干货 | BIM技术在中国企业联合馆设计中的应用
2015年，“互联网+”写入李克强总理的政府工作报告，这意味着“互联网+”正式被纳入顶层设计，成为国家经济社会发展的重要战略，在这种时代背景下，很多传统行业都发生了翻天覆地的变化，建筑行业作为技术密集型的传统行业，自然要顺应潮流，寻求新的突破与发展。BIM（Building Information Modeling）概念，其核心就是建筑行业信息的创建与传递，这些信息是建筑行业并入“互联网+”的数据基础，是引领建筑行业微笑转型的引擎。
同济大学建筑设计院（集团）有限公司（简称同济院）自2009年成立BIM中心以来，先后完成了上海中心、上海国际旅游度假中心、中国企业联合馆、上海通用汽车展馆等项目的BIM设计。至今，共完成BIM设计项目的建筑面积约300万平方米，正是有这样一个量的积累，同济院有能力也有意愿在BIM事业上实现质的飞跃，从而推动整个行业的BIM技术发展与进步。
2015年意大利米兰世博会的主题为：“滋养地球，生命能源；为食品安全、食品保障和健康生活而携手”。中企馆在呼应世博会主题的同时，选择“中国种子”作为展馆主题意象，来反映中国企业的发展与成长（图1，2）。
图2 中国企业联合馆中意花园
建筑设计的灵感也来源于“种子”，并在多方面回应自然和生命的主题。建筑表皮卷裹的动势是对种子萌芽和生长过程的模拟；双重环形坡道则是对DNA分子结构的隐喻；建筑核心的垂直绿化直接将生机引入建筑内部。同时，建筑设计构建了“方圆”、“内外”、“虚实”、“刚柔”、“动静”等一系列空间形态的二元关系，与“道法自然”、“有无相生”的思想相通。从建筑的任何角度都可以看到内外空间的自然衔接，空气和光线完全可以进入建筑最深处。
>> 非线性设计
为了营造出 “道法自然”、“有无相生”的思想意境，从外部轮廓到环形中庭，均有大量的非线性设计元素。建筑轮廓为一方形体量，在当中嵌入树状柱筒、环形中庭及其内部的绿核，这些设计都不是常规的“横平竖直”，而是一些灵动的曲面，以保证观展流线在内外之间不断转换，并让游客在不知不觉中到达屋顶花园（图3~5）。
图3 建筑外表皮
图4 环形旋转坡道
图5 树状柱
>> 建筑空间紧张
米兰世博会提供给每个展馆的用地相对较小，周边道路用地紧张。国家馆之外的所有展馆建筑高度严格控制在12m以内；而且主要室内空间要满足至少3m净高的舒适度要求。而企业馆是一个由多家企业联合集资建设的场馆，各企业都要求有尽量多的展示面积，以在世博会实现其宣传的目标。我们需在930m2的净用地面积中设计约2000m2的使用面积。在局促的空间里做足业主需要的面积，并满足内部的净空要求，这对建筑、结构以及设备工程师都是巨大的挑战（图6，7）。
图6 总平面图
图7 BIM设计模型
基于以上两点，设计团队在方案初期就引入BIM技术，直接用三维来进行设计，各专业协同工作，有问题及时反馈，在最短的时间内，完成一个高品质的设计作品（图8，9）。
图8 BIM设计流程
图9 剖面图
前期设计阶段，土建专业直接在BIM模型中协同工作，最先确定建筑的形体、边界、结构形式等大方向，找出各专业在该项目设计中可能遇到的瓶颈问题，并逐一解决，避免后期出现颠覆性的改动。确定之后，各专业继续深化模型，为下一步专业间配合作准备。
中期各专业配合阶段，建筑与结构专业的BIM模型已逐步完善，力求达到施工图建模深度，建筑专业需要确认在现有的结构布置之下，建筑功能与空间能得到满足，此外，设备专业的主管线与大型设备也体现在BIM模型之中，对于现有的碰撞问题，设备专业与结构专业共同协商，得到最佳的解决方案，并对后期的工作重点进行总体安排。
后期管综优化阶段，建筑与结构专业不断完善模型，并根据项目需要进行局部微调，设备专业全面介入，所有的支管与设备均反映在BIM模型中。结构专业根据前期的工作计划，在设备专业管线确定的基础上，直接在BIM模型中根据实际尺寸开预留孔洞，这项工作对日后的深化设计与施工安装具有极强的指导意义。
