[2]。

2學校建筑設計階段BIM技術應用

2.1項目概況

漁營小學建設項目位于漢中市南鄭區，項目用地面積20202.64㎡，總建筑面積21128.71㎡，包括兩棟教學樓、一棟綜合樓及附屬門衛建筑。其中教學樓及綜合樓為五層框架結構建筑，門衛室為單層框架結構建筑。建筑工程設計等級為一級，抗震設防烈度為七度。

本項目設計階段BIM技術應用主要包括前期方案設計與優化、三維協同設計、模型出圖、可視化展示、管線碰撞檢查、工程量計算等方面。基于應用Autodesk Revit 軟件進行正向設計，在不同階段利用其強大的軟件平臺接口功能實現了設計信息模型數據的高效率使用，見圖1。

2.2不同階段具體應用

2.2.1前期設計與優化

漁營小學項目所在地漢中市南鄭區屬北亞熱帶氣候，年平均氣溫14.5℃，年降水量約890.60mm，年日照時數約2301.4小時。漢中市在我國的《民用建筑熱工設計規范GB50176-2016》中氣候分區上屬于ⅢA區，最冷月平均溫度為3.1℃，最熱月平均溫度為26.3℃，采暖度日數HDD18（℃·d）為1945，空調度日數CDD26（℃·d）為63，采暖室外計算溫度0.7℃，累年最低日平均溫度-2.4℃，計算采暖期天數68，計算采暖期室外平均溫度3.5℃，計算采暖期室外平均相對濕度80%。用地南側和東側均為城市道路，西側和北側相鄰多層住宅小區。建設范圍包括36班小學教室及相應教學輔助用房、校園廣場、運動場地、道路、綠化等。基于項目用地的周邊具體環境條件，在設計前期方案初步構思階段，利用BIM軟件Autodesk Ecotect Analysis氣候分析工具weather tool對當地氣象數據進行分析。

不同局部環境條件下朝向不同的建筑物日照、采光通風條件均不同。根據項目當地氣候條件、建筑基地周邊環境進行朝向分析，由軟件分析結果可以得知漢中南鄭地區建筑的最佳朝向為167.5°，最差朝向為77.5°，過冷時間內曝輻射量最多的朝向為157.5°，過熱時間內曝輻射量最多的朝向為87.5°。氣溫在12月、1月、2月最低，因此建筑朝向應避開冬季的主導風向（西北風），減少冬季冷風滲透作用的同時能夠在夏季利用建筑自然通風散熱[3]。因此，前期設計時建筑坐北朝南或南偏東10°均為較好的建筑朝向。

利用氣候分析工具weather tool還可對漢中氣象數據進行被動式節能設計的初步分析判斷。可以得到基于六種主要被動式設計（被動式太陽能采暖、高性能材料、高熱容+夜間通風、自然通風、直接蒸發降溫 、間接蒸發降溫）的節能效果。模擬分析時采用常規建筑保溫性能參數設置，可得出：在漢中地區對建筑保溫能耗影響較大的是高性能材料，全年優化比率較使用前可增加約12%；對建筑制冷能耗影響最大為自然通風，全年優化比率較使用前可增加約14%。基于此，節能設計分析結果可在后續設計過程中進一步深化，從而加強建筑被動式設計的節能效果。

2.2.2方案設計階段應用

方案設計階段主要為建筑設計師運用Autodesk Revit軟件建立的漁營小學建筑信息模型，此階段工作主要為確定學校平面功能布局、建筑體型組合、建筑整體外觀造型、基地范圍內道路、停車、綠化布置等，建立基礎模型。設計過程中通過將BIM模型經Revit軟件轉換成gbXML文件格式，導入到Ecotect Analysis軟件，利用其光環境分析功能結合教室窗間墻長度要求對方案中教室窗戶尺寸及綜合樓中庭采用天窗采光進行了方案比選與優化設計。并在綜合樓引入天窗采光面積約160㎡，大幅提高了綜合樓中庭及室內走廊的自然采光照度。

