基于BIM技术的建筑结构协同设计

毕业设计

课 题 试论基于BIM 技术的建筑结构协同设计

学生姓名 王可 学 号 [1**********]3

专 业 建筑工程技术 班 级 建筑G31301

院（系） 建筑工程与设计艺术学院

指导教师 熊宇 职 称 工程师

二O 一五

年 十一 月 十五 日

毕业设计真实性承诺及指导教师声明

学生毕业设计真实性承诺

本人郑重声明：所提交的毕业设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作

所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担相应的法律责任和一切后果。

学生（签名）： 王可 日 期：

指导教师关于学生毕业设计真实性审核的声明

本人郑重声明：已经对学生毕业设计所涉及的内容进行严格审核，确定其成果均由

学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。

指导教师（签名）： 日 期：

注：此声明由指导教师和学生本人亲笔签名。

BIM是对工程项目信息的数字化表达，是数字技术在建筑业中的直接应用，它代表了信息技术在我国建筑业中应用的新方向。BIM 涉及整个建筑工程全寿命周期各环节的完整实践过程，随着我国建筑行业的快速发展、BIM 技术不断完善以及业主对工程项目建设要求的日益提高，BIM 必将更好的得到应用。

本文目的旨在研究BIM 环境下高效率的建筑协同设计实现方法，可以提高建筑设计的效率与质量，从而避免在二维建筑设计环境下常出现的不同专业以及不同设计视图之间信息不一致和冲突现象。方法采用REVIT 系列和Navisworks Manage 2013软件，结合BIM 执行计划书，研究建筑、结构和机电等多专业在BIM 设计环境中的协同技术。通过RVT 标准格式将Revit 模型导入NavisWorks Manage 2013等软件中进行碰撞检查，实现专业间在BIM 环境下的协同设计。结论 与二维协同设计方式相比，在BIM 环境下的协同设计增强了信息的传递和共享，实现了不同专业以及上下游企业在同一个模型中工作，减少甚至避免了因设计、施工人员缺乏协同工作所导致的设计变更和工程返工，从而实现建筑设计的高效率和高质量，有效降低工程造价。

关键词： BIM； 协同设计；REVIT 软件；BIM 执行计划

第一章 基于BIM 的协同设计理论 ................................. 1

1.1 BIM理念 ..................................................... 1

1.2 协同设计 . .................................................... 2

1.3 BIM协同设计理念与传统二维、三维设计的区别 . ................... 2

1.4 BIM执行计划书 .............................................. 3

第二章 BIM技术在建筑中协同设计的现状分析 ...................... 3

2.1 BIM扩展了协同设计的内涵 ..................................... 3

2.2 BIM协同设计概念“从二维设计到三维” ......................... 4

第三章 BIM协同设计实现方法 ................................... 5

3.1 定义BIM 目标和应用 ........................................... 5

3.2 定义BIM 设计流程 ............................................. 6

3.2.1 协同设计准备阶段 . ................................................... 6

3.2.2 协同设计方法 . ....................................................... 7

第四章 BIM协同技术普及的制约因素 ............................. 9

4.1 机制不协调 . .................................................. 9

4.2 任务风险 . .................................................... 9

4.3 使用要求高、培训难度大 ....................................... 9

4.4 BIM技术支持不到位 .......................................... 10

4.5 软件体系不健全 .............................................. 10

结 论 ....................................................... 10

参考文献 ..................................................... 11

致 谢 ....................................................... 12

在现代社会中，随着计算机技术的成熟发展及普及，相对应 的信息技术也在各个领域中得到了飞速的应用发展。建筑业同样 也不例外。经过这次建协组织一周的“建筑工程专业一级建造师 继续教育必修课培训”课程的学习，使我能够坐在课堂上对于建 筑工程建筑技术的发展、新的工程材料、建筑结构形式、新的施 工技术从思想上有了认识上的跨越，在此期间有了不少的收获。 其中对我影响最深刻的就是建筑信息模型（简称 BIM技术）信息 技术对于建筑业带来的变化。相信不久的将来 BIM必将推动建筑 行业的变革。