>> 立面桁架
由于建筑体量较小，方案设计策略是简化外立面元素，用纯净的材料、简约的细部使建筑充满力量感。建筑入口处，外表皮向上掀起，划出一道与地面相切、直至屋面的大弧线造型（图10,11）。结构师选用适应建筑轮廓的立面桁架形式，高效地实现了力流的转化和落地，实现了“帘幕掀起”的效果。同时，采用大悬挑取消了立柱，模糊了建筑内外空间的边界，从而实现了建筑出入口的开敞效果（图12）。
图10 入口大悬挑结构
图11 外表皮设计
设计师均以BIM设计为依托，首先用犀牛搭建出建筑外轮廓，然后结构设计师用REVIT软件在建筑外轮廓中进行结构布置，并导入结构分析软件。这种设计方法，改变了传统设计中，依靠二维定位指导三维建模的“逆向”设计，直接利用BIM三维可视化的特点，让设计从抽象变得现实，空间关系一目了然，另一方面，由于BIM设计的思路是协同工作，通过建立REVIT中心文件，建筑的改动可以立即反映给结构，结构可以对该建筑造型的可实施性进行及时反馈，这大大提高了双专业配合的质量与效率。（图13）
>> 树状柱设计
为了给中企馆的结构构件赋予美学含义，我们在建筑核心设置了树状柱，它们相互交叉支撑，整体形成一个椭圆形柱筒。结构师依照不规则造型布置钢结构折形柱，使树状柱成为建筑设计的亮点。绿核影厅由树状柱筒吊挂，可取消影厅下部立柱，-2m展厅的边界得以无碍地延伸到枝状柱，环形光井被纳入展厅空间。此外，树状柱还承担环形坡道的重量，是结构设计中的关键部位。在枝状柱的生产和安装方案中，柱筒整体被分成内、外两个展开面以及若干小的侧面来拼装，实现了很好的表面平整度。
树状柱作为整个建筑内核的竖向受力构件，它的设计完全无法按照常规的设计思路进行，二维设计甚至连柱定位这一项工作都无法实现，因为柱之间是相互交错的。对于这种罕见的结构形式，BIM设计发挥出巨大的优势。首先，建筑师与结构师可以同时在REVIT中心文件中工作，建筑设计师给出建筑想要的柱的定位与形态，结构设计师直接根据建筑师的模型进行结构分析，最大程度的满足了建筑师的设计意图，保留了整体建筑的设计精髓；此外，因为树状柱的设计，树状柱区域的管线综合完全依赖于BIM模型，设备专业的工程师，在已经确定的树状柱模型之上进行布管工作，避免了后期的大量修改（图14,15）。
图14 树状柱的BIM模型与现场施工
图15 内部核心垂直绿化
>> 管线综合出图
企业馆的总高度限制在12m以内，而且主要室内空间要满足至少3m净高的舒适度要求，再加之本项目对通风、照明的要求极高，因此如何在有限的空间内实现管线的最优排布，成了后期设计关注的重点。对此，结构工程师与设备工程师配合，直接在钢梁上开洞，这最大限度的发挥了设备工程师的自由度，同时也节省了专业之间相互协调的时间，所有的专业都是同时进行工作，一次性排定所有管线，然后结构工程师重新进行结构分析，对于受力不足的位置进行局部微调。当结构专业与设备专业设计完成之后，用BIM模型一次出钢梁开洞图与管线综合图，并将BIM开洞模型传递给施工单位，为施工单位下料、安装等提供可视化参考（图16）。
>> BIM助力跨文化交流
中企馆项目是一个多方参与的国际化项目，项目的设计方与管理方是中国人，施工与产品供应商是意大利人，这种文化与语言的差异，导致中方与意方在技术交流方面有很大的障碍，本来一个很简单的问题，要在纸上交流很久，双方才能充分领会到对方的意思。此时，BIM的可视化在助力跨文化交流方面发挥了积极的作用。双方在电话会议或面对面的交流时，BIM三维模型可以将目前项目的进展与全貌充分展示在屏幕上，通过全景漫游，各参与方可以即时在BIM模型上留下自己的意见以及多方解决方案，会议之后，这些记录与解决方案上传至BIM管理平台并落实到人，记录清晰，分工明确，保证项目快速高效的推进（图17,18）。
图17 中企馆项目会议
图18 从外部看中企馆
BIM设计思考
