BIM技术在工业建筑三维协同设计中的应用

李仲元, 郭 跃, 孔宪扬

(中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

近年来随着信息化的不断发展，BIM技术已逐步在工程建设领域得到广泛应用。传统二维设计在技术和流程上的瓶颈逐渐显露，BIM技术的出现有助于解决传统二维设计中存在的问题，使三维协同设计成为可能[1-3]。工业建筑往往具有大空间、构造复杂、设备管线复杂等特点，因而生产工艺对采光、暖通、消防等构造措施要求较高，设计过程中涉及的专业众多，协调困难，很难进行精确的管理，从而导致土建、机电和技经专业之间反复的提资和变更，进而影响了设计的效率，而且容易产生偏差，导致建造过程中出现问题进行返工，影响了工程建设的效率[4，5]。基于BIM技术的三维设计有助于提高模型的精度，解决复杂的管线碰撞问题，而协同设计有助于优化设计流程，提升各设计专业间的配合，减少不必要的返工，从而提高设计效率和质量。本文以欧特克三维设计平台为例，论述了不同专业在BIM三维协同设计平台中的应用特点，并探讨了基于BIM技术的三维碰撞检查、施工模拟以及工程量统计的优势。

1 协同平台的选择

目前主流的BIM设计平台有欧特克、Bentley、Tekla以及达索等[6]。欧特克平台即Autodesk Revit，在国内建筑市场应用最为广泛，其拥有建筑、结构、给排水、暖通和电气专业不同的建模模块，建模的逻辑体系专门为建筑模型而打造，且具有完善的族库方便调用。国内一些软件厂商还开发了基于Autodesk Revit的插件，使得该平台在建模效率和精度上具有优势。同时，欧特克旗下的Navisworks软件对Autodesk Revit模型具有很好的兼容，可以进行三维碰撞检查和施工进度模拟，满足BIM设计的需求。Bentley平台主要运用于基础设施建设等体量较大的项目，Tekla平台具有强大的钢结构设计能力，而达索平台具有完整的生态系统如建模软件Catia、项目协同软件Enovia以及有限元分析软件Abaqus，目前主要应用于路桥项目，应用案例较少。

以某工业建筑的设计为例，该工程的结构形式主要为混凝土框架结构，其内部具有大空间结构，管线布局较为复杂，综合考虑采用Autodesk Revit三维协同设计平台，该平台的协同设计是由共享服务器来实现的，并通过在平台中创建工作集将任务分配给各专业，从而实现数据共享。其设计流程为建筑、结构、暖通、给排水和电气专业建模；进行模型的浏览、碰撞检查和施工模拟；进行模型的漫游和动画制作；绘制施工图并改进。

2 BIM三维协同设计应用

2.1 建筑专业三维协同设计

建筑专业的建模是其他专业设计的基础，主要包含基础建模和深化建模两部分。基础建模主要包含确定轴网，以及柱、墙、楼板以及门窗等构件的布置，各功能房间的设置需要与结构、给排水、暖通以及电气专业的设计同步进行[7]。在同步设计的过程中会发生管道、电缆桥架等与墙体或楼板碰撞的情况，需要进行开洞处理，在协同设计中各专业可对模型进行标注，其他专业则收到推送，能够快速定位到问题并解决。借助插件，建筑专业在设计可对防火分区、房间净高进行检查，还可对自然光、噪声影响等进行分析，从而完善建筑设计。在完成基础建模后可进行深化建模，主要为建筑外立面设计和室内装修设计，需要明确门窗的样式、墙面地面的材质等。在Revit平台中可以在任意空间布置视点，从不同的视角来观察建筑模型，渲染效果图，便于模型的展示，并可通过Lumion 3D等软件制作BIM漫游动画(图1)。

图1 BIM漫游动画

2.2 结构专业三维协同设计

结构专业的建模主要为梁、板、柱、场地开挖以及基础，在建模中需要与建筑专业紧密配合。在布置好结构构件后，可进行结构方案的整体计算分析，目前国内主流结构计算软件盈建科YJK具有与Revit模型互通的结构，因而Revit结构模型可导入盈建科YJK中进行试算，对轴压比、结构侧向刚度等信息进行核对，调整结构构件的尺寸，并得到配筋信息。从而在Revit模型中对构件进行相应的调整，并对混凝土结构进行配筋建模，便于后期工程量统计。本工程中具有网架结构，由于在Revit平台中直接建立模型较为困难，可在MIDAS有限元分析软件内进行计算确定材料尺寸和强度后，再通过IFC格式文件导入Revit(图2)，二者间具有良好的兼容性。

