基于BIM 的多專業協同設計研究

涂中強，師偉凱

（1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑節能與建造技術協同創新中心，江蘇 徐州 221116；3.江蘇瑾傲建筑科技有限公司，江蘇 徐州 221116）

1 BIM 在建筑行業的應用價值

建筑信息化模型（Building Information Modeling，BIM） 構件首先包含全專業（建筑、結構、機電安裝） 的三維模型（幾何尺寸信息、位置信息），除此之外還應涵蓋項目管理、運維等非幾何信息，比如：成本、物料、人材機資源、施工質量控制、安全技術措施、設備運行維護參數（狀態） 等信息。目前建筑行業明確提出的BIM 技術特點為：協調性（設計階段：全專業；施工運營階段：設計單位、建設單位、施工總/分包單位、建立單位、業主、政府相關單位等多方面）、可視化（三維模型/圖片、漫游影片）、模擬性（設計階段：凈高分析、日照、采光分析、圍護結構能耗分析、通風分析、安全疏散模擬分析；施工階段：施工方案模擬）、可出圖性（平面圖、立面圖、剖面圖、三維軸測圖）、優化性（管線綜合排布方案、機房深化設計）、參數化性（參數模型、曲面設計）、信息完備且可傳遞性等[1-2]。

2 基于BIM 的正向協同設計

BIM 技術的應用貫通建筑項目的全壽命周期，見圖1。協同性是BIM 的最重要的優勢，BIM 技術的應用能力也逐步成為各建筑相關單位的核心競爭力。

圖1 BIM 技術在建筑項目的全壽命周期應用示意圖

在施工階段，建設單位、設計單位、施工總承包（分包） 單位、監理單位等多方面應用BIM 技術進行施工現場協調、施工（安全） 方案模擬、簽證、變更管理等，極大地提高了項目協作效率，同時也充分體現了多專業的配合。在設計階段：結構與機電專業、機電安裝與建筑裝飾等多專業的協同設計是BIM 的最主要價值。傳統的設計模式往往遺留大量的圖紙的“錯、漏、碰、缺”問題——建筑、結構和機電安裝各專業的管線由于各自獨立設計而沒有交集，加之圖紙會審工作需要耗費大量資源，協調水平參差不齊，因此導致商業綜合體、醫院等大型項目的機電管線安裝施工出現了很多問題：管線扎堆、空間受限無法安裝或難以考慮安裝檢修空間、管線強行避讓不符合要求、凈高受限、安裝效果凌亂不美觀等，以上問題往往會造成返工甚至難以施工的情況，對工期、成本、質量、安全和后期的維護造成很大的困擾。在設計階段應用BIM 技術進行正向協同設計，優化方案、只要模型精度合理則可以極大程度地避免以上問題。目前BIM 多專業協同設計主要體現在施工階段的方向設計—使用BIM 技術把二維施工圖紙進行反向建模（翻模） 以達到項目管理的目的，而直接從設計階段介入、使用BIM 進行正向協同設計的工程仍顯“稀缺”。

3 確定項目BIM 協同標準

關于BIM 技術的現行國家標準主要有：GB/T 51235-2017《建筑信息模型施工應用標準》（2018年1 月1 日起實施）、GB/T 51301-2018《建筑信息模型設計交付標準》（2019 年6 月1 日起實施）、GB/T 51447-2021《建筑信息模型存儲標準》（2022 年2 月1 日起實施）。北京、上海、深圳、江蘇、浙江等省（直轄市） 的住房和城鄉建設廳積極開展工程建設規范和標準性能指標數字化研究，各自都出臺了相應標準。這些標準主要規定了BIM 與多源異構數據格式（輸入、輸出文件兼容）、項目數據資源標準（模型精度等級及構件對應）、BIM基礎數據標準（專業系統、命名格式） 和BIM 數據（構件屬性數據、共享參數等） 框架性應用標準。由于建筑物構件成千上萬、構件族信息千差萬別，BIM 的復雜性和模型應用價值的多維度性，企業還應該在國家標準、地方政府標準的基礎上，建立“公司級”的模型標準，或者在項目前期與業主方（咨詢委托方） 充分溝通，使用業主方（咨詢委托方） 的項目標準，形成高效、穩定的協同方式。例如：主梁、板（重要區域樓板）、柱、防火（各） 墻、風（通風、排煙、中央空調）、水（冷水供水主管道、消防水主管道、采暖管道、排水管道）、電（強電橋架、安防弱電橋架、消防供電橋架） 各專業、系統設置，以及顯示樣式、顏色設置、共享參數設置、視圖樣板等、模型標準等，這些應通過企業級的建筑、結構、機電安裝等項目樣板統一設置。另外，還需規定資源分配、協作行為溝通以及協作管理等工作，包括：設計目標與組件庫之間的目錄設置、讀寫（修改） 權限，指令規范、行為規范、BIM 工作內容界定、BIM 過程記錄管理，而交付協作管理則涉及對所交付的設計內容、模型施工文件等的評審管理工作等。

