本文源自微信公众号：老帅BIM 作者 吉久茂

摘要：

上海博物馆东馆处于“上海东部文化中心”的核心位置，规划定位是建设成为“世界顶级的以中国古代艺术为主的博物馆”。该项目设计时间紧，结构复杂。为了提高各专业协同设计效率，进一步提高设计质量，基于revit三维设计平台，采用了全专业的协同设计。以上海博物馆东馆项目为例，讨论并总结了BIM三维设计的基本工作流以及三维设计中的其他创新应用点，比如设计图纸合规审查、3D打印技术应用等。以期为后续项目展开BIM三维设计提供参考思路。

关键词：上海博物馆东馆，BIM三维设计 ，合规审查， 3D打印

0.引言

随着信息技术的发展，BIM已经发展成为AEC行业有力的实施工具之一。BIM的第一要义是信息，这也将在未来几年成为BIM深层次发展的源动力之一；第二要义是协同，各专业基于三维模态下的设计有助于信息的及时流动，对设计质量进行动态监控与校核，同时也将催生出各种协同或审查平台的开发和深度应用。

同济设计院陈继良等利用BIM技术在上海中心项目中进行了研究实践，很好的将BIM与建筑设计相融合(1) (2)。常婷等在国家会议中心二期项目中利用BIM技术进行了结构设计探索（3）。刘恒研究总结了BIM设计从无到有的五种主要流程与方法（4）。李新伟等针对设计和施工的BIM协同工作模式进行了研究（5）。李坤针对地铁工程也进行了BIM+结构设计的融合探索（9）。

上博东馆项目组充分利用BIM的优势，结合项目自身特点和技术要求，进行BIM系列工具组合作战，定制个性化的BIM专项应用工作流。在设计层面，将BIM工具与传统设计工作流充分融合，为大型公建项目的BIM设计提供了思路。

1.工程概况

上海博物馆位于浦东新区杨高南路、世纪大道、丁香路交汇处的10街坊地块北侧（10-03A）地块，总用地面积4.6公顷。该区域配套设施齐全，景观条件良好，人文气息浓厚，交通便捷，未来将与上海科技馆、东方艺术中心、世纪公园一起，形成具有国际影响力的文化设施集群，成为“上海东部文化中心”与人民广场地区形成“文化双中心”（7）。

本项目为一幢一类高层，总建筑面积104997平方米，地上部分建筑面积为81297平方米，地下部分面积为23700平方米。南北面宽为185.6米，东西进深约为108.75米。上博东馆位于上海东部文化中心的核心位置，建筑设计立足城市空间整合的视角，使博物馆公共空间融入城市日常生活。

上博东馆与西馆“一体两馆、相辅合璧”，东馆采用“外柔内刚”的形体与西馆“天圆地方”呼应，建筑表皮犹如水墨长卷，整体犹如精美之中华印玺，与东馆的书画、工艺藏品特色十分契合(8)。

图1 上海博物馆东馆立面效果图

2.工程设计重难点

2.1体量大

上海博物馆东馆新建工程总建筑面积104997m2，地上6层，地下2层。东西长约185.6m，南北宽约108.75m。建筑主要檐口高度44.95m。结构专业BIM模型如图2所示。

图2 上博东馆结构BIM模型

2.2结构复杂

上部结构采用钢框架结构体系，计算结果表明地震作用下，结构基底剪力、层间位移角较大，鉴于博物馆特殊的使用功能，布置黏滞阻尼墙降低地震作用，提高结构性能，详见图3。由于整体结构的变形为剪切变形，该结构体系有利于充分发挥黏滞阻尼墙的耗能特性，且有利于减小构件的截面尺寸。另外该项目由于建筑功能需求，局部大跨度屋面采用大跨度钢桁架体系，参见图4。

