BIM技术在中南大学湘雅五医院项目中的应用

时间：2024-07-28

孙昱谌红杰刘文尧

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙 410012）

1 工程概况

1.1 项目介绍

中南大学湘雅五医院工程项目位于长沙市天心区，北临新谷路，西临果子园路，南临环保大道，东侧为仙姑岭公园。项目净用地面积约186.93亩，总建筑面积52.42万m2，计划总投资48.49亿元。该项目主要用途为综合医院与贵宾医院，分为南、北两栋医院，功能主要包括三部分，地下室为医疗配套、设备机房与车库，裙房1～4层为门诊中心及医技中心，塔楼5～10层为病房楼。

医院规划总病床数2 500张（其中南栋1 700床，北栋800床）,可有效缓解长株潭三市乃至全省人民群众的看病就医问题。项目被列为湖南省重点建设项目、首批PPP示范项目，市委、市政府“六个走在前列”建设项目和区委、区政府重大民生项目。

湘雅五医院工程建筑方案设计由美国Payette完成（湖南省院辅助）, 初步设计由湖南省建筑设计院完成（Payette 辅助），施工图设计由湖南省院完成。（中南（大学湘雅五医院效果图如图1所示）。

1.2 工程特点和难点

1）本工程规模巨大，单体面积大，设计与模型搭建工作量大，而且涉及的专业众多，协调和模型检查工作量巨大；

2）参与企业众多，信息量大，沟通成本高。值得一提的是，由于湘雅五医院方案是由美国的Payette公司主导完成的，因此在设计阶段我院必须长期和美方进行紧密有效的沟通；

3）边设计、边施工、边修改的“三边工程”建设模式，极大缩短了设计周期，加大了BIM技术实施的难度；

4）业主方科室需求各异，存在众多不确定改动因素；5）无同等体量的医院的成熟BIM项目案例参考。

2 BIM组织与应用环境

2.1 应用目标

基于项目特点与需求，初步拟定BIM设计的目标包括：

1）医疗项目功能复杂，需求变化多，用于沟通的时间成本巨大，应用BIM技术的可视化和预建造特点将问题清晰化、前置化；

图1 中南大学湘雅五医院项目效果

2）专业及分包厂商众多，需要强有力的协同协调平台进行统筹工作，便于传达信息并使得信息来源单一可靠；

3）设备管线复杂，采用BIM设计对管线排布和空间做最大程度优化；

4）解决与复杂环境的关系，同时为业主运维及市民导航应用预留可能性，具有积极的社会效应。

基于此，中南大学湘雅五医院采取了从方案开始的全过程BIM设计方式，其中土建专业实现了正向设计的目标。机电、景观、内装及医疗等专业根据专业特点和工程实际情况，在不同的时间点进行不同深度的介入。具体不同阶段BIM应用的目标如表1所示。

表1 各阶段BIM应用目标

2.2 团队组织

项目由湖南省院建筑一院牵头并完成建筑、结构设计，其它相关分部门配合完成机电、景观、医疗工艺等专业。BIM经理同时承担执行设总与第二结构专业负责人工作，以便协调工作。正向设计中专业设计人员即是建模人员。由于项目巨大，本项目还配备了一名二次开发人员，通过编程解决设计人员一些重复性问题、软件不便实现的功能等，以及对设计人员的完成模型进行一定的批量处理，以保证同时满足设计生产周期和模型交付标准的需求。

2.3 软件配置

针对各软件的特点，结合已有研究和相关工程的经验[1,2]，选择合适软件，并配套使用了公用服务器等硬件设备。各场景中应用软件如表2所示。

3 BIM应用

3.1 应用概览

Payette的方案设计阶段即采用了BIM设计，全部采用 Revit+Rhino的设计方式。我方在方案阶段介入后，沿用BIM设计理念，进行无缝对接。但由于中美规范及模型的要求不统一，我方从2017年7月开始重新全部重建方案模型，并考虑到后期出图及交付要求，提前对模型进行拆分，然后接力此模型进入到初设及施工图阶段。

从方案到施工图，各专业基于三维软件为工作平台协同工作，将问题前置，避免后期出现大量错、漏、碰、缺问题。建筑专业100%初设图纸及70%施工图为Revit绘制，另外部分图纸考虑到效率问题，为 Revit导出后进行加工。

3.2 前期方案配合阶段

3.2.1 配合方案设计

主要进行地下室的平面方案设计、交通流线方面的推敲工作，以补充美国Payette公司方案设计的不足（如图2～5所示）。

图2 包含场地和地下室的整体模型

图3 交通流线模拟与路径推敲

图4 机房布置及主路由推敲

图5 层高及机械车位可行性推敲

3.2.2 无人机倾斜摄影实景模型

在项目尚未全面启动时，与美方对接景观设计过程中发现了问题，对现场的永久支护及挡墙标高产生了质疑，因此，进行无人机倾斜摄影建模(模型如图 6所示)来进行论证和辅助设计工作。

