第四章 BIM 在工程设计阶段的应用分析
4.1 工程设计阶段使用 BIM 技术的原因
4.1.1 使用 BIM 技术的设计单位类型
现阶段，在中国使用 BIM 技术的设计单位大致可以分成下述几种类型：第一种就是设计单位的领导对 BIM 技术比较认可，看到了 BIM 技术在建筑设计中应用的优势，这些设计单位的领导都比较有长远的眼光，希望可以通过 BIM 技术改变设计单位在市场竞争中的地位[45],抢占发展的先机；第二种就是一些设计单位在进行建筑工程项目设计中发现传统的设计方法已经无法满足项目的要求，而不得不寻找的新的设计方法，BIM 技术正是他们认为比较符合市场需要的新型建筑设计方法。比如建设单位在遇到大型异型建筑工程项目设计、协同项目设计等比较新颖的建筑设计要求时，使用 BIM 技术是弥补传统设计方法不足较为有效的手段；第三种就是为了满足建设单位或者合作的外方企业的需要而使用 BIM 技术。
一些业主或者投资方会对建筑设计方法进行说明，有的就会要求必须使用 BIM技术进行建筑设计，这就使得设计单位不得不采用 BIM 技术。而一些外国建筑企业本身就使用 BIM 技术进行设计[46],在与中方企业合作的过程中，为了更好地进行信息交流，需要中国的设计单位配合他们使用 BIM 技术，这也迫使设计单位引入 BIM 技术。虽然上述几种类型的设计单位会使用到 BIM 技术，但在设计过程中具体的应用范围还是比较窄的，即只能使用到 BIM 技术中的几项功能，其中使用频率较高的是碰撞检查、三维立体展示设计成果等功能。如果设计单位花费大量的人力、物力引入了 BIM 技术，使用的空间却有限，虽然有利于促进 BIM 技术在建筑设计单位的推广，但对于建设单位而言，很难发挥 BIM 技术的实际应用价值。
4.1.2 以 BIM 技术为依托的新型盈利模式
BIM 技术在建筑行业的应用包括 25 种不同的类型，涉及到建筑工程项目计划、设计、施工和运营四个阶段[47].其中，针对设计阶段的应用多达 9 种，如设计方案论证、设计建模、规范验证等等，这些具体的应用已经包含了 CAD 技术的业务范围，即从理论上来讲在建筑工程设计阶段是可以用BIM技术代替CAD技术。
此外，和传统的流程设计相比，BIM 流程设计更具优势[48],它所具有的价值更值得设计单位使用和推广。虽然，建筑设计单位的类型有很多，从事的业务范围也千差万别，但是无论何种类型的建设单位都可以利用 BIM 技术创建新型的盈利模式，这也是促使建设单位应用 BIM 技术的动力[49].利用 BIM 技术进行建筑设计具有很大的优势，这些优势不仅是对设计单位而言的，同样也是对甲方业主而言的，如果设计单位能将这些优势向甲方业主表明并被其所接受，甲方就会愿意出钱购买或为获得的新服务提供更多的报酬。我们在研究 BIM 技术时容易将关注的重点放在技术层面上，而忽视了技术带来的直接性收益，又或者是认为在设计过程中应用 BIM 技术是通过提高工作效率和设计质量从而使得市场竞争实力增强而获得收益。BIM 技术商业价值的挖掘可以改变建筑设计单位传统的盈利模式[50],为建筑设计单位带来更加直接的收益。这需要建筑设计单位以多种角度审视 BIM技术的作用和价值，同时也需要建筑设计单位的领导者具有远见，能预见 BIM对设计单位盈利模式的影响，也能发现潜在的客户群，利用现有的客户资源建立新业务的客户关系网，省去寻找客户群的麻烦，也能提高工作的效率。
4.1.3 业主额外购买 BIM 服务
