BIM正向设计案例--长沙黄花国际机场T3航站楼

长沙黄花国际机场位于中国湖南省长沙市长沙县黄花镇，计划在其东航站区南侧新建T3航站楼。T3航站楼建筑面积53.36万m2（含登机桥系统2.46万m2），规划年旅客设计吞吐量4 000万人次/年；T3航站楼建筑东西长度约1 000 m，南北长度约1 200 m，整体呈五指向心构型，功能设施高效集约，平面设计有效控制最远步行距离，为旅客提供清晰、简洁的建筑空间。为便于识别和定位，航站楼分区以指廊和大厅的结构缝为边界划分，分为A、B、C、D、E等5个指廊，大厅F区。建筑主体地上三层（分别为L1层、L2层、L3层），局部夹层（L1上夹层），地下一层（B1层），建筑最高点高度44.5 m。

该项目涉及专业多、空间复杂，根据在大型航站楼项目设计的经验，往往因传统二维设计的协同工作不充分，容易导致行李机房及传送带区域、行李提取厅、到达廊以及商业区等部位在施工阶段出现较多的问题；同时考虑项目对呈现效果的严格把控以及业主对航站楼在设计、施工及运维的全生命周期BIM技术要求，本项目在实施之初，就确定了全专业进行BIM正向设计的目标和任务。图1为长沙黄花国际机场T3航站楼效果图。

图1 长沙黄花国际机场T3航站楼效果

BIM不是一个软件，而是一种建筑设计思维方式。在BIM正向设计中，各专业选用最合适自身的软件进行设计，通过中间模型或平台进行信息传递和协作。本项目中，建筑和机电专业（含民航相关专业）采用Revit进行设计，金属屋面以及幕墙专业采用Rhino，结构专业采用EasyBIM，屋面金属网架采用3D3S，通过插件转换将各模型以及外部设计单位的行李系统模型在Revit中进行链接，设计过程中各专业在Revit软件中进行协作。另外，模型的展示、碰撞分析、设计过程管理等方面通过Rvizto平台进行管理。

给排水专业在本项目航站楼单体中涉及到的系统有给水、热水及饮水、污水和废水、雨水、消防给水（消火栓、自动喷水、防护冷却）、消防排水、气体消防、灭火器配置等系统，以上系统均采用BIM正向设计在Revit中进行设计和建模，给排水正向设计业务流程见图2。

图2 给排水BIM正向设计业务流程

2.1 前期准备及模型管理

根据项目的体量、功能分区及管理模式，将航站楼模型拆分为A、B、C、D、E 5个指廊、F大厅及登机桥，共7个管理单元。各管理单元根据专业特点及专业间协同方式设置不同的Revit中心文件。其中，5个指廊部分因模型体量相对较小，直接按管理单元拆分为建筑、结构、机电3个模型；F大厅因体量较大，建筑、结构模型再按照楼层进行拆分。考虑机电专业竖向系统不宜打断、协同交互较为频繁等因素，机电专业模型不再按专业及楼层拆分。

受限于设计项目的体量及Revit处理模型机制导致的卡顿等因素，给排水专业还需将喷淋单独创建模型进行工作。在主体专业之外，还设置有幕墙、行李系统、钢结构屋面等模型。创建好各部位、各专业的中心文件模型后，在多专业或多人工作的模型中采用工作集的形式进行模型内部协同工作，各模型之间采用链接的形式进行模型间协同工作。

综上，结合专业特性、专业间交互及软件自身限制，长沙黄花国际机场T3航站楼BIM正向设计中给排水参与工作及管理的中心文件模型共计14个，与给排水专业相关的中心文件模型分配及命名见图3。

