整體式BIM—設計思維與計算思維的整合

吳吉明 趙 旭 王 娜 李 雯

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

整體式BIM—設計思維與計算思維的整合

吳吉明 趙 旭 王 娜 李 雯

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

隨著科技手段的發達,越來越多的設計者開始關注于通過數字手段對建筑體型控制，然而在實踐過程中，設計者卻往往發現數字化的設計流程下，對設計的把控往往與原有創作流程不同步，往往很難從整體角度把控設計的走向。為了解決這樣的設計實際，我們根據實際項目中的體會，提出了一套基于設計師思路的整體性的數字建構方式與邏輯優化模式。

計算思維；設計思維；信息決策；整體式BIM；設計方式；移動互聯網

引言

建筑的創作大體上有兩種方式，即“雕刻”與“樂高模型”。“雕刻”的方式可以理解成宏觀的方式，即先區分出大致形狀，再慢慢加入細節，逐步完善，從整體到局部。而“樂高模型”則是從微觀構建出發，一點點用拼積木的方式搭建出模型，從局部到整體。

“構思”與“實現”是在我們的設計過成中永遠都要面對的兩個問題，“構思”對應著我們的設計思維，而“實現”則更多的與我們的計算思維相關聯，這兩者都是建筑創作不可分割的部分，在傳統的BIM模式中，應用的解決方式偏于計算思維：在這種模式下，設計人通常采取的是先細部再主體的拼裝模式，但這種方式卻并不適合設計人對方案的整體把握，最終成果很容易整體感缺失。

1 設計思維與計算思維

設計思維與計算思維是我們對上層理論研究的基礎，為了便于讀者對成果體系的更好理解與宏觀把握，我們首先對相關的理論進行了梳理。

1.1 設計思維

設計思維是設計和規劃領域，我們對各種定義不清的問題進行調查、獲取多種資訊、分析各種因素，并設定解決方案的方法與處理過程。作為一種思維的方式，設計思維具有綜合處理能力的性質，能夠理解問題產生的背景、能夠催生洞察力及解決方法，并能夠理性地分析和找出最合適的解決方案。[1]

通過了解設計師們所用的構思方法和過程，理解設計師們處理問題和解決問題的角度，我們有機會更好地連接和激發構思，從而達到更高的創新水平，并產生更高的效率。設計思維是一種以解決方案為基礎的，或者說這是一種以解決方案為導向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標或者是要達成的成果著手，然后通過對當前和未來的關注，同時探索問題中的各項參數變量及解決方案。

設計師在產生和完善構思時，主要需要考慮的是有助于確定設計方案、獲得反饋并完善設計要素。在這樣方式的控制下團隊能夠通過每一項工作獲得確認，更高效也更容易促進方案自身的推進。

設計思維是應對這樣變化而應運而成的思維方式。作為一種思維方式，設計思維有它的優勢和局限。優勢就是便于設計師從整體進行思考，把握大局，切中要害，能更加貼合客戶的要求。局限性在于有可能會忽略一些基礎性的細節，導致后面工作的不便。

1.2 計算思維

相比設計思維，計算思維是一種按照計算機科學的基本概念和方法，來理解需求、設計系統、實現編程、解決問題的思維方法。簡而言之，計算思維就是程序員或計算機科學家是如何思考的。這是一種是計算機的思維方式。

計算思維通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋并簡化；是一種遞歸思維，是一種并行處理，它利用啟發式推理尋求解答，它利用海量數據來加快計算。

計算思維的核心本質就是抽象和自動化。計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，并完全用符號來表示。計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，力主由機器執行。計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個人獨立完成的問題求解和系統設計。

“計算思維把代碼譯成數據又把數據譯成代碼。它是由廣義量綱分析進行的類型檢查。對于別名或賦予人與物多個名字的做法，它既知道其益處又了解其害處。對于間接尋址和程序調用的方法，它既知道其威力又了解其代價。它評價一個程序時，不僅僅根據其準確性和效率，還有美學的考量，而對于系統的設計，還考慮簡潔和優雅。”[2]

