建筑项目设计模式与流程研究

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摘要：建筑信息模型（BIM）在建筑行业正得到广泛应用，特别是在设计阶段。然而，多数研究与实践主要考虑了BIM对设计的辅助作用，而较少考虑BIM与设计流程的有效融合，特别是设计与施工的协同。为此，通过分析传统建筑设计流程存在的问题及BIM在设计中的潜在优势，明确了面向设计-施工一体化的BIM辅助设计的应用模式，建立了面向设计全过程的BIM辅助设计流程及BIM模型文件组织方式。这可为在设计-施工一体化建筑项目的设计中深度应用BIM提供参考。

关键词：BIM；建筑设计；应用模式；应用流程；协同设计

建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）正得到各国建筑业的广泛关注。通过改变传统的作业方式与手段，BIM可以支持建设项目各阶段信息的有效集成与共享，从而提高整个建设行业的生产与管理效率。BIM在建设项目设计阶段的应用，从一开始就得到了广泛关注。但当前BIM在设计阶段的应用成效仍没有得到充分的展现，只以部分功能应用为主，如碰撞检查、空间分析等。为了提高BIM在设计方面的应用成效，一些学者也开展了相关研究。应宇垦等[1]分析了BIM对传统应用流程的影响，将其分为新增型、改善型、融合型等三类，并分析了每种类型的特点及BIM应用所属的类型。张晓菲[2]分析了BIM在设计单位的应用现状和障碍，提出了基于BIM的设计流程优化，设计出BIM团队与传统设计融合的工作流程。高兴华[3]提出了基于BIM的协同设计方法和流程，包括协同设计手册的编制、项目执行计划的制定、工作团队的组建、工作分解、协同工作平台的建立、项目实施等6个步骤。邵光华[4]通过对BIM相关软件的分析，提出了面向协同设计的BIM建模方法。王巧雯等[5]通过分析设计专业内和专业间的协同模式，探索了基于BIM的多专业协同设计流程框架。张铭[6]针对建筑、结构和机电专业的协同设计需求，结合协同设计检测标准确定了多专业协同设计的方式。蒋琴华等[7]探讨了施工图设计阶段BIM设计协同的工作模式。闫帅等[8]分析了BIM辅助异形钢结构设计与施工的情况。此外，一些研究关注了BIM辅助的绿色建筑设计[9]、建筑照明设计[10]、建筑消防设计[11，12]等专项应用。现有研究探索了BIM应用对设计流程的影响、设计过程中多专业协同的实现及一些专项设计，推动了BIM在设计阶段的应用，但主要考虑了设计本身的需求，较少考虑施工阶段的需求以及正向设计。为此，一些研究结合BIM探讨了设计-施工一体化问题。桑培东等[13]提出了针对BIM应用于设计-施工一体化项目的价值分析模式。黄耀庆[14]分析了BIM模型跨设计-施工阶段传递的问题，提出了保障有效传递的针对性建议。蒋学红等[15]分析了BIM支持设计-施工一体化的价值和策略，并提出了相应的路径。这些研究为BIM辅助设计-施工一体化实现提供了参考，但主要从价值、建议和策略方面进行了思考，较少从正向设计的角度确定BIM辅助设计-施工一人本化的具体方案，即将BIM与设计流程的正向有效融合，并支持施工实施。本文将结合传统建筑设计流程的不足和BIM在设计中潜在优势，明确BIM辅助建筑设计的基本模式，建立集成BIM的建筑正向设计流程，支持为拓展BIM在建筑设计过程中的深度应用提供参考。

