大型海水化淡工程全过程BIM 正向设计的探索与应用

张保平 贾德登 尹丞玉 王基业

（中国建筑工程（香港）有限公司，香港 999077）

引言

BIM 的概念自2002 年由美国Autodesk 公司提出以来，已经发展将近20 年，其目的在于在设计、施工、运营的工程全生命周期中，实现信息的共享和完整传递，提高建设工程的质量，节约工程成本，提升决策效率和管理水平[1]。

BIM 技术的发展与创新不断推动着建筑行业朝着数字化与智能化发展。香港特区政府数年前起，着力推广业界使用BIM 技术，规定自2018 年起，任何政府工程项目预算超过3 000 万元，项目设计和建造必须采用BIM 技术。为积极响应香港特区政府号召，将军澳海水化淡厂项目从设计、建造到运营将全面使用BIM 技术。

而本文将以将军澳海水化淡厂设计阶段为中心，重点对项目BIM 正向参数化设计进行介绍与分析，并与传统建筑设计特点进行对比分析。

1 将军澳海水化淡厂项目背景及项目概况

淡水资源极为珍贵，而且并非用之不竭，世界上很多地方都面对饮水短缺的问题。香港特区水务署在2008 年推出“全面水资源管理策略”，为未来难以预计的天气变化作好准备，其中一项主要措施是开发新的水资源。经过长期的可行性研究，确定香港是可以采用逆渗透海水化淡技术来生产符合世界卫生组织所定饮用水的标准。水务署于2012 年12 月聘请顾问公司为拟建的海水化淡厂进行策划及勘查研究。研究范围包括详细的经济效益评估、制定工程实施策略及时间表，以及该工程导致对邻近地区的影响等。经过不断努力与探索，将军澳海水化淡厂第一阶段在2019 年12月正式施工。

将军澳海水化淡厂第一阶段坐落于香港九龙将军澳137 区，是香港目前在施的一项大型海水化淡项目。项目占地约80 000 ㎡，主要由行政大楼、化学原料大楼、后期处理大楼、逆渗透净化大楼及现场氯气生产大楼等十余座建筑组成。项目以逆渗透技术去除海水中溶解盐和杂质，并将其转化为新鲜饮用水，每日淡水产量将达135 000 m³，将满足香港约5%的淡水需求，并会预留空间以便日后扩建，将来淡水产量增加至最终每日270 000m³，如图1 所示。

图1 将军澳海水化淡厂建筑分布

2 项目BIM 正向设计流程

BIM 正向设计是从方案设计阶段采用三维建模，BIM 信息不断传递至下游单位，将模型作为施工和生产的依据一直延续到交付阶段的设计流程。BIM 软件分为很多种，在设计规划、建筑设计建模阶段常用的软件有：Revit、Rhino（犀牛）、Bentley、ArchiCAD、Civil 3D 等，项目BIM 正向设计流程图如图2 所示。

图2 项目BIM 正向设计流程图

将军澳海水化淡厂的设计全部采用欧特克（Autodesk）系列软件，项目地上的建筑、结构及机电使用Revit 软件进行设计，运营设备及设备管线使用Plant 3D 设计，路面及部分地下管线使用Civil 3D 设计，由此可以看出一个项目的正向设计需要多专业、多软件相互协调共同完成。当建筑模型根据设计资料完成设计后，结构、机电及运营设备等模型相继进行模型设计，设计后的模型都会转为Revit 适用格式，并在Revit 软件中形成组合模型。组合模型中不同专业间的碰撞检查使用Autodesk 系列中Navisworks 软件来实现。各专业设计师对模型反复校对后，生成平面图、立面图及剖面图等图纸。由于设计过程使用同系列软件，所以在软件格式互通性上具有一定优势。

项目设计过程中需要多专业、多软件相互协调共同完成，而传统的信息交流与传递方式往往是重复和多方向的形式，这不但降低了工作效率还使沟通变得复杂，尤其是跨国与跨地区之间的合作，受时差限制使得信息的传递与沟通变得更为困难。本项目在使用BIM 正向设计的同时，采用通用数据环境（Common Data Environment,简称CDE）进行协同管理，CDE 的工作流程图如图3 所示。CDE 平台作为各个参与方信息交流的中心，不但可以简化信息传递的方式，还可以使各方沟通变得高效，尤其是CDE 平台的数据实时更新，可以为本项目顺利完成六个国家或地区跨时差、多专业的协同设计。