在现在的设计行业，“三维数字化协同设计”已经不再是什么新鲜的语汇，在飞机、汽车等制造领域，信息化设计和制造已经是十分普及的事情。然而建筑行业仍然处于二维设计外加效果图的设计流程上，信息化在建筑设计中的含量非常小，使得协同设计在建筑中的效果也不明显。随着建筑产业的不断升级，建筑信息化已经悄然出现，目前已经逐渐汇集成了一股潮流，席卷全球，BIM 技术的应用已经成为建筑行业的一个热点。

第一章 基于BIM 的协同设计理论

1.1 BIM理念

BIM(Building information Modeling)是建筑信息模型的简称，最初发源于上20世纪70年代的美国，由美国乔治亚理工大学建筑与计算机学院(Georgia Tech College of Architecture and Computing)的查克伊士曼博士(Chuek Eastman, ph.D.)提出。根据美国国家BIM 标准定义，BIM 是建设项目的兼具物理特性与功能特性的数字化模型，且是从建设项目的最初概念设计开始的整个生命周期里做出任何决策的可靠共享信息资源。实现BIM 的前提是：在建设项目生命周期的各个阶段不同的项目参与方通过在BIM 建模过程中插入、提取、更新及修改信息以支持和反应出各参与方的职责。并且强调BIM 是基于公共标准化协同作业的共享数字化模型。简单地说，BIM 模型是三维建筑模型结合关联数据库（建筑信息），信息是BIM 的灵魂，建模软件是BIM 的工具。

随着电力、空调、通讯、数据、安全、智能等技术在建设领域的广泛应用，建设项目的复杂性呈几何级数增加，国家“十一五”科技支撑计划和“十二五”建筑信息化发展纲要将BIM 技术列入研究内容。现阶段的BIM 技术主要是在设计单位和施工单位中局部使用，就广度和深度而言，BIM 在中国的应用还是刚起步，但BIM 技术在建设行业的推广应用的步伐将会越来越快。

1.2 协同设计

协同设计是协调两个或者两个以上的不同的个体或软件，共同完成某一设计目标的过程。协同设计的真正含义是：首先在一个完整的组织机构共同来完成一个项目，项目的信息和文档从一开始创建时起，就放置到共享平台上，被项目组的所有成员查看和利用。协同是共享信息、分析信息、完善信息的过程，包括设计各专业之间的协同、设计和施工等项目上下游企业之间的协同，还包括二维设计与三维设计之间的配合，甚至包括建筑全生命周期内的信息传递。在伴随绿色、节能概念的出现，人们对建筑的要求也在不断提高，现在一个项目设计不仅包含规划、建筑、结构、暖通、给排水、电气、动力专业，还包含网架、钢结构、智能化、景观绿化等。当协同不再是简单的文件参照，那么利用平面二维设计进行协同各专业越来越困难，只有运用三维协同设计才能更合理解决相应问题。

1.3 BIM协同设计理念与传统二维、三维设计的区别

BIM 三维建筑设计和传统三维建筑设计的区别（见表1）：一是BIM 模型除了进行模型空间尺寸等物理特性的表达之外，还包括材料明细表自动生成、绿色节能分析、碰撞检查、深化设计和运营管理等；二是BIM 模型是参数化的，模型中包含各种信息；三是BIM 模型与所生成的二维图纸之间存在对应关系，可以实现模型及图纸之间“一处修改、处处更新”，而传统三维建筑模型与二维设计图纸之间无对应关系。

表1 BIM三维建筑设计和传统三维建筑设计的区别

传统三维建筑设计 BIM 三维建筑设计

效果图、虚拟现实、设计、

管理、分析等

有

对应关系，可以实现“一

处修改、处处更新” 设计功能 参数化模型 与二维设计图纸关系 效果图和虚拟现实 无 二维设计的附属品

传统二维、三维建筑设计流程是：在建筑师初步设计图纸基础上，结构师、水暖电等设备设计师进行结构和设备施工图设计，各专业所设计的图纸之间发生冲突后，通过协调会等形式互相提条件修改，修改后委托效果图公司将二维模型翻成三维模型，在此基础上承包方提出修改意见，修改后的施工图经由施工企业进行施工，施工中遇到问题需要施工企业和设计单位进行协调。传统设计流程的缺点：一是各专业进行各自图纸或模型的设计，通过协调会议进行协调，协调效率不高；二是设计阶段缺少承包方和施工方的参与，增加了变更设计

