建筑設計階段的BIM應用

摘  要  從BIM服務商的角度，結合多年從事技術支持的經(jīng)驗，從BIM概念、BIM現(xiàn)狀與發(fā)展、BIM在建筑設計階段的應用、協(xié)同設計與協(xié)同作業(yè)、服務等幾個方面簡要闡述BIM在設計院的推廣和發(fā)展前景。

關鍵詞  BIM  3D參數(shù)化設計  協(xié)同設計  協(xié)同作業(yè)  服務商

1  BIM幾大概念及相互關系

1.1 BIM（Building Information Modeling）

BIM不是一個軟件，它是一個概念（或理念），是一個可以提升工程建設行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)質(zhì)量和效率的系統(tǒng)工程。BIM的全稱是Building Information Modeling，中文意思為“建筑信息模型化”（擴展為“工程項目信息模型化”），是在建筑（或工程項目）從策劃、設計、施工、運營直到拆除的全生命周期內(nèi)生產(chǎn)和管理工程數(shù)據(jù)的過程，如圖1所示。

BIM的載體：是以三維數(shù)字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數(shù)據(jù)模型，該模型可以為設計和施工提供相協(xié)調(diào)的、內(nèi)部保持一致的、并可進行運算分析的信息。該模型及其集
成的信息是隨著項目的進程不斷豐富和完善的，與項目相關各方可以從該模型中提取其需要的信息。這個豐富和完善的過程即為模型化（Modeling）。

1.2  3D參數(shù)化設計

BIM是一個全產(chǎn)業(yè)鏈的概念，對應到建筑設計階段，準確的稱呼應該為“3D參數(shù)化設計”。3D參數(shù)化設計是BIM在建筑設計階段的應用，日常工作中簡稱或泛稱為BIM。

3D參數(shù)化設計是有別于傳統(tǒng)AutoCAD等二維設計方法的一種全新的設計方法，是一種可以使用各種工程參數(shù)來創(chuàng)建、驅(qū)動三維建筑模型，并可以利用三維建筑模型進行建筑性能等各種分析與模擬的設計方法。它是實現(xiàn)BIM、提升項目設計質(zhì)量和效率的重要技術保障。3D參數(shù)化設計的特點為：全新的專業(yè)化三維設計工具、實時的三維可視化、更先進的協(xié)同設計模式、由模型自動創(chuàng)建施工
詳圖底圖及明細表、一處修改處處更新、配套的分析及模擬設計工具等。3D參數(shù)化設計的重點在于建筑設計，而傳統(tǒng)的三維效果圖與動畫僅是3D參數(shù)化設計中用于可視化設計（項目展示）的一個很小的附屬環(huán)節(jié)。

1.3 協(xié)同設計與協(xié)同作業(yè)

講BIM一定要講到“協(xié)同”，它是BIM實現(xiàn)提升工程建設行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)質(zhì)量和效率終極目標的重要保障工具和手段。協(xié)同分為協(xié)同設計和協(xié)同作業(yè)。協(xié)同設計是針對設計院專業(yè)內(nèi)、專業(yè)
間進行數(shù)據(jù)和文件交互、溝通交流等的協(xié)同工作。協(xié)同作業(yè)是針對項目業(yè)主、設計方、施工方、監(jiān)理方、材料供應商、運營商等與項目相關各方，進行文件交互、溝通交流等的協(xié)同工作，見圖1。設計師常說的協(xié)同更多地是指協(xié)同設計（詳見第4節(jié)）。

通過以上分析可以看到：在建筑設計階段的BIM是“狹義的BIM”（3D參數(shù)化設計），而廣義的BIM是涵蓋建筑（或工程項目）全生命周期，事關全產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)質(zhì)量和效率的顧問咨詢服務。

2  BIM的現(xiàn)狀與未來發(fā)展

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，3D與網(wǎng)絡信息技術深入影響并決定著大眾的生活：影視傳媒、移動通訊、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。對工程建設行業(yè)和建筑設計而言，影響行業(yè)未來發(fā)展的則是BIM。從2003年3D參數(shù)化建筑設計技術進入中國至今已有8年。隨著BIM技術的逐步成熟，其最終也被行業(yè)所接受。在過去及未來的發(fā)展過程中，BIM的發(fā)展軌跡如下：少數(shù)技術發(fā)燒友的熱衷 → 企業(yè)決策層從企業(yè)發(fā)展角度逐步認同 → 行業(yè)逐步認同并開始建立相關標準 → 開始進入工程項目的業(yè)務流程。

