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摘要：建筑信息模型（BIM）在建筑行業正得到廣泛應用，特別是在設計階段。然而，多數研究與實踐主要考慮了BIM對設計的輔助作用，而較少考慮BIM與設計流程的有效融合，特別是設計與施工的協同。為此，通過分析傳統建筑設計流程存在的問題及BIM在設計中的潛在優勢，明確了面向設計-施工一體化的BIM輔助設計的應用模式，建立了面向設計全過程的BIM輔助設計流程及BIM模型文件組織方式。這可為在設計-施工一體化建筑項目的設計中深度應用BIM提供參考。

關鍵詞：BIM；建筑設計；應用模式；應用流程；協同設計

建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）正得到各國建筑業的廣泛關注。通過改變傳統的作業方式與手段，BIM可以支持建設項目各階段信息的有效集成與共享，從而提高整個建設行業的生產與管理效率。BIM在建設項目設計階段的應用，從一開始就得到了廣泛關注。但當前BIM在設計階段的應用成效仍沒有得到充分的展現，只以部分功能應用為主，如碰撞檢查、空間分析等。為了提高BIM在設計方面的應用成效，一些學者也開展了相關研究。應宇墾等[1]分析了BIM對傳統應用流程的影響，將其分為新增型、改善型、融合型等三類，并分析了每種類型的特點及BIM應用所屬的類型。張曉菲[2]分析了BIM在設計單位的應用現狀和障礙，提出了基于BIM的設計流程優化，設計出BIM團隊與傳統設計融合的工作流程。高興華[3]提出了基于BIM的協同設計方法和流程，包括協同設計手冊的編制、項目執行計劃的制定、工作團隊的組建、工作分解、協同工作平臺的建立、項目實施等6個步驟。邵光華[4]通過對BIM相關軟件的分析，提出了面向協同設計的BIM建模方法。王巧雯等[5]通過分析設計專業內和專業間的協同模式，探索了基于BIM的多專業協同設計流程框架。張銘[6]針對建筑、結構和機電專業的協同設計需求，結合協同設計檢測標準確定了多專業協同設計的方式。蔣琴華等[7]探討了施工圖設計階段BIM設計協同的工作模式。閆帥等[8]分析了BIM輔助異形鋼結構設計與施工的情況。此外，一些研究關注了BIM輔助的綠色建筑設計[9]、建筑照明設計[10]、建筑消防設計[11，12]等專項應用。現有研究探索了BIM應用對設計流程的影響、設計過程中多專業協同的實現及一些專項設計，推動了BIM在設計階段的應用，但主要考慮了設計本身的需求，較少考慮施工階段的需求以及正向設計。為此，一些研究結合BIM探討了設計-施工一體化問題。桑培東等[13]提出了針對BIM應用于設計-施工一體化項目的價值分析模式。黃耀慶[14]分析了BIM模型跨設計-施工階段傳遞的問題，提出了保障有效傳遞的針對性建議。蔣學紅等[15]分析了BIM支持設計-施工一體化的價值和策略，并提出了相應的路徑。這些研究為BIM輔助設計-施工一體化實現提供了參考，但主要從價值、建議和策略方面進行了思考，較少從正向設計的角度確定BIM輔助設計-施工一人本化的具體方案，即將BIM與設計流程的正向有效融合，并支持施工實施。本文將結合傳統建筑設計流程的不足和BIM在設計中潛在優勢，明確BIM輔助建筑設計的基本模式，建立集成BIM的建筑正向設計流程，支持為拓展BIM在建筑設計過程中的深度應用提供參考。

