建筑設計工作方法的新變革——建筑信息模型技術的思考與應用

吳 凡

(深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司，深圳 518054)

1 引言

《理解建筑(Understanding Architecture)》一書中描述到，“在西歐中世紀，所有有關建筑的規劃、設計和建造工作都由一人負責，他規劃、管理和執行著業主的項目。到了后來，這個角色逐漸演變成了建筑師。”建筑師參與項目的規劃、設計并監督著項目建造的全過程。在當今飛速發展的建筑設計中，建筑師更加需要綜合科學、美學、技術及社會、文化等不同方面的信息。

伴隨著信息技術革命，建筑設計正發生著一個質的飛躍，其一建筑師可以借助計算機進行思維和推導得到傳統方法無法得到的成果，極大的拓展了設計的深度和廣度;其二設計信息的集成化，改進了設計過程，極大地提高了設計效率和設計質量。三維虛擬模型(在三維空間使用參數信息定義物體屬性智能三維模型及文檔)的發展最終產生了建筑信息模型BIM。

BIM通過數字技術，在計算機中建立一個虛擬建筑，一個建筑信息模型就是提供了一個統一的、完整一致的、邏輯關聯的建筑信息庫［1］。

建筑信息模型在建筑設計領域的應用，按照對設計信息的處理方式，可分為輔助設計構思、輔助設計表達及實現兩個階段。

2 BIM輔助設計構思

2．1 在構思前期對設計信息與設計條件的整理分析

在概念構思的前期，設計師面臨著來自項目場地的，氣象氣候的，規劃條件等大量的設計信息。這些信息的分析反饋與整理對于建筑師來說是非常有價值的。

設計師可利用BIM平臺結合GIS及相關的分析軟件對設計條件的判斷、整理、分析，使設計師能在這些信息中找到關注的焦點，充分利用各種已知條件，在設計的最初階段就可以朝著最有效的方向努力并作出適當的決定，從而避免潛在的失誤。(圖1)

圖1 設計條件的管理(圖片來源:Affinity)

2．2 從二維平面設計到三維空間設計

在計算機三維技術出現之前，建筑師只能依靠透視草圖或實體模型研究三維空間。這些工具有其優勢，也有不足之處。如繪制草圖，能夠隨心所欲地流暢地表達設計想法，表達建筑師所關注的部分，但是在準確性和整體空間表達上受到限制。實體模型在研究外部形態時，作用較大，而要研究內部空間形態時就相形見絀了，難以提供一個對空間序列關系的人視點直觀體驗和表達。

建筑信息模型采用的是虛擬現實物體的方式，以三維設計思維為基礎，將傳統的二維圖紙完全轉化為計算機的工作，讓電腦代替人腦完成三維與二維之間的思維轉化。這樣設計師可以更加關注設計本身，不再為繪制二維圖紙耗費精力，二維與三維的界限在建筑信息模型中逐步模糊。而實體模型設計的弊端在建筑信息模型中也得到了解決，三維數字技術將外觀模型與空間形態和序列的研究統一起來。建筑師可以通過設置相機進行人視點的各個空間推敲，也可以通過軟件進行虛擬現實仿真或快捷的制作出動畫進行空間序列的研究(圖2)。

2．3 從形式與功能相分離到整體化的空間設計

當今一些建筑設計中，空間一直沒能成為一種控制建筑的方法。其中一方面原因是由于設計工具的限制，建筑師無法在較短的設計周期內去研究和推敲空間，更難以用空間來控制沒計。這使得目前較多的建筑師仍然在用“立面”的方法控制建筑。建筑信息模型的出現為我們改變這種狀況提供了可能性。在建筑信息模型中，建筑室內空間、室外空間、建筑表皮、平面功能都可以被整合成一個相互關聯的邏輯系統。當在布置平面時，已經在同步設計建筑空間，而空間又可以被直觀的反映在表皮上，這樣空間與表皮可以共同形成建筑的立面［2］。

3 BIM輔助設計的表達及實現

在制造業(電子、航空、船舶)等行業中，產品的設計及生產環節都先后完成了粗放設計到集成設計的轉型，實現了從設計到生產的數字化集成。

而建筑業中無論設計還是生產，大部分都還處于粗放型的狀態。粗放型設計不僅表現為各個專業設計圖紙的深度淺和質量低，更表現為各個專業間的集成化程度低。我們目前的工作方法基本上是各自為政，采用傳統的提條件圖的方法進行協同，集成化程度還處于以圖紙為中介的落后模式，其結果是效率低下和設計品質偏低［3］。而通過BIM能整合了設計中各個環節，實現從粗放設計到集成設計，其集成化主要體現在設計信息的集成與設計過程的集成通過BIM可整合設計、表達與實現階段，實現從粗放設計到集成設計的過程，其中又可分為設計信息的集成和設計過程的集成。

3．1 設計信息的集成

2．1．1 從使用CAD單個繪制設計文檔到數據庫統籌管理設計信息

傳統的CAD繪圖，對于同一個建筑構件，需要使用多張視圖及圖表說明才能表達，而且每張圖紙都是離散的線條，彼此之間互不關聯，各個視圖之間的錯漏碰缺在所難免，并且每份圖紙或文檔都是一個單獨的組成部分必須依靠人力解讀才能相互聯系成為一個可理解的整體。