1传统设计流程的问题分析

传统的建筑项目设计流程如图1所示[16]。首先，建筑设计师根据业主的设计目的和要求进行建筑方案设计，结构专业和设备（Mechanical，ElectricalandPlumbing，MEP）专业的工程师根据建筑方案，形成本专业的设计方案，并将本专业的要求反馈给建筑设计师，以进行整体设计方案修改和协调。然后，进行建筑初步设计，同时结构工程师和设备工程师进行各自专业的初步设计。最后，各专业工程师绘制施工图及节点详图，并交付给施工企业，施工中遇到问题时设计单位与施工企业及业主共同协调；工程竣工后需要根据实际情况完成竣工图。由此可以看出，传统建筑设计流程存在以下问题：（1）专业设计线性化。建筑设计的早期阶段只有建筑设计师的参与，后期其他专业才陆续跟进。这种时序化的设计模式，使得相应设计阶段所需要的专业技术支持和设计优化难以实现。比如，在设计初期，建筑设计师需要考虑结构柱网布置、复杂工程的设备管道布置等问题，此时如果有结构和设备专业的设计人员参与，并给出专业意见，就可以避免后期结构或设备设计时发生的很多问题，减少设计变更与重复设计。（2）专业设计独立化。建筑、结构、设备各专业各自独立进行设计，并通过定期会议的方式进行设计协调。由于传统的二维图纸或三维设计模型是独立的，即在各专业间缺乏参数化关联，因此设计协调的效率较低，错误率较高。（3）性能设计欠缺。在设计前期，建筑设计师的设计重点往往是建筑的外观形态，而室内环境的需求（如通风、采光、采暖）很可能被忽略。但室内环境的质量好坏是建筑使用者评价建筑的主要考虑因素，室内舒适度的不足也会导致建筑使用期间运营成本的增加。此外，对建筑的节能设计通常较为滞后，有的甚至在施工图设计完成后才进行节能设计，与绿色设计和建筑可持续发展的要求相差甚远。

2BIM在设计中的优势分析

将BIM应用于建筑项目设计过程中，与传统的设计行为相比，主要优势体现在以下4个方面。（1）设计可视化。BIM的三维可视化功能不仅能用来生成各种设计效果图，还能支持可视化的沟通和决策过程，使得沟通内容更加直观，专业设计师与业主等非专业人员之间的沟通更加充分，决策更为准确。（2）设计集成化。BIM的集成化功能使得各专业设计人员可以在较为统一且直观的三维协同环境中进行设计，并进行阶段性的碰撞检测等，以便在设计阶段就解决施工中可能出现的碰撞问题，提高设计的可建造性。（3）设计参数化。BIM的参数化功能使得各专业设计信息高度关联，形成一个有机的设计信息体，从而减少或避免由某一专业设计修改或变更所带来的其他专业设计的不一致性，以保证整体设计的统一性。（4）设计模拟化。BIM相关工具能结合BIM模型进行各种模拟分析，如日照模拟、热能传导模拟等，这可为设计方案分析与优化提供支持。由此可见，BIM有助于解决上述建筑设计流程中存在的问题，从而提升设计的质量、效率和沟通效率。但这需要适用的融合BIM的设计实施模式和流程才能实现。

3BIM辅助设计的模式划分

结合BIM技术的特点及我国建筑设计企业的发展现状，按照BIM支撑设计的方式与深度，可将BIM辅助设计的模式分为三类。（1）初级设计BIM。初级设计BIM是在建筑施工图出图后或开始施工后，BIM团队按照设计图纸进行BIM建模与应用的模式（见图2）。其中，BIM团队可以是设计企业内部设立的BIM部门，也可是外部的BIM咨询服务团队。在该模式下，BIM模型只是设计阶段的结果，而非设计者的工具。模型可以应用于碰撞检查、工程量统计等业务，对工程施工有一定的辅助作用。但由于BIM模型是在设计出图后建立，因此应用价值相对较低或不全面，对设计的辅助很有限。目前，国内尝试应用BIM的企业或部分较为复杂的管线综合BIM业务，多选择此类应用模式。（2）中级设计BIM。中级设计BIM是利用BIM技术对设计师的设计工作进行辅助，帮助设计师高效地推敲设计方案，实现各专业间的协同、分析与快速出图等功能的应用模式（见图3）。尽管该模式仍然依赖单独的BIM团队来配合，但其覆盖了初步设计、施工图设计和施工3个阶段，能够较好地发挥BIM模型的多个优势，故在行业内已经有较为充分的应用。但由于设计师无法自如地将BIM与自己的设计业务集成起来，故不利于BIM在设计阶段的深度应用。目前，国内多数建筑设计企业在应用BIM时采用此类模式。（3）高级设计BIM。高级设计BIM是设计师直接使用BIM相关工具进行设计的模式。设计师以BIM模型为载体与业主、施工单位等各干系人进行沟通与协作，并在设计阶段考虑施工对模型的需求，使得模型交付后施工方可直接修改使用（见图4）。此模式要求设计师熟练掌握BIM相关软件，并有丰富的协同经验。在设计与施工过程中，BIM模型作为核心信息体贯穿始终，实现了流程优化和各方协同，这是设计方式的变革。但因其对设计者要求较高，且改变了传统的设计方式，国内建筑设计企业目前较少采用此类应用模式。可见，从初级设计BIM到中级设计BIM，再到高级设计BIM，BIM支撑设计的程度不断加深，即从基本的软件操作过渡至协同设计。尽管我国建筑设计企业对于BIM的应用仍以前两类为主，但是随着BIM技术的发展和设计人员思想的转变，高级设计BIM应用模式将会成为未来发展的主流。因此，本文将基于高级设计BIM应用模式构建集成BIM的建筑设计流程，为BIM在建筑设计中的全方位应用提供参考。