1傳統設計流程的問題分析

傳統的建筑項目設計流程如圖1所示[16]。首先，建筑設計師根據業主的設計目的和要求進行建筑方案設計，結構專業和設備（Mechanical，ElectricalandPlumbing，MEP）專業的工程師根據建筑方案，形成本專業的設計方案，并將本專業的要求反饋給建筑設計師，以進行整體設計方案修改和協調。然后，進行建筑初步設計，同時結構工程師和設備工程師進行各自專業的初步設計。最后，各專業工程師繪制施工圖及節點詳圖，并交付給施工企業，施工中遇到問題時設計單位與施工企業及業主共同協調；工程竣工后需要根據實際情況完成竣工圖。由此可以看出，傳統建筑設計流程存在以下問題：（1）專業設計線性化。建筑設計的早期階段只有建筑設計師的參與，后期其他專業才陸續跟進。這種時序化的設計模式，使得相應設計階段所需要的專業技術支持和設計優化難以實現。比如，在設計初期，建筑設計師需要考慮結構柱網布置、復雜工程的設備管道布置等問題，此時如果有結構和設備專業的設計人員參與，并給出專業意見，就可以避免后期結構或設備設計時發生的很多問題，減少設計變更與重復設計。（2）專業設計獨立化。建筑、結構、設備各專業各自獨立進行設計，并通過定期會議的方式進行設計協調。由于傳統的二維圖紙或三維設計模型是獨立的，即在各專業間缺乏參數化關聯，因此設計協調的效率較低，錯誤率較高。（3）性能設計欠缺。在設計前期，建筑設計師的設計重點往往是建筑的外觀形態，而室內環境的需求（如通風、采光、采暖）很可能被忽略。但室內環境的質量好壞是建筑使用者評價建筑的主要考慮因素，室內舒適度的不足也會導致建筑使用期間運營成本的增加。此外，對建筑的節能設計通常較為滯后，有的甚至在施工圖設計完成后才進行節能設計，與綠色設計和建筑可持續發展的要求相差甚遠。

2BIM在設計中的優勢分析

將BIM應用于建筑項目設計過程中，與傳統的設計行為相比，主要優勢體現在以下4個方面。（1）設計可視化。BIM的三維可視化功能不僅能用來生成各種設計效果圖，還能支持可視化的溝通和決策過程，使得溝通內容更加直觀，專業設計師與業主等非專業人員之間的溝通更加充分，決策更為準確。（2）設計集成化。BIM的集成化功能使得各專業設計人員可以在較為統一且直觀的三維協同環境中進行設計，并進行階段性的碰撞檢測等，以便在設計階段就解決施工中可能出現的碰撞問題，提高設計的可建造性。（3）設計參數化。BIM的參數化功能使得各專業設計信息高度關聯，形成一個有機的設計信息體，從而減少或避免由某一專業設計修改或變更所帶來的其他專業設計的不一致性，以保證整體設計的統一性。（4）設計模擬化。BIM相關工具能結合BIM模型進行各種模擬分析，如日照模擬、熱能傳導模擬等，這可為設計方案分析與優化提供支持。由此可見，BIM有助于解決上述建筑設計流程中存在的問題，從而提升設計的質量、效率和溝通效率。但這需要適用的融合BIM的設計實施模式和流程才能實現。

3BIM輔助設計的模式劃分

結合BIM技術的特點及我國建筑設計企業的發展現狀，按照BIM支撐設計的方式與深度，可將BIM輔助設計的模式分為三類。（1）初級設計BIM。初級設計BIM是在建筑施工圖出圖后或開始施工后，BIM團隊按照設計圖紙進行BIM建模與應用的模式（見圖2）。其中，BIM團隊可以是設計企業內部設立的BIM部門，也可是外部的BIM咨詢服務團隊。在該模式下，BIM模型只是設計階段的結果，而非設計者的工具。模型可以應用于碰撞檢查、工程量統計等業務，對工程施工有一定的輔助作用。但由于BIM模型是在設計出圖后建立，因此應用價值相對較低或不全面，對設計的輔助很有限。目前，國內嘗試應用BIM的企業或部分較為復雜的管線綜合BIM業務，多選擇此類應用模式。（2）中級設計BIM。中級設計BIM是利用BIM技術對設計師的設計工作進行輔助，幫助設計師高效地推敲設計方案，實現各專業間的協同、分析與快速出圖等功能的應用模式（見圖3）。盡管該模式仍然依賴單獨的BIM團隊來配合，但其覆蓋了初步設計、施工圖設計和施工3個階段，能夠較好地發揮BIM模型的多個優勢，故在行業內已經有較為充分的應用。但由于設計師無法自如地將BIM與自己的設計業務集成起來，故不利于BIM在設計階段的深度應用。目前，國內多數建筑設計企業在應用BIM時采用此類模式。（3）高級設計BIM。高級設計BIM是設計師直接使用BIM相關工具進行設計的模式。設計師以BIM模型為載體與業主、施工單位等各干系人進行溝通與協作，并在設計階段考慮施工對模型的需求，使得模型交付后施工方可直接修改使用（見圖4）。此模式要求設計師熟練掌握BIM相關軟件，并有豐富的協同經驗。在設計與施工過程中，BIM模型作為核心信息體貫穿始終，實現了流程優化和各方協同，這是設計方式的變革。但因其對設計者要求較高，且改變了傳統的設計方式，國內建筑設計企業目前較少采用此類應用模式。可見，從初級設計BIM到中級設計BIM，再到高級設計BIM，BIM支撐設計的程度不斷加深，即從基本的軟件操作過渡至協同設計。盡管我國建筑設計企業對于BIM的應用仍以前兩類為主，但是隨著BIM技術的發展和設計人員思想的轉變，高級設計BIM應用模式將會成為未來發展的主流。因此，本文將基于高級設計BIM應用模式構建集成BIM的建筑設計流程，為BIM在建筑設計中的全方位應用提供參考。

