1　引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)水平的提高和技術(shù)的發(fā)展，文化場館類建筑越來越受到重視，建筑以越來越豐富的姿態(tài)來詮釋其獨一無二的個性。然而文化場館復(fù)雜的建筑功能和結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法用傳統(tǒng)CAD二維設(shè)計來實現(xiàn)，建筑信息模型（Building Information Model，BIM）應(yīng)運而生。BIM三維模型可以承載建筑工程項目中全生命周期的各類信息數(shù)據(jù)，在設(shè)計過程中通過三維可視化、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化和出圖等功能，實現(xiàn)項目的精細(xì)化管理，提高甲方的決策效率，提升項目的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。

相較于運用BIM技術(shù)進(jìn)行施工圖紙錯、漏、碰、缺的簡單應(yīng)用。通過BIM設(shè)計，可以在方案之初就運用BIM綠色建筑分析軟件優(yōu)化方案，將綠色、環(huán)保、低碳的設(shè)計理念貫徹到建筑全生命周期，并通過BIM三維協(xié)同設(shè)計、碰撞檢查、凈高優(yōu)化、工程量統(tǒng)計、施工出圖等得到各專業(yè)高度一致的施工圖，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。本文將以和美術(shù)館項目為例，從BIM設(shè)計流程、實施措施、應(yīng)用效果三個方面闡述BIM設(shè)計的價值和必要性。

2　工程概況

2.1　項目簡介

和美術(shù)館，位于廣東省佛山市順德區(qū)北滘鎮(zhèn)新城區(qū)，是國際建筑大師安藤忠雄在中國華南地區(qū)的首個項目，是國內(nèi)一流的標(biāo)志性文化設(shè)施，是順德重要的地標(biāo)式建筑（圖1）。項目總用地面積為8650.48㎡，總建筑面積為21263.83㎡。建筑高度為24.4m，地上5層，地下2層。結(jié)構(gòu)類型是框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

2.2　項目難點分析

和美術(shù)館項目作為順德地區(qū)標(biāo)志性的公共文化場館，用地狹小，且周邊高樓林立，設(shè)計采用層層出挑的圓形體量解決場地和標(biāo)志性的矛盾，起到軟化周邊環(huán)境和營造第五立面的效果。項目本身具有以下難點：

（1）復(fù)雜的建筑功能和大跨度空間設(shè)計。

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的異形旋轉(zhuǎn)樓梯（圖2）和曲面結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

（3）項目場地狹窄，施工困難。

（4）大型公建的綜合管線設(shè)計復(fù)雜異常。

（5）復(fù)雜的曲面幕墻設(shè)計、加工建造。

通過BIM設(shè)計，可以直觀有效地提前發(fā)現(xiàn)并解決各種設(shè)計和施工問題，大大提高該項目的完成度。

3　BIM設(shè)計流程

BIM設(shè)計流程（圖3）：項目前期策劃階段、技術(shù)評審階段、方案設(shè)計階段、施工圖設(shè)計階段、校審出圖階段。

3.1　項目前期策劃階段

本項目成立之初便建立BIM工作小組（圖4），設(shè)置具有BIM設(shè)計和項目管理經(jīng)驗的項目負(fù)責(zé)人，全面開展本項目的設(shè)計工作，制定BIM工作流程和工作進(jìn)度計劃；根據(jù)項目情況制設(shè)定BIM應(yīng)用目標(biāo)和應(yīng)用軟件，編寫項目各階段BIM建模及管理標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定模型組織原則。

3.1.1　BIM應(yīng)用目標(biāo)

（1）搭建BIM工作平臺，在方案優(yōu)化、施工圖設(shè)計、工程算量、施工管理、運維、審計全過程中通過BIM平臺傳遞數(shù)據(jù)，為項目創(chuàng)造價值。

（2）通過BIM設(shè)計，改進(jìn)BIM工作流程和BIM標(biāo)準(zhǔn)、提升設(shè)計管理水平。

3.1.2　BIM應(yīng)用軟件

本項目采用的BIM技術(shù)應(yīng)用相關(guān)軟件包括建模軟件，瀏覽審核軟件，算量軟件、綠色建筑分析軟件和可視化軟件（圖5）。

3.1.3　BIM建模及管理標(biāo)準(zhǔn)

BIM設(shè)計不同于CAD二維設(shè)計，需要做到事前策劃、明確合理的各專業(yè)內(nèi)部協(xié)同范圍和方式，需要就BIM建模標(biāo)準(zhǔn)、各階段深度標(biāo)準(zhǔn)、核模標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)、成果交付標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行前期制定。否則，將會對后期出圖產(chǎn)生很多不可預(yù)見的額外工作，甚至造成大量返工修改影響工期。