图6中与山体树林相连的即为焦点所在的挡墙。论证过现场挡墙的标高与设计的挡墙标高一致后，转而论证美方提供的方案阶段Revit场地模型与Rhino景观模型的标高的正确性。

图6 实景模型截图

通过实景模型分别与Revit及Rhino模型结合，发现是 Rhino模型整体正负零设计的问题（如图 7所示）。在排除错误之后，仍然需要对这部分景观重新设计，找到相对合理的标高。从剖面来看，后期覆土要自然过渡到顶板的景观，荷载又不能太大，很自然的需要将现有标高抬高，根据剖面可以抬高3m左右（如图8所示）。

图8 结合模型剖面图

根据参数化工具去寻找最优的坡面，保证山体连续同时覆土荷载最优（如图9所示）。同时根据网格划分的方式，算出每一个网格的平均覆土厚度，作为结构计算的荷载依据，避免荷载估算错误的情况发生。

图9 确定最优坡面

景观专业最后根据建筑与结构专业确认的空腔结构，将景观标高定在70.20m，比之前预判的低了1m，但比原来的设计高了2m。此部分结构空腔的全过程设计，充分体现了BIM思维下的设计方式的特点，即可视化协作、有理化推敲、落地化设计，成果逼近最优解，且不会出现因与现状冲突而做反复修改的状况。

3.2.3 其他准备工作

团队为设计阶段做了大量准备工作，主要包括指定项目标准、目标、技术路线，准备项目所需的样板文件、族文件，开发有可能用到的插件功能。

3.3 设计实施阶段

初步设计阶段从2017年7月初开始至2017年9月13日。此阶段全专业全过程采用了BIM设计，并进行了包含出图在内的多项技术应用，极大地丰富了初步设计成果，为项目的落地和后期实施提供了可靠的保障。

施工图阶段为2017年9月13日开始，2017年12月 15日第一版较完整的土建过程图纸诞生，2018年3月15日和6月5日带上机电专业，又分别出了两次较完整的图纸。2018年7月，项目顺利地通过了施工图审查。

3.3.1 正向设计

BIM正向设计指设计师将所设想的空间直接通过可视化建模展现出来，各专业通过协同平台进行沟通后，再进行图纸制作的过程（如图 10所示）。区别于传统设计各专业工作空间与信息独立的特点，BIM正向设计过程中信息交流更加频繁，信息量更大，但由于其可视直观的特点又能提高沟通效率、保证信息准确，因此对提高工程质量有极大帮助[3,4]。BIM 正向设计中实现的三维预建造模式，提前将问题暴露并解决，相比于后期变更，具有更大的经济效益。

湖南省院建筑一院坚持BIM正向设计，已有多个成功项目案例，但专业如此众多、体量如此巨大的项目还是第一次，因此也面临了许多挑战。

图10 正向设计出图截图

3.3.2 医疗工艺设计

近年来国内 BIM技术应用与研究已经取得一定成果，逐步显示出其在经济性和有效性两方面的优势，但是在医疗建筑领域的应用尚无成熟经验可循，具体能带来的优势和效用尚无定论[5-7]。在分析医院建设项目特点的基础上，针对湘雅五医院项目的个性，参考已有的BIM项目经验，建筑一院将医疗工艺作为独立专业，与建筑专业人员配合，进行空间布置（如图11所示）。具体考虑了：1）洁污、干湿、闹静等不同角度的分区；2）普通和重症病房、医护人员办公区、公共区域、探视通道、无菌物品存放区、灭菌区、去污区、洁净走道用餐区、辅助用房等功能布置；3）核医学科、放射科、检验科、病理科，手术室等重要科室专项优化。

图11 医疗工艺设计

3.3.3 绿色BIM设计

在摸索实现绿色可持续设计方面做了大量研究，包括建筑热舒适性研究、日照分析、室外风模拟。针对病房外遮阳，Payette与省院进行了精细化研究分析。分析了各朝向病房外遮阳板结构对病房遮阳、日照、采光、视野、通风以及空调能耗等方面的影响（如图 12～16所示），最后确定了不同朝向病房的最优遮阳结构，初步评估可以节省9%的空调能源消耗。通过研究BIM的绿色设计，实现节能环保的同时为建筑设计的“绿色探索”注入高科技力量。

图12 病房日照分析

图13 病房遮阳分析

图14 建筑自然采光分析

图15 室外风环境分析

图16 场地噪声分析

3.3.4 外墙装配式设计研究

装配式外墙具有以下优点：1)土建无需设置构造柱、过梁以及砖墙，因此大幅缩短施工时间；2）装配式外墙和门窗整体在工厂组装，可以保证质量，减少工程质量因为现场施工以及高空作业造成的影响；3）由于现场大量的装配作业，比原始现浇方式大大减少了施工作业，施工垃圾、噪音等都可以大幅减少。