图3 与给排水专业相关的中心文件模型分配及命名（“XXX”代表设计项目号）

2.2 给排水正向设计过程

在完成模型拆分和中心文件创建后，各专业可着手开始进行专业模型的搭建，不同于二维设计，给排水BIM正向设计存在许多技术及管理上的前置内容，可分为以下几个步骤：

2.2.1 完善工作集

各设计人员可通过中心文件创建本地副本，补充和完善各自的工作集。以最复杂的F区大厅为例，各机电专业均在此模型中工作，各专业需根据自身专业特点分区域或者分系统进行人员的安排。因此，为保证后续配合工作的准确性，F区工作集采用“人名-描述”的形式进行命名，给排水专业根据自身工作特点，分为“给排水-XX”“消防水-XX”工作集，同时考虑气体灭火柜与电气专业配合位置时的便利性，单设“气体灭火”工作集。

2.2.2 设置视图样板、管道系统

不同于CAD二维制图，在创建完本地副本文件后，还需根据本项目的特点设置与之相适应的视图样板文件、管道系统以及管道类型（布管类型）。其中，管道系统及管道类型的设置尤为重要，需将本项目用到的管材及连接方式、管道系统类型名称及缩写等提前确定。否则，在设计过程中整体更换管材及连接方式会带来模型中一些连接上的错误。

2.2.3 链接模型、建立楼层平面

通过链接土建模型、复制监视轴网及标高创建各楼层的设计视图平面。由于Revit对链接文件管理的限制，建筑若采用附着类型链接各专业模型，机电模型链接建筑模型后，则不能在可见性/图形替换面板中看到附着的其他专业模型，也就无法对其进行显示设置、自定义选择链接视图等操作。因此，机电模型需将建筑模型、行李系统模型、结构模型以及幕墙模型等分别进行链接，同时按照楼层平面，分别选择各模型对应的视图平面。即，机电专业设计师需对土建模型进行自行拼装，对于航站楼这样的大型工程，这个工作量无疑是巨大的。

2.2.4 建立提资视图、分区视图

建立好设计平面视图后，还需建立对不同专业的提资视图，可采用复制视图套用不同的视图样板来实现，在设计过程中通过传递、修改视图样板设置来满足本项目的要求。以给排水专业提建筑专业资料为例，针对不同的提资内容，可采用视图样板及过滤器对显示内容进行控制（见图4），建筑专业链接MEP模型后，选择对应的视图即可。

图4 提资视图、提资视图样板及提资过滤器设置示意

和CAD视口分区域出图的方法类似，大型工程在Revit中也需要设置分区视图，为保证各专业分区图纸表达的准确性，在正向设计中分区视图应提前完成。通过创建范围框，复制作为相关视图，选择对应范围框等操作建立各楼层的分区视图。，例如：F区各层需设置7个分区，平面视图和分区视图关系见图5。

2.2.5 各系统设计

在完成以上基础设置后，即可在模型中进行给排水系统的设计和创建。Revit正向设计中管道、阀门附件和设备的创建和传统CAD二维设计类似，都是在平面视图中进行，仍然是通过绘制管道和设备、连接管道、连接设备、设置阀门附件以及标注等基础操作组合而成；不同之处在于模型中增加了标高、设备参数等空间及设计参数。需要指出的是，模型创建中涉及到的标高信息，也就是传统设计中所涉及到的管道综合，应在贯穿于整个正向设计过程，不应作为后置阶段。

2.3 图纸生成、模型提交

行业内Revit模型出图通常有两种方案，一种是导出dwg文件进行后处理，套图框出图;另一种是直接在Revit中生成PDF出图。为更好的与正向设计思路相契合，减少后处理的重复工作量，本项目采用方案二，从Revit中直接出图。本项目一张平面图中包含以下部分：楼层平面、防火分区示意图、轴网、区位图、图框及图签。通过Revit选择对应的楼层平面视图和图框大小，建立图纸；通过新建楼层平面的方式建立防火分区示意图；利用Revit图例功能创建各区域区位图；链接CAD分区轴网做为出图使用；在项目信息、项目参数以及图纸属性面板中设置图签信息。最后，可以在导出面板中设置打印基础信息，完成出图。