的可能；三是二维图纸之间以及与三维模型之间没有关联性，需要逐个进行修改，工作量大且容易出现错漏现象。

BIM 协同设计环境下的各专业在同一个模型中进行设计，可以进行即时交流，同时，承包方和施工方能够在模型设计阶段参与，从而避免由于缺少沟通所造成的设计变更，提高设计效率，降低工程造价。

1.4 BIM执行计划书

规定在一个具体项目中如何实施BIM ，是项目团队的集体决策，且经业主批准。实施BIM 执行计划书包括定义BIM 目标和应用、定义BIM 设计流程、信息交换条件和实施的支撑条件四部分。

第二章 BIM技术在建筑中协同设计的现状分析

当前，有关建筑设计信息化的各种概念及术语已日趋普及，同时各地不断涌现出一些造型独特的地标性建筑，这一切似乎预示着建筑设计行业即将迎来一场技术变革。建筑设计信息化的具体内容是什么，主流技术正朝着什么方向发展？新技术是否意味着更多的“奇形怪状”的建筑作品，国内设计院所应何去何从？这一系列问题的解答，关键在于协同设计及BIM 技术这两方面的有机融合，有效协同。

2.1 BIM扩展了协同设计的内涵

尽管协同设计的理念已经深入到建筑师和工程师的脑海中了，然而对于协同设计的涵义及内容，以及它的未来发展，人们的认识却并不统一。目前我们所说的协同设计，很大程度上是指基于网络的一种设计沟通交流手段，以及设计流程的组织管理形式。包括：通过CAD 文件之间的外部参照，使得工种之间的数据得到可视化共享；通过网络消息、视频会议等手段，使设计团队成员之间可以跨越部门、地域甚至国界进行成果交流、开展方案评审或讨论设计变更；通过建立网络资源库，使设计者能够获得统一的设计标准；通过网络管理软件的辅助，使项目组成员以特定角色登录，可以保证成果的实时性及唯一性，并实现正确的设计流程管理；针对设计行业的特殊性，甚至开发出了基于CAD 平台的协同工作软件等。

而BIM （建筑信息化模型）的出现，则从另一角度带来了设计方法的革命，其变化主要体现在以下几个方面：从二维（以下简称2D ）设计转向三维（以下简称3D ）设计；从线条绘图转向构件布置；从单纯几何表现转向全信息模型集成；从各工种单独完成项目转向各工种协同完成项目；从离散的分步设计转向基于同一模型的全过程整体设计；从单一设计交付转向建筑全生命周期支持。BIM 带来的是激动人心的技术冲击，而更加值得注意的是BIM 技术与协同设计技术将成为互相依赖、密不可分的整体。协同是BIM 的核心概念，同一构件元素，

只需输入一次，各工种共享元素数据并于不同的专业角度操作该构件元素。从这个意义上说，协同已经不再是简单的文件参照。可以说BIM 技术将为未来协同设计提供底层支撑，大幅提升协同设计的技术含量。BIM 带来的不仅是技术，也将是新的工作流及新的行业惯例。

因此，未来的协同设计，将不再是单纯意义上的设计交流、组织及管理手段，它将与BIM 融合，成为设计手段本身的一部分。借助于BIM 的技术优势，协同的范畴也将从单纯的设计阶段扩展到建筑全生命周期，需要设计、施工、运营、维护等各方的集体参与，因此具备了更广泛的意义，从而带来综合效率的大幅提升。

2.2 BIM协同设计概念“从二维设计到三维”

BIM 设计当前，2D 图纸是我国建筑设计行业最终交付的设计成果，这是目前的行业惯例。因此，生产流程的组织与管理均围绕着2D 图纸的形成来进行（客观地说，这是阻碍BIM 技术广泛应用的一个重要原因）。除了日益复杂的建筑功能要求之外，人类在建筑创作过程中，对于美感的追求实际上永远是第一位的。