4BIM輔助設計的流程構建

根據上述高級設計BIM應用模式，在構建BIM輔助建筑設計流程時，首先應充分考慮設計師在方案設計、初步設計與施工圖設計階段依托BIM模型實施的設計業務，將BIM與設計流程和業務有機融合。再考慮施工階段對BIM模型的實際需求，并融合至設計流程中。此外，還應考慮建筑設計師、結構工程師、設備工程師、業主、造價工程師、供應商、施工顧問等之間的基本協作需求。基于此，BIM輔助設計流程可從方案設計、初步設計和施工圖設計3個方面進行構建與描述。

4.1輔助方案設計流程方案設計即在工程規劃的基礎上深化各專業的實現方案。這既要考慮建筑物內部各項使用功能的合理布置，還應處理建筑物與周圍環境甚至城市規劃的關系，且要全方位評估不同的設計方案，進行方案比選。此過程將涉及建筑設計師、結構工程師、設備工程師等人員。在高級設計BIM應用模式下，BIM輔助建筑方案設計的流程如圖5所示。（1）方案造型設計。建筑設計師使用BIM軟件進行建筑造型設計。結構和設備專業的設計人員也應參與其中，從自身專業的角度為建筑方案提供建議，使建筑師在設計前期就考慮到后期結構的布置及設備管道的設置等問題，減少后期的設計變更。（2）方案模型分析與優化。依托建筑設計方案模型和相關BIM軟件，建筑設計師進行建筑各項性能分析，如日照分析、風環境分析、隔音分析等，并根據分析結果對設計方案進行修改和優化。（3）方案比選。建筑設計師根據性能分析結果與可視化呈現，評價不同設計方案的能耗、外形、空間分隔等方面的優缺點。將方案比選結果遞交業主和相關部門進行審批，以確定設計方案。（4）完成方案設計模型。建筑設計師根據審批結果完成方案設計BIM模型。結構和設備專業工程師基于建筑模型完成結構模型和水暖電設備模型，并將各專業模型進行二維圖紙輸出，二維圖紙與三維模型都作為交付文件存檔。

4.2輔助初步設計流程在初步設計階段，設計師在方案設計的基礎上進一步深化設計，解決實現方案設計的技術難點。相關參與人員包括建筑設計師、結構工程師、設備工程師、業主和造價工程師。（1）專業分析。利用方案設計階段的成果即各專業設計BIM模型，由建筑、結構和設備專業的設計師進行設計性能分析，如基于建筑模型的疏散分析、基于結構模型的結構分析、基于設備模型的管線綜合分析等。根據分析結果修改并進一步細化BIM模型，以達到初步設計階段的模型精細度要求。（2）設計綜合檢查。各專業設計人員將各專業BIM模型整合生成綜合BIM模型，對綜合模型進行碰撞檢查、空間分析等，并修改設計存在的問題。造價工程師利用綜合模型和造價軟件進行工程量測算和計價。最后，對BIM模型進行渲染并制作動態視頻，輸出二維圖紙。這些設計成果最終交由業主審批。