2.1 行業(yè)現(xiàn)狀

（1）業(yè)主：越來越多的國內(nèi)外業(yè)主（外資投資方、工廠及公用建筑類業(yè)主）提出明確的BIM要求，甚至明確提出需要的3D文件格式。項目準入門檻提高。

（2）設計方：具有總包資質(zhì)的工業(yè)設計院、大型民建設計院因為市場競爭等需要，先后在3D設計方面進行了局部成功應用（特別是2008年奧運項目的應用），促進了整個設計領域的技術進步。BIM將成為繼上世紀90年代“甩圖板”工程以來的第二次技術革命，由此設計行業(yè)將從過去的“計算機輔助繪圖”進入真正的“計算機輔助設計”（這恰恰是“CAD”的真正含義）時代。

（3）施工方：國內(nèi)幾大建設集團公司都開始或已經(jīng)創(chuàng)建自己的BIM團隊，在土建、機電安裝等方面嘗試3D深化設計、施工模擬，協(xié)助施工管理。下游企業(yè)的技術進步將給設計方帶來更多的技術進步壓力。

（4）運營方：目前暫時無明確需求。2008年北京奧運會的《奧運村空間規(guī)劃及物資管理信息系統(tǒng)》是國內(nèi)唯一一個做到運營層面的BIM項目1。

（5）國家BIM標準初具雛形，但離實際應用還有很大距離。目前有實力的行業(yè)各方都在自行摸索，已經(jīng)形成局部BIM成果。各方均已經(jīng)意識到BIM對整個產(chǎn)業(yè)鏈、整個行業(yè)的價值。

變革就意味著利益、游戲規(guī)則的重組，意味著商機！

2.2 軟硬件技術現(xiàn)狀

從技術角度來講，支撐BIM實施的軟件、硬件技術都已基本到位。如Autodesk公司已經(jīng)形成了從設計、分析到模擬全套的BIM系列工具軟件：Revit Architecture、Revit Structure、Revit MEP、AutoCAD Civil 3D、AutoCAD Plant 3D、Robot Structural Analysis、Ecotect Analysis、Navisworks等。在此基礎上，輔以設計師常用的SketchUp、Rhino，以及高端的Grasshopper、Catia、Digital Project等設計工具和算法編輯器，以及IES（Integrated Environmental Solutions）分析工具，將滿足現(xiàn)代各種建筑創(chuàng)意的設計需求。同時64位的計算機硬件與操作系統(tǒng)則給上述設計工具的穩(wěn)定運行提供了硬件保障。

2.3 影響B(tài)IM在設計階段推廣應用的主要因素

上有業(yè)主的需求，下有施工方的技術進步，后有軟硬件的支持，加上設計企業(yè)提升自身綜合競爭能力和企業(yè)未來發(fā)展的需求，BIM在設計階段的應用已經(jīng)勢在必行。但在實際實施中，BIM的推廣應用還存在很多阻礙因素需要各位主管領導認識清楚：

（1）外部變革動力與壓力不夠：業(yè)主需求不多，國家標準不完善等。

（2）企業(yè)發(fā)展成本與風險：設計工具、協(xié)同模式的變更所帶來的軟硬件成本、培訓成本、新技術積累與現(xiàn)有設計成果的轉(zhuǎn)化成本、變革的風險等。

（3）現(xiàn)有業(yè)務壓力：現(xiàn)有業(yè)務多、時間緊、壓力大，導致設計企業(yè)高層領導積極、中層領導反對、設計師沒有學習新技術的時間和精力。

（4）個人變革動力與壓力不夠：3D參數(shù)化設計對設計習慣、協(xié)同設計模式等的改變，新工具的學習時間成本、變革的風險，單位技術進步的激勵措施能否到位等，都將影響B(tài)IM的進一步推廣。

（5）技術不完善：BIM工具的專業(yè)設計功能不夠完善、本地化程度不夠，以及BIM技術服務商的技術支持能力參差不齊等。

3  BIM在建筑項目設計階段的應用

BIM在建筑項目設計中究竟能做什么，有哪些價值？哪些項目適合使用BIM？BIM應該在建筑項目設計的哪個階段介入？如何實施BIM？這是在過去幾年中筆者被反復問到的幾個問題。下面的內(nèi)容可能會解答上述問題，或者作為參考觀點幫助讀者思考。

