建筑設(shè)計工作方法的新變革——建筑信息模型技術(shù)的思考與應(yīng)用

吳 凡

(深圳華森建筑與工程設(shè)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(jì)，所有有關(guān)建筑的規(guī)劃、設(shè)計和建造工作都由一人負(fù)責(zé)，他規(guī)劃、管理和執(zhí)行著業(yè)主的項目。到了后來，這個角色逐漸演變成了建筑師?！苯ㄖ焻⑴c項目的規(guī)劃、設(shè)計并監(jiān)督著項目建造的全過程。在當(dāng)今飛速發(fā)展的建筑設(shè)計中，建筑師更加需要綜合科學(xué)、美學(xué)、技術(shù)及社會、文化等不同方面的信息。

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

BIM通過數(shù)字技術(shù)，在計算機(jī)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(tǒng)一的、完整一致的、邏輯關(guān)聯(lián)的建筑信息庫［1］。

建筑信息模型在建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，按照對設(shè)計信息的處理方式，可分為輔助設(shè)計構(gòu)思、輔助設(shè)計表達(dá)及實(shí)現(xiàn)兩個階段。

2 BIM輔助設(shè)計構(gòu)思

2．1 在構(gòu)思前期對設(shè)計信息與設(shè)計條件的整理分析

在概念構(gòu)思的前期，設(shè)計師面臨著來自項目場地的，氣象氣候的，規(guī)劃條件等大量的設(shè)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(shè)計師可利用BIM平臺結(jié)合GIS及相關(guān)的分析軟件對設(shè)計條件的判斷、整理、分析，使設(shè)計師能在這些信息中找到關(guān)注的焦點(diǎn)，充分利用各種已知條件，在設(shè)計的最初階段就可以朝著最有效的方向努力并作出適當(dāng)?shù)臎Q定，從而避免潛在的失誤。(圖1)

圖1 設(shè)計條件的管理(圖片來源:Affinity)

2．2 從二維平面設(shè)計到三維空間設(shè)計

在計算機(jī)三維技術(shù)出現(xiàn)之前，建筑師只能依靠透視草圖或?qū)嶓w模型研究三維空間。這些工具有其優(yōu)勢，也有不足之處。如繪制草圖，能夠隨心所欲地流暢地表達(dá)設(shè)計想法，表達(dá)建筑師所關(guān)注的部分，但是在準(zhǔn)確性和整體空間表達(dá)上受到限制。實(shí)體模型在研究外部形態(tài)時，作用較大，而要研究內(nèi)部空間形態(tài)時就相形見絀了，難以提供一個對空間序列關(guān)系的人視點(diǎn)直觀體驗和表達(dá)。

建筑信息模型采用的是虛擬現(xiàn)實(shí)物體的方式，以三維設(shè)計思維為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的二維圖紙完全轉(zhuǎn)化為計算機(jī)的工作，讓電腦代替人腦完成三維與二維之間的思維轉(zhuǎn)化。這樣設(shè)計師可以更加關(guān)注設(shè)計本身，不再為繪制二維圖紙耗費(fèi)精力，二維與三維的界限在建筑信息模型中逐步模糊。而實(shí)體模型設(shè)計的弊端在建筑信息模型中也得到了解決，三維數(shù)字技術(shù)將外觀模型與空間形態(tài)和序列的研究統(tǒng)一起來。建筑師可以通過設(shè)置相機(jī)進(jìn)行人視點(diǎn)的各個空間推敲，也可以通過軟件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真或快捷的制作出動畫進(jìn)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(shè)計

當(dāng)今一些建筑設(shè)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(shè)計工具的限制，建筑師無法在較短的設(shè)計周期內(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(guān)聯(lián)的邏輯系統(tǒng)。當(dāng)在布置平面時，已經(jīng)在同步設(shè)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(shè)計的表達(dá)及實(shí)現(xiàn)

在制造業(yè)(電子、航空、船舶)等行業(yè)中，產(chǎn)品的設(shè)計及生產(chǎn)環(huán)節(jié)都先后完成了粗放設(shè)計到集成設(shè)計的轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計到生產(chǎn)的數(shù)字化集成。

而建筑業(yè)中無論設(shè)計還是生產(chǎn)，大部分都還處于粗放型的狀態(tài)。粗放型設(shè)計不僅表現(xiàn)為各個專業(yè)設(shè)計圖紙的深度淺和質(zhì)量低，更表現(xiàn)為各個專業(yè)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(tǒng)的提條件圖的方法進(jìn)行協(xié)同，集成化程度還處于以圖紙為中介的落后模式，其結(jié)果是效率低下和設(shè)計品質(zhì)偏低［3］。而通過BIM能整合了設(shè)計中各個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)從粗放設(shè)計到集成設(shè)計，其集成化主要體現(xiàn)在設(shè)計信息的集成與設(shè)計過程的集成通過BIM可整合設(shè)計、表達(dá)與實(shí)現(xiàn)階段，實(shí)現(xiàn)從粗放設(shè)計到集成設(shè)計的過程，其中又可分為設(shè)計信息的集成和設(shè)計過程的集成。

3．1 設(shè)計信息的集成

2．1．1 從使用CAD單個繪制設(shè)計文檔到數(shù)據(jù)庫統(tǒng)籌管理設(shè)計信息

傳統(tǒng)的CAD繪圖，對于同一個建筑構(gòu)件，需要使用多張視圖及圖表說明才能表達(dá)，而且每張圖紙都是離散的線條，彼此之間互不關(guān)聯(lián)，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(dú)的組成部分必須依靠人力解讀才能相互聯(lián)系成為一個可理解的整體。