3.1.4　BIM模型組織

本項目采用鏈接與工作集并行的協(xié)同工作方式（圖7），機電設(shè)備的水、暖、電3個專業(yè)相互之間關(guān)系緊密且影響較大，采用工作集的協(xié)同方式，即3個專業(yè)在一個工作集文件內(nèi)按各自專業(yè)建立子工作集，便于隨時查看模型更新情況，且便于修改。建筑、結(jié)構(gòu)、機電之間則采用鏈接的工作方式，避免文件過大，運行緩慢，且同時能做到專業(yè)間隨時更新模型。鏈接與工作集并行的方式使各專業(yè)在唯一的模型基礎(chǔ)上相互提資，設(shè)計過程更加流暢、不易出錯、原位修改、實時更新替換，保證設(shè)計質(zhì)量和工作效率。

3.2　技術(shù)評審階段

建筑設(shè)計技術(shù)評審階段在BIM設(shè)計流程中并不局限在某一個階段，而是貫穿方案設(shè)計到施工圖設(shè)計全過程。由項目負(fù)責(zé)人、各專業(yè)總工、專業(yè)負(fù)責(zé)人和主要設(shè)計人組成項目技術(shù)評審組，分別從建筑、結(jié)構(gòu)、機電專業(yè)對項目進(jìn)行技術(shù)評審。嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計各階段的技術(shù)評審，使BIM設(shè)計順利推進(jìn)，事半功倍，避免出現(xiàn)施工圖設(shè)計過程中因為設(shè)計疏忽而造成BIM模型返工重建，降低設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

3.2.1　方案設(shè)計技術(shù)評審

文化場館方案設(shè)計階段建筑專業(yè)評審內(nèi)容包括：總平面設(shè)計需要注意建筑功能、日照、退距、建筑間距是否合理；明確項目的城市規(guī)劃技術(shù)指標(biāo)、消防設(shè)計、場地豎向等。建筑單體設(shè)計需要注意平面、核心筒、功能房間是否滿足相關(guān)規(guī)范；管道井是否滿足設(shè)計要求；建筑地上和地下室層高設(shè)計是否合理；關(guān)注立面設(shè)計的可實施性，是否會影響面積計算（圖8）。

文化場館方案設(shè)計階段結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)評審內(nèi)容包括：主要結(jié)構(gòu)跨度、特殊結(jié)構(gòu)及造型；建筑分類等級（安全等級、設(shè)防類別、抗震等級、防水等級、基礎(chǔ)設(shè)計等級）；項目超限的可能性；項目不規(guī)則程度；地上建筑和地下建筑的結(jié)構(gòu)方案（分縫設(shè)置、機構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)分析軟件及版本號等）。

文化場館方案設(shè)計階段機電專業(yè)技術(shù)評審內(nèi)容包括：水泵房及管井設(shè)置位置及面積；通風(fēng)空調(diào)防排煙系統(tǒng)劃分及系統(tǒng)形式、主要功能房間管線安裝凈高、設(shè)備選型及機房位置；變、配、發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷級別及估算容量、數(shù)量及位置（圖9）。

3.2.2　施工圖設(shè)計技術(shù)評審

文化場館施工圖設(shè)計階段建筑專業(yè)評審內(nèi)容包括：甲方對項目提出的特殊技術(shù)要求對建筑方案的影響；項目采用新技術(shù)、新材料對建筑方案的影響；項目統(tǒng)一技術(shù)措施評審；文化場館的消防設(shè)計評審（包括總平面消防設(shè)計、防火分區(qū)、疏散距離、疏散寬度計算等）；文化場館綜合評審（與項目相關(guān)的機電設(shè)備、系統(tǒng)選型、管井機房平米布置；地下室頂板排水、覆土厚度、管線走向等）；復(fù)雜的強身構(gòu)造節(jié)點；裝修配合階段對消防設(shè)計的影響（圖10）。