4 選定BIM 軟件平臺并充分考慮兼容性

4.1 BIM 軟件

表1 為國內主要BIM 軟件列表。由表1 可知，BIM 不是指某個特定的軟件，而是一系列的（模型、物料參數、進度、技術管理） 數字化技術（管理方法） 軟件，是一系列的模型建立、整合、展示、模擬分析、管理的技術手段。國內廣聯達、魯班、品茗等軟件廠商都有自身的BIM 軟件體系，從BIM 應用的角度來看,要在選用方案上選擇同一平臺下的軟件（插件），避免不兼容（構件丟失、信息無法識別） 的情況出現。僅從建模的角度，這些軟件都共同兼容Revit（推薦使用的建模、模型整合軟件）。

表1 國內主要BIM 軟件列表

4.2 Revit 軟件平臺的多專業協同（設計） 方式

Revit 軟件平臺的協作方式有兩種：跨專業類別（結構、機電、土建、裝飾或者大型項目、復雜項目） 的協作宜采用工作集模式（軟件、硬件投入大），同專業類別（安裝各專業之間或者小型項目）的協作宜采用綁定鏈接模式（軟件、硬件投入小，比較靈活）。有時兩種方式也同時使用，而整個協同設計過程以BIM 為核心。

圖2 為BIM 多專業協同的正向設計流程圖。由圖2 可知，通過Revit 軟件平臺，設計師可以在同一軟件平臺、相同的環境下，以相同的標準實時設計，實現了各專業之間的數據和信息交換（共享），共同完成設計，從而減少了整體設計周期，促進了團隊設計的無縫銜接，提高了項目的整體總體設計效果與品質[3]。

圖2 BIM 多專業協同的正向設計流程圖

5 項目的實施

5.1 確定階段性模型配合精度

優秀的BIM 團隊具有成熟科學的工作流程：接到任務項目啟動前期，應與業主方或委托方充分接洽好BIM 咨詢目標，項目負責人將項目情況（提資情況）、模型精度、設計周期（工期） 及其他要求統一告知各專業負責人，再由各專業負責人即時將設計任務拆分交底至各專業設計師，須確保信息完整傳遞。

項目運行前期，應制定明確、合理的階段性模型精度目標以控制好階段性的模型精度。模型的應用也是一個由粗到細的過程，每一個關鍵節點（階段） 應該確定明確的模型精度（目標），為了體現團隊協同的效率、模型精度應隨著項目信息的逐步深入而逐步落實細化。

建模時，應該高度注意協作、協同，體現科學的協同配合，各專業、人員應充分溝通協作，為模型的階段性價值（目的） 同步穿插作業，避免單專業過度超前細化作業、超前提高模型精度，造成局部窩工，導致建模團隊效率降低。應該充分認識到團隊工作的高度協同性，“牽一發而動全身”，模型修改（調整） 效率與模型精度是成反向趨勢的，調整精細程度高的模型會付出更大代價。

5.2 建筑結構的方案設計

方案設計時，建筑物的形態、裝飾裝修設計結合地域文化，避免“千城一面”，高質量建筑要體現綠色建筑理念：節約資源（節地、能、水、材）、保護環境、減少污染，為人們提供“健康、舒適、高效”的使用空間，最大限度地實現“人與自然和諧共生”[3]。初步設計、施工圖設計過程中應采用專業軟件對建筑物的結構、通風、采光、能耗、人員疏散等性能進行模擬分析，不斷優化調整建筑物的各項性能指標，尋求綜合性能平衡點，得到最優的設計方案。