本项目给排水专业所有系统均采用正向设计，所有平面图（包含给排水平面、消防水平面以及自喷平面图）均从Revit模型中直接生成PDF图纸，共计292张，并满足施工图审查要求。创建好的模型虽然可以反应各系统的管道布置及原理，但为满足现行《建筑工程设计文件编制深度规定》及《建筑给水排水制图标准》的要求，各部位系统图及大样图还需通过CAD进行单独绘制。

另外，长沙黄花国际机场T3航站楼全专业BIM模型还满足《湖南省BIM审查系统模型交付标准》中的深度要求，并通过了系统审查。在正向设计过程中，以传统二维设计内容为基准，结合BIM设计的特点以及《湖南BIM审查系统建模指导手册V1.4》中的要求进行模型的创建（见图5），通过插件导出为XDB格式的3D模型文件，上传至湖南省审图平台，平台基于《湖南省BIM审查系统技术标准》通过读取视图、族以及管道等信息进行智能审查，并人工复核。

图5 XDB数据建模要点示意

谈到BIM技术在设计阶段的应用，提到最多的就是管道综合。事实上，随着设计对精细化程度要求的提高，软件及插件的完善，BIM技术在机电设计阶段的应用场景并不仅限于管道综合。在本项目中，给排水专业将BIM技术在以下几方面进行了应用。

3.1 可视化应用

3.1.1 查验重点区域水炮有效保护区域

航站楼高大空间区域的自动水灭火措施通常选用自动跟踪定位射流灭火系统，而传统设计方法所布置的自动跟踪定位射流灭火装置（即水炮）容易产生保护盲区。本项目两舱外侧走道或空路侧分界处虽然位于水炮保护半径内，但走道外侧设置有玻璃栏杆，对水炮保护水柱产生了遮挡影响；出发大厅、候机区存在较多房中房，对水炮的保护水柱也产生了遮挡影响。设计过程中采用Rvizto在模型中对重点区域进行针对性的人工漫游检查，对于一些死角区域补充水炮点位或增设自动喷水灭火系统（见图6）。

  图 6 采用Rvizto在模型中进行漫游检查水炮保护盲区

3.1.2 推敲雨水立管设置方案

航站楼建筑对美观要求较高，雨水立管通常选择藏于结构钢管柱内，但不能暗埋在钢筋混凝土柱内。因此，需要协调建筑、结构、装饰及幕墙等专业共同确定雨水立管的设置部位及安装形式。传统设计中，因缺乏专业间协同的建模软件，对于雨水立管的布置方案推敲不能准确、实时的进行。而本工程正向设计前期，设计团队在Revit中对雨水管设置于结构柱边、抗风柱边以及抗风柱正前方等几种布置方案进行建模，最后通过模型效果选定雨水立管设置于抗风柱正前方的布置方案（见图7）。因幕墙边结构梁布置较为复杂，雨水立管穿楼板处还需结构调整梁布置留出穿板空间，幕墙专业与给排水专业配合预留雨水立管安装的管件接口。

图7 明敷雨水立管设置于抗风柱正前方的布置方案

3.1.3 重点区域消火栓设置与空间效果影响

航站楼因空间较大，在候机区、到达廊、安检区等部位存在多处独立设置消火栓的部位，这些消火栓点位的选取以及独立消火栓的造型直接影响空间效果。以国际到达廊为例，通常消火栓设置和安装方式有到达廊内墙嵌入安装，人行步道旁落地安装或者靠幕墙落地安装等方案。本项目因人形步道长，内侧与墙体空间不足，无法设置足够数量的消火栓。因此，需要在外侧增设独立消火栓。设计初期，给排水专业与装饰专业共同确定独立消火栓装饰后的尺寸，在Revit中建立消火栓设置于步道和幕墙边的两种方案供设计团队和建设单位研判。最终通过在步道、走廊等不同部位进行有针对性的虚拟漫游确认，并结合到达廊旅客人行流线方向及消防时人行流线特点得出最佳布置方案。即，将消火栓设置在顺旅客人行流线方向的抗风柱背后（见图8），既满足消防要求又能最大限度满足装饰美观要求。

