贵州医院项目BIM协同设计应用
江西国咨工程管理有限公司 池文婷
【摘要】：随着现代建筑功能要求日趋复杂，工程设计质量和图纸的质量要求越来越高。为解决传统二维设计图纸错误率高，各专业错综复杂的管线空间关系表达不清，施工可行性得不到保证等问题，以医疗建筑为背景，在设计阶段采用BIM技术进行同一平台的三维协同设计管理和辅助出图，通过系统地比较，BIM技术在技术和管理流程方面较传统协同设计更具优势。一方面采用BIM技术进行协同设计能够提供统一的技术平台，使各专业设计师在三维模式下通过碰撞检查、优化设计、净空区域智能查询等运用，实现及时、准确地沟通和有效地管理，提高设计效率的同时保证了设计质量；另一方面作为协同设计的附属产物，能够在关联的模式下提供方便的辅助出图，大大减少图纸的错误率，同时通过轴测出图和剖面出图论证设计方案的可行性以及用于后期指导施工。
【关键词】：BIM技术 协同设计 BIM出图
BIM collaborative design application of Guizhou hospital project
Jiangxi Guozi Engineering Management Co.,Ltd
Chi WenTing 360723199005181820 18166039749
(College of Civil and Architecture, Nanchang Hang kong university; Nanchang Jiangxi 330063,China, E-mail, 1070180557@qq.com)
Abstract: With the increasing complexity of function in modern buildings，the requirements of engineering design quality and drawings quality become more and more stricter. In order to solve the problems of high drawing error rate, uncertain construction feasibility, confused spatial relations of machine, electric, plumbing, structure and architecture of traditional 2D design method in medical buildings，collaborative design and auxiliary drawing based on BIM technology is applied in the design phase，which is superior over traditional 2D design method in technology and management. The advantages of BIM technology may be in two aspects, on one hand, unified technology and platform can be provided , which helps designers to communicate conveniently and accurately in collaborative design process under 3D environment by clash checking, optimization design, clearance area intelligently searching, which increases efficiency and benefit. On the other hand, as a subsidiary product of collaborative design, auxiliary drawing and cross-section drawing can be operated in correlation patterns , which reduces the drawing error rate. Meanwhile, cross-section drawings and axonometric drawings can be provided for construction feasibility demonstration and construction guidance.
Keyword:building information modeling technology collaborative design auxiliary drawing
一、研究背景