4BIM辅助设计的流程构建

根据上述高级设计BIM应用模式，在构建BIM辅助建筑设计流程时，首先应充分考虑设计师在方案设计、初步设计与施工图设计阶段依托BIM模型实施的设计业务，将BIM与设计流程和业务有机融合。再考虑施工阶段对BIM模型的实际需求，并融合至设计流程中。此外，还应考虑建筑设计师、结构工程师、设备工程师、业主、造价工程师、供应商、施工顾问等之间的基本协作需求。基于此，BIM辅助设计流程可从方案设计、初步设计和施工图设计3个方面进行构建与描述。

4.1辅助方案设计流程方案设计即在工程规划的基础上深化各专业的实现方案。这既要考虑建筑物内部各项使用功能的合理布置，还应处理建筑物与周围环境甚至城市规划的关系，且要全方位评估不同的设计方案，进行方案比选。此过程将涉及建筑设计师、结构工程师、设备工程师等人员。在高级设计BIM应用模式下，BIM辅助建筑方案设计的流程如图5所示。（1）方案造型设计。建筑设计师使用BIM软件进行建筑造型设计。结构和设备专业的设计人员也应参与其中，从自身专业的角度为建筑方案提供建议，使建筑师在设计前期就考虑到后期结构的布置及设备管道的设置等问题，减少后期的设计变更。（2）方案模型分析与优化。依托建筑设计方案模型和相关BIM软件，建筑设计师进行建筑各项性能分析，如日照分析、风环境分析、隔音分析等，并根据分析结果对设计方案进行修改和优化。（3）方案比选。建筑设计师根据性能分析结果与可视化呈现，评价不同设计方案的能耗、外形、空间分隔等方面的优缺点。将方案比选结果递交业主和相关部门进行审批，以确定设计方案。（4）完成方案设计模型。建筑设计师根据审批结果完成方案设计BIM模型。结构和设备专业工程师基于建筑模型完成结构模型和水暖电设备模型，并将各专业模型进行二维图纸输出，二维图纸与三维模型都作为交付文件存档。

4.2辅助初步设计流程在初步设计阶段，设计师在方案设计的基础上进一步深化设计，解决实现方案设计的技术难点。相关参与人员包括建筑设计师、结构工程师、设备工程师、业主和造价工程师。（1）专业分析。利用方案设计阶段的成果即各专业设计BIM模型，由建筑、结构和设备专业的设计师进行设计性能分析，如基于建筑模型的疏散分析、基于结构模型的结构分析、基于设备模型的管线综合分析等。根据分析结果修改并进一步细化BIM模型，以达到初步设计阶段的模型精细度要求。（2）设计综合检查。各专业设计人员将各专业BIM模型整合生成综合BIM模型，对综合模型进行碰撞检查、空间分析等，并修改设计存在的问题。造价工程师利用综合模型和造价软件进行工程量测算和计价。最后，对BIM模型进行渲染并制作动态视频，输出二维图纸。这些设计成果最终交由业主审批。

