BIM技术在屋顶空间设计施工中的应用研究

BIM技术在屋顶空间设计施工中的应用研究

赵伟 高爽 谷智 王振强 饶鑫

中冶建工集团有限公司  重庆市大渡口区  400000

摘要：本文研究了使用BIM技术进行屋顶空间设计的可行性和优势，并通过实际案例分析探讨了其实现过程和效果。首先，介绍了BIM技术在建筑设计中的应用，并提出了使用BIM技术进行屋顶空间设计的理论基础和技术支撑。其次，通过对BIM技术在三维建模、工程量计算、施工管理等方面的优势分析，探讨了其在屋顶空间设计中的应用价值和优势。最后，结合具体案例，探讨了使用BIM技术进行屋顶空间设计的实现方式和效果，并总结了其优缺点和未来研究方向。

Research on the Application of BIM Technology in Roof Space Design and Construction

Abstract: This article studies the feasibility and advantages of using BIM technology for roof space design, and explores its implementation process and effects through practical case analysis. Firstly, the application of BIM technology in architectural design was introduced, and the theoretical basis and technical support for using BIM technology in roof space design were proposed. Secondly, by analyzing the advantages of BIM technology in 3D modeling, engineering quantity calculation, construction management, etc., the application value and advantages of BIM technology in roof space design were explored. Finally, based on specific cases, the implementation methods and effects of using BIM technology for roof space design were discussed, and its advantages, disadvantages, and future research directions were summarized.

关键词：BIM技术；屋顶空间设计；工程量；人工算量。

Keywords: BIM technology; Roof space design; Engineering quantity; Manual calculation.

一、引言

建筑信息模型（BIM）是一种集成多学科信息的数字化建筑模型，是一种以数据为基础的建筑设计和施工管理方式。BIM技术能够综合设计、施工、运营等全过程信息，为建筑设计提供多样化的决策支持工具[1]。BIM技术在建筑设计中的应用领域主要包括三维建模、工程量计算、施工管理等方面。BIM技术在建筑设计中的应用具有如下优势：1提高设计效率和质量：BIM技术能够帮助设计师快速创建建筑三维模型，以便对设计方案进行可视化呈现和分析。2减少人工材料统计计算时间、提高计算精度，传统的人工统计方式在处理大量数据时容易出现错误和误差，同时工作量也会非常大。采用BIM技术进行工程量计算不仅能够减少人工计算的时间和工作量，还能够提高计算精度，从而减少漏项和避免错误[2]。3提高工程执行效率、施工质量和效率大大提高，BIM技术可以创建精确的建筑模型，为施工方提供更精细的信息和更丰富的数据资料。这提供了更好的施工管理的方式，从而保证工程质量和施工效率都得到大幅度提高。现有设计、审查人员能力参差不齐，屋顶空间设计施工图质量得不到有效保证，本项目拟从规则检查和施工图设计优化两个角度出发，借助的BIM技术建立空间设计工程规则检查及优化系统，实现屋顶空间设计的规则检查、辅助设计人员优化及结果可视化等功能。

二、BIM技术在屋顶空间设计中的应用

淮安金融中心项目位于江苏省淮安市，用地面积约为13490㎡，总建筑面积约为32822.34㎡，其中地下建筑面积约为8703.49㎡，地上建筑面积约为24118.85㎡，主要功能为商业，地上4层，地下1层，建筑平面尺寸约为150m×42m，主要柱网为8.4m×8.4m，建筑为二类公共建筑。

1.复杂设计可视化

BIM技术通过建立具有坐标数学模型的建筑模型，以构成“数字业主”模型，从而更好的支持建筑设计、数据分析、施工管理和运维等方面。BIM技术对建筑空间进行三维建模，帮助项目各方直观地了解屋顶空间设计方案的效果，提高了设计人员的创造性和设计效率[3]。BIM技术的三维建模可以提供更直观、高效、准确的建筑设计效果图，可使设计人员更好地了解项目的整体情况，以及对细节进行优化和调整。BIM技术能够对不同设计方案进行比较，找出最优设计方案，从而提高设计质量和效率。

