建筑信息模型在中交南方总部大楼项目中的应用

0 引言

建筑信息模型（ Building Information Modeling ，简称 BIM ），是在开放的工业标准下，对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命期信息的可运算形式表现，从而为决策提供支撑，以便更好地实现项目的价值。 BIM 为我国建筑业带来的不仅是简单的操作工具的改变，也不仅是工作效率的提高，它更是集技术、管理和方法论的统一，是整个行业操作模式的彻底革命，是我国建筑数字化、信息化的先驱 [1] 。

基于企业战略，决定了 BIM 不仅仅是技术和工具，而且希望通过 BIM 覆盖并提升传统业务价值，拓展其全生命周期服务的价值。有鉴于此，公司研发团队计划通过“两阶段”实现 BIM 上述目标。在初期阶段，首先通过对多个大型建设、设计单位的学习调研，确立今后的发展方向；再根据设计公司的自身特色和项目特点，定制适合于企业的 BIM 标准和三维协同设计流程；同时结合实际工程项目的施工图设计，开展信息化建模及多专业三维协同。然后在第二阶段，根据已有的研究基础，立足于实际项目，将 BIM 技术应用于设计全过程，同时结合仿真分析，逐步实现 BIM 技术在项目全生命周期中的应用。

BIM 在中交南方总部大楼项目中的应用正是计划实施的第一阶段主要工作，本文是对这一部分工作的总结和归纳。

１　项目概述

拟建的中交南方集团总部项目位于广州市海珠区；地上 43 层，地下 3 层；地上部分由一栋高层办公楼和附楼组成。主楼为高层办公楼，建筑面积约 95385 ㎡ ，建筑物总高度 198.9m ，属超 B 级高度高层，平面尺寸为 47.5x47.5m ，采用钢筋混凝土框架 - 核心筒结构（框架柱采用钢管混凝土叠合柱），核心筒平面尺寸为 22.4 × 22.6m 。该建筑的沿江透视图如图 1 所示。

２　BIM的实施过程

团队结合“中交集团南方总部项目”的施工图设计，运用 Bentley 系列软件，开展信息化建模及多专业三维协同，利用信息化模型在实际项目施工前期检查、排除以往难以解决的各类问题，并在此模型平台上尝试进行施工图生成、 CFD 模拟分析、施工模拟等工作。

2 .1 三维模型搭建、修改及可视化表达

随着城市建设的迅猛发展，以及日益丰富的建筑功能、造型等需求，出现了越来越多的新、奇、特、异建筑。这些建筑往往在造型、构件甚至建造工艺上突破常规，仅通过传统的平面手段及二维图纸通常难以表现。BIM 模型所能提供的三维可视化特性，意义显得越来越重大。


三维可视化作为工程沟通的有效媒介，可使业主、设计、监理、施工等各参与方，都能在同一模型环境下，进行正确地理解、沟通、协调，可有效提高工作效率，避免不必要的返工与浪费。同时，三维模型可随时虚拟现实空间，动态的观察推敲空间结构，展示各商业业态的要求，满足业主对施工图高标准设计要求。
设计团队结合项目施工图及后续修改方案，搭建并实时更新了中交南方总部大楼的三维模型，如图2所示。



2 . 2 三维协同工作

在设计阶段，过去通过二维CAD电子图纸采集信息来单向解决“信息孤岛”，无法实现设计信息的双向联动；而BIM技术的应用真正意义上实现了这一点，它将各种分散的二维CAD图纸和数据表格统一到信息化建筑模型中[2]。

为此，我们BIM团队在工作初期便开始尝试进行多专业的三维协同工作。基于同样来自于Bentley公司的Project Wise程序（以下简称PW），我们对项目标准空间配置进行了定制，建立了该项目在PW系统下的三维协同管理组织架构，如图3所示。通过参数化的变更引擎自动维持各种信息模型、文档之间的关联，保证参与BIM工作的各专业人员使用实时统一的项目环境，参考实时更新的各专业三维模型，甚至各专业的切图都是随模型同步更新过的，减少了来回检查、重复作业以及过程协调中的各种浪费，提高了设计过程的效率和设计质量。




2 . 3 三维碰撞检测及管线综合

在大型复杂的建筑工程项目设计中，设备管线的布置由于系统繁多、布局复杂，常常出现管线之间或管线与结构构件之间发生碰撞的情况，这不仅给施工带来麻烦，更影响建筑室内净高，造成返工或浪费，甚至存在安全隐患。

为了避免上述情况的发生，传统的设计流程中通过二维管线综合设计来协调各专业的管线布置，但它只是将各专业的平面管线布置图进行简单的叠加，按照一定的原则确定各种系统管线的相对位置，进而确定各管线的原则性标高，再针对关键部位绘制局部的剖面图。而对于大型复杂的工程项目，采用BIM技术进行三维管线综合设计有着明显的优势及意义。BIM模型是对整个建筑设计的一次“预演”，建模的过程同时也是一次全面的“三维校审”过程。在此过程中可发现大量隐藏在设计中的问题，这些问题往往不涉及规范，但跟专业配合紧密相关，或者属于空间高度上的冲突，在传统的单专业校审过程中很难被发现[3]。

