张国华
（1.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168；2.内蒙古建筑职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010050）
0 引 言
建筑工程的设计和施工难度越来越大，在经费有限，工期紧张的情况下，传统的二维设计方法在建筑设计的过程中配合程度差、沟通困难等问题逐渐现象出来，导致建筑企业生产效率偏低，造成严重的资源浪费问题，且在建筑施工的过程中，不断返工，大幅度提高了建造成本，难以满足企业获利的目的[1]。由于建筑行业的特殊性，精细化设计是大势所趋，因此最大程度地提高建筑设计和施工的效率与质量，更好地满足现代化发展的需求，成为建筑工程设计相关工作人员面临的一大难题。随着近年来高新技术的迅猛发展，BIM技术也逐渐成熟，且在建筑设计领域也越来越受到重视。BIM技术的三维设计精准周密，具有可视化、可协同、可优化等优点，有助于提高建筑过程中的沟通效果，保障设计和施工的质量，降低出错几率[2]。因此被广泛应用于建筑工程设计阶段，成为建筑行业未来设计技术的主流趋势。随着社会的高速发展，BIM技术会进一步运用在建筑设计方面并不断的优化发展。
1 BIM建筑工程模型
1.1 传统二维设计与BIM三维设计对比分析
传统的建筑工程二维设计通常以二维图纸的形式综合到一起形成最终设计成果[3]。设计过程中缺少有效的信息交流途径，造成设计人员难以及时进行有效地协商的问题，不利于设计进程的推进甚至造成资源的浪费。尽管现在出现一些集成化软件促进设计数据进行传递和交换。但在建筑设计的实际应用过程中这些集成化设计软件远远不能满足协同设计的要求。在传统的二维设计过程中，各专业对本专业图纸进行单独的设计，一般建筑专业给出初步的设计图纸，在此基础上依照图纸对构件进行布设和安装设计[4]。若设计内容存在矛盾，各专业协调并提出修改意见，该形式下进行的协调效率不高且耗时较多。而基于BIM技术的工程建筑整体设计对设计各个专业进行的工作信息进行有效的传递和输出，方便各个部门及时交流，最大程度上避免了设计过程中出现矛盾的问题，减少了计划变更的可能性。将传统二维设计与基于BIM技术进行的建筑设计方法进行对比如图1所示。
图1 建筑设计施工模式对比Fig.1 Comparison of construction mode of building design
对比传统二维设计方法与现代化BIM技术设计施工模式不难发现后者相对更加高效便捷。同时相较于传统的协同设计方法基于BIM的建筑施工设计方法的优势相对较多[5]。
1.2 BIM建筑优化平台设计
BIM模型的构建需要借助有强大的数据驱动功能的Revit Architecture软件。通过软件将相关的参数信息完整存储于数据库中，以便更好地为建设项目的参与方提供准确、直观的信息数据；同时还可根据数据库内的信息对建筑材料进行统计，为企业和施工方提供成本预算信息[6]。Revit软件的结构信息模型框架图如图2所示。
通过Revit软件对中标高与轴网图的构建结合BIM技术对施工项目进行虚拟，反复模拟施工过程，从而及时发现并排除建设项目施工过程中的潜在问题，及时定制出解决对策，对项目全程进行高效准确的指导，以保障施工进度与方案达到最优效果，推动工程顺利进行[7]。基于Revit软件进行BIM的建筑结构模型设计流程图如图3所示。
图2 Revit中标高与轴网创建图Fig.2 Creation diagram of elevation and axis net in Revit
图3 基于BIM的建筑结构设计模型Fig.3 Architecture design model based on BIM
在对BIM建筑设计模型的结构进行设计的过程中，要以不影响建筑的艺术效果和使用功能为基本原则，围绕的建筑模型构建主体结构[8]。基于BIM建模软件的可视化特点导入建筑方案文件到新建的结构样板中[9]。对建筑工程的设计过程和设计结果进行优化，并创建优化平台，优化平台模块如图4所示。