图3上博东馆结构体系

图4 带钢支撑的桁架体系

屋顶大跨度结构与外围的主体钢框架的框架柱直接相连，既有效传递了屋顶荷载，又提高了整体结构刚度，使主体结可以更有效的整体工作。

大跨度屋面为屋顶花园，结构承受荷载较大，同时为了满足下部空间净高，正交桁架短跨方向的主桁架采用预应力桁架结构,参见图9。

2.3 多工种协同设计

本项目由于其自身特性，空间相当复杂，需要多专业，几十名工程师跨部门协调配合。在基于BIM的环境下，有效整合了各方设计数据，为项目的稳步推进打下了良好的基础。

3.BIM设计重难点

3.1 BIM设计的协同方式与流程

本文结合同济设计的项目实践，总结得出BIM设计配合流程如下：在项目前期，各专业负责人准备专业样板文件、专业族库、制定出图标准、模型拆解规则、项目节点梳理、中心文件创建等。然后其他专业根据建筑条件，进行专业设计。在各专业设计过程中需要根据既定的拍图节点进行专业之间互提资、模型拍图等工作，比如结构专业需要在主要设计节点，根据其他专业提资的BIM条件，完成结构构件布置修改、洞口预留预埋设计等工作，最新的结构BIM也需及时返提资给建筑和机电专业。最终各专业再将BIM设计成果导出为相关的平面图纸提交外审并修改审图意见，具体协同流程参见图5。

图5 全专业BIM正向设计工作流程

3.2结构专业BIM设计重难点

3.2.1结构专业BIM设计的基本流程

首先负责结构设计的工程师需要根据建筑专业提资，进行初步的建模试算，在调整完各项计算大指标至通过后，利用revit插件进行结构BIM的转化，同时提资给建筑和设备专业完成专业间的协同修改工作，最终结合各专业协同意见，对结构计算模型、结构BIM进行更新，提交内外审，最终完成结构施工图设计阶段的BIM设计，结构BIM设计工作流参见图6，其中协同设计阶段涉及到工作迭代优化的过程。

图6 结构专业正向设计工作流程

3.2.2结构模型初步创建

结构专业的BIM模型创建方式有两种：直接建模和计算软件导出生成。目前市面主要的计算软件都配置有导出插件（如图7），可以一键导出BIM模型。但是计算软件导出的BIM模型需要注意以下问题：1）计算软件导出BIM模型后，需要针对相关的构件族进行修改替换以满足三维设计的要求。2）计算模型的导出需要对复杂节点（如图8）、升降板等细节进行人工二次修改。3）对于一些特殊的构件，比如异形梁、异形柱，需要设计人员进行二次族开发并在族中嵌入相关的设计参数，方便在设计过程中满足出图要求以及实现部分设计信息自动校核工作。

图7 探索者结构三维设计插件

本项目在初步设计阶段，在计算模型成熟后，完成了BIM模型的一次导出，后期随着各专业的协调配合，涉及的修改由人工手动更新BIM模型，以防止计算软件自动导出导致主要设计信息的错乱。

图8 BIM结构三维复杂节点

3.2.3复杂空间建模

对于屋顶花园的大型转换桁架以及局部的大悬挑等复杂空间结构，为了保证室内建筑效果，控制净高，结构专业配合设备管综进行了精细化模型设计。设计师需要具备较高的专业水准和协调能力，确保BIM设计模型可以满足各专业的设计要求，特别是空间桁架和主体的传力关系、复杂桁架跟设备专业的协调避让设计等,详见图9和图10。

图9 结构桁架整体模型

图10 复杂空间桁架和设备专业的协同设计

3.2.4三维参数化出图

在三维参数化出图之前需要项目专业负责人做好以下准备工作：制定结构模型样板文件和出图样板文件；确定本项目选用的族库，并由专人统一管理族文件，以及确定模型拆分原则（常见的拆分原则有：按结构分缝、按上部和地下、按计算模型的拆分等）。

图11 BIM结构设计出图视图和视图样板

在施工图设计阶段，利用参数化进行构件配筋设计，根据定制化的标记族实现结构构件的平法标注。另外因为构件中的配筋信息与明细表中的配筋信息是互通的，施工图设计过程中可以借助明细表进行构件配筋信息的维护与校核。本项目在地下室设计过程中利用定制的标记族与构件族类型进行匹配，并用明细表统计、校核构件信息。

3.2.5模型合规审查

BIM合规审查主要分为两大方面：构件级别的几何碰撞审查、规范条文层面的设计合规审查。吉久茂等在2014年已经针对Solibri做了初步探索（10）。上博东馆项目在施工图设计阶段基于Solibri平台进行了几何层面的规则验证。基于设计规范层面的BIM审查还在进一步研发中，研究成果将在后续文章发表。