图3 CDE 的工作流程图

通用数据环境（CDE）的工作流程主要包括四个确定的功能部分，分别为：工作正在进行（WIP）、共享（Share）、发布（Publish）和归档（Archived）。工作正在进行，该部分用于保存各团队未经审核、批准的信息，例如：设计图纸、报告、扫描文档或其他与工程相关的信息。一般该部分主要用于设计团队个专业之间的信息共享，此时信息仅对公司内部和各团队成员可见，并且都在CDE 中操作。从“工作正在进行”进入到“共享”之前，需要通过对信息进行检查、审核和批准。进入到共享状态后，意味着施工和设计单位都可以看到相关的模型和信息。进入到发布状态之前，需要完成修订与授权，进入发布状态意味着此时信息已由业主或业主代表签署授权或接受，说明项目已经完成审核手续并形成可交付成果。从发布进入到归档之前，需要通过验证和审核，存档的信息记录着项目与其相关的工作信息内容[2]。本项目中使用的CDE 平台是Autodesk BIM 360，BIM 360 的具体操作流程如图4 所示。

图4 BIM 360 在线提交和审批流程图

BIM 技术的价值在于信息的集成、传递与高效利用，这种特质与传统的设计方式相比，在各方面都显得更加科学与高效。BIM 的正向参数化设计使得建筑模型按照设计者的创意产生，之后BIM 模型随着设计的不断深入，模型也将承载越来越多的信息，而这些信息又会在之后辅助设计。

BIM 正向设计应用提高了建筑师在设计过程所作决策的科学性，通过信息共享完善初步设计阶段各个专业的相互协调配合机制，规避了不同专业之间的设计冲突[3]。

3 BIM 技术在项目正向设计中的应用

3.1 设计创作三维模型

创建可视化三维模型是BIM 技术的基础，BIM 正向设计的主要过程是创建和深化项目的建筑信息模型，其中包括属性、数量、材料等数据。本项目设计创作的模型有建筑、结构、机电、设备安装及景观等，三维模型效果如图5 所示。

图5 项目三维模型

3.2 设计复核

本项目在设计完成后，由设计师对三维BIM 模型进行检查，并对相关设计问题提供反馈。在此过程中，会使用模型复核软件（Navisworks）和在线协调软件（BIM 360）。设计复核流程如图6 所示。

图6 设计复核流程

3.3 场地分析

项目周边的环境模型采用传统的测量方法，并通过对测量数据的处理，构建BIM 模型，并使用BIM 环境模型与无人机航拍图一起来评估场地，以确定项目的最佳位置和方向等，如图7 所示。

图7 BIM 环境模型与无人机航拍图

3.4 三维协调

设计过程中协调的目的是识别并在项目施工前消除碰撞。本项目使用Navisworks 进行碰撞检查，并采用BIM360 软件协助数据交流。

此外，三维协调还包括检查头部空间要求、建筑或设施的工作空间和安全通道设置等问题，三维协调流程图如图8 所示。

3.5 成本预估

在设计阶段，可从模型中直接提取工程量，并由工料测量师制定项目成本估算。这样做的好处是项目从设计到建造，成本都一直处于可控的状态。

3.6 空间规划

在选定场地，根据业主要求及模型使用功能高效、准确定地确定各个建筑的位置，并对场地内的道路及绿化等做出合理安排。

3.7 施工规划

设计阶段可将施工计划安排输入到模型中，通过BIM 模型可以整体模拟施工进度和顺序。

通过整体模拟确定高风险的施工阶段及位置，在实际施工过程中可对这些风险点的技术方案进行施工模拟，确保实际施工的安全，项目施工模拟操作如图9所示。

3.8 数字制造

项目现场的写字楼和建筑的部分外墙都是采用预制构件的形式，这些预制构件都基于BIM 进行深化设计，再由BIM 生成生产资料给制造商进行生产。如地盘的写字楼单元是以组装合成安装的，以及建筑外墙都是采用装配式建筑，如图10（a）～ (b)所示。