基于我國《中小學校設計規范GB50099-2011》對于學校普通教室黑板、講臺、課桌椅尺寸及其間距、縱橫走道寬度、前排邊座座椅與黑板遠端水平視角角度等要求，通過Revit軟件繪制相應系統族、載入構件族的方式，創建了基于本項目普通教室的系統文件，可進行復制、存儲、載入實現信息模型的重復性使用及三維可視化說明。

項目建筑效果圖則通過將BIM模型轉換成Collada格式文件，導入到Lumion軟件中進行材質編輯處理及后續渲染出圖，實現Revit和Lumion 兩個軟件之間的數據交互，提高建筑信息模型的使用效率。在方案設計階段，BIM模型深度達到LOD200，并經Revit軟件實現項目總平面及建筑單體平、立、剖面出圖。

2.2.3初步設計及施工圖設計階段應用

（1）中心文件協同設計

協同設計主要通過工作共享模式在中心文件創建后分系統建立本地文件工作集，實現不同專業設計人員在設計周期內對項目文件進行協同設計處理。在協同設計前，設置不同工作集可編輯權限來防止協同設計工作中各專業設計人員對原設計文件的非主觀更改，并通過中心文件的同步設置保證工作集的設計實時更新。協同設計過程各專業提資以模型為主，輔以局部進行二維批注與注釋，通過創建互提資料工作集、提資視圖區分不同專業的提資與收資，實現一個模型的多專業提資[4]。

建筑專業基于BIM方案模型進行深化設計，確定不同功能位置如教學用房樓層間及隔墻的隔聲處理、實驗室的耐酸堿腐蝕地面、視聽閱覽室的防靜電架空地板等構造工程做法、材料設計參數。

結構專業在建筑方案基礎上結合地勘資料與項目所在地區抗震設防烈度、荷載效應、環境類別進行結構設計，通過分析計算確定各類結構構件、鋼筋材料規格、幾何尺寸等參數。漁營小學項目使用PKPM軟件進行結構分析計算并輸出dwg格式文件，基于dwg格式文件在Revit軟件中建立結構模型，結構平法施工圖設計仍通過dwg文件出圖。這是由于在現階段BIM技術中結構模型的力學分析計算仍是整個BIM信息集成鏈中相對脫節的一環，我國的結構分析計算軟件應用以PKPM為主，雖有相關研究通過自研插件將PKPM結構分析計算結果轉換為中間格式文件導入Revit建立結構設計模型[5]，但目前無法得到普遍性應用，然而隨著BIM技術日益發展這一問題將得以解決。

給排水、暖通、電氣專業在正向設計時通過系統族、構件族的繪制載入及創建，經過濾器設置不同管網系統并選擇附屬管道、管件、附件實現對過濾器下整個系統進行統一修改編輯操作命令。供熱管道選擇添加管道保溫隔熱層并設置相應厚度與材質。在此基礎上對管線密集、狹窄區域、有凈高要求空間結合三維視圖進行合理排布，在各類管線不發生碰撞情況下減少翻彎以節約材料并降低后期運營故障[6]。

（2）碰撞檢查

不同專業利用Navisworks進行碰撞檢查。在項目進行實際操作檢查碰撞時，主要采用了兩種檢查方式：一方面在管線密集區局部檢查時利用系統外觀渲染器對相應設備和構件設置不同的醒目顏色，人工視覺識別區分各類構件及進一步走入式檢查；另一方面利用軟件自動檢查功能對機電系統與土建構件相對位置之間、機電系統各管線之間位置進行檢查。軟件自動化檢查通過事先設置不同的系統構成相應的選擇集，再對不同選擇集設定為檢查對象，相互之間進行自動檢查。漁營小學項目經設計階段BIM技術進行碰撞檢查發現軟硬碰撞30余處，經及時調整，避免了后續施工的部分設計變更。

