BIM技术在施工图设计阶段的应用

建筑设计完成基本的功能布局及造型设计后,设计工作进入到深化设计阶段,建筑设计人员需要对建筑的各部分给出详细的构造做法,即施工图设计。

Revit软件中提供的基本视图包括平面图、立面图、剖面图、三维视图等。施工图设计过程中,不仅需要合理利用各种视图进行设计,还要在此基础上通过详图视图并使用各种详图设计工具进一步深化设计。

详图视图是由模型的平面、里面、剖面等视图剖切或索引而创建的详图,其中包含建筑模型的基本图元,是模型相关的详图设计。例如,可以用剖面工具创建墙体详图,用详图索引工具创建屋顶详图等。详图视图是从模型视图中创建的,与其他基本视图存在内在联系,可实现双向关联修改,确保详图设计的精确性,并提高设计质量。这也是运用BIM技术进行施工图设计相对于传统基于CAD技术设计的主要优势。

图2-1-13　地下一层设备建模

基于Revit中提供的一套成熟的详图设计工具,结合已有的建筑模型,对建设项目设计图纸进一步完善和深化,最终获得符合施工图出图标准的二维图纸。

表2-1-1　BIM详图处理

　　4.3.1　团队协作

施工图设计阶段,设计人员需要与其他各专业工程师共同完成设计方案中的结构、设备等专业设计。团队协作在这一阶段成为施工图设计的主要工作模式。

利用BIM技术进行的施工图设计,Revit软件提供了强大的协同设计平台——工作集和链接模型。工作集适用于无法拆分的多个单体的中、大型综合建筑项目,设计团队中所有设计人员在同一个建筑BIM模型上完成各自的设计内容,并可以自动更新实现实时的协同设计。链接Revit模型适用于单体建筑,或可以拆分为多个单体,且需要分别出图的建筑群项目,设计团队中的设计人员各自完成一部分单体设计内容,并在总图文件中链接各自的Revit模型,实现阶段性协同设计。对特别大型的项目,在“链接Revit模型”中使用工作集功能。两种方式相结合,以实现更大规模的协同设计。

(1)工作集

工作集是人为划分的图元(例如,墙、门窗、楼板或楼梯)的集合。在一定时间内,只有一个用户可编辑每个工作集。所有团队成员都可以查看其他成员的工作集,但是无法进行编辑。可从其他工作集中借用图元,编辑完成后保存到中心文件时再将该图元恢复至原工作集内,防止项目中潜在冲突的同时也实现了真正的协同设计。

工作集的协作流程如下。团队负责人根据团队成员的数量和设计项目复杂程度,将设计模型划分成几个不重叠的部分。然后将相应的建筑构件分配到各部分中,并释放编辑权限,同时将该模型文件保存为设计中心文件。随后团队成员通过网络访问该中心文件,使用“另存为”命令签出各自需要编辑的部分,并保存一个副本到本地计算机供深化设计使用。深化设计过程中团队成员需要随时将自己的设计结果更新到设计中心文件中去,保证其他成员可以及时地看到其他部分的设计成果,从而使设计工作保持一致。

在启用工作集前,团队负责人需要综合考虑以下因素,根据团队成员的分工合作方式,合理创建工作集,以方便后期的协同设计。

①项目大小

项目大小将会影响到团队成员的协同工作方式,而协同设计分工方式将决定工作集的划分方式。通常一起编辑的图元应处在一个工作集中。但是如果项目太大,导致某些图元太大,不能放在一张图纸上时,需要将其拆分后放到指定的工作集中分别编辑。

图2-1-14　Revit工作集多专业协同工作

②团队成员角色

通常根据团队成员每个人被指定的设计功能任务来划分工作集。每一位小组成员都可以控制某个特定的设计部分。例如,有专门负责外立面设计的、有负责内部空间布局设计的、有负责电梯楼梯卫生间等细部设计的、有负责场地总图设计的等。如此则可以设置工作集为外立面设计、内部布局设计、室内外构件设计、场地设计等。

通常不需要为建筑的每个楼层都创建一个工作集。因为在3D设计中,对跨层的墙、幕墙等图元可以用一个构件创建完成,既方便修改,也减少模型数量和文件体量。如此当按楼层创建工作集时,容易发生混淆。当然如果综合考虑到传统2D协同设计模式的习惯、项目大小等情况,可以按楼层创建工作集。

对核心筒结构的楼梯、电梯、管井等图元,以及卫生间设计等可以上下相连的设计部分,考虑其整体编辑方便的特点,单独划分几个对应的工作集中。例如,楼梯、电梯、管井、卫生间等。