在BIM平臺下，則是以數(shù)據(jù)庫替代繪圖。將設(shè)計內(nèi)容歸總為一個數(shù)據(jù)庫而不是單獨(dú)的各張圖紙。

就BIM項目而言，設(shè)計文檔中那些體現(xiàn)著項目信息的線條、文字、圖表等都不是傳統(tǒng)意義上“畫”出來的。而是通過BIM軟件中的數(shù)據(jù)庫，使用體現(xiàn)了項目全部信息的“智能構(gòu)件(INTELLIGENT OBJECTS)”，以投影、剖切等數(shù)字方式“實(shí)時建造”而成。一旦置于BIM環(huán)境下，它會自動將自身信息反映至所有的二維圖紙、明細(xì)表、三維渲染圖、工程量估計等。隨著設(shè)計的變化，構(gòu)件能夠?qū)⒆陨韰?shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)新的設(shè)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(shù)據(jù)與分析平臺的交互——BIM與CAE/CAA

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

BIM的應(yīng)用則讓CAE回歸了真正作為項目設(shè)計方案決策依據(jù)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(jìn)行的任何階段從BIM模型中自動抽取各種分析、模擬、優(yōu)化所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，BIM軟件平臺構(gòu)建出的深度BIM(詳細(xì)建筑信息模型)通過軟件工具輸出為不同的數(shù)據(jù)格式，根據(jù)應(yīng)用方向的不同選擇合適的數(shù)據(jù)格式輸入專業(yè)的分析軟件中，可以有效地解決數(shù)據(jù)一致性問題，提高建模效率，項目團(tuán)隊根據(jù)計算結(jié)果對項目設(shè)計方案調(diào)整以后又立即可以對新方案進(jìn)行計算，直到滿意的設(shè)計方案產(chǎn)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(shù)據(jù)信息的集成促進(jìn)了設(shè)計過程的集成

3．2．1 BIM 與設(shè)計過程控制

圖4 方案設(shè)計－施工圖設(shè)計－加工圖設(shè)計，數(shù)據(jù)通過BIM模型完整的傳遞

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

3．2．2 BIM 與管線綜合

在大型、復(fù)雜的建筑工程項目設(shè)計中，由于系統(tǒng)繁多、空間復(fù)雜，常常出現(xiàn)管線之間、管線與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間發(fā)生沖突的情況，或影響建筑室內(nèi)凈高及空間效果，或給施工造成麻煩，導(dǎo)致返工或浪費(fèi)。而以傳統(tǒng)的二維管線綜合設(shè)計表達(dá)空間信息，技術(shù)上存在著先天不足，效果上不能讓人滿意。

而BIM模型設(shè)計是對整個建筑設(shè)計的一次“預(yù)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(fā)現(xiàn)大量隱藏在設(shè)計中的問題，在傳統(tǒng)的單專業(yè)校審過程中很難被發(fā)現(xiàn)，但在BIM模型面前則無法遁形，提升了整體設(shè)計質(zhì)量，并大幅減少后期工地處理的投入［5］。(圖5)

3．2．3 BIM 與協(xié)同設(shè)計

圖5 建筑各專業(yè)施工圖管線綜合建模

現(xiàn)在大量使用的基于二維CAD模式下的協(xié)同，在一定程度上提高了效率，但對提高設(shè)計質(zhì)量，減少專業(yè)間的技術(shù)協(xié)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(dú)立的信息，不具有關(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)庫為基本集成平臺，模型中所有的數(shù)據(jù)信息都是相互關(guān)聯(lián)的，改變模型中的某一部分，所有與其相關(guān)的內(nèi)容都會發(fā)生相應(yīng)的變化。所以在技術(shù)上更適合于協(xié)同工作的模式，甚至可以這樣說，BIM和協(xié)同設(shè)計是密不可分的，因為BIM使各專業(yè)基于同一個模型進(jìn)行工作，從而使真正意義上的三維集成協(xié)同設(shè)計成為可能，將徹底改變傳統(tǒng)的單兵作戰(zhàn)的工作方法和工作模式。

同時，BIM不僅給設(shè)計人員提供一個三維實(shí)體模型，同時還提供包含了材料信息、工藝設(shè)備信息、進(jìn)度及成本信息等，這些信息的引入，使各專業(yè)均可以采用BIM的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析或者統(tǒng)計，使各專業(yè)間的協(xié)同達(dá)到更高的層次［6］。

此外，由于BIM可以應(yīng)用于工程項目的全生命周期，所以，對于建筑設(shè)計企業(yè)，施工企業(yè)、發(fā)展商、物業(yè)管理單位以及各相關(guān)單位之間的協(xié)同提供了良好的協(xié)同工作的基礎(chǔ)。

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

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

［3］邵韋平．?dāng)?shù)字化背景下建筑設(shè)計發(fā)展的新機(jī)遇——關(guān)于參數(shù)化設(shè)計和BIM技術(shù)的思考與實(shí)踐．

［4］［5］傅筱．建筑信息模型帶來的設(shè)計思維和方法的轉(zhuǎn)型．建筑學(xué)報．2009．1

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

［7］楊遠(yuǎn)豐，蔡曉寶．三維管線綜合設(shè)計實(shí)踐與技術(shù)探討．

［8］陳宜．建筑協(xié)同設(shè)計的推廣．