图10 项目地盘写字楼与建筑外墙安装

3.9 生成平图纸

设计完成后，使用BIM 模型直接将设计信息输出为建筑、土建、结构和机电等二维图纸，如图11 所示。

图11 由BIM 模型生成的平面图纸

4 BIM 正向参数化设计与传统设计的区别

BIM 在建筑项目设计、建造及运营阶段都得以应用，尤其是在建筑设计方面。目前BIM 设计虽然仍无法全面取代所有的传统设计，但却对传统的设计产生深远的影响[4]。很多设计公司都会构建自己的建筑模型，根据设计CAD 图纸进行三维模型创建，利用BIM模型可视性的特点进行不同专业间的碰撞检查，之后再修改CAD 图纸，这一过程也被业内俗称为“翻模”。这一情况也说明BIM 技术在某些方面的优势是传统设计所需要的。而本文介绍的将军澳海水化淡厂采用的是BIM 正向参数化设计，是目前BIM 建筑设计中最为提倡与推广使用的一种BIM 设计方式。下面通过对传统设计与正向设计的对比，具体分析两者之间的区别。

（1）传统设计流程

首先，建筑师对项目进行设计，生成建筑图纸；其次，建筑结构设计人员根据建筑图纸和机电等专业交给的资料建立结构分析与设计模型，在结构设计软件中进行相关构件设计及内力分析；接着，将结构设计结果反馈给相关建筑设计人员进行建筑设计调整，再反馈给结构设计人员进行调整修改，直至满足最终设计要求；最后，根据最终设计结果绘制施工图，进行交付[5]，传统设计流程如图12 所示。

图12 传统设计流程

虽然随着CAD 技术的不断发展与深度应用，很多传统的设计工作都可以借助CAD 提高效率，例如：图层识别技术可以自动导入轴网、构件定位等，但仍然存在大量的结构设计与模型分析需要手动完成[6]。

在施工图绘制过程中，某些CAD 软件具备二维图纸自动生成的功能，但这些图档不具备信息的完整性、关联性，且修改起来繁琐，很难兼顾各个专业图纸多方面考虑[7]。

（2）BIM 正向设计

BIM 最开始被提出的想法是：直接通过三维建模进行设计，并利用三维模型实现建筑项目信息的有效传递，并且最后可以自用生成所需的图档，并使模型与图档信息保持一致，并可进行完整传递[8]。正向设计流程如图13 所示。

图13 正向设计流程

而当前普遍的BIM“翻模”只是传统设计的辅助工具，显然违背了BIM 的初衷[9]。于是，业内提出了BIM 正向设计这个概念，通过使用BIM 完成设计阶段到交付阶段的全过程设计工作，并在项目全寿命周期，利用BIM技术实现协同设计、信息关联和信息传递等[10]。

通过对将军澳海水化淡厂BIM 正向设计流程的介绍，可以清楚地看出BIM 正向设计的优点，从参数化模型的建立到最终的出图，项目的设计工作都在有组织、有规划下高效协作，且项目设计阶段的信息会完整保存，通过通用数据环境进行高效完整传递，能够更好地服务于之后的建造与运营阶段。

基于上述内容，将传统设计与BIM 正向设计在几个重要方面进行对比，如表1 所示。通过对比可以发现BIM 正向设计在信息的沟通、协调与传递等方面均显优势。

表1 传统设计与BIM 正向设计对比分析表

5 结语

虽然BIM 技术对传统设计产生了巨大影响，传统设计也在积极努力使用BIM 技术，但不改变传统设计的本质，只是一味的使用BIM 技术的单一功能辅助传统设计，这并不能使BIM 技术发挥最大的作用，而且还会很大程度上限制BIM 的发展。传统的设计与施工脱节，面对施工中出现的问题，设计并不能及时做出反应，需逐层反复进行修改。BIM 正向设计可实现设计建造一体化，面对施工当中出现的问题，模型可很快做出反应，并快速更新图纸。

BIM 正向设计的发展需要经历时间的检验，它是探索与推动BIM 技术发展的方式之一。但BIM 技术仍处于发展初期，BIM 技术实际应用过程中还面临诸多挑战，以图纸为导向的BIM 正向设计仍具有强烈的时代局限性。但未来建筑工程必定以信息模型为主，通过融合各种数字化技术进行升级，使BIM 技术可以更好地服务于建筑全寿命周期。