综合考虑上述因素,工作集的划分需尽可能地细化。例如,可细分为F1-F11层内墙设计、F1-F11层门窗设计、F1-F11楼板设计等,将这些工作集分配给同一位设计人员负责。每个小组成员分配的最佳工作集数量为4个。每个设计人员各自负责几个工作集,当需要有交叉设计时,把其中某个工作集的编辑权限临时分配给其他设计师使用,减少单个图元借用的烦琐操作,提高设计效率。

　　③默认的工作集可见性

每个小组成员打开自己的工作集时,默认会同步打开所有的其他工作集。对大型项目,事先设置关闭某些工作集的显示。例如,可以关闭所有家具、卫浴设备、照明设备等工作集的显示,以提高软件的系统性能。

④工作集和样板

工作集无法包含在样板文件内。

⑤组和族

所有的组和族都拥有自己的工作集,编辑时签出其编辑权限。

(2)链接Revit模型

与AutoCAD的外部参照类似,链接Revit模型是多专业协同的重要手段。在项目开始前由设计团队负责人事先确定各专业统一的项目定位点,明确以项目的某个定位点与默认的项目基点位置一致,便于后期项目协同中多专业协作和模型传递。链接Revit模型既可以保证各单体专业之间的自动链接定位,各设计专业的设计内容又相互独立,不需要实时网络连接。

项目开始设计前,设计团队负责人事先确定各专业统一的项目定位点,明确以项目的某个定位点与默认的项目基点位置重合,以便后期的项目协同中建筑设计人员的模型与其他专业模型在传递过程中不会发生错位。对于多个单体的项目,需要事先在一个总图文件中,确定每一个单体建筑相对默认的项目基点的位置,然后在各个单体的项目文件中,同样需要以统一的定位点进行全专业设计。这样的操作流程既可以保证各单体全专业之间的自动链接定位,也可以保证建筑群总图的自动链接定位。深化设计阶段,随着各专业设计工作的开展,设计方案会进行多轮的修改。这一过程由建筑师主导,在建筑设计模型的基础上进行各专业设计方案的对比分析研究,通过对各自模型的调整及修改,解决各专业中的设计问题,最终完成整个建筑设计过程。

本项目中,建筑、结构、给排水、电气、暖通五个专业,均需要统一项目的基点位置,同时确定设计项目的轴网和层高,之后由各专业设计人员分别在本专业技术范围内进行分别设计。当到达指定的设计节点时,通过Revit链接的方式同步更新其他设计专业的最新设计进度模型文件,完成相应的整合和校对,实现建筑设计项目的协同工作。

4.3.2　建设工程项目的动态优化及环境模拟

使用BIM技术对场地及施工图设计方案进行体量建模,将方案设计与BIM建模相结合,运用BIM建筑信息模型环境模拟进行能效模拟计算、区域噪声预测分析、室内通风模拟、室内自然采光分析、室外风环境模拟等,使施工图设计方案达到最优化、最节能,有效降低项目建设成本和后期使用成本。

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图2-1-15　区域噪音分析

图2-1-16　功能房间通风模拟

图2-1-17　建筑能耗分析

4.3.3　设计全过程动态协作和优化纠错

传统建筑设计过程均使用CAD平面作图,且各专业相对独立。当设计项目体量大、复杂度高、不规则设计较多时,传统设计方式往往无法较好地进行各专业协同工作,设计过程不直观,对设计人员的设计经验、空间想象力都是一个挑战。使用BIM辅助设计进行施工图建模,将建筑中的管线和专业设备在三维模型中直观表达,借助于清晰直观的BIM模型,发现设计错误,同时将原本设计不够科学合理,或仍有较大优化改进空间的位置进行优化设计,进一步提高了空间利用率,节约了建筑材料和相关费用。

4.3.4　施工图深化设计

通过BIM辅助设计,多专业设计人员协同建模,将施工图上没有定位或定位不明确的各类管线设施进行精确定位,避免了传统施工图设计过程中因管线复杂,设计人员难以整体把控而将管线排布留给现场施工方解决的窘境。在设计阶段明确各设备管线的位置及施工先后顺序,确保了管线和设施安装的准确性、合理性、可实现。