尽管最能激发想象力的复杂曲面被认为是一种“高技术”和“后现代”的设计手法，实际上甚至远在计算机没有出现，数学也很初级的古代，人类就开始了对于曲面美的探索，并用于一些著名建筑之中。因此，拥有了现代技术的设计师们，自然更加渴望驾驭复杂多变，更富美感的自由曲面。然而，令2D 设计技术汗颜的是，它甚至连这类建筑最基本的几何形态也无法表达。在这种情况下，3D 设计应运而生了。

3D 设计能够精确表达建筑的几何特征，相对于2D 绘图，3D 设计不存在几何表达障碍，对任意复杂的建筑造型均能准确表现。在评选出的“北京当代十大建筑”中，首都机场3号航站楼、国家大剧院、国家游泳中心等著名建筑名列前茅，这些建筑的共同特点是无法完全由2D 图形进行表达，这也预示着3D 将成为高端设计领域的必由之路。尽管3D 是BIM 设计的基础，但不是其全部。通过进一步将非几何信息集成到3D 构件中，如材料特征、物理特征、力学参数、设计属性、价格参数、厂商信息等，使得建筑构件成为智能实体，3D 模型升级为BIM 模型。

BIM 模型可以通过图形运算并考虑专业出图规则自动获得2D 图纸，并可以提取出其它的文档，如工程量统计表等，还可以将模型用于建筑能耗分析、日照分析、结构分析、照明分析、声学分析、客流物流分析等诸多方面。由美国Gensler 设计的预计2014年完工的632m 高的上海中心，采用了BIM 技术，其特点是自方案初期就综合各工种协同创作，特别是建筑造型与结构方案选择的协调统一成为了设计的一大亮点。由于该结构高达632m ，风荷载的影响是结构师要考虑的重要因素。因此在考虑建筑外部造型的同时，必须慎重优化结构体征，降低风荷载的作用。据估算，风荷载每降低5%，造价将降低1200万美元，Genslar 利用

BentleyGC 参数化设计工具制作建筑表皮模型，保证功能及美观的同时也将该模型用于结构风洞试验及计算分析，最终优化的结果是将风荷载降低了32%。这于2D 设计模式来说是不可想象的。

纯粹的3D 设计，其效率要比2D 设计低得多。地标性建筑可以不计成本，不计效率，但大众化的设计则不可取。可喜的是，为提高设计效率，主流BIM 设计软件如Au-todesk Revit 系列、Bentley Building系列，以及Graphisoft 的ArchiCAD 均取得了不俗的效果。这些基于3D 技术的专业设计软件，用于普通设计的效率达到甚至超过了相同建筑的2D 设计。

第三章 BIM协同设计实现方法

本文某建筑工程中的项目节能示范工程为例，实施BIM 执行计划书，对BIM 环境下各专业之间实现协同设计的过程进行分析，给出BIM 协同设计实现模式。

3.1 定义BIM 目标和应用

BIM 目标是项目实施BIM 的核心。BIM 目标可以分为项目型BIM 目标和企业级BIM 目标，前者是完成特定合同或协议的BIM 要求，关注于技术的实现和突破，后者是依托BIM 技术实现企业的长期战略规划，关注于企业整体的资源整合、流程再造和价值提升。本文实例项目BIM 目标是实现建筑、结构和机电之间的协同设计（如图1），优化设计方案，属于项目型BIM 应用的目标。

BIM 应用是实现BIM 目标的方法，BIM 项目实施计划指南将BIM 应用分为25种。在设计阶段常用有：设计方案论证、设计建模、能量分析和3D 协调。实例项目中BIM 应用属于项目型BIM 设计建模和3D 协调应用。

图1 BIM目标

3.2 定义BIM 设计流程

BIM 设计流程分为总体流程和详细流程，前者包括所有的BIM 应用，后者是对每个BIM 应用的详细流程图。实例中总体设计流程（如图2）分为概念设计、初步设计、施工图设计、综合协调及审查存档几个阶段，之后对每个阶段流程制定BIM 详细流程图（如图3）。