（3）工程算量

利用BIM模型進行工程量計算能夠基于模型存儲的項目構件信息數據庫進行相應構件信息提取，大幅減少傳統算量過程中人工二次識別圖紙信息引起的潛在錯誤。使用Revit軟件明細表功能進行漁營小學建設項目的工程量統計，匯總后輸出報表以便后續造價計算。需要注意的是，此處Revit軟件統計計算出的工程量為構成工程模型的實物凈量，與我國《建設工程工程量清單計價規范GB50854-2013》中的工程計量方式存在部分差別。例如清單規范中現澆混凝土板計量單位為m3且不必扣除小于等于0.3㎡的孔洞所占體積，散水、坡道、室外地坪等計量單位為㎡且不必扣除小于等于0.3㎡的孔洞所占面積，但軟件統計出的數據信息則不包含這部分工程量。而施工過程中需要使用但最終不體現在實體模型中如模板、腳手架等工程量要通過關聯相應具體構件如現澆混凝土墻、板等的幾何信息進行工程量計算[7]。因此如要編制適用于《建設工程工程量清單計價規范GB50854-2013》的施工圖預算工程量則需造價人員對軟件明細表統計出的工程量進行進一步處理后使用。

（4）成果交付

漁營小學項目通過Autodesk Revit軟件建立建筑信息模型并聯合多種軟件進行BIM技術正向協同設計實現項目建筑、給排水、暖通、電氣專業各階段設計出圖并交付深度達到LOD300的BIM模型。為后續項目施工階段的三維可視化設計交底、施工深化、運營維護建立了信息基礎模型，并減少了因設計階段各專業協調問題產生的返工。

3結論

BIM技術在建筑工程設計領域推廣、使用已有較長時間，由于其不同于二維設計軟件對操作使用要求高，精細度深致工作量較大。但隨著BIM技術發展，開發了眾多軟件接口功能從而實現了信息模型的高效利用，同時經正向設計積累基于一定標準下的系統族庫，能夠在項目全壽命周期較大程度提高生產效率。本文以漁營小學建設項目工程設計為例，闡述了在設計階段利用BIM技術進行三維正向設計相對于傳統二維設計的優勢，歸納為：

（1）在前期設計階段通過BIM技術利用Ecotect Analysis軟件工具載入項目所在地氣象信息文件，能夠基于具體氣候環境分析建筑布局適宜的朝向、被動式設計策略分析等對設計方案進行建筑物理環境性能化的評估，從分析結果對方案進行合理調整。

（2）在初步設計、施工圖設計階段利用Autodesk Revit軟件進行多專業協同設計能夠較大程度提高設計準確性并形成高度信息集成的可視化三維模型，更好地呈現設計意圖。

（3）為設計概算階段的工程量計算減少了較大重復性工作；通過交付精細度達LOD300的BIM實體模型并進一步在施工階段深化應用能夠大幅減少因管線碰撞、預埋錯位等帶來的設計變更與返工，提高了施工效率。

參考文獻

[1]National Institute of Building Science，United States National Building Information Modeling Standard，Version1.http：/ /buildingsmartalliance. org.

[2]余騰飛.BIM技術在裝配式建筑設計階段中的應用研究——以北京市某定向安置房項目為例[C].重慶大學，2018.

[3]王文韜，趙吉坤.基于BIM技術的綠色建筑節能優化研究[J].建筑節能（中英文），2022（07）：41-49.

[4]呂中一，王偉，張銀安.BIM機電正向設計研究——以武漢東湖·阿麗拉酒店為例[J].暖通空調，2022（10）：67-74.

[5]方長建，賴逸峰，康永君.建筑工程結構設計BIM數據交換SIM標準[J].土木工程與管理學報，2022（06）：27-33.

[6]宋寧，段旭輝，王像.BIM+MR技術在華晨寶馬能源中心項目的應用[J].城市建設理論研究，2023（01）：89-91.

[7]付歡，史健勇，王凱.基于 BIM 的工程量計算與計價方法[J].土木工程與管理學報，2018（01）：138-145.