4.3辅助施工图设计流程在施工图设计阶段，设计师在初步设计的基础上进一步深化和完善设计产品，解决各细部的构造方式和具体做法，并应具体体现细部与整体、各专业系统间的相互关系[17]。相关参与人员除建筑设计师、结构工程师、设备工程师、业主和造价工程师外，还应包括供应商和施工顾问。BIM辅助施工图设计的流程如图7所示。（1）明确设计意图。各专业工程师与施工顾问应进行当面交流，依托综合BIM模型明确设计意图，讨论可以实现的施工技术，以便设计模型可以更好地服务于施工阶段，如施工过程模拟等。（2）材料和设备参数确定。依托综合BIM模型，设计人员与业主、施工顾问、设备和材料供应商共同确定相关设备和材料的规格、型号等参数，作为后期节点详图的设计和材料属性的输入。（3）设计模型深化。基于上述讨论结果，各专业设计人员对初步设计阶段的模型进行深化，输入材料、设备的参数，对建筑关键部分进行节点模型的建立，并输出各专业的二维施工图。由于现有BIM软件仍存在不足，结构和设备专业的出图率并不能达到100%，因此在出图时要采用二维与三维相结合的方式进行。对于三维模型生成的图纸，可在制图软件中进行适当补充，不必过度要求模型细节的完整性，以免增加不必要的工作量。（4）模型综合检查。类似初步设计阶段，将各专业设计模型再次整合生成综合BIM模型，对综合模型进行碰撞检查等分析，并修改出现的问题。同样，造价工程师利用综合模型进行工程量测算和计价。最后，进行综合模型渲染并制作动态视频，输出二维图纸。设计成果交由业主审批，审批通过后交付设计模型与图纸，以服务于施工。

5BIM辅助设计的文件组织

为了支撑上述BIM辅助协同设计的实施、保证各专业内部及专业间BIM模型的衔接，需明确BIM模型文件的组织方式。当前协同设计主要有链接和工作集两种文件组织模式。链接模式是将各专业的模型文件通过外部链接进行协同，在设计过程中的每个阶段性时间点进行专业间的综合分析。与传统的二维协同设计比较相似，设计人员只能对自己的模型进行处理，链接的模型只能为其提供可视或空间定位参考，无法供其编辑；链接模型中的图元也不能相互借用。链接模式是一种文件级的阶段性协同设计模式[13]；工作集模式是设计人员对同一个模型进行设计，设计的内容能够及时同步到中心文件中，每个设计人员负责中心文件内的某一工作集。工作集模式下，设计人员之间可以互相调用对方的图元进行自己的设计。每个工作集的设计人员在工作一段时间后即将自己的成果保存到中心文件，团队其他成员更新后即可查看。工作集模式是一种数据集的实时协同设计模式[13]。表1比较了两种文件组织模式的优缺点。可以看出，两种模式分别有各自适用的项目类型，优缺点也有一定的互补性。因此，在每个项目设计过程中，设计方应结合项目的特点，比如形体复杂程度、可拆分性、工程量等，灵活采用BIM模型文件组织方式。本文针对大多数建筑项目的共性，结合链接和工作集的优势，设计了一个适用性较强的文件组织方式，如图8所示。该模式将项目中的单体建筑按照专业不同，划分为建筑、结构、设备三类模型，用链接模式相关联。设备专业的给排水、暖通、机电专业关联性较强，需要进行即时协同以进行不同系统的协调工作，因此采用工作集模式将设备中心文件分为3个专业的工作集。建筑、结构及水、暖、电各专业内部同样需要即时的整合和协调，因此也采用工作集模式。每个阶段模型整合时，结构、设备模型导入建筑模型中，整合成包含建筑全部内容的综合模型。

6结语

BIM在建筑设计阶段的有效应用与否，直接影响到其在后面各阶段的应用成效。尽管当前研究与实践对BIM辅助设计的关注较多，但当前BIM与建筑设计流程融合度不高仍是一个关键问题。本文从建筑设计全流程分析了传统设计流程存在的问题，以及BIM支撑建筑设计的潜在优势，明确了BIM辅助设计的初级、中级和高级3种模式，并基于以BIM模型为核心面向设计-施工一体化的设计BIM应用模式，建立了面向建筑设计全过程的BIM具体应用流程及BIM模型文件组织方式。该流程充分考虑了建筑方案设计、初步设计和施工图设计等各阶段的实际业务需求，从各阶段参与方协同的角度将BIM融合于设计业务中。这有利于建筑设计过程中BIM价值的充分发挥，可为行业深度应用BIM提供有效参考。

参考文献：

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作者:丁熠 潘在怡 郭红领 单位:中交第三公路工程局有限公司建筑工程分公司 清华大学