4.3.5　BIM集成设计

在传统的二维设计过程中,建筑和工程设计的语言和标准是不同的,因此协同设计缺少统一的技术平台,建筑师和工程师之间的协作存在一定的障碍。这意味着设计的美学脱离建筑性能,设计过程被划分成建筑和工程两个部分,而不是一个合作的过程。因此建筑设计可能出现二种情况,一是建筑性能被建筑师所忽视,二是建筑师被迫过度依赖工程师的技术要求,从而忽视建筑美学的要求。集成设计(Integrated Design)是一个整体系统的各个部分之间能彼此有机、协调地工作,实现综合效益最大化。其含义有两层:在承认系统各组分自身功能及各组成子系统相互间存在制约关系的同时,也强调共同作用产生的“整体效应”,这种效应将能获得1+1＞2的效果。集成设计一个运用建筑与工程多学科来实现建筑设计过程的方法。集成设计的优化和可持续发展方面的要求使得建筑设计产生一个有趣的可能性,即建筑各个参与方积极融合到设计过程中来,使建筑设计不再仅仅是建筑师一人的事情。

集成设计是一种设计思想,贯穿于整个设计流程。对于建筑来说,集成设计包含多方面的集成。多专业的配合,在整个过程中通过整合配置各专业的设计条件来提高效率;设计因素的迭代,在建筑设计过程中,从建筑设计人员的角度考虑,在设计流程中,将各种设计要素的集成来提高前期的准确性;此外还包含建筑信息的集成。

在整个设计流程中,集成设计将建筑自身和周边环境视作一个整体,着眼于生命全周期来对其进行考虑和设计。其次,集成设计要求各个设计人员密切的配合,把形式、功能、性能和成本结合在一起,进而降低成本并提高效益。最后,对于建筑产业来说,集成设计是一种全新的设计方法,它以信息集成为基础,成为建筑信息的载体。因此,这需要从设计软件和硬件条件两个方面进行技术支持,进而建立一个包含所有建筑信息的综合数据库,实现信息的共享和管理。BIM技术的出现,正好能满足这些要求。基于BIM的多专业协同平台及各种数字化建模和分析软件的发展与进步,使BIM集成设计真正成为可能。

(1)建筑设计中的集成设计

在建筑设计的集成设计过程中,一个重要因素是时间因素。时间利用是从理论到实践不可避免的问题。设计人员的关键利益在于虽然设计上要花费比较多的时间,但是设计出更有效、更大的可持续发展和利用绩效反馈的建筑设计。Revit可以作为建模工具用于从分析到深化的所有阶段,Ecotect在草图阶段使用的最大优势,在一定程度上同样可以应用于分析阶段。在Revit中实现设计,然后将其导入Ecotect进行分析。经过分析得出设计的性能信息,然后在Revit中对设计做出相应调整。Ecotect可分析场地整体条件,也可以用于研究参数,如日照、遮挡和其他天气条件。这些数据输入在分析阶段主要用于识别场地的因素,也可进一步应用于草图阶段。草图阶段Revit结合Ecotect,研究主要集中在建筑的内外体量。Ecotect的分析主要应用于立面和内部房间的分析,其分析结果可以为建筑围护结构的主要方面提供解决方案。在草图阶段,不仅建筑外围护结构可以被计算和评价,房间以及房间的不同功能也可被赋予参数。由于深化阶段模型的信息化程度很高,Ecotect的计算方法可能不够精确。这一阶段Revit和Ecotect以及其他BIM工具共同使用。分析、草图和深化的这三个阶段,使用Revit和Ecotect进行分析,评价以及表达,因此,Revit和Ecotect以其连续性积极参与到概念建筑设计的过程中。

①分析阶段

分析阶段Ecotect的Weather Tool可以提供可视化的气象数据,Ecotect能产生可用的天气图形演示场地的日照和遮挡情况以及场地周边环境影响。生成的结果比输出数字数据更简单易懂。从建筑的角度来看,Ecotect所提供的场地现状分析可以帮助建筑师更好地利用建筑场地,但这并不意味着Ecotect涵盖了所有的这一阶段所需分析结果,许多其他的性能分析软件可以为设计提供灵感和各项参数。

图2-1-18　BIM软件在建筑集成设计各阶段的应用

②草图阶段

草图阶段对于最终设计具有重要意义,因为这一阶段建筑模型被赋予了各种信息。这一阶段室外的主要评估要素包括,遮挡计算、立面辐射、可视度和室外风环境评估。室内的主要评估要素包括,采光系数、声环境、太阳能、室内的温度以及功能分区。实际上,Ecotect与其他室内气候和声学评估工具相比,并不能提供量化的精确模拟结果,而是更易被建筑师所理解的直观的图表或数据。但是计算结果的绝对精确在早期阶段并不那么重要,重要的是比较计算的基础是相同的,并且保持了相对的精度。因此,Ecotect是不能替代Radiance、EnergyPlus、Airpak等这些建筑性能分析工具,但是输出的结果能够帮助设计师和工程师获得一个草绘过程中参考点,初步确定设计策略。