3.1 BIM在設計階段的價值

在建筑項目設計中實施BIM的最終目的是要提高項目設計質(zhì)量和效率，從而減少后續(xù)施工期間的洽商和返工，保障施工周期，節(jié)約項目資金。其在建筑設計階段的價值主要體現(xiàn)在以下5個方面：

（1）可視化（Visualization）：BIM將專業(yè)、抽象的二維建筑描述通俗化、三維直觀化，使得專業(yè)設計師和業(yè)主等非專業(yè)人員對項目需求是否得到滿足的判斷更為明確、高效，決策更為準確。

（2）協(xié)調(diào)（Coordination）：BIM將專業(yè)內(nèi)多成員間、多專業(yè)、多系統(tǒng)間原本各自獨立的設計成果（包括中間結果與過程），置于統(tǒng)一、直觀的三維協(xié)同設計環(huán)境中，避免因誤解或溝通不及時造成不必要的設計錯誤，提高設計質(zhì)量和效率。

（3）模擬（Simulation）：BIM將原本需要在真實場景中實現(xiàn)的建造過程與結果，在數(shù)字虛擬世界中預先實現(xiàn)，可以最大限度減少未來真實世界的遺憾。

（4）優(yōu)化（Optimization）：由于有了前面的三大特征，使得設計優(yōu)化成為可能，進一步保障真實世界的完美。這點對目前越來越多的復雜造型建筑設計尤其重要。

（5）出圖（Documentation）：基于BIM成果的工程施工圖及統(tǒng)計表將最大限度保障工程設計企業(yè)最終產(chǎn)品的準確、高質(zhì)量、富于創(chuàng)新。

3.2  BIM項目類型及介入點

哪些項目適合使用BIM？BIM應該在建筑項目設計的哪個階段介入？這兩個問題的答案仁者見仁、智者見智：有的說BIM只適合于復雜造型設計項目，在前期的概念和方案階段就要介入，常規(guī)住宅項目是殺雞用牛刀；有的說只有標準化程度比較高的住宅項目才能充分體現(xiàn)參數(shù)化設計的價值，提高出圖效率，應該在施工圖階段介入；還有的說復雜的BIM只適合做方案設計，施工圖還是使用AutoCAD靈活、效率高等。這些觀點其實都沒錯。心理學講“需求是決定一切行為的根本”，BIM也是同理。不同的人、不同的項目、不同目的，將決定BIM的實施采用什么樣的方式、什么時候介入、做到什么深度、得到什么成果，以及實施的費用成本。

3.2.1 實施BIM的不同設計階段

在建筑設計階段實施BIM的最終結果一定是所有設計師將其應用到設計全程。但在目前尚不具備全程應用條件的情況下，局部項目、局部專業(yè)、局部過程的應用將成為未來過渡期內(nèi)的一種常態(tài)。因此，根據(jù)具體項目設計需求、BIM團隊情況、設計周期等條件，可以選擇在以下不同的設計階段中實施BIM。

（1）概念設計階段：在前期概念設計中使用BIM，在完美表現(xiàn)設計創(chuàng)意的同時，還可以進行各種面積分析、體形系數(shù)分析、商業(yè)地產(chǎn)收益分析、可視度分析、日照軌跡分析等。

（2）方案設計階段：此階段使用BIM，特別是對復雜造型設計項目將起到重要的設計優(yōu)化、方案對比（例如曲面有理化設計）和方案可行性分析作用。同時建筑性能分析、能耗分析、采光分析、日照分析、疏散分析等都將對建筑設計起到重要的設計優(yōu)化作用。

（3）施工圖設計階段：對復雜造型設計等用二維設計手段施工圖無法表達的項目，BIM則是最佳的解決方案。當然在目前BIM人才緊缺、施工圖設計任務重、時間緊的情況下，不妨采用BIM + AutoCAD的模式，前提是基于BIM 成果用AutoCAD深化設計，以盡可能保證設計質(zhì)量。

（4）專業(yè)管線綜合：對大型工廠設計、機場與地鐵等交通樞紐、醫(yī)療體育劇院等公共項目的復雜專業(yè)管線設計，BIM是徹底、高效解決這一難題的唯一途徑。

（5）可視化設計：效果圖、動畫、實時漫游、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等項目展示手段也是BIM應用的一部分。