图4 建筑工程设计系统优化平台Fig.4 Optimization platform of architectural engineering design system
图4显示了建筑工程设计优化平台各个模块之间的功能，该优化平台有助于提高建筑设计的高效性[10-11]。在利用Revit软件对建筑模型进行设计的过程中，其强大的三维建模能力得到了充分的发挥，在可视化方面的优势更为突出[12]。它将抽象的二维模型转换为三维立体的BIM建筑模型，通过可视化功能，更直观、精准地显示出建筑模型构件形式，有助于帮助项目参与人员更清晰地了解设计方案，达到最理想化的建设成果[13]。
2 基于BIM建筑设计仿真实验
建筑设计阶段最重要的部分在于对建筑结构进行设计，机构设计直接影响建筑安全性和工程的造价预算。因此以基于BIM的系统优化平台作为核心建模工具，以Revit系列软件对建筑结构进行分析和检测并进行仿真实验。
对高98 m，建筑面积为36 215.1 m2，建筑结构的安全等级为二级，地基设计等级为甲级的建筑进行设计，利用前文提出的建筑工程设计优化系统平台进行检测并拟定主体结构方案。该建筑负一层至地上三层为部分落地剪力墙框支结构，在第四层设置梁式转换结构的转换层，五层至顶层采用剪力墙结构。测得该建筑的基本载荷数据如表1所示。
表1 基本载荷数据Table 1 Basic load data
本项目应国家节能减排标准要求，均采用三级钢，属于丙类建筑，该建筑设计的内部构件参数见表2。
表2 建筑设计构件参数Table 2 Component parameters of architectural design
利用建筑工程设计系统优化平台对该建筑的裙房竖向构件进行分析和测评，得到表3。
建筑的竖向构件主要分裙房和主楼两个部分。裙房的主要构件是框架柱，主楼的主要部件是落地剪力墙和支柱等。利用BIM建筑工程模型对其构件强度信息情况进程测量，结果如表4所示。
表3 裙房竖向构件强度明细表Table 3 Strength list of vertical component of annex
表4 主楼竖向构件混凝土强度等级表Table 4 Concrete strength grade for vertical component of main building
基于BIM优化平台强大的信息统计功能，可以根据需要对建筑数据进行字段搜索，以便快速提取所需信息。对建筑结构中的杆件信息进行检验，得到表5。
表5 结构杆件明细表Table 5 Detailed list of structural members
如表5所示，由于BIM技术对强大的结构数据分能力使其在建筑设计和施工方面被广泛应用，BIM技术的工程量统计功能为建筑结构设计提供了便捷、高效的工具。另一方面，尽管基于BIM技术的建筑模型的设计是三维的，但其设计过程要在一定程度上配合二维的平面设计，传统的二维设计过程中需要多部门协调参与工作，步骤繁琐，而基于BIM三维建模平台相对更加简单便捷。二者工作参与方式对比如图5所示。
通过图5可以看出，基于BIM的三维建模平台工作参与方式实现了专业间协同设计的目标，在最大限度上节省了人力物力财力资源，实现了信息资源共享的目标。方便各部门设计参与人员及时在平台上调取所需的模型信息，以满足实际设计过程中的不同要求。
图5 建模平台工作参与方式对比图Fig.5 Comparison of job involvement patterns of modeling platform
3 结 语
基于BIM技术的建筑工程设计优化方法有效提高了建筑行业的工作效率，简化了建筑设计的流程，避免了资源浪费等问题。BIM技术的统计功能为设计提供了便捷、高效的工具。建筑行业技术的发展和变革是一个复杂而艰难的过程。但随着相关单位和企业对BIM技术的研发和探索，以及现代化电子技术的完善，BIM技术必将发展成为建筑设计行业的主流趋势，推动建筑生命周期的延长，转变传统的建筑设计和施工方式。