4.3輔助施工圖設計流程在施工圖設計階段，設計師在初步設計的基礎上進一步深化和完善設計產品，解決各細部的構造方式和具體做法，并應具體體現細部與整體、各專業系統間的相互關系[17]。相關參與人員除建筑設計師、結構工程師、設備工程師、業主和造價工程師外，還應包括供應商和施工顧問。BIM輔助施工圖設計的流程如圖7所示。（1）明確設計意圖。各專業工程師與施工顧問應進行當面交流，依托綜合BIM模型明確設計意圖，討論可以實現的施工技術，以便設計模型可以更好地服務于施工階段，如施工過程模擬等。（2）材料和設備參數確定。依托綜合BIM模型，設計人員與業主、施工顧問、設備和材料供應商共同確定相關設備和材料的規格、型號等參數，作為后期節點詳圖的設計和材料屬性的輸入。（3）設計模型深化。基于上述討論結果，各專業設計人員對初步設計階段的模型進行深化，輸入材料、設備的參數，對建筑關鍵部分進行節點模型的建立，并輸出各專業的二維施工圖。由于現有BIM軟件仍存在不足，結構和設備專業的出圖率并不能達到100%，因此在出圖時要采用二維與三維相結合的方式進行。對于三維模型生成的圖紙，可在制圖軟件中進行適當補充，不必過度要求模型細節的完整性，以免增加不必要的工作量。（4）模型綜合檢查。類似初步設計階段，將各專業設計模型再次整合生成綜合BIM模型，對綜合模型進行碰撞檢查等分析，并修改出現的問題。同樣，造價工程師利用綜合模型進行工程量測算和計價。最后，進行綜合模型渲染并制作動態視頻，輸出二維圖紙。設計成果交由業主審批，審批通過后交付設計模型與圖紙，以服務于施工。

5BIM輔助設計的文件組織

為了支撐上述BIM輔助協同設計的實施、保證各專業內部及專業間BIM模型的銜接，需明確BIM模型文件的組織方式。當前協同設計主要有鏈接和工作集兩種文件組織模式。鏈接模式是將各專業的模型文件通過外部鏈接進行協同，在設計過程中的每個階段性時間點進行專業間的綜合分析。與傳統的二維協同設計比較相似，設計人員只能對自己的模型進行處理，鏈接的模型只能為其提供可視或空間定位參考，無法供其編輯；鏈接模型中的圖元也不能相互借用。鏈接模式是一種文件級的階段性協同設計模式[13]；工作集模式是設計人員對同一個模型進行設計，設計的內容能夠及時同步到中心文件中，每個設計人員負責中心文件內的某一工作集。工作集模式下，設計人員之間可以互相調用對方的圖元進行自己的設計。每個工作集的設計人員在工作一段時間后即將自己的成果保存到中心文件，團隊其他成員更新后即可查看。工作集模式是一種數據集的實時協同設計模式[13]。表1比較了兩種文件組織模式的優缺點。可以看出，兩種模式分別有各自適用的項目類型，優缺點也有一定的互補性。因此，在每個項目設計過程中，設計方應結合項目的特點，比如形體復雜程度、可拆分性、工程量等，靈活采用BIM模型文件組織方式。本文針對大多數建筑項目的共性，結合鏈接和工作集的優勢，設計了一個適用性較強的文件組織方式，如圖8所示。該模式將項目中的單體建筑按照專業不同，劃分為建筑、結構、設備三類模型，用鏈接模式相關聯。設備專業的給排水、暖通、機電專業關聯性較強，需要進行即時協同以進行不同系統的協調工作，因此采用工作集模式將設備中心文件分為3個專業的工作集。建筑、結構及水、暖、電各專業內部同樣需要即時的整合和協調，因此也采用工作集模式。每個階段模型整合時，結構、設備模型導入建筑模型中，整合成包含建筑全部內容的綜合模型。

6結語

BIM在建筑設計階段的有效應用與否，直接影響到其在后面各階段的應用成效。盡管當前研究與實踐對BIM輔助設計的關注較多，但當前BIM與建筑設計流程融合度不高仍是一個關鍵問題。本文從建筑設計全流程分析了傳統設計流程存在的問題，以及BIM支撐建筑設計的潛在優勢，明確了BIM輔助設計的初級、中級和高級3種模式，并基于以BIM模型為核心面向設計-施工一體化的設計BIM應用模式，建立了面向建筑設計全過程的BIM具體應用流程及BIM模型文件組織方式。該流程充分考慮了建筑方案設計、初步設計和施工圖設計等各階段的實際業務需求，從各階段參與方協同的角度將BIM融合于設計業務中。這有利于建筑設計過程中BIM價值的充分發揮，可為行業深度應用BIM提供有效參考。

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作者:丁熠 潘在怡 郭紅領 單位:中交第三公路工程局有限公司建筑工程分公司 清華大學