文化場館施工圖設(shè)計階段結(jié)構(gòu)專業(yè)評審內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)統(tǒng)一技術(shù)措施、基礎(chǔ)選型、地下室頂板結(jié)構(gòu)體系及分縫設(shè)置；結(jié)構(gòu)布置平面圖、結(jié)構(gòu)重要節(jié)點、支座；結(jié)構(gòu)超筋、超限加強措施、抗震設(shè)防專項審查和其他專項論證分析；項目經(jīng)濟(jì)性評估和控制技術(shù)措施。

文化場館施工圖設(shè)計階段機電專業(yè)評審內(nèi)容包括：機電統(tǒng)一技術(shù)措施、管線綜合設(shè)計；豎向標(biāo)高（包含覆土厚度）、室外管線布置、化糞池布置，標(biāo)準(zhǔn)層消火栓布置、平面立管布置；設(shè)備選用和系統(tǒng)分區(qū)。通風(fēng)空調(diào)房拍線系統(tǒng)方案、大型設(shè)備的運輸方案；消防電氣設(shè)計方案、各電氣系統(tǒng)設(shè)備選用。

3.3　方案設(shè)計階段

本項目方案設(shè)計是由日本安藤宗雄事務(wù)所負(fù)責(zé)，我院主要根據(jù)方案主創(chuàng)反饋的設(shè)計方案進(jìn)行建筑性能化分析，為設(shè)計提供科學(xué)的分析數(shù)據(jù)，供甲方與方案方?jīng)Q策，提高溝通效率，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案。

將BIM模型導(dǎo)入到綠色建筑分析軟件中，通過軟件模擬該建筑在真實環(huán)境中的建筑朝向、溫濕度、日照、遮陽、太陽輻射、全年的能量消耗、噪聲等。保證從方案階段開始，就始終將環(huán)保、綠色、低碳、節(jié)能的概念貫穿設(shè)計全過程。

3.3.1　日照分析

利用BIM模型進(jìn)行日照分析（圖11），通過設(shè)置最熱月份以及最冷月份，計算機可以自動計算出建筑的最佳朝向。顏色越紅，朝向越差，顏色越黃，朝向越好。東南向是最佳朝向。

3.3.2　風(fēng)環(huán)境分析

風(fēng)環(huán)境CFD分析，迎風(fēng)面由于建筑的遮擋，在兩翼的風(fēng)速較大，入口位于背風(fēng)面，風(fēng)速較低。中庭的設(shè)置有明顯的“拔風(fēng)”作用，可以加強“熱壓通風(fēng)”的效果，也可以引導(dǎo)氣流，從而加速空氣流動（圖12）。

3.3.3　遮陽分析

利用BIM模型分別進(jìn)行無百葉遮陽、水平百葉遮陽和垂直百葉遮陽三種方式的室內(nèi)自然采光分析，得出垂直百葉遮陽是最適合美術(shù)館的遮陽方式。

3.3.4　噪聲分析

通過場地聲環(huán)境分析得出，噪音主要來源于西側(cè)和北側(cè)的兩條道路，靠近道路一側(cè)日間最高分貝達(dá)到65～70dB。通過在道路沿線增設(shè)綠化帶，可以有效降低靠路邊一側(cè)的噪音，經(jīng)過改造后，靠路邊一側(cè)的日間噪音分貝約為55dB，夜間噪音分貝約為48dB（圖13）。

3.3.5　能耗分析

通過采光和能耗分析得出，方案一及方案二在采光、通風(fēng)兩個方面基本上沒有區(qū)別，但能耗上方案二比方案一減少約7%，方案三在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了能耗。因此，方案三為能耗最低的最優(yōu)方案（圖14）。

3.4　施工圖設(shè)計階段

文化場館建筑復(fù)雜的建筑空間和建筑形體構(gòu)件，傳統(tǒng)二維設(shè)計的技術(shù)表現(xiàn)方式無法準(zhǔn)確表達(dá)三維的建筑信息，同時也給結(jié)構(gòu)和機電管綜設(shè)計帶來很大的困難，因為各專業(yè)之間圖紙無法準(zhǔn)確定位，經(jīng)常會造成專業(yè)碰撞或空間浪費問題。例如復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，設(shè)計圖紙表達(dá)的準(zhǔn)確性不僅影響建筑建成后的美學(xué)效果，還會影響到建筑結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性（圖15）。又如，文化場館的機電管線需要隨著建筑的不規(guī)則形狀進(jìn)行排布，機電專業(yè)工程師為了穩(wěn)妥，往往會要求預(yù)留更大的設(shè)備空間，這種空間的浪費可能會影響整個建筑項目的完成效果（圖16）。