图8 国际到达廊独立消火栓布置方案

3.2 空间管理

BIM技术的应用场景在推广初期被提到最多的就是管道综合，因为管道综合是传统设计流程、施工及后期处理过程中矛盾最为突出的环节，在设计阶段解决管道综合也被各方认为是最直观的收益。但，对于长沙黄花国际机场T3航站楼这样的大型公共建筑，精细化设计是必然要求，随着建筑模型信息的丰富，设计团队认为仅考虑机电专业的管道综合无疑是非常初级的应用。本项目在设计过程中由建筑专业牵头，协调结构、装饰、机电专业对整个航站楼区域进行了空间管理。设计初期由建筑专业针对重点区域，如：管廊、部分区域管道层、国内集中商业区、行李提取厅等部位绘制剖面图，以有效的控制吊顶标高，指导机电专业控制管道走向以及为结构控制梁高及预留孔洞提供指导意见。

除遇到专业间的复杂碰撞空间外，即使单专业走管，也存在很多复杂区域。本项目消防水箱设置于网架内，需协调结构及金属屋面保证足够的水箱安装及走管空间；报警阀间设置于地下管廊内，管廊上部设有通风地沟，顶部标高复杂。面对这些问题，在正向设计时，充分利用模型的三维视图，对复杂区域进行精细化设计，以保证土建条件的可行性以及设计的落地性。

这样的空间管理贯穿整个设计过程，随着设计的深度，建筑专业不断更新和调整重点区域的剖面以保证设计的准确性和可延续性（见图9）。

图9 重点区域空间管理示例

3.3 协同设计

协同设计的本质就是专业间和专业内的信息传递，在BIM正向设计的建筑信息模型中，模型作为一个统一的信息交互平台，协同设计就是一个与之共生的应用场景，部分信息的传递甚至可以实现自动化。随着Revit二次开发的深入，越来越多跨专业的协同设计场景被实现。在本项目中，给排水专业除通过模型提供立管、地漏、消火栓、设备、荷载等数据供土建专业使用外，还与弱电智能化专业合作确定消火栓族在粗略和中等模式下的样式，弱电智能化专业可以通过插件直接读取消火栓，并调整显示详细程度变为消火栓按钮并连线。当消火栓调整时，按钮自动调整，实现上下游专业设计的一致性。同样，消防阀门、水炮等附件均采用类似的方式，实现与弱电智能化专业更为准确和流畅的协同设计。

3.4 参数化设计

参数化设计是Revit的重要理念，主要是由参数化引擎和参数化图元构成。调整某一管道、设备参数，所有视图、图纸、剖面都对应修改，这是Revit基于统一建筑模型数据库下最基本的参数化设计表象，设计行业所谈论的参数化建模是一个更高阶、高效的功能，目前在建筑给排水设计使用较少，本项目在设计过程中尝试了相关应用场景的探索。长沙黄花国际机场T3航站楼所包含的给排水设备较多，设计过程中通过Excel对设计参数（流量、扬程、功率等）进行管理，通过Revit自带的Dynamo可视化编程，实现参数从Excel到Revit模型的传递和修改。为满足现阶段二维出图表达习惯的要求，出图前需对立管进行细显、横管粗显的操作。本项目机电各专业共用一个模型，若采用市面上一些插件对管道进行处理，必然带来权限以及跨专业的显示影响，例如对暖通水管带来影响。因此，本项目设计中采用了我院数创中心利用Dynamo编写的批量化操作，对本专业立管进行处理。其基本原理为：筛选属于本专业的管道，为管道增加一个“是否立管”的标签，从管道中筛选出立管，再将“是否立管”的标签设置参数为“是”，最后通过新增过滤器，设置图形替换实现显示控制要求。