很多建筑设计单位都对业主会不会购买 BIM 技术带来的新增服务这一问题存有疑问。这要从业主和设计单位两方面进行分析。首先进行业主分析，业主的战略意识和商业头脑对此有决定地影响。如果业主早就对 BIM 技术有所耳闻，并且对其在建筑工程管理中的应用比较认可，相信未来 BIM 技术将会有很大的发展潜力[51],那么他就会选择进行购买 BIM 技术带来的新增服务，当然在开始进行这种服务的时候可能只会有一部分比较高端的业主能真正实施购买行为。此外，购买 BIM 的资金和建筑工程总投资相比是属于比较小的投入，如果通过小额投资能确保整个建筑工程项目的质量、避免出现更大的损失，很多业主还是会选择进行投资的。而且这种投资 BIM 的行为不仅能会获得一定的投资收益[52],同时还有利于对后期的运营维护阶段进行控制，可谓一举两得。其次，从设计单位角度进行分析。业主是否愿意购买 BIM,还要看设计单位能否提供具有额外价值的 BIM 服务。这里所指的额外价值是指传统的二维设计方法无法实现的价值。我们知道BIM 技术相比于传统二维设计方法最显着的特点就是能构建设计模型[53],并进行碰撞检查。除此以外，设计单位还应提供一些其它类型的服务，主要是用来解决业主在建筑工程管理过程中可能会遇到的各种问题，从而实现业主内部信息的一致性。我国很多比较着名的大型建筑都使用了 BIM 技术，尤其是在上海中心设计时应用了BIM技术后，国内很多高层和超高层建筑工项目都开始注意到BIM技术，这为 BIM 技术在我国建筑行业的推广提供了很好的契机。建筑设计单位也应把握好机会，积极引导业主购买 BIM,使得 BIM 技术能从理论研究转变为真正的生产力。
4.2 在工程设计阶段使用 BIM 技术应注意的问题
4.2.1 设计单位在应用 BIM 技术时存在的认识误区
我国建筑设计单位对于 BIM 技术的认识还存有一些误区。主要表现的两个方面：第一个方面就是将 BIM 软件视为单纯的三维绘图软件，相比于二维[54]
CAD 绘图软件而言，只是在维数上的区别。现阶段，我国很多的设计单位都有意进行BIM 技术的推广和使用，但对 BIM 技术真正了解的设计单位却不多。如果将 BIM技术视为一种三维绘图工具，那相比于 CAD 技术而言他的学习过程更加漫长、而且需要学习的内容比较多，需要设计人员花费大量的时间和精力。很多设计单位在决定是否应用 BIM 技术时就会考虑花费大量的人力、无力和精力进行设计方法改革对于单位的发展是否真的有帮助，前期投入的资本是否能收回。这样就会影响设计单位引进 BIM 技术的信心，进而影响 BIM 技术在我国建筑行业的推广使用；第二方面就是很多设计师都将 BIM 技术误认为就是使用 Revit 软件。这主要与我国设计师接触 BIM 技术的起源有关，很多设计师都是通过使用 Revit 软件才知道 BIM 技术的存在，自然就会将这两种不同性质的概念混淆。BIM 技术相比于一般的建筑设计方法而言，其最大的特点就是能对建筑工程管理过程实施全生命周期的信息管理[55],这是一般软件不具备的特性。随着 BIM 技术在我国应用的不断深入，大家对 BIM 技术有了更多的了解，这种认识误区也逐渐被消除了，已经不像之间那么普遍。建筑设计单位应该是我国建筑行业中最先接触到 BIM 技术的一个群体，很多设计单位在 2004 年就开始使用 Revit 软件，但至今 BIM 技术仍未能在建筑设计领域普及，主要与设计单位对 BIM 技术的认识存在误区有关，无法正确理解 BIM 技术，自然就无法将其转化成生产力。
4.2.2 设计单位使用 BIM 技术需要注意的问题
设计单位在进行 BIM 技术推广和使用的过程中需要注意几个问题，分别为：
第一，就是要对自身的实际情况有一个清楚地认识，在使用 BIM 技术时更应把握应用的范围，做好本职工作后再为业主提供额外价值服务。很多设计单位在使用BIM 技术之初，就妄想将 BIM 广泛地应用于各个专业领域中，却忽视了自己对 BIM技术的掌握能力，往往容易出现事倍功半的效果，即不能实现预期的目标，还会影响正常的工作流程；第二，设计单位在使用 BIM 技术时不宜全面展开，应以某个项目作为试验项目，熟练掌握 BIM 技术使用的过程，并对其和单位工作方式的兼容性进行测试。