随着建筑业的高速发展，工程项目规模越来越大，功能和造型越来越复杂，比如具有复杂使用功能和多专业管道设备的医疗建筑就是典型的例子。这类工程项目在施工图设计阶段，设计单位一般需要对各专业做协同设计，传统的二维协同设计是一种文件定期更新的阶段性协同模式，大多是以计算机辅助绘图软件的外部参照功能为基础的文件级协同【1】。这种模式下管理混乱，难以协调沟通，管线综合的全面性受到制约，也容易造成图纸上的错误和漏洞，甚至由于专业过多，项目过于复杂，平面图纸体现不了各专业系统关系，最终，因为确定不了管线系统安装的可行性，很多项目无法通过相关单位的图纸审核。在这方面，日趋成熟的BIM技术可以起到很大的作用，它可以提供统一的技术平台，使项目各专业并行在同一个平台的三维模式下进行设计，使各专业设计师能够及时、准确地进行沟通和有效管理，并且能够在关联的模式下提供方便的二、三维出图。设计单位运用这种三维协同设计模式可以有效减少大量设计错误，优化设计方案，提高设计效率，通过辅助出图，弥补平面出图的不足，更加形象地表达各专业系统关系论证方案的可施工性，同时也为建设单位、施工单位等提供了很大的便利，减少设计变更从而实现成本的有效控制。
近年来，国外已经有很多设计单位使用BIM软件进行建筑设计，比如英国驻印尼大使馆，英国伦敦丘吉尔纪念堂等项目都使用了Revit Architecture, Bentley Structure等三维设计软件进行建筑的协同设计与分析运用【2】。在国内，对BIM技术的研究起步较晚，设计阶段，BIM主要还是作为二维设计的辅助工具，比如运用于管线的协同优化对于提高设计质量和设计效率方面，很多设计单位已经尝到了甜头【3,4】。而BIM技术运用于建筑结构的三维出图运用也在探索当中，清华大学张建平、王勇教授等开发了基于IFC的建筑设计模型导入接口和ETABS结构分析软件接口，对于规则的框架结构，系统对模型的转换能够达到非常高的识别率【5】。
本论文以贵州省六盘水六枝特区人民医院为背景，以Autodesk Revit系列软件为工具，对设计过程中BIM技术的运用进行探讨研究。项目特点及需解决问题：①项目涉及专业多达十几项，管线关系错综复杂，需要进行合理排布。②走道狭窄是主要的考虑对象，需要论证在净高范围设计方案的可行性。③建筑净高低，需要通过优化提高使用净高。 ④三维辅助出图，指导后期施工。在此背景下，我司通过BIM技术协助设计院对本项目建筑、结构、暖通、给排水、电气、医疗设备等专业进行BIM协同设计。
二、 传统设计方法存在的问题
（一）大型复杂项目各专业关系表达不清
传统工程项目设计过程中，各专业设计师分别在二维的平台上单独进行平面设计， 一般是先出建筑和结构图纸再出其他机电专业的图纸。这种基于二维模式的设计，表现相对简单，设计师只能结合各专业的设计原则通过想象构思各专业间的位置关系，各专业管道设备位置在平面图上使用线条表示，同时使用字母和数字结合系统图表示各专业管道类型、标高和管径。这种模式下的设计过程中，各专业设计师之间是很难进行有效沟通和协调的，往往各自为主，各专业管道间的安装空间和检修空间根本无法表示，导致无法满足安装规范和净高要求，甚至不能通过有关单位的图纸审核。
（二）图纸错误多施工可行性难以保证
基于二维设计模式，由于各专业的设计是单独进行，没有进行有效的沟通，一旦图纸发生修改，也不能做到各专业、各视图全面修改。出图后设计单位基本很少参与后期的施工阶段的，而施工单位要了解所有专业的系统关系就必须看完所有专业的图纸，通过三维空间想象管道的避让，先别说施工人员理解会有偏差，就是图纸本身就存在很多的错误。往往是施工到一部分的时候就发现存在设计错误，无法进行下面的操作从而导致返工，甚至有些错误涉及到结构问题，返工也无从下手。
（三）协同设计技术落后
有些设计单位也会进行简单的协同设计，在AutoCAD流行前，最初的协同设计是在完成各个专业的设计图纸后，把不同专业的平面设计印在透明的图纸上，然后叠放在一张发光的桌子上相互比较，根据管道的优先级将碰撞的管道调开【6】。 在AutoCAD流行后，利用计算机辅助绘图软件的外部参照功将表示不同专业的图层叠在一起进行比对加上空间想象排除碰撞【1】。显然，这两种方法都只能发现平面上部分表面的问题，而不能全面综合地考虑空间关系，协同设计的效果不理想，效率也十分低下。
三、贵州医院项目BIM协同设计应用
（一）规范、有效的管理方式
基于BIM技术的三维设计软件（Revit系列）较设计师一贯用的二维设计软件在系统参数和模块参变量上更为复杂，创建二维视图技术也有很大的不同 ，加上设计单位在工程项目设计上一向追求快速，高效，所以使用BIM工具软件建模必须兼顾与2D设计习惯的连贯性以及提高工作效率，针对这些问题设计单位必须制定统一实施标准和流程，比如在建模的前期制定统一的项目样板、视图样板，常用标注、明细表和标题栏等通用型模块提高设计效率，另外制定统一的构件命名规则，族文件管理、文档管理、人员管理模式等使整个过程更加规范从而减少错、漏、乱等现象。另外，传统技术和BIM技术在实施流程上的对比，传统方法，设计师之间的沟通艰难，复杂，无法做到全面，效率极其低下，一旦发生方案修改或者设计变更图纸的修改和专业的协同将产生大量的重复工作。采用BIM技术，设计师的工作变得纯粹明了，各专业设计师在同一个平台进行沟通，集成各自的想法和方案进行调整，直到方案最优化，而辅助出图只是完成协同设计后的附属产物，关联修改也让其变得方便、智能。
