智能建筑结构设计中BIM,技术的有效应用探析

董瑞麒DONG Rui-qi

（同济大学建筑设计（集团）有限公司，上海 200092）

在智慧城市背景下，建筑行业朝信息化、智能化发展，BIM 技术就是其产物。BIM 技术通过将信息数字化建立一种虚拟的3D 立体模型，将BIM 技术有效应用于智能建筑设计中，可以提高数据分析与评价准确性，优化建筑设计方案，提高建筑质量，保障建筑结构的安全性，对建筑行业的发展有着促进作用。

1.1 BIM 技术简介

BIM 技术是一个新型的概念，对建筑工程从策划设计到拆除等各个环节实行数据管理。与传统的CAD2D 技术不同，BIM 技术在3D 数字技术的基础上，对建筑整个生命周期的数据进行采集，建立建筑信息化和数字化的模型，将数字技术应用到建筑工程中[1]。BIM 技术将建筑信息数字化，然后浓缩于数字模型之中。在BIM 系统中，通过应用数字化技术，每一个结构都是一个信息符号，通过数字化的信息描述出建筑结构的性质。当前在建筑设计等阶段中BIM 技术被广泛使用，通过构建虚拟建筑模型，对建筑进行全面的管控。通过BIM 技术的应用，对建筑进行智能化的管理和维护，提高建筑工程的劳动生产效率。尤其是智慧建设背景下，应用BIM 技术可以解决资源浪费问题，降低建筑工程项目成本，避免对环境造成负面影响，构建绿色环保的智能建筑体系，实现建筑行业的可持续发展。

1.2 BIM 技术特点简析

1.2.1 可视化

在建筑可视化的背景下，工程进度监督控制需依靠4D 技术要素支撑。才能加快静态BIM 模型和各类进度信息的交接进程，进一步衍生出完善化的4D 化施工进度计划，为日后项目进度全方位和直观生动性呈现奠定基础[2]。首先，通过应用BIM 技术建立直观的建筑模型，可以从直观的角度对整个建筑工程的设计环节进行有效监督，更加直观和便捷。设计人员通过BIM 技术将设计理念最大化的表现出来，更加便捷地传达信息，保证设计数据的精准性和可行性，优化设计方案，提升实际设计的合理性。其次，运用BIM 技术制作的工程进度计划，既可以表达出较为真实的可视化效果，同时还可以保证高效率地定位流水线施工中的次序误差和不同专业和班组冲突等隐患。

1.2.2 协调性

通过应用BIM 技术实现各部门之间以及各专业人员之间的标准化，更好的开展组织协调工作，内部进行有效的交流沟通，有利于工程项目施工工作更好的开展，确保建筑项目的施工进度。同时。对整体施工进程合理布置，保证与设计师的理念一致，从而确保整体工程的施工质量，有效的提升建筑工程的品质。

1.2.3 模拟性

BIM 技术的模拟性不只应用于建筑方面的模拟，还可以将一些不可掌握的事物进行真实的模拟。在智能设计过程中，为保证整体设计的安全性与节能性，可以进行相关项目的BIM 技术实验模拟，从而降低成本提高效率。当前在施工阶段BIM 技术已经实现4D 技术模拟，根据实际情况在相关规则和要求下最大化实现模拟展示，从而保证施工方案实施的科学性与高效性，把控建筑成本，实现节约资源、减低成本[3]。

1.2.4 优化性

利用BIM 技术进行建筑设计的过程中，BIM 技术可以运用于各个施工环节，从建筑设计、工程施工、建筑运营等多个方面进行有效优化，取得的效果十分明显。通过确保信息的准确性、时间的紧缺型以及其他因素，对施工各个阶段进行监督和控制，通过应用BIM 技术弥补信息、技术存在不足。