2.碰撞检测及优化

各专业进行沟通协调，确保本专业模型的正确合理性的同时，兼顾其它专业模型的合理位置与空间。在BIM三维模型的基础上，进行各专业深化设计，并随工程进展绘制综合图，通过各专业三维图叠加、综合，做到三维可视化，及时发现综合图中各专业之间的错、漏、碰、缺等问题，并根据BIM模型提供碰撞检测报告，及时进行解决，以实现图纸设计零冲突、零碰撞，避免施工过程中的返工、停工等现象发生，大大减少设计变更，确保施工进度，为业主节约投资。按照制定好的BIM系统工作流程和BIM标准，进行施工图深化。

3.工程量计算

屋顶钢结构网架不规则，网架图纸见图1，零部件较多，人工统计难免出错，BIM技术的工程量计算是指利用BIM技术的建筑信息模型，在设计阶段便可以实现自动计算建筑内面积、用量等数据。BIM技术能够对建筑空间进行精确的工程量计算，从而避免了传统手工计算的误差和漏项。使用BIM技术进行工程量计算可以减少人工计算时间，提高计算精度，提高工程执行效率。

钢结构算量统计人工计算强度大，计算繁琐，采用数字技术辅助进行钢结构工程量统计是必然趋势[4]。BIM模型将构件参数导出用于校核构件和零件尺寸，用于复核人工算量的准确性，可以节省工程造价人员的时间，大大提高工作效率，为算量工作提供一个强有力的支撑。

表1 BIM工程量和人工算量对比表

BIM屋顶空间建模应用所用BIM模型导出的工程量结果见表1，对屋顶空间所使用矩管、圆管、肋板、垫板等构件进行统计，得出的算量与手工算量相比较后，得出误差在4%，表明BIM模型精度和细度是可信的，以此为衍生，可将BIM模型在房屋整体建筑、结构、机电算量中广泛应用，尤其是机电领域，设备、管线、管件繁杂，BIM算量具有无可比拟的优势。

4.深化出图

在施工图深化设计前，首先要明确深化设计的目标和要求，如施工图深度、精度、完成日期等，同时对设计资料进行分类和整理。组织深化设计团队对出图标准和规范进行定义。在BIM模型类型属性中精确构建弧度、高程、线性尺寸标注，使工程量统计及三维设计能够指导施工、服务施工。

1）图层统一

BIM建模和CAD绘图类似，首先要对框架进行统一，图层设置是重要一环，要求设备、管线、管件等颜色一致性[5]，图层名称命名的一致性，连接文件的一致性。确保在合模中各专业基础设置均统一合规。

2）模型的合并

BIM多采用组载入的方式合模，具有可以编辑、关联性好，属性齐全的优点，分专业协同也逐渐转为分区或分层协同，以解决工程较大的前期协调问题。

3）深化出图

深化出图包括土建专业深化、综合管线剖面布置、机电专业校核、综合预留预埋深化等。土建专业深化包括详细准确的分析报告和施工详图。机电专业校核、深化包括所有机电专业对各专业系统内的设备、管线型号、路由、系统参数、主副系统复核校验。根据综合机电协调施工图绘制各专业平立剖，特殊区域绘制管道安装详图，详细标注各专业管线的标高和位置。综合管线剖面布置包括各专业综合布置，平面按各专业分不同颜色分类，便于识别和修改，在平面图中反映出管线翻弯的地方标注管线安装标高，管线集中的区域做剖面图，剖面图各专业管线和图层与平面图对应，详细标准管线以建筑结构定位尺寸及支架安装形式规格。参数化设计可以快速修改和调整设计参数，实现快响应和高效管理。

5.基于BIM技术的预制加工

利用BIM技术深化完成后的精确模型，制作出符合工厂预制要求的预制加工图，从而提高构件预制加工能力，降低现场劳动力成本、提高工作效率、提升建筑质量。对机电管线、幕墙、钢结构等构件，可利用深化调整完成后的精准BIM模型，生成出符合工厂预制要求的预制加工图及清单报表，或直接生成符合要求加工数据模型对接智能化加工设备，生产的预制件到现场再根据施工模型的定位进行组合安装，可避免现场加工场地的租赁，大大提高施工效率，降低现场劳动力成本，缩短施工工期。

6.BIM进度控制及优化管理

BIM技术可有效避免施工过程的返工，可将BIM模型和进度联合使用，突出施工中可能存在的偏差和冲突时间点，及时进行调整和纠正，制定有效措施，减少施工过程浪费。利用进度视图模块，将7日内任务进行图样展示及预警，发现延后分项工程，及时更改和倒排工期，做到精确计划管控。对分部分项工程进行整体编排，合理利用现有资源，做到提前计划，保证工期在规定的时间内完成。