（二）协同设计需要考虑的因素
传统设计过程中，只要部分构件、管道的位置或者方案发生改变，其他与其关联的专业就会产生新的问题；其次，不同专业的设计师参与协同，出现碰撞问题时，由谁做主导，谁做出调整，因这类问题发生的谈判扯皮将会浪费大量的时间。所以成熟的协同设计，统一的技术平台和组织间的协调成为关键因素，而这两点正好BIM技术都可以满足，BIM在协同设计所起到的作用就如同一个中央处理平台，集成各专业的模型，综合各专业的协调考虑因素，汇集分析各专业设计师的想法，在同一平台进行碰撞检测、优化设计和控制净高，在优化过程中需要考虑如下表1所示因素。
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分类
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决定因素
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管道本身预留空间
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管道保温层、管道交叉位置、管道穿结构预留洞口
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安装空间
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安装时材料运输空间、设备和管道施工时操作空间
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固定空间
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固定形式、支吊架安装空间
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天花板或吊顶高度
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层高和净高要求、梁板占净空高度、天花板或吊顶厚度
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检修空间
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后期维修检查和维修工具操作空间
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安装工艺
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安装管道的先后顺序
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表1 协同设计需要考虑的因素
（三）各专业综合及优化设计
BIM技术将传统的二维图纸设计转变为三维模型，为协同设计提供了一个良好的操作平台。在该平台通过链接或者复制功能融合所有专业模型，直观，方便地暴露各专业图纸本身问题以及相互之间的碰撞问题。使用局部三维视图，剖面视图等功能进行修改调整，提高了各专业设计师及负责人之间的沟通效率，解决了大量项目设计不合理问题，管线碰撞问题，空间得到最优化，同时，设计师的工作效率得到大大提高，如图1为本项目BIM应用成果统计。
表2 六枝特区人民医院BIM应用成果
①调整前原本拥挤的走道，错综复杂的管道无处容身，不进行设计方案的调整根本无法排布，经过结构设计的调整和管线走向的调整，结合各专业协调因素调整管道标高和位置，管线排布变得井井有条如图1。
图1 机电管线综合优化效果图
②根据建设方使用要求和相关规范要求，在BIM模型上查找出净高达不到要求的区域，并提交给相关参建方解决，通过综合优化提高空间使用率，如图2为使用不同色块表示的残疾人康复中心净空分析。
图2 残疾人康复中心净空分析图
③通过局部三维视图和剖面标注，可以清楚直观地表现各专业管线之间的空间关系，从而可以论证设计方案的可行性，指导后期的施工技术交底。
④管线与结构协调过程中考虑支吊架的安装，管线穿剪力墙等问题如图3，预埋铁件和预留孔洞也可以通过节点图表示。
图3 墙体预留洞口图
（四） 辅助出图
