BIM技術(shù)案例分享：文化場(chǎng)館建筑中的BIM設(shè)計(jì)研究

1　工程概況

1.1　項(xiàng)目簡(jiǎn)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(guó)際建筑大師安藤忠雄在中國(guó)華南地區(qū)的首個(gè)項(xiàng)目，是國(guó)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。項(xiàng)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)。

1.2　項(xiàng)目難點(diǎn)分析

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

(1)復(fù)雜的建筑功能和大跨度空間設(shè)計(jì)。

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

(3)項(xiàng)目場(chǎng)地狹窄，施工困難。

(4)大型公建的綜合管線設(shè)計(jì)復(fù)雜異常。

(5)復(fù)雜的曲面幕墻設(shè)計(jì)、加工建造。

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

2　BIM設(shè)計(jì)流程

BIM設(shè)計(jì)流程：項(xiàng)目前期策劃階段、技術(shù)評(píng)審階段、方案設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段、校審出圖階段。

2.1　項(xiàng)目前期策劃階段

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

2.1.1　BIM應(yīng)用目標(biāo)

(1)搭建BIM工作平臺(tái)，在方案優(yōu)化、施工圖設(shè)計(jì)、工程算量、施工管理、運(yùn)維、審計(jì)全過程中通過BIM平臺(tái)傳遞數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目創(chuàng)造價(jià)值。

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

2.1.2　BIM應(yīng)用軟件

本項(xiàng)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

在方案階段創(chuàng)建BIM模型，進(jìn)行多方案比較，一模多用進(jìn)行綠色建筑分析，并通過軟件模擬分析優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在施工圖設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建BIM模型，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)三維協(xié)同、可視化設(shè)計(jì)、碰撞檢查、施工出圖。完成的BIM模型可以一模多用，可以進(jìn)行材料提取、同步算量等設(shè)計(jì)工作。

2.1.3　BIM建模及管理標(biāo)準(zhǔn)

BIM設(shè)計(jì)不同于CAD二維設(shè)計(jì)，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(huì)對(duì)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。

2.1.4　BIM模型組織

本項(xiàng)目采用鏈接與工作集并行的協(xié)同工作方式，機(jī)電設(shè)備的水、暖、電3個(gè)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(gè)專業(yè)在一個(gè)工作集文件內(nèi)按各自專業(yè)建立子工作集，便于隨時(shí)查看模型更新情況，且便于修改。建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電之間則采用鏈接的工作方式，避免文件過大，運(yùn)行緩慢，且同時(shí)能做到專業(yè)間隨時(shí)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(jì)過程更加流暢、不易出錯(cuò)、原位修改、實(shí)時(shí)更新替換，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率。

2.2　技術(shù)評(píng)審階段

建筑設(shè)計(jì)技術(shù)評(píng)審階段在BIM設(shè)計(jì)流程中并不局限在某一個(gè)階段，而是貫穿方案設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)全過程。由項(xiàng)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(jì)人組成項(xiàng)目技術(shù)評(píng)審組，分別從建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)評(píng)審。嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)各階段的技術(shù)評(píng)審，使BIM設(shè)計(jì)順利推進(jìn)，事半功倍，避免出現(xiàn)施工圖設(shè)計(jì)過程中因?yàn)樵O(shè)計(jì)疏忽而造成BIM模型返工重建，降低設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.2.1　方案設(shè)計(jì)技術(shù)評(píng)審

文化場(chǎng)館方案設(shè)計(jì)階段建筑專業(yè)評(píng)審內(nèi)容包括：總平面設(shè)計(jì)需要注意建筑功能、日照、退距、建筑間距是否合理;明確項(xiàng)目的城市規(guī)劃技術(shù)指標(biāo)、消防設(shè)計(jì)、場(chǎng)地豎向等。建筑單體設(shè)計(jì)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(jì)要求;建筑地上和地下室層高設(shè)計(jì)是否合理;關(guān)注立面設(shè)計(jì)的可實(shí)施性，是否會(huì)影響面積計(jì)算。