图2 Revit中网架结构模型

2.3 设备管线三维协同设计

设备管线的设计由给排水、暖通以及电气专业完成，需要在三维空间中布置管线和设备。本工程为工业建筑，管线布置较为复杂(图3)，对于给排水专业，如具有消防自喷淋系统，在布置管道时需要与其他专业紧密的配合，在消防管道从走廊伸入房间内部时需要绕开柱和梁，避免结构碰撞，同时还需要遮蔽在吊顶的内部，对于暖通专业在布置风管时以及电气专业在布置电缆桥架时亦是如此。对于设备的建模，Revit平台本身具有丰富的族库，各类插件也对原有的族库进行了拓展，因此常规的设备可以直接在族库中调用，对于特殊的设备，可以使用Revit内置的族库编辑器进行建模，亦可借助AutoCAD、SolidWorks等专业软件进行建模再导入Revit平台中进行使用。

图3 管线模型

2.4 碰撞检查和施工模拟

在Revit设计协同平台中，各专业可以实时观察到其他专业的模型，可以及时发现问题并解决。三维设计有助于提高模型的精度，解决复杂的管线碰撞问题。碰撞的类别主要为管线和结构构件的碰撞，以及管线之间的碰撞，还可分为硬碰撞和最小间隙检查，将Revit模型导入Navisworks中即可进行碰撞检查。通常，走廊上空的管线碰撞问题亟须解决，走廊的净高往往极大地影响到建筑的舒适度，而走廊上空往往聚集着水管、风管、电缆桥架等各种管线，需要进行精确的空间设计，尽可能地利用有限的空间，建筑专业人员可通过将Revit模型导入Navisworks进行碰撞检查，可生成检测报告(图4)，对碰撞结果进行预览，同时碰撞结果可以反馈到Revit模型中，可进行精确的定位便于相关专业设计人员解决问题。

图4 碰撞检查报告

在Navisworks中，还可实现包含时间参数的施工模拟，根据不同专业、不同构件进行任务分解，可以得到施工流程的甘特图和动画，了解项目的建造过程，及时发现并解决设计中存在的问题，尤其是大型设备运输进场的时序问题，从而选择最优的施工方案，增加施工效率和安全性。

2.5 工程量统计

BIM模型是工程数字化的表现形式，其包含着模型各个构件的信息，基于BIM协同平台的工程量统计主要包括混凝土算量、钢筋算量、门窗统计、设备统计、管线统计等，设计人员在创建模型的同时记录下构件的相关属性，可以提高工程量统计的精度。随着模型的不断完善，工程量统计可以贯穿到项目实施的全过程，实现全设计周期内的应用。同时，由于在欧特克协同平台中构件的信息得到共享，工程量统计中的明细可以对应到具体的构件上，使精度得到保障，而传统的算量模式是由设计人进行提资，往往会造成较大的误差，同时后期设计变更也不能及时地反馈到工程算量中去。在理想情况下，基于Revit协同平台的工程量统计应具有很高的精度，然而由于Revit平台建模本身的不足，如梁柱节点的钢筋建模不够精细，导致钢筋算量往往存在较大的偏差，同样由于工程量明细较多，很多细节在建模时往往被忽视，导致工程量偏差，因此基于Revit协同平台的工程量统计仍需不断完善。

3 结 论

本文依托欧特克三维协同设计平台，结合具体工程，讨论了工业建筑三维协同设计平台的选择，对主要专业的三维协同设计应用要点进行了归纳总结,并对碰撞检查、施工模拟以及工程量统计等BIM应用进行了探究。鉴于工业建筑具有大空间、设备管线复杂等特点，选择欧特克三维协同平台能很好地满足设计需求，在Revit平台中建立共享服务器即可实现协同设计，各专业模型实现了共享，并通过三维模型碰撞检查优化了管线排布，避免了传统设计模式中土建和机电等专业之间反复的提资和变更，有效地提升了设计效率和质量。基于BIM三维协同设计平台的工程量统计，贯穿整个设计过程，具有实时更新的特点，然而在现阶段应用过程中仍存在较大的偏差，尚需不断完善。BIM三维协同设计平台的发展方向应不仅仅局限于设计阶段，更应该贯穿于项目的整个建设过程，建设方、设计方和施工方共建具有全生命周期BIM模型，将进一步提升工程质量和建设效率，因而具有广阔的应用前景。