一般都不会选择比较复杂的项目，一些基础性的项目更有利于新技术的试验；第三，BIM 相关的软件大多从国外引进，与我国建筑行业的实际情况存在偏差，在使用 BIM 技术之初，需要有专业的人士进行相关的指导，才能理解其中的一些标准和应用方法；第四，推广 BIM 技术要事先做好准备，并要做好长期奋斗的准备。在使用 BIM 技术前要解决组织结构、人员安排等基本问题，这样才能确保 BIM 技术的推广按照一定的顺序进行；第五，BIM 技术要进行模型创建，需要将项目的相关数据信息输入其中，但由于每个建筑工程项目之间存在很大的差异，相关的数据信息也大为不同，所以不同的类型的建筑工程项目需要使用不同的方法；第六，BIM 技术的推广和使用需要设计单位全体成员的共同努力。一方面要有领导层的支持和引导，另一方面需要基层员工的认真执行。领导层和员工之间要进行默契的配合才能成功地将 BIM 技术应用于建筑设计中。
4.2.3BIM 技术团队的组建
在建筑设计单位推广和使用 BIM 技术的一个关键性问题就是要有相应的专业人才，但是由于设计单位的员工对于 BIM 技术的了解比较少，在使用的最初阶段很难找到专业的人才，这就需要在单位内部建立 BIM 团队，负责 BIM 技术在设计方面应用和推广的一切事项。成立专业的 BIM 技术团队首先就要确定团队的负责人，这个负责人应对 BIM 技术有比较全面的认识，对于其在设计单位的使用和推广方法有正确地判断。如果选择的团队负责人存在对 BIM 技术认识上的误区就会严重影响 BIM 技术在设计单位使用和推广的效果，甚至会影响单位其他人员对BIM 技术的认识。在对 BIM 技术团队成员进行选择时也需要综合考虑设计师的个人能力、学习能力、工作热情等各个方面，以确保选择出的团队成员能承受在BIM 技术推广和使用过程中比较大的压力，同时也富有激情去学习使用这种新型的建筑设计方法。BIM 技术团队成立后，团队内部成员的分工会变得更加细化，每名成员都有具体的责任担当，这样可以保证团队人员配置的最优化，减少人力成本。
4.3 工程设计阶段应用 BIM 技术的方法研究
4.3.1 影响 BIM 技术实施的要素分析
BIM 技术在设计单位实施过程中会受到一些因素的影响，下文将从三个方面对此进行分析研究。
首先，战略目标会影响 BIM 技术的实施效果。现在，很多设计单位使用 BIM技术都是在传统二维 CAD 技术流程的基础上进行的。这样就会使得 BIM 技术在设计单位的应用过程要逐级进行。BIM 技术在设计单位的应用要分成三个层级，第一层级是个人层面、第二层级是项目层面，第三层级是单位层面。如果 BIM 技术在设计单位中的应用达到了第一层级，就说明设计单位能利用 BIM 技术解决一些工程流程方面的问题，如解决不同专业之间的碰撞；如果 BIM 技术在设计单位中的应用达到了第二层级，就说明设计单位能利用 BIM 技术完成部分流程，如可以直接食用BIM软件进行图纸绘制；如果BIM技术在设计单位的应用达到第三层级，就说明设计单位利用 BIM 技术创建了新型的盈利模式，可以为业主提供额外价值的服务，同时能较为完整地实现 BIM 技术的各种功能。这三种层级分布也代表了设计单位战略目标的不同，追求不同层级目标的实现，推广和使用 BIM 技术的程度也会不同。当然，也有一部分设计单位在最初时是想实现最高层级的目标，但由于使用 BIM 技术的过程或方法上存在一定问题使得高一等级的目标很难实现，只能停留在低层级处，停滞不前。
其次，BIM 技术实施的过程会影响 BIM 技术实施的效果。BIM 技术在设计单位实施的过程需要循序渐进，不能操之过急。一般都是先从一些基础的项目开始入手，最初也是需要专业人员引导，相当于一些演练过程，等单位的团队熟悉BIM 技术应用的操作流程后，再逐渐增加试验的项目数量，量变会引起质变，随着使用项目的增多，BIM 技术团队对于 BIM 技术的了解会不断加深，最后能直接为业主讲解使用 BIM 技术的益处，为业主提供额外价值的 BIM 技术服务。