計算思維的優勢在于其細節性與實操性，以及對大規模重復性計算的應用。它的局限性體現在可能因為過度注重細節和技術性導致忽略整體，在宏觀層面上難以使人滿意。

1.3 兩種不同思維方式的對比

設計思維與計算思維是兩種不一樣的解決問題的思路，他們廣泛應用于我們的日常設計工作之中。設計思維是一種結果導向的解決問題方式，在設計思維中，我們先設定一個解決方案，然后來確認能夠使目標達成的足夠多的因素，最終使通往目標的路徑得以實現。因此在設計思維中，解決方案的提出實際上就是設計起始點。

而計算思維，是一種典型的推導式思維，它處理問題的方式是先確定解決問題中所涉及的各個變量，然后再通過抽象思維、邏輯推理和分析等方式，確定各變量間的聯系。從而推導出最后的設計結論，因此在典型的計算思維中，解決問題的方式是的遞歸處理后的一個必然結構。

兩種思維方式各具特點，設計思維偏于宏觀構架，而計算思維強于協助成果落地與推進。兩種思維側重不同但又互為補充，我們希望通過兩種思維模式的研究以及自身設計實踐中的分析，有效的對兩者進行整合，并得出最適合目前我國設計實際的工作方法，給更多人予以啟發。

2 整體式BIM的設計方式

我們認為在現有的BIM模式中應該更多地加入“構思”也就是“設計思維”的元素，我們提出的整體式BIM的理論創新性地提出“先整體再細部”的全新BIM的構建模式。在這種模式下，項目的構建從設計的主體結構入手，上層問題解決后，再逐步進行細化的這是一種“雕刻式”的設計師的思維，而非傳統BIM模式下的“樂高玩具拼裝”的過程。

本文旨在梳理標準設計院體系下的BIM 的平順過渡方式，改變傳統拼裝式BIM, 始終貫徹整體式設計，注重設計效率的提升，強調設計主導下的整體BIM研究方式。我們將本研究的重點放在了各操作平臺間的高效銜接，研究過程中我們也總結了以往的經驗，并針對國有大型設計院的實際進行了優化。

2.1 設計院推行BIM的現狀條件

現有設計院條件下，相關的技術支持措施越來越完備，配合方的配合模式和手段也越來越多元化。設計院已具備了實現BIM的各項前置條件。然而由于效率與回報尚未形成良性循環，且業主方對BIM項目更關注的也只在于項目的落地可行性與時間成本等方面。[3]

而在管理模式方面，由于BIM模式的體系化操作與質量管理體系間的隔閡，流程性的管理往往會給實際操作帶來繁瑣與冗余操作，且目前的管理模式相對效率低下。如何更好地平衡管理，與更便捷的操作仍是我們未來一段時間亟待解決的問題。

對于廣大的一線設計人員，長期習慣性操作難以改變，針對性的培訓成本巨大，難于直接轉換為生產力。而傳統設計模式在設計的很多環節中，還有具有巨大的優勢，不容忽視。

2.2 針對設計院BIM項目推進的幾點優化(圖1)

(1)整體推進：我們強調整體化的BIM設計模式：發揮各軟件最強優勢，整體推進，最大化改變了舊有BIM實操時拼裝式的感受。強調：整體推進+信息注入，提出了“偷梁換柱式“的設計模式；

(2)文件體系構架：基于協同的文件體系構架，我們利用標準的操作流程以及文件夾樹構成，解決跨軟件間的模型交互；[4]

(3)推廣的策略：我們強調核心團隊—以點帶面, 避免低水平重復；

(4)體系化策略：我們提出的策略邏輯是，采用更高起點體系化注重接口的開放與銜接而非僅具體應用；

(5)平順的過渡：以合理的工作方式聯系各軟件的平臺，發揮各軟件的優勢；

(6)文件樹構架：注重依靠工作方法流程，解決軟件互導的便捷性；

(7)回饋與總結：建立BIM的啟動機制，方法總結，強化日常的交流與推廣。

3 實踐案例及總結

理論結合實際是我們這個項目的一個重要特點，為了更好地解釋整體式BIM設計中思維與計算思維的整合，我們通過若干個實踐案例分析了整體式BIM的最重要核心：擺脫枷鎖——減少冗余操作對于高層級的操作而言，越級的操作效率很低，花費大量精力卻對整體方案推進收效甚微。通過打包信息注入封裝替換等方式，我們完全有機會通過很簡單的操作完成越級的表達。使用的手段并不重要——“不管黑貓白貓，可以抓到老鼠的就是好貓。”