作为一个全专业采用BIM正向设计、出图以及通过审查的大型国际机场航站楼项目，虽然设计团队完成了预期工作，但付出了超过传统二维设计几倍的人力和时间投入。随着我院相关数字化课题的开展，解决了BIM技术在推广初期存在的族库不全、无高效应用插件的问题。BIM技术也从一开始的小项目翻模应用场景，到本次实现了53万m2的正向设计应用场景。受限于现阶段设计软件效率及表达方式，在设计过程中仍然存在着许多细节问题。虽然部分问题通过了折中的办法解决，但是对于航站楼这样大型的公共建筑项目，仍然极大的影响着生产效率。

4.1 软件操作、效率类

Revit和AutoCAD软件类似，因底层设计原因，在设计建模过程中只能调用CPU单线程，随着模型数据的增加，卡顿是必然的。本项目在设计前期就将模型进行了拆分，土建还根据楼层进行了拆分，机电因考虑竖向关系的便利性，未再按层拆分。以F区为例，到设计后期，缩放移动、插入阀门、生成三通等基础操作均需要3~5s的时间才能完成，卡顿十分明显。

Revit中所有引出标注均属于常规注释族，而本项目给排水专业按照给排水和消防水分别出图，当需要按照系统筛选标注时，就存在无法分类的问题。在本项目设计前期，将所有的引出标注复制多个，按照系统进行分类修改族名称，在标注时严格对应系统和注释族名称。

对于通过分区视图出图的项目，虽然Revit提供了较为智能的轴网分区显示功能，但对于分区边界的尺寸线仍需要手动补全。且对于大型项目，一旦打开模型内轴网，因处理信息过于密集，卡顿会更加严重。本项目在实际操作过程中，各分区视图采用链接通过CAD制作好的分区视图，以减少卡顿影响。

现有基于Revit软件下的BIM正向设计模型，信息的传递模式仍然是独立的、阶段式的。在设计过程中，幕墙专业的模型是通过Rhino完成并分阶段导入Revit模型中，当更新不及时就导致了信息的不对等，出现例如给排水专业的雨水立管未与幕墙抗风柱对应等情况。面对这样单向、阶段式的信息传递模型，设计过程中只能通过提高导入模型的频率来解决。

4.2 图纸表达类

复杂工程在同一个楼层平面上往往存在多个标高，土建视图平面通过设置合适的视图范围即可解决，但机电专业却很难做到，比如在集水坑、高差较大的区域会出现潜水泵不显示，下部楼层管线出现在本层视图平面的问题。在本项目中，对于同一楼层存在标高变化的区域，建立局部视图范围控制视图范围。但，对于交界位置的管线仍然存在显示错误，需要手动隐藏，且分区视图、图纸中也存在隐藏失效的情况，需要再次手动隐藏。

Revit图纸视口族与国标标题栏不能很好的兼容，本项目各张图纸图名长短不一致，视口族、标题族无法自适应图名长度。生成图纸时，我们采用设置不同长度的标题族及视口族以满足出图表达标准。

在现有二维出图标准下，大型工程各分区图纸上应包含区位图、防火分区示意图等信息。Revit由于底层设计原因，导致同一视图不能出现在多张图纸中。本项目，设计团队对防火分区示意图复制多个视图进行添加，利用Revit图例功能设置区位图。

可以看到，由于Revit本身水土不服以及现有二维出图标准与三维设计不匹配等原因，造成设计过程中许多软件效率和图纸表达类问题需要进行特殊处理。虽然都有了相应的解决办法，但绝大多数的操作属于纯粹的增加工作量，对于BIM正向设计并没有任何促进作用。

4.3 工作量匹配问题

BIM技术一直被整个行业推崇为建筑工程信息化的发展趋势，人们在谈论建筑设计转型时，会下意识用“甩图板”时代类比现在的二维转三维时代，认为是在现有全产业链框架下提高了设计效率。但是，手绘转向计算机CAD设计是一个单纯的提高设计效率的变化，仍然是二维设计框架下的设计方式和流程；BIM正向设计则是在二维设计的基础上增加了许多设计信息。对比二维设计，现阶段BIM正向设计中存在两方面矛盾，一方面是因软件效率带来的时间浪费，另一方面是新增加的信息带来的设计工作量增加。目前软件效率问题是在BIM正向设计推广中最突出的矛盾，让BIM正向设计中一些值得思考的问题被掩盖，而第二个矛盾才是BIM正向设计推广过程中最本质、最重要的矛盾。例如：BIM正向设计模式下的工作量分配、设计周期、管道综合工作模式等。本项目在设计完成后，以C指廊为例，分专业统计模型构建数，并通过插件对模型分专业导出（见表1）。