3.2.2 項目類型和介入點

結合北緯華元和東經(jīng)天元公司承接或配合設計院完成的多個不同類型的BIM項目經(jīng)驗做簡要說明。

（1）住宅、常規(guī)商業(yè)建筑項目

項目特點：造型規(guī)則，有以往成熟的項目設計圖紙等資源可以參考利用；使用常規(guī)三維BIM設計工具即可完成（例如Revit Architecture系列）。

此類項目是組建和鍛煉BIM團隊或在設計師中推廣應用BIM的最佳選擇。從建筑專業(yè)開頭，從擴初或施工圖階段介入，先掌握最基本的BIM設計工具的基本設計功能、施工圖設計流程等，再由易到難逐步向復雜項目、多專業(yè)、多階段及設計全程拓展。此為“步步為營”，以規(guī)避貪大求全嚼不爛的風險。本人在中國建筑設計研究院崔 工作室“徐州職業(yè)技術學院圖書館”項目上和趙曉剛、周力坦等設計師的合作即為此類項目——在施工圖階段介入，完成建筑施工圖設計。

（2）體育場、劇院、文藝中心等復雜造型建筑項目

項目特點：造型復雜或非常復雜，沒有設計圖紙等資源可以參考利用，傳統(tǒng)CAD二維設計工具的平、立、剖面等無法表達其設計創(chuàng)意，現(xiàn)有的Rhino、3ds max等模型不夠智能化，只能一次性表達設計創(chuàng)意，當方案變更時，后續(xù)的設計變更工作量很大，甚至已有的模型及設計內(nèi)容要重新設計，效率極其底下；專業(yè)間管線綜合設計是其設計難點。

此類項目可以充分發(fā)揮、體現(xiàn)BIM設計的價值。為提高設計效率，建議從概念設計或方案設計階段介入，使用可編寫程序腳本的高級三維BIM設計工具或基于Revit Architecture等BIM設計工具編寫程序、定制工具插件等完成異型設計和設計優(yōu)化，再在Revit 系列中進行管線綜合設計。

（3）工廠、醫(yī)療等建筑項目

項目特點：造型較規(guī)則，但專業(yè)機電設備和管線系統(tǒng)復雜，管線綜合是設計難點。

可以在施工圖設計階段介入，特別是對于總承包項目，可以充分體現(xiàn)BIM設計的價值。

以上只是對常見項目類型做簡要說明，不同的項目設計師和業(yè)主關注的內(nèi)容不同，將決定在項目中實施BIM的內(nèi)容（異型設計、施工圖設計、管線綜合設計、性能分析等）。

3.3 BIM實施模式

在目前條件下根據(jù)自身的情況，設計企業(yè)實施BIM無非以下3種模式：

（1）BIM外包服務：將特定階段的BIM設計業(yè)務外包給有實力的BIM服務商獨立完成，設計企業(yè)在服務商的成果上進一步深化設計。在此過程中BIM服務商扮演的是“輔助設計”的角色。

（2）BIM項目合作設計：在項目設計的特定階段，由設計方和BIM服務商合作完成設計。在此過程中BIM服務商更多起著技術培訓、設計難題技術支持、局部參與設計的“協(xié)助設計”的作用，項目設計依然主要由設計師完成。通過多個項目、不同類型項目的BIM實施，達到在設計師中逐步推廣普及BIM應用的目的。注：筆者在中國建筑設計研究院“徐州職業(yè)技術學院圖書館”和某會議中心項目上和趙曉剛、周力坦等設計師的合作即為此種模式。

（3）自建BIM團隊：成立專職的BIM團隊或部門，使用BIM技術服務于設計院內(nèi)部所有需要BIM的項目。該方式的重點是團隊自身的建設與技術水平的提升，在運作前期，BIM服務商的專業(yè)培訓和技術支持至關重要。

4  BIM中的協(xié)同設計與協(xié)同作業(yè)

4.1 協(xié)同設計

協(xié)同設計又細分為2D協(xié)同設計與3D協(xié)同設計，這是設計軟件本身具備的協(xié)同功能。

4.1.1  2D協(xié)同設計

2D協(xié)同設計是以AutoCAD外部參照功能為基礎的dwg文件之間的文件級協(xié)同，是一種文件定期更新的階段性協(xié)同設計模式。例如：將一個建筑設計的軸網(wǎng)、標高、外立面墻與門窗、內(nèi)墻與門窗布局、核心筒、樓梯與坡道、衛(wèi)浴家具構件等拆分為多個dwg文件由幾位設計師分別設計，設計過程中根據(jù)需要通過外部參照的方式將其鏈接組裝為多個建筑平立面圖，這時如果軸網(wǎng)文件發(fā)生變更，所有參照該文件的圖紙都可以自動更新。