1.3 BIM 技术在建筑设计应用分析

从传统的手绘图纸到CAD 制图再到应用BIM 技术进行建筑设计，是建筑行业的飞速发展的两个阶段，与传统技术相比，BIM 技术利用三维立体技术可以提升建筑造型和建筑空间设计，对设计方案进行优化，在设计阶段可以和其他行业进行很好的交流沟通。利用BIM 技术可以显著提升建筑生产效率，降低施工失误，减少施工中需要变更的地方，更精确的估算建筑成本，缩短施工周期，避免能源浪费。由此可见，加强BIM 技术的应用有着充分的必要性。智能建筑设计对BIM 技术的应用正处于发展阶段，BIM 相关设计理念被建筑行业不断接受，很多大型设计项目都使用了BIM 设计，取得了显著的效果，目前BIM 技术的应用已经累计不少相关经验。但是目前BIM 技术的应用在硬件、软件方面还存在不足，软件库不能满足需求，需要加大对BIM 技术的投入，深化发展BIM 设计链。智慧城市建设则为BIM 的发展提供了新的机遇，通过应用BIM技术，为智能建筑的协同设计、优化设计、信息集成提供更加广阔的发展空间与支持。

2.1 直观展示建筑整体

在智能建筑结构设计中，利用BIM 技术构建建筑模型，应用3D 技术将建筑整体以立体的方式更加直观的展现，方便设计人员对模型进行观察和分析。同时通过BIM模型，展现出建筑各结构的性质，方便设计师对信息进行读取，保证了信息的及时性和可靠性[4]。当设计师发现问题时可以第一时间修改，从而确保建筑设计的质量，为建筑工程的施工打下基础。

2.2 优化设计稿件

在智能建筑结构设计中，应用BIM 技术构建建筑主体模型，修改模型后自动呈现出来。设计人员通过修改模型从而更加便捷的优化设计稿件，优化后的设计稿件可以更加直观的表现出来，节约时间成本，提高设计效率。

2.3 推动BIM 技术的应用

随着BIM 技术的发展，BIM 技术不仅能用于建筑设计中，在建筑的各个环节被广泛使用。通过对技术的创新和优化，推动BIM 的应用，提高建筑工程的施工效率，控制工程项目的成本，同时降低对环境的污染，构建绿色环保的智能建筑体系，促进建筑行业的可持续发展。

3.1 复杂形体设计应用

智慧建筑的外形比较复杂，在尤其是一些不规则建筑设计过程中，设计难度较大。通过将Rhino 设计的参数化模型导入至Revit 进行展现，结合数字技术优化设计方案，对比BIM 模型和CAD 平面设计图，可以发现相对传统的平面图的形式，BIM 技术更直观的表现出复杂形体建筑的设计形式并且结合。BIM 技术在建筑结构设计中可以让设计师充分发挥想象力，对设计方案进行创新，提升设计稿件的质量。同时利用BIM 技术可以将复杂的大型建筑中相对繁杂的信息进行详细分析，减少在施工过程中的误差，为施工质量提供了保障，有效的提升了施工效率，确保施工周期。

3.2 综合管线的应用

综合管线是保证建筑功能、满足用户需求的重要组成部分，尤其是在智能建筑中，优秀综合管线的设计和施工质量是建筑品质的保障。利用BIM 技术可以有效地减少误差，避免产生管线交叉等问题。同时通过使用BIM 技术检测线管功能，利用3D 立体技术构建模型，直观的观察和分析线管的建筑的分布，有利于查找问题。当线管出现问题时，系统会对问题进行报警，从而保证综合线管的安全，避免线管交叉以及施工不合理等问题，减低损失提高施工效率。

3.3 消防应用

智能建筑拥有更多功能，这些都需要电气设备来实现，这对消防安全提出更高的要求[5]。相对传统的设计，BIM 技术可以提高建筑消防设计的合理性，以及提高建筑材料的赖烧性，通过计算合理掌握毒气体散发的时间以及安全疏散人员的距离，从而制定出最佳设计方案，保障人员安全、降低财产损失。并可以配合算法结合BIM 模型实现几乎1∶1 的人流疏散模拟场景。这对于运维单位应急预案的编制提供了有效的支撑，同时为BIM 技术结合算法的工作流中里给予了充足的经验。如图1 所示。