在BIM平臺下，則是以數據庫替代繪圖。將設計內容歸總為一個數據庫而不是單獨的各張圖紙。

就BIM項目而言，設計文檔中那些體現著項目信息的線條、文字、圖表等都不是傳統意義上“畫”出來的。而是通過BIM軟件中的數據庫，使用體現了項目全部信息的“智能構件(INTELLIGENT OBJECTS)”，以投影、剖切等數字方式“實時建造”而成。一旦置于BIM環境下，它會自動將自身信息反映至所有的二維圖紙、明細表、三維渲染圖、工程量估計等。隨著設計的變化，構件能夠將自身參數進行調整，以適應新的設計。

圖2 建筑信息模型可以提供空間序列研究

3．1．2 BIM模型數據與分析平臺的交互——BIM與CAE/CAA

目前大多數情況下，CAD作為主要設計工具，而CAD圖形本身沒有或極少包含各類CAE系統所需要的項目模型非幾何信息(如材料的物理、力學性能)和外部環境信息，設計師需要在CAD圖形和CAE系統之間反復交互數據，因此工作量大、成本高且容易出錯。大部分CAE系統只好被用來對已經確定的設計方案的一種事后計算，CAE作為決策依據的根本作用并沒有得到很好發揮。

BIM的應用則讓CAE回歸了真正作為項目設計方案決策依據的角色。

由于BIM模型集成了一個項目完整的幾何、物理、性能等信息，CAE可以在項目進行的任何階段從BIM模型中自動抽取各種分析、模擬、優化所需要的數據進行計算，BIM軟件平臺構建出的深度BIM(詳細建筑信息模型)通過軟件工具輸出為不同的數據格式，根據應用方向的不同選擇合適的數據格式輸入專業的分析軟件中，可以有效地解決數據一致性問題，提高建模效率，項目團隊根據計算結果對項目設計方案調整以后又立即可以對新方案進行計算，直到滿意的設計方案產生為止［4］(圖3)。

圖3 利用BIM平臺集成各種軟件與信息

3．2 數據信息的集成促進了設計過程的集成

3．2．1 BIM 與設計過程控制

圖4 方案設計－施工圖設計－加工圖設計，數據通過BIM模型完整的傳遞

建筑設計過程中，方案設計和工程設計常常由不同的團隊完成。方案設計階段的建筑師只關心造型設計和粗略的功能布局、許多細化工作在后面幾個階段完成。這容易造成設計上的脫節。而如果使用一套建筑信息模型用于設計的所有階段，則一方面可以減少各專業圖紙間的“錯漏碰缺”，另一方面表現在建筑師對設計品質的控制力度大大加強。建筑師可以加強對設計概念的控制，對建筑細節進行直觀的研究，加強細部設計(圖4)。

3．2．2 BIM 與管線綜合

在大型、復雜的建筑工程項目設計中，由于系統繁多、空間復雜，常常出現管線之間、管線與結構構件之間發生沖突的情況，或影響建筑室內凈高及空間效果，或給施工造成麻煩，導致返工或浪費。而以傳統的二維管線綜合設計表達空間信息，技術上存在著先天不足，效果上不能讓人滿意。

而BIM模型設計是對整個建筑設計的一次“預演”，建模的過程同時也是一次全面的“三維校審”過程，在此過程中可發現大量隱藏在設計中的問題，在傳統的單專業校審過程中很難被發現，但在BIM模型面前則無法遁形，提升了整體設計質量，并大幅減少后期工地處理的投入［5］。(圖5)

3．2．3 BIM 與協同設計

圖5 建筑各專業施工圖管線綜合建模

現在大量使用的基于二維CAD模式下的協同，在一定程度上提高了效率，但對提高設計質量，減少專業間的技術協同錯誤，其效果并不顯著。其原因在于二維CAD繪制的圖紙都是相對獨立的信息，不具有關聯性．例如平面、立面、剖面是無法被同步修改的。

而BIM以三維信息模型所形成的數據庫為基本集成平臺，模型中所有的數據信息都是相互關聯的，改變模型中的某一部分，所有與其相關的內容都會發生相應的變化。所以在技術上更適合于協同工作的模式，甚至可以這樣說，BIM和協同設計是密不可分的，因為BIM使各專業基于同一個模型進行工作，從而使真正意義上的三維集成協同設計成為可能，將徹底改變傳統的單兵作戰的工作方法和工作模式。

同時，BIM不僅給設計人員提供一個三維實體模型，同時還提供包含了材料信息、工藝設備信息、進度及成本信息等，這些信息的引入，使各專業均可以采用BIM的數據進行計算分析或者統計，使各專業間的協同達到更高的層次［6］。

此外，由于BIM可以應用于工程項目的全生命周期，所以，對于建筑設計企業，施工企業、發展商、物業管理單位以及各相關單位之間的協同提供了良好的協同工作的基礎。

［1］何關培．BIM和BIM相關軟件［J］．土木建筑工程信息技術，2010，2(4):110-117．

［2］張學斌．BIM技術在杭州奧體中心主體育場項目設計中的應用［J］．土木建筑工程信息技術，2010，2(4):50-54．

［3］邵韋平．數字化背景下建筑設計發展的新機遇——關于參數化設計和BIM技術的思考與實踐．

［4］［5］傅筱．建筑信息模型帶來的設計思維和方法的轉型．建筑學報．2009．1

［6］何關培新浪博客，http://blog．sina．com．cn/heguanpei

［7］楊遠豐，蔡曉寶．三維管線綜合設計實踐與技術探討．

［8］陳宜．建筑協同設計的推廣．