文化場(chǎng)館方案設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)評(píng)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(jí)(安全等級(jí)、設(shè)防類別、抗震等級(jí)、防水等級(jí)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí));項(xiàng)目超限的可能性;項(xiàng)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(jī)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)分析軟件及版本號(hào)等)。

文化場(chǎng)館方案設(shè)計(jì)階段機(jī)電專業(yè)技術(shù)評(píng)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(jī)房位置;變、配、發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷級(jí)別及估算容量、數(shù)量及位置。

2.2.2　施工圖設(shè)計(jì)技術(shù)評(píng)審

文化場(chǎng)館施工圖設(shè)計(jì)階段建筑專業(yè)評(píng)審內(nèi)容包括：甲方對(duì)項(xiàng)目提出的特殊技術(shù)要求對(duì)建筑方案的影響;項(xiàng)目采用新技術(shù)、新材料對(duì)建筑方案的影響;項(xiàng)目統(tǒng)一技術(shù)措施評(píng)審;文化場(chǎng)館的消防設(shè)計(jì)評(píng)審(包括總平面消防設(shè)計(jì)、防火分區(qū)、疏散距離、疏散寬度計(jì)算等);文化場(chǎng)館綜合評(píng)審(與項(xiàng)目相關(guān)的機(jī)電設(shè)備、系統(tǒng)選型、管井機(jī)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(qiáng)身構(gòu)造節(jié)點(diǎn);裝修配合階段對(duì)消防設(shè)計(jì)的影響。

文化場(chǎng)館施工圖設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)專業(yè)評(píng)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(diǎn)、支座;結(jié)構(gòu)超筋、超限加強(qiáng)措施、抗震設(shè)防專項(xiàng)審查和其他專項(xiàng)論證分析;項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)估和控制技術(shù)措施。

文化場(chǎng)館施工圖設(shè)計(jì)階段機(jī)電專業(yè)評(píng)審內(nèi)容包括：機(jī)電統(tǒng)一技術(shù)措施、管線綜合設(shè)計(jì);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(yùn)輸方案;消防電氣設(shè)計(jì)方案、各電氣系統(tǒng)設(shè)備選用。

2.3　方案設(shè)計(jì)階段

本項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)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(jì)方案進(jìn)行建筑性能化分析，為設(shè)計(jì)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(jì)方案?！　?/p>

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(shí)環(huán)境中的建筑朝向、溫濕度、日照、遮陽(yáng)、太陽(yáng)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(jì)全過程。

2.3.1　日照分析

利用BIM模型進(jìn)行日照分析，通過設(shè)置最熱月份以及最冷月份，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)計(jì)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。

2.3.2　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(qiáng)“熱壓通風(fēng)”的效果，也可以引導(dǎo)氣流，從而加速空氣流動(dòng)。

2.3.3　遮陽(yáng)分析

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

2.3.4　噪聲分析

通過場(chǎng)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。

2.3.5　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(gè)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。

2.4　施工圖設(shè)計(jì)階段

文化場(chǎng)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(jì)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(shí)也給結(jié)構(gòu)和機(jī)電管綜設(shè)計(jì)帶來很大的困難，因?yàn)楦鲗I(yè)之間圖紙無法準(zhǔn)確定位，經(jīng)常會(huì)造成專業(yè)碰撞或空間浪費(fèi)問題。例如復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(huì)影響到建筑結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。又如，文化場(chǎng)館的機(jī)電管線需要隨著建筑的不規(guī)則形狀進(jìn)行排布，機(jī)電專業(yè)工程師為了穩(wěn)妥，往往會(huì)要求預(yù)留更大的設(shè)備空間，這種空間的浪費(fèi)可能會(huì)影響整個(gè)建筑項(xiàng)目的完成效果。

2.4.1　三維協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM設(shè)計(jì)可以使建筑、結(jié)構(gòu)、水、電、暖等專業(yè)在施工圖設(shè)計(jì)過程可以在一個(gè)通用的BIM模型中協(xié)同工作。BIM實(shí)現(xiàn)了建筑項(xiàng)目中各個(gè)專業(yè)的無縫對(duì)接，提升整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。經(jīng)過三維協(xié)同設(shè)計(jì)完成的施工圖，可以有效地減少錯(cuò)、碰等設(shè)計(jì)通病，提高出圖質(zhì)量和效率。

