BIM 協同設計的現狀及未來

◎ 清華大學建筑設計研究院 陳宇軍 劉玉龍

當前，有關建筑設計信息化的各種概念及術語已日趨普及，同時各地不斷涌現出一些造型獨特的地標性建筑，這一切似乎預示著建筑設計行業即將迎來一場技術變革。建筑設計信息化的具體內容是什么，主流技術正朝著什么方向發展？新技術是否意味著更多的“奇形怪狀”的建筑作品，國內設計院所應何去何從？要回答這一系列的問題，我們不妨先從協同設計及BIM技術兩方面談起。

協同設計與BIM技術的融合

盡管協同設計的理念已經深入到建筑師和工程師的腦海中了，然而對于協同設計的涵義及內容，以及它的未來發展，人們的認識卻并不統一。

目前我們所說的協同設計，很大程度上是指基于網絡的一種設計溝通交流手段，以及設計流程的組織管理形式。包括：通過CAD文件之間的外部參照，使得工種之間的數據得到可視化共享；通過網絡消息、視頻會議等手段，使設計團隊成員之間可以跨越部門、地域甚至國界進行成果交流、開展方案評審或討論設計變更；通過建立網絡資源庫，使設計者能夠獲得統一的設計標準；通過網絡管理軟件的輔助，使項目組成員以特定角色登錄，可以保證成果的實時性及唯一性，并實現正確的設計流程管理；針對設計行業的特殊性，甚至開發出了基于CAD平臺的協同工作軟件等等。

而BIM（建筑信息化模型）的出現，則從另一角度帶來了設計方法的革命，其變化主要體現在以下幾個方面：從二維（以下簡稱2D）設計轉向三維（以下簡稱3D）設計；從線條繪圖轉向構件布置；從單純幾何表現轉向全信息模型集成；從各工種單獨完成項目轉向各工種協同完成項目；從離散的分步設計轉向基于同一模型的全過程整體設計；從單一設計交付轉向建筑全生命周期支持。BIM帶來的是激動人心的技術沖擊，而更加值得注意的是， BIM技術與協同設計技術將成為互相依賴、密不可分的整體。協同是BIM的核心概念，同一構件元素，只需輸入一次，各工種共享元素數據并于不同的專業角度操作該構件元素。從這個意義上說，協同已經不再是簡單的文件參照。可以說BIM技術將為未來協同設計提供底層支撐，大幅提升協同設計的技術含量。BIM帶來的不僅是技術，也將是新的工作流及新的行業慣例。

因此，未來的協同設計，將不再是單純意義上的設計交流、組織及管理手段，它將與BIM融合，成為設計手段本身的一部分。借助于BIM的技術優勢，協同的范疇也將從單純的設計階段擴展到建筑全生命周期，需要設計、施工、運營、維護等各方的集體參與，因此具備了更廣泛的意義，從而帶來綜合效率的大幅提升。

然而，普遍接受的BIM新理念并未普及到實踐之中，這使得我們感覺有責任去正視和思考BIM設計的優勢與不足。從理念到實踐經歷一個漫長的過程是必然的，并且多種現象表明該過程在中國可能要更長一些，但是這不應是我們回避問題的理由。

從二維設計到三維BIM設計

當前，2D圖紙是我國建筑設計行業最終交付的設計成果，這是目前的行業慣例。因此，生產流程的組織與管理均圍繞著2D圖紙的形成來進行（客觀地說，這是阻礙BIM技術廣泛應用的一個重要原因）。

2D設計通過投影線條、制圖規則及技術符號表達設計成果，圖紙需要人工閱讀方能解釋其含義。2D CAD平臺起到的作用是代替手工繪圖，即我們常說的“甩圖板”。2D設計的優勢在于四個方面：一是對硬件要求低（2D平臺是早期計算機唯一能夠支持的CAD平臺）；二是易于培訓，建筑師和工程師在學習了2D基本繪圖命令，相對于可以代替繪圖板及尺規等基本工具以后，就可以開始工作了；三是靈活，用戶可以隨心所欲地通過圖形線條表達設計內容，只要該建筑用2D圖形可以表達，就不存在繪制不出來的問題。應該說，大多數的情況下，2D的表達是可以滿足建筑設計要求的；四是基于2D CAD平臺有著大量的第三方專業輔助軟件，這些軟件大幅提高了2D設計的繪圖效率。