表1 C指廊各专业模型导出大小及模型构建数量

可以看出给排水专业无论构建数还是模型大小均很突出，与现有各专业间设计工时不匹配。这也是BIM正向设计阶段亟待解决的问题。

另外，BIM正向设计下，管道综合也是一个不可避免的工序，区别于二维设计下的后管综，BIM正向设计模式下的管道综合应贯穿于整个设计流程，同时不应该只是“管道”综合，更应该是由主导专业牵头完成的空间管理。类似空间管理这样的工序，二维设计时大部分工作是结合施工阶段完成的，而BIM正向设计模式下，将施工、运维阶段的部分工作前置到设计阶段，设计工作量与现阶段设计周期、收益严重不匹配，那么整个产业链是否应该做出相应的调整。

4.4 BIM协同设计

BIM设计不应该只局限在一个软件平台下，而应该是各专业选择合适的软件进行协同工作。市面上现有大部分建筑行业的软件公司仍然是重点开发基于Revit的插件，企图用一个软件囊括所有专业，陷入类似“二次开发CAD”时代的怪圈。无论从国际形势还是下一阶段行业发展来看，建筑工程图形平台的国产化是必然趋势。而OpenBIM是一个目前适合国内BIM正向设计的方法，它是基于开发的数据标准和工作流程，建筑工程全产业链全专业采用各自适用的软件，基于统一数据标准进行信息传递和交互，真正有望实现建模信息模型流转于整个建筑生命周期内各个阶段。BIM模型的起点是设计，设计院应充分培养一批懂设计的开发人员，在数字化转型的大背景下，开发真正适用于设计阶段的BIM正向设计软件。

随着“十四五”规划的实施，工程勘察设计行业及建筑行业对数字化协同设计、三维图形平台、数据管理平台、BIM标准体系以及BIM智能化审查的持续探索和研究，BIM技术的优势逐渐显现，建筑工程设计必将迎来全面的BIM正向设计时代。

通过长沙黄花国际机场T3航站楼BIM正向设计，给排水设计团队充分探索了BIM技术在设计阶段的应用场景。航站楼建筑对空间呈现效果要求较高，通过模型的可视化设计，辅助全专业人员参与机电方案的推敲，提高了专业间配合精细度；对于复杂的空间区域，可视化模型还降低了设计难度，提高空间的利用率和设计的准确性。BIM正向设计中探索了参数化以及专业间协同方法，提高了部分专业间配合的时效性和准确度。在后续的施工阶段，将由施工团队继续维护模型，模拟和指导现场施工，最终将模型运用于运营阶段，以实现BIM全生命周期的应用。

在设计过程中，也存在因Revit软件性能和操作习惯以及现阶段设计周期和设计标准等因素导致的不足。例如：图纸表达方式无法完全满足国内现阶段设计标准；设计周期和软件性能受限，无充足的时间在模型中创建详细的给排水接口以及按坡度创建排水管。

建筑行业和工程勘察设计行业数字化转型将对建筑行业带来巨大改革。作为建筑工程设计重要的组成部分，建筑给排水专业也需要为迎接此变化做好充分的准备。除开发相关的设计工具外，可结合设计与开发的力量，重点完善水力计算和模拟的相关软件。随着新型计算平台（AR、VR、MR及XR）的出现，建筑工程三维可视化设计是最终实现方式，而现阶段以二维视图为主的三维设计软件都只是过渡产品。但是，受限于计算机芯片的性能，这样的过渡阶段对于全体建筑行业从业人员来说，属于我们的必经之路。