最后，对于传统设计模式的态度也会影响 BIM 技术实施的效果。根据我国现阶段建筑设计行业发展的情况来看，完全否定传统二维设计方法的思路是不可取的。在短时间内，设计单位应用 BIM 技术时还要以二维设计方法为基础，尽量降低使用 BIM 技术给单位发展带来的负面影响，寻找利用 BIM 技术提高业务水平的方法。
4.3.2 将 BIM 技术转化为生产力的方法
设计单位要将 BIM 技术转变为真正的生产力需要从两方面入手，第一个方面是要在应用 BIM 之初寻求专业机构的帮助。大部分的设计单位在使用 BIM 技术的时候都会请售卖软件的公司为内部的员工进行技术培训。然后在由设计师利用BIM 技术独立完成一个项目，在实践的过程中肯定会遇到很多问题，往往都是由设计师自己解决，但很多设计师在遇到困难后就放弃使用 BIM 技术，使得 BIM技术难以在设计单位中推广使用。面对这种问题，设计单位应认识到问题的根本所在，单凭设计师自己独立摸索 BIM 技术的使用方法是很难建立高效的 BIM 技术应用体系。鉴于此，设计单位应聘请专业的机构帮助建立完整地 BIM 技术应用系统，为以后 BIM 技术的继续使用和推广打好基础。同时这也是建立 BIM 技术团队的一种有效手段，让团队成员真正掌握 BIM 技术的使用方法；第二个方面就是要将 BIM 技术和设计单位的业务进行有机融合。在设计单位使用 BIM 技术的目的是为了更好地提高设计单位的主营业务，即设计业务。不要过分追求额外价值的BIM 技术服务，而出现本末倒置的现象。BIM 技术在建筑工程管理设计阶段的主要应用就是进行方案设计和施工图设计，因此要根据单位的实际情况将 BIM 技术应用于这两项业务中。如果还有精力，再进行额外价值的 BIM 服务研究，但由于不同设计单位从事的业务范围不同，所以以此为基础衍生出的 BIM 增值服务衍生种类也会不同，建设单位应根据自身的实际情况进行 BIM 技术增值服务类型的选择。
4.4 在工程设计阶段应用 BIM 技术的影响和好处
4.4.1BIM 对设计企业的影响
BIM 技术作为一种新型的设计方法，将其应用于设计单位，将会对设计单位的组织结构、设计流程和分配以及设计服务内容产生影响。首先，设计单位的团队组织结构将发生变化。在设计单位应用 BIM 技术必须要成立 BIM 技术团队，由于 BIM 技术的特点，在 BIM 技术团队中可能会出现制图员，团队内部的分工将变得更加明确，一般都是由制图员负责绘图，而设计师则可专心于设计工作，不必为绘图而分心。而制图员岗位的出现还可能带动一种新型的业务模式，即将绘图工作外包，那么 BIM 技术团队就要承接更多的业务。其次，应用 BIM 技术后设计单位的设计流程和分配机制也将发生变化。传统二维 CAD 设计方法中各个部分的设计工作是分开独立的，但 BIM 技术却通过创建模型直接生成需要的施工图纸，很多数据的处理都是通过计算机模型完成的，各个部分的设计之间也是具有一定关系的。随着制图员岗位的出现，以后设计团队内部的任务分配机制也会发生变化。最后，应用 BIM 技术改变了设计单位服务的内容。传统的二维 CAD 设计方法只能进行平面图纸设计，BIM 三维技术的应用不仅能提供三维立体成果设计，同时还可以利用构建的模型进行绿色建筑分析、工程量统计等工作，大大扩宽了设计单位服务的范围，丰富了设计单位服务的内容。
4.4.2 使用 BIM 技术对设计单位人力资源配置的影响