除了日益復雜的建筑功能要求之外，人類在建筑創作過程中，對于美感的追求實際上永遠是第一位的。盡管最能激發想象力的復雜曲面被認為是一種“高技術”和“后現代”的設計手法[1]，實際上甚至遠在計算機沒有出現，數學也很初級的古代，人類就開始了對于曲面美的探索，并用于一些著名建筑之中。因此，擁有了現代技術的設計師們，自然更加渴望駕馭復雜多變，更富美感的自由曲面。然而，令2D設計技術汗顏的是，它甚至連這類建筑最基本的幾何形態也無法表達。在這種情況下，3D設計應運而生了。

3D設計能夠精確表達建筑的幾何特征，相對于2D繪圖，3D設計不存在幾何表達障礙，對任意復雜的建筑造型均能準確表現。去年國慶前評選出的“北京當代十大建筑”中，首都機場3號航站樓、國家大劇院、國家游泳中心等著名建筑名列前茅[2]，這些建筑的共同特點是無法完全由2D圖形進行表達，這也預示著3D將成為高端設計領域的必由之路。

盡管3D是 BIM設計的基礎，但不是其全部。通過進一步將非幾何信息集成到3D構件中，如材料特征、物理特征、力學參數、設計屬性、價格參數、廠商信息等，使得建筑構件成為智能實體，3D模型升級為BIM模型。BIM模型可以通過圖形運算并考慮專業出圖規則自動獲得2D圖紙，并可以提取出其它的文檔，如工程量統計表等，還可以將模型用于建筑能耗分析、日照分析、結構分析、照明分析、聲學分析、客流物流分析等諸多方面。

由Gensler設計的預計2004年完工的632米高的上海中心，采用了BIM技術，其特點是自方案初期就綜合各工種協同創作，特別是建筑造型與結構方案選擇的協調統一成為了設計的一大亮點。由于該結構高達632米，風荷載的影響是結構師要考慮的重要因素。因此在考慮建筑外部造型的同時，必須慎重優化結構體征，降低風荷載的作用。據估算，風荷載每降低5%，造價將降低1200萬美元，Genslar利用Bentley GC參數化設計工具制作建筑表皮模型，保證功能及美觀的同時也將該模型用于結構風洞試驗及計算分析，最終優化的結果是將風荷載降低了32%[3]。這于2D設計模式來說是不可想象的。

純粹的3D設計，其效率要比2D設計低得多。地標性建筑可以不記成本，不記效率，但大眾化的設計則不可取。可喜的是，為提高設計效率，主流BIM設計軟件如Autodesk Revit系列、Bentley Building系列，以及Graphisoft的ArchiCAD均取得了不俗的效果。這些基于3D技術的專業設計軟件，用于普通設計的效率達到甚至超過了相同建筑的2D設計。

這些BIM設計軟件的出現本是激動人心的事情，然而在經歷了相當長的時期之后，在我國并沒有真正普及。實際上，即使在其它國家，例如亞洲的鄰國日本，BIM設計技術也尚未廣泛推廣。《建築と都市》(a+u)2009年8月出版本了一期BIM特刊，研究在日本廣泛推廣BIM技術的可能性，并對尚未推廣的原因進行了深入討論。該期雜志把2009年定義為日本建筑行業的“BIM元年”[4]。

影響3D BIM普及的主要因素

那么，3D BIM設計存在哪些普及障礙呢？經過分析，我們認為主要有以下幾點：

1.機制不協調

BIM應用不僅帶來技術風險，還影響到設計設計工作流程。因此，設計師應用BIM軟件不可避免地會在一段時間內影響到個人及部門利益，并且一般情況下設計師無法獲得相關的利益補償。因此，在沒有切實的技術保障和配套管理機制的情況下，強制在單位或部門推廣BIM是不太現實的。