图2 BIM总体设计流程

图 3 施工图阶段详细流程

Fig. 3 The construction phase of the detailed process

3.2.1 协同设计准备阶段

此阶段是协同设计的基础，需要确定BIM 设计实施的支撑条件和信息交换平台。首先根据项目信息和合同等项目参考信息组织人员，确定BIM 设计模型拆分原则、模型详细程度、模型质量控制程序和BIM 设计交付标准，然后确定完成所需BIM 应用的软硬件，最后需创建项目样板、共享坐标和共享文件夹等。

专业间BIM 协同设计可以采用信息化平台或共享文件夹的方式实现。信息交换是协同设计的核心，因此所有设计资料必须定时保存到共享文件夹或更新到信息平台，以便其他专业的人员根据自己需要调取最新模型信息。

实例中选择Revit 2013及NavisWorks Manage 2013软件，软件之间信息交互传递格式为RVT 。模型根据专业分为建筑、结构和机电，每专业根据构件类别分为多个工作集，使用工作集作为信息交换平台（如图4） 。因为各专业模型在同一个模型中创建，所以没有考虑共享坐标。

图4 沈阳建筑大学中德节能示范工程项目工作集

3.2.2 协同设计方法

协同设计过程包括视觉协同和综合协调两部分，前者是在设计初期设计师在其他专业模型基础上的设计，后者是在设计后期不同专业间的碰撞。专业间的协同设计流程是：概念设计阶段，建筑专业预先设计模型，验证审批后提供给结构专业和机电专业人员；初步设计阶段所有专业人员进行设计模型（如图3，A 、B 、C ），此时模型信息没有进行验证及审批，不能作为参考信息，结构专业和机电专业人员基于概念设计阶段建筑设计模型进行视觉协同设计，定时对所有专业进行综合协调，各专业模型验证后可以生成二维图纸；施工图设计阶段，结合二维图纸制图规范，对模型生成的二维图纸进行细节修改和深化设计，并进行节点详图设计。

实例项目中采用Revit 2013软件工作集方法建立的共享中心文件作为信息化平台来实现协同设计。并通过借用图元方式所有专业设计同一构件，实现建筑、结构和机电在同一模型中设计。如图5 ，排水管在建筑墙和结构柱的基础上进行设计布置，并在三维视图中实时更新，通过视觉协同专业间的位置。

图5 专业间视觉协同

通过RVT 格式将设计模型导入Naviswroks 中对全专业进行综合检查。可以快速的检查出管路之间的三处碰撞（如图6:a），设计人员进行沟通后，管路碰撞应本着小管让大管，无压让有压的原则进行调整，协商结果是1号排水水管、2号喷洒、3号排水管分别偏移200mm 、400mm 、100mm

各专业设计模型的楼层平面视图中按照二维出图标准调整标注、字体、线样式和比例等，然后导出DWG 格式图纸（如图7），对不符合标准的地方修改后，审查验证存档。

图7 二维图纸

第四章 BIM协同技术普及的制约因素

制约BIM 发展的因素有不少，主要是以下几方面。

4.1 机制不协调

BIM 应用不仅带来技术风险，还影响到设计工作流程。因此，设计师应用BIM 软件不可避免地会在一段时间内影响到个人及部门利益，并且一般情况下设计师无法获得相关的利益补偿。因此，在没有切实的技术保障和配套管理机制的情况下，强制在单位或部门推广BIM 是不太现实的。另外，由于目前的设计成果仍是以2D 图纸表达的，BIM 技术在2D 图纸成图方面仍存在着一定程序的细节不到位、表达不规范的现象。因此，一方面应完善BIM 软件的2D 图档功能，另一方面国家相关部门也应该结合技术进步，适当改变传统的设计交付方式及制图规范，甚至能做到以3DBIM 模型作为设计成果载体。