5.3 機電模型綜合協同調整

在設計階段BIM 介入的項目，項目負責人應優先提資結構及建筑方案（BIM），土建專業先行搭建模型，建模過程應該是一個團隊充分協作的過程。標高、軸網、項目原點等基準設置應“充分論證—檢查—確保無錯誤、避免疏漏”。建筑專業須單獨建立項目軸網標高文件并提供給各專業，或者各專業通過復制監視軸網文件后建立各自模型文件的標高軸網并鎖定，嚴禁結構機電專業自建。

機電管線在排布之前，也需要由BIM 機電項目負責人確定一個機電專業的管線綜合排布方案：綜合管線宜布置在車位上方，管道盡量在平面上均勻、平行敷設，條件允許的情況下不分層，以便于安裝、檢修，成排管道盡量底標高（管中心線標高） 相同，采用綜合支架安裝（施工單位相同時）。在關鍵空間受限且管線、設備繁多的關鍵節點部位，管線分層敷設道時，不宜超過2 層。管線集中的過尺寸較大的梁（在模型中用區別于與其他的梁的顏色顯示） 部位，有上下重疊排布的可能，控制凈高結合裝飾、吊頂和凈高要求，考慮最大梁高（結構） 和主要管線，豎向分層最多三層，從下到上按照“風、水、電（母線槽、電纜橋架）”的順序，考慮凈高以及預留各類管線及閥門的檢修空間的要求，應當控制底標高（為后續的細部調整留下空間）。

圖3 為BIM 多專業協同設計機電專業管線整合模型圖。采用剖面圖標示節點布置情況：標注風管、橋架的底標高、給水、消防管道的中心線標高。平面圖應標明管線的中線位置，并出具三維視圖，充分展示節點構建、管線的空間位置，避免出現管線標高為“沿梁底敷設”。機電各專業通過鏈接結構模型、土建模型后，可以把樓板隱藏掉（見圖3），然后根據建筑設計、消防設計、凈高檢查、局部吊頂內管線設備過多等情況，結合裝修要求、機房管線設備密集區的布置要求（給機房、泵房預留足夠的空間）、機電安裝各專業管線空間布置規定，考慮施工技術措施、安全措施，對模型進行綜合調整，達到“零碰撞”模型（無直接標高位置的硬撞，也無空間凈距過小的軟碰撞），最后各專業細化修改模型、采用“明細表功能”，設置好明細表屬性、格式等，得到工程量報表，根據報表逐條審核修改出現“未定義”的管道、管件等，進一步檢查核查修改模型，使模型的精度符合合同約定的交付標準[4-5]。

6 結束語

目前，建筑行業與信息化技術的高度融合——使用BIM 技術在設計階段、施工階段、運維階段的整個或者某個階段中，進行協同設計、協同施工、虛擬建造、工程量計算、造價管理、設施運行維護等，對項目進行信息化管理，使建筑全壽命周期內的信息化變革邁出了重要的一步。而在設計階段，其主要任務是多專業的協同設計——各專業設計師使用BIM 技術，進行建筑設計、結構設計、機電安裝（風、水、電） 等全專業的相互配合、高效協同，進而向建設單位交付高質量的BIM。設計單位使用BIM 交付，可以確保整個工程的項目管理、設施運維等信息保存完整和順利傳輸。

得益于基于計算機技術、軟件的飛速發展、BIM 應用人才的積累，推動了BIM 技術應用的繁榮。設計單位、施工單位、BIM 咨詢等單位，使用BIM 機電管線綜合排布技術在施工前進行虛擬建造，以更加直觀、高效的方式，處理圖紙矛盾，避免管線碰撞，做好配合預留洞口，優化管線排布，提前做好凈高檢查，設計綜合支吊架，深化設計管線、設備密集區域、機房甚至做好機房設備一體化預制等方面積累了大量工程經驗。BIM 技術在體量大、難度大的機電安裝項目或者局部空間受限、管線密集的復雜節點區域的機電安裝項目中的應用優勢，獲得了工程界的普遍認可，BIM 技術在建筑工程項目的不同階段——設計、建造、采購、運營等環節都存在大量的應用，但BIM 數據在各階段的“流通性”存在壁壘，模型數據和信息難以跟隨項目實施而傳遞，造成了浪費，為打破這種壁壘，設計階段采用BIM 正向設計交付勢在必行。