BIM设计的优势在我们实施的项目中已经得到了设计师的一致认可，但设计仅仅是建筑行业产业链上的一环，而BIM的初衷是要用信息带动整个建筑行业，贯穿整个项目的全生命周期，因此BIM的全面推广有赖于整个行业的成熟与联合，从目前的发展来看，BIM在全行业的开展仍存在一些问题。
>> BIM标准
目前，北京市已经出台了《民用建筑信息模型设计标准》，上海市的BIM标准也在积极推进中。根据笔者的了解，国家及地方标准主要用于指导BIM技术在行业中的应用，起到提纲挈领的作用。而在BIM操作过程中，业主更关心我们是否能制定出针对项目的BIM标准，以便于该项目的数据能够实现全生命周期的流动。对此，同济院在实践中根据业主的需求，在项目前期向业主提供了全套的项目级BIM操作手册，在得到业主的认可后，严格用BIM操作手册指导工作，取得了良好的效果。现在，同济院也在尝试根据现有的经验，汇编出一套具有普遍指导意义的项目级BIM应用标准。
>> 数据传递
目前在BIM操作过程中，设计单位的BIM模型移交给业主之后，它的使命也就完成了。施工单位在做BIM的时候，会根据施工图再建一遍模型。这种设计施工分家的操作方式，违反了BIM的初衷。在这方面，同济院进行过积极的探索，在“上海国际旅游度假中心”项目中，同济院与施工单位紧密合作。施工单位将自己对BIM模型的建模要求告知同济院，同济院根据这些要求（包括建模方式、命名规则等）修正模型，修正之后上传至鲁班工作平台，施工单位收到模型之后，直接利用该模型进行施工深化设计与施工管理，并将现场照片上传至鲁班平台与BIM模型比对，及时发现问题并修正。在该项目中，同济院对于如何与施工单位对接积累了宝贵的经验。
>> 人才培养
同济大学沈祖炎沈院士曾提出，BIM中的“M”是否可以理解成Management。这可以看出，在BIM领域，管理远远大于技术，如果管理者的思路明确，技术的跟进就是一夜之间的事情。目前，我们设计领域的项目经理大多是从技术人员培养起来的，这些中年工程师技术过硬、精力充沛，但唯独缺乏的是对BIM理念的深刻理解，很多工程师在最初接触BIM时甚至是抵触的，因为BIM的这一套流程改变了我们习惯多年的工作模式，在局部应用上甚至增加了设计师的工作量。
设计行业应该深刻认识到，技术为王的时代已经过去了，“D（设计）”模式应该向“D+M（设计+管理）模式”转变，我们应该借助BIM发展的浪潮，提高设计行业的管理与服务水平，从整体上推动整个建筑行业产业链的发展。在这方面，同济院在BIM设计项目上，在原有项目经理制的基础上，又配备了一个BIM经理，项目经理主管设计质量，BIM经理主管设计流程，二者相互配合，逐步实现传统设计到BIM设计的转变。
BIM发展的路途可能是崎岖的，它需要建筑行业内各个参与方的全力支持，共同发力，但BIM发展的趋势已然不可逆转，业主、设计单位、施工单位、软件公司等都在自己的岗位上努力从传统思维向BIM思维转变，只有当我们所有人的努力联合在一起之后，我们才能看到BIM给整个建筑行业带来的深刻变化。让我们一起微笑着面对这场变革，我们也坚信这场变革最终会给我们一个微笑的结果。
李莉
同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司BIM中心技术副总监，国家一级注册建造师。曾全程参与上海迪士尼乐园过山车、意大利米兰世博会企业联合馆、上海国际旅游中心办公大厦等大型项目。
张峥
国家一级注册结构工程师，现任同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司技术发展部副主任。从事超高层综合体建筑以及体育、会展、文化、交通建筑大跨度复杂钢结构的设计、研发与咨询工作。
吴杰
同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司建筑设计二院副总建筑师、国家一级注册建筑师、高级工程师。2004年获第五届中国建筑学会青年建筑师奖。
注：本文刊于《建筑技艺》2015年10月刊。