4.2 任务风险

我国普遍存在着项目设计周期短、工期紧张的情况，BIM 软件在初期应用过程中，不可避免地会存在技术障碍，这有可能导致无法按期完成设计任务。

4.3 使用要求高、培训难度大

尽管主流BIM 软件一再强调其易学易用性，实际上相对2D 设计而言，BIM 软件培训难度还是比较大的，对于一部分设计人员来说熟练掌握BIM 技术有一定难度。另外，复杂模型的

创建甚至要求建筑师具备良好的数学功底及一定的编程能力，或有相关CAD 程序工程师的配合，这无形中也提高了应用难度。

4.4 BIM技术支持不到位

BIM 软件供应商不可能对客户提供长期而充分的技术支持。通常情况下，最有效的技术支持是在良好的成规模的应用环境中客户之间的相互学习，而环境的培育需要时间和努力。各设计单位首先应建立自己的BIM 技术中心，以确保本单位获得有效的技术支持。这种情况在一些实力较强的设计院所应率先实现，这也是有实力的设计公司及事务所的通用作法，在愈来愈强调分工协作的今天，BIM 技术中心将成为必不可少的保障部门。

4.5 软件体系不健全

现阶段BIM 软件存在一些弱点。本地化不够彻底，工种配合不够完善，细节不到位，特别是缺乏本土第三方软件的支持。软件的本地化工作，除原开发厂商结合地域特点增加自身功能特色之外，本土第三方软件产品也会在实际应用中发挥重要作用。2D 设计方面，在我国建筑、结构、设备各专业实际上均在大量使用国内研发的基于Auto-CAD 平台的第三方工具软件，这些产品大幅提高了设计效率，推广BIM 应借鉴这些宝贵经验。

结 论

（1）通过BIM 的参数化设计实现在图纸与模型中一处更新，处处同时更新，但后续的图纸处理仍然占据设计人员的一定时间。总体来说与传统的出图效率相比节省时间接近38%，一定程度上节省设计人员出图的精力。

（2）BIM 协同设计中的视觉协同和碰撞协调使得设计和协同同时进行，增强设计项目的可施工性，比传统协同方式减少设计变更将近90%，很大程度上提高了设计质量。

参考文献

[1]清华大学BIM 课题组. 设计企业BIM 实施标准指南[M].北京. 中国建筑工业出版社.2013

[2]贾滨. 二维协同设计在建筑设计院的应用研究[J].山西建筑,2012(28):285-286.

[3] 梅苏良，周与淳. 中国BIM 协同设计的现状分析[J].科技创新导报,2012(28): 4-5.

[4] 何关培, 李刚. 那个叫BIM 的东西究竟是什么[M].北京, 中国建筑工业出版社.2012

[5] 何关培, 李刚. 那个叫BIM 的东西究竟是什么2[M].北京, 中国建筑工业出版社.2012

[6]任波. 从二维走向三维的计算机辅助建筑设计[D].重庆：重庆大学.2010.

[7]王珺,BIM 理念及BIM 软件在建设项目中的应用研究[D].成都, 西南交通大学.2011.

[8]袁烽, 孟媛. 基于BIM 平台的数字模块化建造理论方法[J].时代建筑,2013(2):31-37.

[9]杰里莱瑟林, 王新. 美国BIM 应用的观察与启示[J]. 时代建筑,2013(2):17-21.

[10] 夏海兵, 熊 城. Tekla BIM技术在上海城建PC 建筑深化设计中的应用[J].土木建筑工程信息技术.2012(4)：96-103.

致 谢

本论文是在湖南电子科技职业学院建筑工程与设计艺术系 老师的悉心指导下完成的。xx 老师作为一名优秀的、经验丰富的教师，具有丰富的xx 知识和xx 经验，在整个论文实验和论文写作过程中，对我进行了耐心的指导和帮助，提出严格要求，引导我不断开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆创新，使我在这一段宝贵的时光中，既增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态，又培养了良好的实验习惯和科研精神。在此，我向我的指导老师表示最诚挚的谢意！

同时也要感谢建筑工程与设计艺术系xx 级xx 班全体同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能一个一个克服困难、解明疑惑，直至本文顺利完成，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！