在工程设计中，图纸大部分是二维的，部分三维的也只是作为辅助表达的，目前BIM的出图还处于辅助说明的定位。基于BIM平台可以实现在三维的模式下，导出二维的视图，三维和二维相互切换，图纸和模型互相关联。对于传统二维图纸表达不清的节点只需通过投影、剖切等操作得到，设计师只需要通过可见性和材质添加调整视图中个别线条的显示，以及制定专用的标记符号进行自动标注，既减少了大量工程量和图纸错漏，又能满足工程设计要求。此外，除了基本的三维视图，还可以通过投影原理生成轴测图和局部三维视图，直观地显示各专业之间的系统关系。
1.剖切和投影出图
基于BIM的设计软件出图模式可以分为两种。一种是剖切出图，一种是投影出图。剖切出图是指在三维模型中通过选定剖切平面得到模型的剖面图，剖切平面一般与MEP管道垂直，可以通过标注很直观地表示管道尺寸及间距；投影是指在三维视图中选定合适的视角，把三维模型投影到当前屏幕位置而生成投影子图，通常用来生成局部三维轴测图，可以直观地反映各专业管道的走向及位置关系【7】。另外，快速生成的平面图、立面图也是属于投影，即通过选定某个平面或立面，把模型投影到该平面上或立面成的投影子图，如图4为管井节点图。
图4管井节点图
2.出图对象标注和图纸
通过剖切和投影生成二维子图只是出图的第一步，还需要把图纸中的二维图元信息标注出来以及生成图纸。出图对象的标注包括材质显示、管道类型标注、管道尺寸标注、管道标高和间距标注、比例标注。
①以剖面图为例，剖切平面以线框的模式表示，根据图纸要求，需要表示出剖切面的材质（柱、梁、板等），通过调整视图样板构件可见性及截面填充图案进行设置可以实现。
②管道的标注需要通过制定的统一专用的标注符号族进行自动识别标注，标注符号可以通过编辑标签添加所需的参数（比如尺寸、顶部高程、类型名称）实现对管道类型、管道尺寸及标高的自动标注并且实现格式统一，设计师只需适当调整标注位置如图5。
图5走道剖面图
③设计单位不仅要制定统一的标注符号族还需要制定统一的图纸格式也就是统一的标题栏，保证生成的图纸风格统一、规范、整齐。生成图纸后设计师将标注好的各视图放进图纸设置比例，进行图号命名，填写标题栏，最后导出图纸，如图6为给排水平面图。
图6给排水平面图
3.图纸关联修改
在工程设计过程中，方案的反复修改是时常发生的事情，某一专业的设计方案发生修改，则其他专业也必须考虑协调问题。传统设计方法中一根管道的调整可能会导致所有平、立、剖图纸的修改甚至还包括标注的修改，大量的时间和精力浪费在这些反复工作中。基于BIM的平台所有的视图中（剖面图、三维轴测图、平面图、立面图）构件和标注都是相互关联的，设计过程只要在某一视图进行设计方案的修改，其他试图构件和标注也会跟着修改，这让设计师进行方案修改变得更加方便，直到方案最优，大大提高工作效率。
4.小结
BIM技术运用于设计阶段的协同设计和辅助出图在提高设计效率和优化设计方案以及方案可行性论证方面相对传统技术具有明显的优势。一方面采用BIM技术进行协同设计能够提供统一的技术平台，使各专业设计师在三维模式下通过碰撞检查，优化设计，净空区域智能查询等运用实现及时、准确地沟通和有效地管理，提高设计效率的同时保证了设计质量；另一方面作为协同设计的附属产物，能够在关联的模式下提供方便的辅助出图，大大减少图纸的错误率，同时通过轴测出图和剖面出图等论证设计方案的可行性以及用于后期指导施工，可以说BIM技术运用于设计阶段，改变的将不仅是工具的运用，而是管理模式。AutoCAD在国内的设计单位长期使用受到了大部分设计师的信赖，而二维图纸仍然是表达建设项目的唯一法律文件形式，BIM技术作为辅助工具运用于工程设计阶段将很长一段时间里与AutoCAD技术运用共存，但随着BIM技术日趋成熟，相信BIM的优势也将会越来越明显。现阶段的BIM协同设计还是基于手动的调整，我们可以想象未来BIM软件发展很可能会结合从优化算法，从而实现协同设计的智能化和自动化，结合智能出图真正实现基于BIM的智能设计。
【参考文献】
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[2]Cheung Franco K.T.，Rihan Jonathan, Tah Joseph. Early stage multilevel cost estimation for schematic BIM models [J].Automation in Construction, 2012(05): 67-77.
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[4] 纪凡荣，徐友全，赵灵敏，张秦. BIM技术在某项目管线综合中的应用[J], 施工技术，2013，42（03）：109-109
[5]王 勇，张建平，王鹏栩.建筑结构设计中的模型自动转化方法[[J].建筑科学与工程学报，2012(04): 53-58.
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