基于能耗分析，确定了遮阳和外立面造型后，考虑到装配式外墙的优点，在Revit中分组、归并、深化，得到外立面装配式模块统计，制作模型并供甲方参考（如图17-18所示）。

需要特别说明的是，此部分研究、设计及工厂样品生产工作已经完成，但最终是否全面采用仍未确定。

图17 装配式模块分组

图18 过程样品

3.3.5 模型检查

模型检查包含了碰撞检查、净高检查、规范性检查及设计不合理等检查。由于软件的局限性，我们采用了多种软件检查方式(如表3所示)，同时也在过程中通过校审人员在模型中漫游发现了大量问题。

表3 模型检查方式与特点

3.3.6 管线综合

传统的机电施工图在很多复杂空间用一种近似的表达方式，精度不高，因此在现场安装阶段，会出现很多空间不合理的问题。同时，由于五医院地下室层高紧张，而开挖深度对工程造价影响较大，因此，空间优化具有不菲的经济价值。

在五医院项目中，我们在初步设计甚至方案阶段就进行机电主要管线的优化和论证，通过管线的有理化排布，实现空间的合理利用，确保层高和净高符合要求。方案阶段与初步设计阶段分别做了一版地下室的机电模型（如图 19所示）。前期的两版模型，起到的主要是层高、机房布置等方案论证的作用。

图19 初步设计阶段地下室机电模型

图20 施工图阶段的管线综合

图21 机房的布置优化

施工图阶段条件变化较多，之前两版模型没有继续深化，项目组重建新的模型。这一阶段管线综合建模过程中发现了多处可优化空间，如原方案中的空调水管与排水管需更改路由方案（如图 20所示）、机房优化布置（如图21所示）和机械车位可行性逐一排查（如图 22所示）。管线综合的工作，排除了所有净高不足的问题，并通过优化挽救了多处机械车位，带来了很大的经济效益。

图22 负二层机械车位检查与优化

3.3.7 二次开发及编程式模型处理

除了前文已经提及的在模型检查等方面的应用，整个设计过程中，二次开发基本是无处不在，贯穿始终。Revit平台与Cad平台类似，都属于国外软件，基础功能强大，但在习惯和标准上与内地有很大出入，因此，有必要利用平台的开放性进行一定的本地化开发。在此项目设计过程中，为解决实际遇到的问题并提升管理效率等，进行了多项二次开发，主要应用如下：

1）模型检查

每一层结构模型，都需要进行大量梁板柱的扣减工作，同时也需要考虑交付时的设计信息表达，此类批量化的工作特别适合利用编程代码去程式化处理（如图23所示）。

图23 针对模型检查的二次开发应用效果图

图24 生成地质模型并与地下室模型组装

2）地质模型

通过对地勘单位提供的Excel表格数据及Cad柱状图的程式化处理，然后生成能准确反映分层地质的模型，并能实现与地下室模型进行剪切。相比传统设计方式，更加直观和准确（如图24所示）。

3）锚杆及桩基优化

一万多根地下锚杆的生成和长度统计，是基于Revit的二次开发自动实现的，这用传统方式几乎无法完成的，或者需要花费数周的时间但结果仍然无法保证准确。此工作为施工单位节省了数周时间，也使得下料更为准确。

利用二次开发，根据地质模型，录入计算公式及多个限定条件，批量生成满足要求的锚杆，并利用明细表统计。比施工图更能指导施工。现场施工最终参考模型导出的长度进行施工（如图25-26所示）。

图25 二次开发自动求得桩长

图26 锚杆长度统计和桩基二次开发应用截图

3.3.8 轻量化云平台应用

考虑到五医院的模型有Rhino、Revit、无人机倾斜摄影等不同软件格式，且数据量庞大，需要一个整合及轻量化平台。对比了多家平台，最终采用 Revzito，中文名瑞思图。该平台轻量化程度高，能流畅的拖动五医院全专业模型。利用轻量化软件Revizto每周将全专业模型合并，于例会上讨论问题并记录存档。

同时将模型共享到云端（阿里云），随时更新，以便多方共享信息及交流，也方便进行项目管控。具体应用包括：对于二维图纸难以表述清楚的复杂空间，即时三维空间模型交底（如图 27所示）；基于模型的线上沟通，及时解决施工方和甲方的问题（如图28所示）。该平台的使用，使得项目问题可追溯，权责分明、过程清晰、信息公开。

图27 应用云平台模型即时复杂空间交底

图28 基于Revizto平台模型的交流