4.1.2  3D協(xié)同設計

3D協(xié)同設計在專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間的模式不同。

（1）專業(yè)內(nèi)3D協(xié)同設計：是一種數(shù)據(jù)級的實時協(xié)同設計模式。即工作組成員在本地計算機上對同一個3D工程信息模型進行設計，每個人的設計內(nèi)容都可以及時同步到文件服務器上的項目中心文件中，甚至成員間還可以互相借用屬于對方的某些建筑圖元進行交叉設計，從而實現(xiàn)成員間的實時數(shù)據(jù)共享（圖2）。

（2）專業(yè)間3D協(xié)同設計：當每個專業(yè)都有了3D工程信息模型文件時，即可通過外部鏈接的方式，在專業(yè)模型（或系統(tǒng)）間進行管線綜合設計。這個工作可以在設計過程中的每個關鍵時間點進行，因此專業(yè)間3D協(xié)同設計和2D協(xié)同設計同樣是文件級的階段性協(xié)同設計模式。

除上述兩種模式外，不同BIM設計軟件間的數(shù)據(jù)交互也屬于同設計的范疇。例如在Revit系列、AutoCAD、Navisworks、3ds max、SketchUp、Rhino、Catia、Ecotect、IES、PKPM等工具間的數(shù)據(jù)交互，都可以通過專用的導入/導出工具、dwg/dxf/fbx/sat/ifc等中間數(shù)據(jù)格式進行交互。

不同工具的協(xié)同方式、數(shù)據(jù)交互方式略有不同本文不再詳述，感興趣的讀者可以參考筆者2010年10月出版的《Autodesk Revit Architecture 201x 建筑設計全攻略》的第37章“ 共享與協(xié)同”。

4.2 協(xié)同作業(yè)

協(xié)同作業(yè)是設計之外的各種設計文件與辦公文檔管理、人員權限管理、設計校審流程、計劃任務、項目狀態(tài)查詢統(tǒng)計等的與設計相關的管理功能，以及設計方與業(yè)主、施工方、監(jiān)理方、材料供應商、運營商等與項目相關各方，進行文件交互、溝通交流等的協(xié)同管理系統(tǒng)。它是提升全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)效率的重要手段。

在設計企業(yè)中協(xié)同平臺為生產(chǎn)管理系統(tǒng)的核心部分，其與設計生產(chǎn)系統(tǒng)（前面所講的BIM也屬于設計生產(chǎn)系統(tǒng)）、輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)的關系架構如圖3所示2。

5  BIM服務商

BIM服務商在項目設計中扮演著“輔助設計”、“協(xié)助設計”、“技術支持”3種角色。隨著BIM在工程建設行業(yè)的普及應用，BIM服務將成為繼效果圖設計服務、模型制作服務等之后又一種新型的服務于建筑設計，且和建筑設計配合更加緊密的服務類型。一個有價值的BIM服務商需要具備以下能力：1）對BIM系統(tǒng)的深刻理解；2）對工程建設行業(yè)不同類型用戶及其需求的深刻理解；3）具備從設計、分析、模擬、施工、運營到定制、研發(fā)、協(xié)同管理全套的BIM解決方案，及專業(yè)的實施團隊和實施能力；4）專業(yè)的隊伍、各種BIM工具的培訓與技術支持能力、各種不同類型建筑項目實施BIM的技術支持能力與實施經(jīng)驗、各專業(yè)的技術支持能力等；5）針對軟件本地化、提高效率小插件、三維設計構件庫與詳圖圖庫、各專業(yè)樣板文件等的程序開發(fā)與定制能力等；6）對行業(yè)協(xié)同有深刻理解，具有適合工程行業(yè)的協(xié)同管理平臺系統(tǒng)。

6   結語

有了實施BIM的行業(yè)大環(huán)境和設計企業(yè)提升企業(yè)核心競爭能力的動力，以及軟硬件廠商成熟的產(chǎn)品技術和BIM服務商的技術支持后盾，相信BIM一定能給廣大的設計師、廣大設計企業(yè)帶來更為光明的前景。