3.4.1　三維協(xié)同設(shè)計

BIM設(shè)計可以使建筑、結(jié)構(gòu)、水、電、暖等專業(yè)在施工圖設(shè)計過程可以在一個通用的BIM模型中協(xié)同工作（圖17）。BIM實現(xiàn)了建筑項目中各個專業(yè)的無縫對接，提升整個建筑的設(shè)計質(zhì)量和效率。經(jīng)過三維協(xié)同設(shè)計完成的施工圖，可以有效地減少錯、碰等設(shè)計通病，提高出圖質(zhì)量和效率。

BIM設(shè)計的工作前提，是各專業(yè)設(shè)計人員必須嚴(yán)格遵守項目前期策劃階段制定的一系列BIM建模和管理標(biāo)準(zhǔn)。BIM設(shè)計的工作重點，是審核人提前介入并參與協(xié)同設(shè)計，按階段執(zhí)行技術(shù)評審和定案工作。而要保證BIM設(shè)計的工作效率，各專業(yè)設(shè)計人員必須堅持以模型為基礎(chǔ)開展三維協(xié)同設(shè)計。

在BIM協(xié)同設(shè)計平臺上，各專業(yè)設(shè)計人員以模型為提資條件，將各自建好的模型在合模過程中及時開展協(xié)同設(shè)計，在這個設(shè)計過程中，建筑墻體、樓板、門窗構(gòu)件、結(jié)構(gòu)梁、結(jié)構(gòu)柱、設(shè)備管線之間都會相互影響，各專業(yè)設(shè)計師需要不要調(diào)整模型，從而達(dá)到一個理想的設(shè)計效果。

3.4.2　BIM可視化設(shè)計

BIM三維可視化設(shè)計，可以幫助設(shè)計師在在方案和施工圖設(shè)計階段對建筑模型的任意角度和空間進(jìn)行設(shè)計推敲，對建筑內(nèi)外立面材質(zhì)、建筑構(gòu)造做法、空間形態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，對各專業(yè)碰撞進(jìn)行檢查，從而進(jìn)行更為細(xì)致的設(shè)計，確保設(shè)計質(zhì)量（圖18、圖19）。

此外，Revit建模軟件能直接與fuzor對接，且即時同步更新，實現(xiàn)設(shè)計與模型之間的互動性和反饋性。并能夠以人的視角進(jìn)行體驗式設(shè)計，提高設(shè)計溝通和決策的效率。

3.4.3　BIM碰撞檢測與凈高優(yōu)化

公共建筑的管線綜合錯綜復(fù)雜，很容易出現(xiàn)水管、電橋架、暖通風(fēng)管之間相互碰撞的問題，也經(jīng)常會發(fā)生機電管線直接穿結(jié)構(gòu)梁、結(jié)構(gòu)柱的問題。除了利用BIM可視化設(shè)計，還可以借助Navisworks的動畫漫游功能，直觀高效的進(jìn)行各專業(yè)碰撞檢查、凈高、凈空核查與套管預(yù)留，提前發(fā)現(xiàn)管線之間沖突或不合理之處。提出碰撞檢測報告。各專業(yè)設(shè)計人員根據(jù)漫游視頻反饋信息和碰撞報告提出管綜優(yōu)化方案和模型修改（圖20）。

3.4.4　BIM曲面幕墻深化設(shè)計

傳統(tǒng)幕墻設(shè)計方式，無法預(yù)先分析，也無法預(yù)測幕墻安裝的完成效果，BIM的出現(xiàn)很好地解決了這個難題。BIM通過參數(shù)化建模，不僅可以精細(xì)化曲面幕墻表皮的分隔，還可以降低預(yù)制幕墻的出錯概率。

本項目采用BIM預(yù)制和預(yù)裝配，將準(zhǔn)確的幕墻信息傳輸給工廠進(jìn)行幕墻預(yù)制工作，然后用BIM模型模擬幕墻安裝，并指導(dǎo)模擬現(xiàn)場的實際預(yù)安裝。通過BIM設(shè)計完成的曲面建筑幕墻加工和模擬，既降低了返工成本和運輸成本，又提高了施工效率（圖22）。