图1 人流模拟

4.1 项目概况

上海金鼎16#地块、17#地块、18#地块及20#地块位于上海市浦东新区，东至西群河、西至申江路、北至函桥路、南至巨峰路。项目用地面积约9.2 公顷，本次服务总面积约70 万m2。作为写入市“十四五”重点的“金色中环发展带”首批重点建设区域，2 平方公里范围内，总计275 万平方米的项目全部由金桥集团负责开发建设及运营，区域在《金鼎BIM 标准》《金鼎CIM 导则》统一指导下，已全面启动BIM、CIM 建设。围绕“地上一座城、地下一座城、云端一座城”的总体思路，全力打造“数时代、最上海”的未来之城。核心金鼎九宫格地下空间约70 万平，地下空间安全监控及分析关乎区域人身和财产安全，地下空间具有相对封闭的特点，对内部灾害有放大效应，且空间受限，施救难度大。如火灾、爆炸等地下建筑的灾害，要比地面危险得多；
又如地下空间防洪能力较差，容易灌水，疏散逃离困难。金鼎已有的数字底座可提供精细化数字空间，在此基础上依托传感器、数据中台的安全智防应用平台可直观、实时掌握地下空间的安全运行状况，对空间运维、减灾防灾有重要意义。

本项目采用的物联网数据采集技术分为高速采集和低速采集。低速数据采集包含但不限于：风速、风向、光照、雨量等；
高速数据采集物联网采用工业以太网络，包含但不限于：是视频信号和地震仪信号等。这为灾害防控及预防提供数据支撑。

4.2 BIM 技术的有效应用

本项目要求基于BIM 模型数据进行一系列三维信息化创新应用。包括数据分析及展示应用等，如各类建筑物理数据的量化分析、VR 全景渲染、VR 程序制作、营销展示辅助、数字沙盘等。创新服务主要目的为深度挖掘BIM模型价值，通过可视化方式降低BIM 应用门槛，便于进行针对项目营销、产品宣传和汇报展示相关等各类事务。最终根据地块BIM 模型完成的可视化交付内容包括：便携二维码、云端三维、云端托管模型、VR 运行程序、AR 运行程序、视频动画、效果图、交互式数字沙盘、触摸式数字沙盘等多元化内容。主要包括以下几个方面：

①主要工作内容进行基于金鼎CIMAI 平台数字底座（如图2 所示）的升级迭代，根据过往建设成果进行版本更新、GIS 融合、底座上云等工作。

图2 数字平台

②进行针对超大地下空间的“安全都市”空间安全平台建设。

③对现有金鼎展厅进行生肌，融合元宇宙概念，打造金鼎元宇宙相关应用。

④对发包方提供的BIM 模型，应在整理后全面准确反映图纸信息，包括几何信息、对象名称、材料信息、系统信息、型号信息、时间版本等；
如有需要，基于BIM 模型和深度设计图纸（如幕墙、室内）进行精装修建模，并对其准确性进行校验。

⑤对元宇宙类应用，应根据实际应用场景，并将其模型大小控制在合理范围内。模型不出现明显破洞、少面、重面现象。建筑要素模型在满足视觉效果的情况下，宜减少模型的几何面数，降低纹理的分辨率。

⑥模型使用的纹理材料应与建筑外观保持一致，反映出与设计资料相符的图像、颜色、透明度等，纹理应正确反映木材、石材、玻璃、金属等建筑材质特征。纹理中不应含有遮挡物，物体的立面及屋顶变化细节应清晰可辨；
建筑物模型内部不应存在明显缝隙，相交的点需焊接以确保相交点的空间拓扑关系正确。

⑦运用revit 中uds 插件实现BIM 模型（如图3 所示）至UE（如图4 所示）的互通。

图3 revit 中

图4 在UE 中

在智慧城市建设背景下，智能建筑的设计尤为重要。通过应用BIM 技术解决在复杂建筑、综合管线以及消防设计等难题，可以提升建筑施工质质量，减少资源浪费，降低建筑成本，并配合UE 引擎等可视化引擎的帮助下在后续运维阶段可更加容易地进行灾害防治、灾害解决，促进了建筑行业的可持续发展。随着我国智慧城市建设的进一步发展，以上海金鼎为代表项目，象征着智能建筑发展迅速，通过合理的利用BIM 技术，显著提升建筑设计品质，推动建筑行业智能化、信息发展，具有非常显著的价值。