表1是传统二维管线综合与三维管线综合之间的比较。


作为BIM应用初步阶段的主要成果，三维管线综合为该项目的设计及后期施工、安装提供了重要帮助。通过Bentley软件各模块的自检功能及Navigator的碰撞检测工具，发现并检测出各专业间的设计冲突，并及时反馈给各专业设计人员进行调整、修改模型，然后重新复核检测后将新的问题再次反馈给设计人员。如此往复几次，最终逐层完成各层的碰撞检测及管线综合工作。



2 . 4 三维抽图
在设计过程中，由于二维图形能反应的空间信息比较有限，设计人员的空间信息只能通过大脑模糊的形成。三维模型在这一点上的优势不言而喻。然而，目前行业内最惯常的设计图纸仍是以二维形式呈现，所有的制图标准及出图规则也均是针对二维图纸。因而在现阶段，采用BIM进行三维设计的成果，仍需要转化为二维图纸。













然而，在完成设计后重新绘制二维施工图不仅费时费力，也是对已有三维模型的浪费。因此，最简便、最有效的方法无疑是直接由三维模型抽取二维图纸。通过一系列的前期定制，并采用Bentley软件最新的Dynamic View功能，我们成功从已有的三维模型中抽取了二维管线综合剖面图，如图10所示。同时，在第一次标注时，通过关联设置将所做的标注与三维模型设定关联。这样一来，当我们的三维模型发生变化时，二维图纸将自动与三维模型同步，使设计人员能从繁琐的绘图操作中解脱出来，把精力关注于设计。




2 . 5 气流组织 (CFD) 分析

随着能源的日益紧张和人类活动对自然界的负面影响，如温室气体排放、环境污染等，严峻的现实促使人们对人与自然间的关系进行一次次的反思。其中，绿色建筑的设计正是其在建筑行业中的体现。绿色建筑强调建筑在全生命周期对于自然界的影响，包括节水、节电、降低建材消耗和碳足迹等，归纳来说即是尽可能减少建筑营造及运营过程中对自然界造成的负面影响。

通常对绿色建筑的检测、评估需要借助专业仪器以及缩尺甚至足尺模型，往往耗费大量的人力、物力，费时费材。而BIM技术的引入为绿色建筑设计提供了新的可能。通过包含真实尺寸、材料、空间及设备风口等信息的BIM模型，结合相应的专业软件进行模拟，可以以很小的代价实时的分析、评估各项指标，并便于设计师作出判断和调整。

基于已建立的BIM模型，我们将中交主楼门厅及风口位置导入专业网格划分工具进行网格划分，再导入CFD分析软件Ansys Fluent，如图11、12所示。再对暖通设备的喷口、回风口以及门厅幕墙、内墙设定相应的边界条件，对主楼门厅进行了气流组织分析（横向、竖向温度分布，人体高度温度、速度切面等），其中横向温度分布如图13所示。

采用类似的方法，还可以利用BIM模型进行室内热舒适环境评估（温湿度、风速等）、污染物扩散和换气效率、高大空间及分层空调环境预测、建筑物外风场模拟（包括区域风场模拟和计算风工程）、火灾场景气流模拟等分析[4]。







2 . 6 施工模拟

建筑施工过程是一项十分复杂的活动，尤其是近年来各类异型的现代建筑应运而生，在增加视觉美感的同时，也给项目施工带来了新的挑战。可以说，传统的建筑施工技术已越来越无法满足当代建筑的施工需求。

作为BIM的一项重要应用，虚拟施工[5]（Virtual Construction，简称VC）技术可谓生逢其时。简而言之，虚拟施工是实际施工过程在计算机上的虚拟实现。它采用参数化设计、虚拟现实、结构仿真以及计算机辅助设计等技术，在三维仿真软件及高性能计算机等设备的支持下协同工作，对施工活动中的人、财、物、信息流动过程进行全真环境的三维模拟，为施工的各个参与方提供一种易控制、无破坏、低耗费、无风险且能反复多次的实践方法，能有效提高施工水平，消除施工隐患，防止施工事故，减少施工成本及工期，增强施工过程中的决策、优化与控制能力，从而增强项目总承包及施工企业的核心竞争力。

同时，施工方通过建立BIM 模型，可使现场技术人员全面熟悉图纸，提前发现可能出现的施工问题，有针对性选择和优化施工方案；并且准确可靠的BIM 模型数据，可为施工生产、准备提供可靠数据支撑；同时，凭借激光扫描、GPS、移动通讯、RFID和互联网等技术，还可实现对施工现场的实时跟踪。

目前，我们团队正尝试将已完成的三维BIM 模型与施工进度相链接，形成4D施工资源信息模型，如图14所示。在下一阶段，还计划将其与施工资源及成本信息集成一体，将BIM从4D施工模拟延伸到5D成本控制系统，将BIM应用在三维协同设计的全过程（设计—分析—审核—出图），并为业主及施工单位提供施工模拟及运营管理，真正的拓展其全生命周期服务的价值。




3 　结论

通过我们研发团队的研究实战，我们打造起了自己的 BIM 团队，并在工作中制定了相应的工作流程和协同平台，并对 BIM模型的多领域应用做了一些尝试。在后续工作中，我们会对 BIM 系统进行更深一步的研究，建立起本土化的数据库和适合公司自身应用的企业标准，同时与建筑设计的各个专业协作发展，希冀通过不断的积累和努力，将 BIM 技术应用于设计全过程，并结合仿真分析，逐步实现 BIM 技术全生命周期的应用。