③深化阶段

此阶段Revit用于详细建模,但许多先前在草图阶段使用Ecotect计算结果必须被其他具有更高计算能力的软件所取代。该过程使用分析和模拟程序包括Radiance、Energy-Plus、Airpak等。这些程序的计算平台提供了更为精确的输出结果。这些程序的应用需要详细的信息输入专业知识,且输出结果主要为数字数据。如果在草图阶段已做出适当和准确的判断,那么方案在这一阶段基本上没有大的变化。因此,在深化阶段开始前分析研究所有的影响参数至关重要。

4.3.6　基于BIM的集成设计的优势

(1)全新的信息化设计方式

建筑设计不是简单的各项内容的堆积,而更偏向于是一项创作。在建筑概念设计阶段,建筑师需要对建筑的平面、立面、体型、体量、空间等做反复的推敲,这些可以通过手绘以及手工模型来进行。但当遇到了一些复杂形体建筑或者曲面建筑时,这两种方法就会有一定的局限性。而BIM软件是一种三维软件,在设计中可以全方位地对建筑进行观察,直到方案的确定。同时,BIM模型以建筑构件为最基本的图元,在对任何构件的更改都会引起相关构件的联动变更,减少了很多重复修改的工作。因此,BIM软件与传统的建筑设计软件相比,更加适宜于用来进行建筑设计推敲与调整。

当概念设计完成后,就要开始进行下一阶段的初步设计以及施工图设计,这两个阶段也能在BIM平台上进行。尽管一个项目中会有多个建筑师参与,但BIM平台化的操作模式实现了信息的共享,每一个建筑师的工作,都能够及时更新到BIM模型中,使所有参与的人员及时了解到整个项目的情况,实现团队成员之间的协作。因此,应用BIM模型,能够较好地将建筑设计的各个阶段有机地结合起来,降低设计的成本,提高工作的效率。BIM模型的出现,为建筑产业提供了一种全新的建筑信息化设计方法,体现了建筑工业4.0的信息集成。

(2)专业协同的基础

集成主要体现在信息集成与过程集成两个方面。BIM信息模型可以实现这两方面的集成,所有信息都能集成在一个BIM模型里。因此,BIM模型是信息基础,可以用它建立起各个专业协同的平台,进而实现整个设计过程的集成。建筑设计阶段是建筑信息的源头,应通过建立起科学的、能够支持项目全生命周期的BIM信息模型以及与之相应的集成管理环境来确保信息的完整与通畅。

(3)性能分析等附加的设计能力

BIM技术的发展,能够避免设计过程中出现的错误,提高设计人员的工作效率。同时增加了许多有效适用的附加设计能力。以往做建筑物效果图、场景动画等需要各种专业软件,不同软件之间的数据交流和转换效率低下,且易丢失建筑模型细节,降低模型精度。应用BIM集成化设计,可以直接在同一个BIM软件平台上实现。以往需要用人工手动输入或借助其他软件生成的各类明细表和统计图表,现在能直接利用BIM软件一站式自动生成。

利用BIM软件还能直接做各类分析,包括日照分析、节能分析、体量分析等,将各类分析功能集成到一个平台上。

另外,还可以利用BIM模型对建筑物的整个生命周期进行分析,为其全生命周期的信息化管理提供信息支持。这样就等于给设计人员提供了更为丰富智能的信息工具,适应了不同的设计需求,使设计更为便捷高效。体现了建筑工业4.0对于环境的呼应。

(4)面向建造的设计方法

BIM软件建模以建筑构件为最基本的图元,直接是建筑各构件的集成,模拟建造过程,面向建造,具有精确性、逻辑性以及多样信息集成性。在整个流程中使用信息进行设计和绘图,精确搭建建筑模型,其真实性的模拟功能便于项目各方了解成本、工期以及环境影响。

借助BIM集成技术,通过对接相应的建筑构件生产工厂,现代的工业机器可以像手工业时代一样便捷生产。建筑由大量的建筑构件组成,在BIM平台上的信息化设计与数控加工结合的方式生成建造模型,每个构件都可以不同。这为之后的工程建设和施工提供了巨大的便利和潜在的利用价值。

此外,面向建造的设计方法,还可使建筑设计工作更加贴近实际,而不仅仅停留在理论上。借助BIM集成化设计思想,设计工作能够融入整个建设工程项目的全生命周期内,使设计成果更加合理化、可实现化,同时在客观上,将原本在建设施工阶段才会发现的设计问题,提前得到解决,降低项目的建设成本,提高效率。