3.4.5　BIM工程量統(tǒng)計

完成BIM三維模型后可以快速準(zhǔn)確的得出材料統(tǒng)計，運用門窗計算值功能，實現(xiàn)洞口面積、開啟扇面積與門窗族參數(shù)關(guān)聯(lián)。建筑構(gòu)件參數(shù)跟明細(xì)表實時關(guān)聯(lián)，極大的減少人工統(tǒng)計時間和人為運算錯誤的發(fā)生機率。本項目運用新點BIM算量插件可直接在REVIT模型中導(dǎo)出工程算量和工程造價報告。

3.4.6　IM施工出圖

BIM技術(shù)通過對建筑的可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化后可以得出平面、立面、剖面高度一致的建筑施工圖（圖23、24）、綜合管線圖。通過設(shè)置項目樣板、視圖樣板、線樣式表達(dá)等來提高出圖效率。制作參數(shù)化墻身族庫，快速準(zhǔn)確的生成墻身大樣圖（圖25），提高出圖效率。

4　BIM設(shè)計應(yīng)用效果

和美術(shù)館作為功能空間復(fù)雜的文化場館建筑，在設(shè)計之初就確定了運用BIM技術(shù)來輔助建筑設(shè)計。BIM在文化場館建筑設(shè)計中具有無可替代的技術(shù)優(yōu)勢，能夠明顯提高建筑設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，增加項目完成度，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）BIM參數(shù)化創(chuàng)建的建筑模型具有三維可視化、精確、形體可控的優(yōu)勢。

（2）BIM模型一模多用導(dǎo)入BIM性能化分析軟件中，進(jìn)行科學(xué)的綠色建筑分析，優(yōu)化建筑設(shè)計方案。

（3）在施工圖設(shè)計和建筑細(xì)部推敲時，BIM模型有利于復(fù)雜空間和構(gòu)件的修改和管理。直觀、精確的三維空間模型，有利于各專業(yè)精細(xì)化設(shè)計協(xié)同和分析模擬。（4）在可視化的三維環(huán)境下提高空間的利用率，通過信息互用完成復(fù)雜形體和結(jié)構(gòu)的分析、計算和模擬工作，提高本項目的完成度。

（5）通過BIM信息互用，參數(shù)化建模結(jié)合數(shù)字化建造技術(shù)，輔助曲面幕墻和異形結(jié)構(gòu)加工建造。

通過BIM信息表達(dá)（工程量統(tǒng)計、效果圖渲染、碰撞模擬動畫、色彩凈高分析等），全面多樣的展示建筑，提高溝通效率和設(shè)計效果。

通過BIM設(shè)計，相較于傳統(tǒng)施工圖設(shè)計建筑項目，取得的BIM應(yīng)用效益（圖26）如下：

（1）綠建分析優(yōu)化設(shè)計、節(jié)約能耗30%。

（2）三維模型參數(shù)化多方案比較提高設(shè)計效率35%。

（3）可視化三維協(xié)同設(shè)計節(jié)省設(shè)計溝通時間40%。

（4）凈高、凈空及碰撞檢查減少工程圖紙中錯、漏、碰、缺等問題137處，提高設(shè)計質(zhì)量50%。

（5）材料統(tǒng)計和工程算量節(jié)約計算時間80%。

（6）BIM出圖提高出圖質(zhì)量及變更質(zhì)量60%。

5　結(jié)語

結(jié)合本工程，BIM設(shè)計具有明顯優(yōu)勢，前期規(guī)劃對項目能產(chǎn)生巨大的影響，BIM設(shè)計得到的是用三維的思維做設(shè)計、三維的成果、以及大量的信息數(shù)據(jù)、和對未來應(yīng)用的接口。設(shè)計做到任何時候，都可以做專業(yè)協(xié)調(diào)、量化分析、能耗模擬、評審評價、接入裝配式，銜接采購。

綜上，BIM設(shè)計是推行建筑項目精細(xì)化管理和技術(shù)升級的重要手段，可以使建設(shè)、設(shè)計、施工企業(yè)共同獲益。隨著我國BIM技術(shù)軟件的發(fā)展、BIM人才水平的提高、BIM標(biāo)準(zhǔn)的完善、國家相關(guān)政策和法規(guī)的支持，BIM技術(shù)有望實現(xiàn)建筑信息化和管理信息化的無縫對接。