BIM 技术难以在我国建筑行业中推行，一方面有技术方面的因素影响，另一方面也是由于这种技术的应用将改变人传统的思维方式和工作模式，从而使得很多人一时难以适应，影响了设计单位人力资源配置。首先，介绍 BIM 技术对于设计单位团队分工的影响。在刚开始使用 BIM 技术时往往是根据项目的目标进行人员安排，这一阶段的工作内容比较简单，需要考虑的因素比较少，但随着 BIM技术在单位的不断推行，将会涉及到越来越多的人力资源安排问题，这时再想通过目标进行人员安排就行不通了，需要进行团队分工。按照 BIM 软件，分工的方式有两种不同的机制，分别为链接和工作集。链接机制和二维 CAD 的外部参照相类似，而工作集需要将模型差分成不同的小模型，同一专业的内容放在一个模型中。一般来说，大型项目都是使用工作集对项目的不同部位之间进行协同，而不同专业之间则用链接。其次，介绍 BIM 技术对团队人员选择和结构类型选择的影响。团队中的人员应具有较强的学习能力，同时还要有变通的头脑，对 BIM 技术比较认可。团队结构主要包括四类角色，分别为设计师、项目负责人、构件创建人员、制图员。最后，BIM 技术的应用还会影响设计单位的培训工作。传统二维CAD 技术培训的时间比较短，而 BIM 技术培训需要消耗大量的时间，不能进行独立的培训，会影响设计单位的正常工作，一般都要采取边干边学的培训模式。
4.4.3 设计单位应用 BIM 技术的好处
1、设计单位应用 BIM 技术将改变传统的盈利模式，创建新型的盈利模式。
设计单位除了能在主营业务上使用 BIM 技术提高业务的完成效率和质量，也能根据设计单位的实际情况，为业主提供 BIM 增值服务，从而获得直接的经济收益，改变传统的盈利模式；
2、BIM 技术协同作用能大大降低返工的概率，提高设计的准确性。传统的设计方法是将各个专业分开进行独立设计，由于彼此之间信息传递不通畅就会存在设计方面的冲突和矛盾，一般都是在施工阶段才能发现，不得不多次进行设计变更。BIM 技术则不同，它将各个专业的设计有机的结合在一起，设计师能快速的看到任何一个数据信息的变化，使得各个专业之间能进行信息共享，提高设计的一致性。此外，BIM 技术还能进行碰撞检查，自动发现各个专业设计之间存在矛盾，并可以进行修改。这样就会降低施工阶段设计方案返工的频率，从而提高设计的准确性；列如某项目中利用BIM模型轻松快捷地检查在三维空间环境下各专业的碰撞情况，发现检查出人防地下车库机电安装工程中进水管与风管发生碰撞（如图4.1），消防系统与风系统发生碰撞等几百处，利用变更条件进行 BIM 维护，提前反应施工设计问题，控制设计变更，避免了返工与浪费。
3、BIM 技术可以自动生成施工图纸。传统的二维设计方法要绘制施工图纸，BIM 三维技术利用协同设计功能可以根据设计图纸直接生成施工图纸，降低了时间成本和经济成本，提高了建筑工程管理的效率；4、BIM 技术更有助于设计师对建筑形态的理解。二维平面图纸需要设计师具有很强的想象能力，而且一些不是平面的设计方案难以在二维平面图纸上显示出来。而 BIM 三维技术能将建筑工程项目的设计成果虚拟出来，让设计师能更加直接了地了解建筑形态，从而便于设计师进行进一步的设计工作。
天津港国际邮轮码头项目位于天津港东疆港区南端岸线，是天津港历史上最大的邮轮码头工程，水工码头部分码头前沿线长 625m,宽 65.05m,采用高桩梁板结构。可停靠目前世界上最大的 22 万吨豪华邮轮，设计年接待游客能力达 50万人次。设计方案采用 CCDI 提出的“水上丝绸”这一别致而深具内涵的设计理念。由效果图可以看出，该项目造型复杂，异形设计多，施工规模大、工期短、难度高也是让天津港的设计师和工程师们感到棘手的问题所在。通过 BIM 技术的应用，借助三维技术的高度仿真和形象表达等特点，设计师实现了业主对项目所有要求的表达，并在施工配合阶段向施工单位展示了身临其境的三维可视化模型，得到业主和施工方的一致好评。由于 BIM 技术的应用，本项目只用九天的时间就完成了建筑、结构、给排水、暖通、电气等五个专业的建模，也只用了两个月的时间就给业主提交了所有专业的施工图，大大缩短了项目的设计周期。
4.5 本章小结
本章通过分析工程设计阶段使用 BIM 技术的原因，提出了工程设计阶段使用BIM 技术应注意的问题，由此对工程设计阶段应用 BIM 技术的方法进行了研究，并通过案列加以说明在工程设计阶段应用 BIM 技术的影响和好处。