7.施工管理

BIM技术在施工管理中的应用主要有两个方面，一是将建筑设计阶段的信息流转延伸到施工阶段，并实现材料的实时更新。二是提供更加快捷和准确的信息支持，可以对材料的使用、施工的时间和安排等方面进行统筹管理，达到更有效的施工管理效果[6]。BIM技术的施工管理模型可以使设计图纸与实施图纸高度一致，从而减少误差，提高施工效率。能够为施工管理提供更快捷、准确的信息，使施工管理更有条理。通过BIM技术建立的数字化模型，可以帮助监理和施工方进行协调，提高施工质量和效率。

8.BIM质量管理

通过BIM技术，可使BIM模型附带质量信息，使原本枯燥的质量数据可视化，定位化，通过可视化让质量检测数据实现高效流转。BIM可与智慧工地有效联合，运用智慧工地平台对质量专栏进行有效管理，将不同专业的质量问题进行统计分析，同时导出分析报告，追溯质量安全责任，利用大数据分析质量安全问题分布趋势和类别以及主要问题集中点，为项目下一步决策提供数据支撑。

三、使用BIM技术进行屋顶空间设计的实现方式和效果

本研究中采用BIM技术设计屋顶空间的实现流程如下：首先进行概念设计，制定设计方案。然后进入初步设计阶段、施工图设计阶段。通过模型展示细化设计方案，制定详细的工程量计算表，并进行各项施工管理的具体规划。最后，利用BIM技术进行模型构建和演示，来检查和确认设计结果，并进行模拟施工和优化设计。

本项目在屋顶设置玻璃构架，人视图见图1，构架设柱子置于建筑屋顶，端部悬挑部分设“Y”型柱置于建筑顶板，“Y”型柱见图1，构架跨度向16.8m~19.0m，中间部位存在33.6m的较大跨度。构架网格处做玻璃幕墙，幕墙玻璃尺寸为2500x1200mm。

图1 屋顶人视图、”Y“型柱（图片来源：作者自绘）

四、总结

通过BIM技术在屋顶空间的应用研究，从整体空间，可视化展示及构件算量等方面为实际工程提供了技术指导。同时在和人工算量进行对比后得出，使用BIM软件建模所提取的工程量清单与采用手工核算的工程量误差在4%以内，基本满足了工程采购统计的需求，表明BIM在屋顶空间的使用，基本达到预期效果，BIM的算量统计可为后期工厂预制加工提供相对准确的工程加工清单。在应用BIM技术算量后存在差异分析原因是由于BIM建模存在自身的局限性，无法有效的考虑真实节点，梁、柱之间存在相互剪切现象，同时在细部构建如肋和螺栓等部分存在无法精确建模的情况。

BIM技术是近几年兴起的新技术，对构建受力情况可进行模拟分析，为设计提供可靠的设计依据，同时可提高设计效率和质量、减少人工计算时间、提高计算精度、从而提高工程执行效率、施工质量。未来还需要继续深化BIM技术在建筑设计中的应用和研究，推广其在建筑设计中的应用，为建筑行业提供更加高效、精准的服务。

[1]《中国建筑业BIM应用分析报告(2020)》编委会.中国建筑业BIM应用分析报告(2020) [M].中国建筑工业出版社,2020.

[2]李妍,年昕娜.框架结构柱钢筋算量中BIM技术的应用[J].吉林建筑大学学报,2021.4(38) :08-15.

[3]桑方方.BIM技术在大型钢结构施工中的应用研究[J].西安文理学院学报（自然科学版）,2019.3(22) :90-95.

[4]焦红,王松岩,郭兵.钢结构工程量计量与计价[M].北京:中国建筑工程出版社,2006:126-135.

[5] 王孝强;刁春刚;李俊礼;BIM技术在大型公共建筑中过程控制应用 [J]. 青岛理工大学学报 ,2016.12(6):78-82.

[6]卢吉,高畅,陈飞,等.基于BIM的复杂空间异型钢拱桥拱肋施工校核研究[J].土木建筑工程信息技术,2021.13(3) :8-14.