BIM設(shè)計(jì)的工作前提，是各專業(yè)設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格遵守項(xiàng)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(jì)的工作重點(diǎn)，是審核人提前介入并參與協(xié)同設(shè)計(jì)，按階段執(zhí)行技術(shù)評(píng)審和定案工作。而要保證BIM設(shè)計(jì)的工作效率，各專業(yè)設(shè)計(jì)人員必須堅(jiān)持以模型為基礎(chǔ)開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)。

在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上，各專業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)開展協(xié)同設(shè)計(jì)，在這個(gè)設(shè)計(jì)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(huì)相互影響，各專業(yè)設(shè)計(jì)師需要不要調(diào)整模型，從而達(dá)到一個(gè)理想的設(shè)計(jì)效果。

2.4.2　BIM可視化設(shè)計(jì)

BIM三維可視化設(shè)計(jì)，可以幫助設(shè)計(jì)師在在方案和施工圖設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑模型的任意角度和空間進(jìn)行設(shè)計(jì)推敲，對(duì)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(duì)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(jì)，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。

此外，Revit建模軟件能直接與fuzor對(duì)接，且即時(shí)同步更新，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與模型之間的互動(dòng)性和反饋性。并能夠以人的視角進(jìn)行體驗(yàn)式設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)溝通和決策的效率。

2.4.3　BIM碰撞檢測(cè)與凈高優(yōu)化

公共建筑的管線綜合錯(cuò)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(huì)發(fā)生機(jī)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(jì)，還可以借助Navisworks的動(dòng)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(cè)報(bào)告。各專業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)漫游視頻反饋信息和碰撞報(bào)告提出管綜優(yōu)化方案和模型修改。

利用BIM參數(shù)化可變性的凈高色彩分類顯示功能，制作直觀的彩色凈高分析圖，結(jié)合凈高漫游動(dòng)畫對(duì)凈高不足處進(jìn)行局部三維和剖面的分析，提出凈高優(yōu)化解決方案。

2.4.4　BIM曲面幕墻深化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)幕墻設(shè)計(jì)方式，無法預(yù)先分析，也無法預(yù)測(cè)幕墻安裝的完成效果，BIM的出現(xiàn)很好地解決了這個(gè)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(cuò)概率。　　

本項(xiàng)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(chǎng)的實(shí)際預(yù)安裝。通過BIM設(shè)計(jì)完成的曲面建筑幕墻加工和模擬，既降低了返工成本和運(yùn)輸成本，又提高了施工效率。

2.4.5　BIM工程量統(tǒng)計(jì)

完成BIM三維模型后可以快速準(zhǔn)確的得出材料統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用門窗計(jì)算值功能，實(shí)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(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，極大的減少人工統(tǒng)計(jì)時(shí)間和人為運(yùn)算錯(cuò)誤的發(fā)生機(jī)率。本項(xiàng)目運(yùn)用新點(diǎn)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(jià)報(bào)告。

2.4.6　IM施工出圖

BIM技術(shù)通過對(duì)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、綜合管線圖。通過設(shè)置項(xiàng)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(kù)，快速準(zhǔn)確的生成墻身大樣圖，提高出圖效率。

3　BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

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

(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(jì)方案。

(3)在施工圖設(shè)計(jì)和建筑細(xì)部推敲時(shí)，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(jì)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(jì)算和模擬工作，提高本項(xiàng)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(jì)、效果圖渲染、碰撞模擬動(dòng)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(jì)效果。

通過BIM設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)施工圖設(shè)計(jì)建筑項(xiàng)目，取得的BIM應(yīng)用效益如下：

(1)綠建分析優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(jì)效率35%。

(3)可視化三維協(xié)同設(shè)計(jì)節(jié)省設(shè)計(jì)溝通時(shí)間40%。

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

(5)材料統(tǒng)計(jì)和工程算量節(jié)約計(jì)算時(shí)間80%。

(6)BIM出圖提高出圖質(zhì)量及變更質(zhì)量60%。