本项目在基于已有几何碰撞规则的基础上，针对不同类别的碰撞类型进行了分类校核，比如结构构件命名的合规性、管线穿梁合规验证、结构构件与门窗的冲突、结构梁下净高的自动校核等，详见图12~图14。

图12 BIM模型质量综合检测规则

图13 BIM模型质量检测主要问题类型

图14 基于revit平台的梁底净高自动校核

3.2.6 3D打印

季安康等基于BIM进行了3D打印技术研究（11）。上博东馆项目也进行了3D技术的探索性应用。不同于传统的建筑设计理念，通过使用3D打印建筑模型，能够更加直观的向用户展示建筑的全貌，同时相较于传统的建材制造手段，3D打印具有节约成本和周期，易于实现复杂结构且较为环保等优点。

在我们设计过程中，业主希望BIM模型能够同时展示外立面及内部复杂结构。最终决定外层建筑表皮通过立体光固化技术同时加以抛光后处理实现透明效果，内部复杂结构通过激光粉末烧结技术实现，详见图15。

图15 上海博物馆3D打印模型

4.BIM协同设计的主要特点

（1）博物馆之类的公建项目BIM设计要注重复杂空间的梳理，特别是与其他工种协同设计时，由于空间复杂，净高要求高，各专业应充分配合，结合相关规范要求和施工工艺有序推进各方面的设计工作。

（2）基于BIM的合规检测技术将随着三维设计的逐步推广，合规检查是必须经历的一个环节，也将为未来AI审图做好前瞻性探索工作。目前BIM三维审图平台还处于探索研究阶段，后面还需要专业设计人员与开发工程师密切配合，方能设计出落地的BIM审查产品。

（3）3D打印技术近几年也逐渐成熟，有助于更直观的向业主展示设计理念，同时在城市小品、景观桥打印等方向也有一定的市场潜力。

5.结语

基于BIM环境的三维正向设计可以帮助设计师完成从二维到三维的工具和协同环境转变。设计信息的完整性、多工种的协调性都会得到加强，不仅可以提高专业间的协同能力，也可以最大程度减少设计上的各种不合规，有效提高图纸质量。

在传统工作模态下，出图时间紧，结构专业工作量大，再加上目前国际相关的三维设计工具尚不能完全适合国内设计需求，使得BIM三维设计推广阻力巨大。未来应更为注重工程领域的专业数据库的建设与积累以及国产三维设计平台的研发和迭代，基于本土开发的数据底座和平台设计出更优秀的项目。

参考文献

[1] 陈继良, 张东升. BIM相关技术在上海中心大厦的应用[J]. 建筑结构, 2012, 42(3):I0013-I0015

[2] 陈继良, 张东升, 高绪聪. 同济集团数字设计的探索与发展[J].中国勘察设计, 2022(S01):26-29.

[3]   常婷,韩巍,于东晖,王鑫鑫. 国家会议中心二期项目全专业协同BIM设计中结构专业探索研究与应用总结[J]. 建筑构,2021,51(19):116-120.

[4] 刘恒. BIM实战五要素——BIM设计在某大型工程中运用的思维与方法[J]. 建筑结构, 2012, 42(3):7-9.

[5] 李新伟, 曾启, 樊则森. 基于BIM技术的设计与施工协同工作模式研究[J]. 施工技术, 2020, 49(5):68-71.

[6] 杨庆峰, 林大岵, 路军. BIM技术在建筑设计中的应用及推广策略[J]. 建筑技术, 2016, 47(8):733-735.

[7]http://www.xinhuanet.com/photo/202012/31/c_1126934516_4.htm

[8] https://www.sohu.com/a/193876722_407277

[9] 李坤. BIM技术在地铁车站结构设计中的应用研究[J]. 铁道工程学报,2015,32(2):103-108.

[10] 吉久茂, 童华炜, 张家立. 基于Solibri Model Checker的BIM模型质量检查方法探究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2014, 6(1):14-19.

[11] 季安康,王海飙. 基于BIM的3D打印技术在建筑行业的应用研究[J]. 科技管理研究,2016,36(24):184-188. 

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