另外，由于目前的設計成果仍是以2D圖紙表達的，BIM技術在2D圖紙成圖方面仍存在著一定程序的細節不到位，表達不規范的現象。因此，一方面應完善BIM軟件的2D圖檔功能，另一方面國家相關部門也應該結合技術進步，適當改變傳統的設計交付方式及制圖規范，甚至能做到以3D BIM模型作為設計成果載體。

2.任務風險

我國普遍存在著項目設計周期短、工期緊張的情況，BIM軟件在初期應用過程中，不可避免地會存在技術障礙，這有可能導致無法按期完成設計任務。

3.使用要求高，培訓難度大

盡管主流BIM軟件一再強調其易學易用性，實際上相對2D設計而言，BIM軟件培訓難度還是比較大的，對于一部分設計人員來說熟練掌握BIM技術有一定難度。另外，復雜模型的創建甚至要求建筑師具備良好的數學功底及一定的編程能力，或有相關CAD程序工程師的配合，這無形中也提高了應用難度。

4.BIM技術支持不到位

BIM軟件供應商不可能對客戶提供長期而充分的技術支持。通常情況下，最有效的技術支持是在良好的成規模的應用環境中客戶之間的相互學習，而環境的培育需要時間和努力。各設計單位首先應建立自己的BIM技術中心，以確保本單位獲得有效的技術支持。這種情況在一些實力較強的設計院所應率先實現，這也是有實力的設計公司及事務所的通用作法，在愈來愈強調分工協作的今天，BIM技術中心將成為必不可少的保障部門。

5.軟件體系不健全

現階段BIM軟件存在一些弱點：本地化不夠徹底，工種配合不夠完善，細節不到位，特別是缺乏本土第三方軟件的支持。軟件的本地化工作，除原開發廠商結合地域特點增加自身功能特色之外，本土第三方軟件產品也會在實際應用中發揮重要作用。2D設計方面，在我國建筑、結構、設備各專業實際上均在大量使用國內研發的基于AutoCAD平臺的第三方工具軟件，這些產品大幅提高了設計效率，推廣BIM應借鑒這些寶貴經驗。

積極準備，迎接挑戰

首都機場3號航站樓、國家大劇院，以及在建的上海中心、甚至地方的重要建筑如廣州歌劇院、重慶歌劇院等，無一例外地交給了國外的設計事務所。建筑高端設計領域還相當缺乏國內同行的聲音。這種局面值得國內同行警醒，我們已到了應該付出切實努力并迎頭趕上的時候了。

為在我院推廣普及BIM技術，我院已委托具備項目設計、技術研究及C AD開發綜合能力的工程軟件室擔當了BIM研究中心的角色，制定了詳細的BIM實施路線，包括技術研究、技術培訓、試點設計、技術支持、配套研發等實施環節，以期在BIM技術領域取得實質性進展。

BIM及CAD國產化戰略

BIM技術無疑已成為未來的發展趨勢，在這種背景下，我國的CAD產業也面臨著新一輪的挑戰。以浩辰、中望、CAXA等為代表的一批國產CAD軟件已實現了2D繪圖平臺的功能（其中C A X A甚至在三維設計領域也已獨樹一幟），并整合了一批專業軟件， 形成了“CAD聯盟”、“CAD聯合體”等組織，為國內設計行業提供了實用解決方案。這些解決方案來源于國內的實踐，很適合中國國情，已經取得了很好的實際效果。對于國產CAD來說，當務之急是如何做好應對BIM技術的準備，做出更具前瞻性的決策。

結語

我們正處于一個技術變革的時期，BIM帶來的不僅是技術沖擊，也是對行業傳統的沖擊。如何正確應對這一變革，將關系到我國設計行業及CAD行業的未來發展及國際地位。我們只有結合中國特色認真學習、結合實際、努力實踐、勇于探索，才能盡快走出一條新的發展之路。