3.1 模擬/近似、優化、分層與封裝——山東考古工廠替換方式研究

“在現代化的工業生產中，不斷出現一些較復雜的設備或裝置，這些設備或裝置的本身所要求的被控制參數往往較多，因此，必須設置多個控制回路對該種設備進行控制。由于控制回路的增加，往往會在它們之間造成相互影響的耦合作用，由于耦合關系，往往使系統難于控制、性能很差”——百度搜索中對“解耦”詞條的解釋。

圖1 設計院體系下的BIM平臺建設思考

圖2 山東考古工廠群體關系

圖3 山東考古工廠 外圍護結構利用動態引用SKP 文件進行整體設計

在計算邏輯中對應便是數學中的“解耦”，是指使含有多個變量的數學方程變成能夠用單個變量表示的方程組，從而簡化分析計算。通過適當地控制量的選取，坐標變換等手段將一個多變量系統化為多個獨立的單變量系統的數學模型，即解除各個變量之間的耦合。軟件開發中的耦合偏向于兩者或多者的彼此影響，解耦就是要解除這種影響，增強各自的獨立存在能力。

山東省文物保護科研修復工廠集收藏、保護、科研、培訓、展示于一體，是山東文物保護科研信息交流與業務培訓的平臺，中外學術研究與交流的窗口，也是廣大群眾了解考古知識，品賞考古成果的優雅場所。(見圖3)

在山東考古項目的案例中，我們充分利用了近似模擬與封裝的手段，將主要的形體關系及外皮始終通過的引用替換的手段，在主體BIM模型中進行替代表達。設計人員熟悉的Sketchup模型僅通過簡單的操作便于主體BIM模型鏈接，并產生關聯。分工合作的設計人員，實時可以了解到項目的整體進展，并與之互動(圖4)。而實際的操作并未因此大幅增加。這種控制思路事實上對應的就是設計思維的整體觀與計算思維的“解耦”操作的一種整合。

3.2 復雜建模與分層控制——天師大學體育館項目模型控制方式研究

對于復雜的模型結構必須要考慮模型建構的邏輯關系,并應充分考慮和上層規劃邏輯的對接。

天獅大學體育中心位于天獅大學天津武清校區，總用地面積109240m2，總建筑面積71000m2，其中包括一座3萬人體育場和一座4千人體育館。

體育中心建筑單體的設計，是在前期333 hm3校園大規劃的基礎上進行的。園區北側不但有標志性的龍鳳河景觀，而且內部也由大小不同的人工水系串聯。規劃設計中豐富的水紋肌理，為建筑師提供了靈感來源：建筑師用一條“流動”的曲線，勾勒出整體建筑輪廓，化零為整，整合建筑功能，順應不規則用地形狀，一氣呵成，整個建筑形態應該極具運動感，呼應體育建筑的功能特點，天際線輪廓應該高低起伏，像空中隨風飄舞的綢帶一樣，充滿激情與活力，而又不失浪漫氣質。(見圖4)

圖4 天獅大學體育中心西南側鳥瞰效果圖

圖5 GH界面編寫數學模型程序

對建筑師而言，這個項目方案階段的工作具有一定的實驗性，尤其是對一些自由曲面造型的處理。相對應用歷史“悠久”一點的CAD軟件，和新興參數化軟件之間的邏輯轉換，不但能幫助建筑師更好地把握不規則造型的精確性，還可以大幅度提高工作效率。GH提供的數學模型沒有摒棄傳統的模型建構方法，而是在原來的基礎上，極大地優化了模型的可操控性。(見圖5)

關于本項目針對建構方式的思考我們總結如下：

1)更少的控制點更有利于打造更流暢的建構控制；

2)數字模型在各種轉換與輸出的過程中必須要進行適當的優化；

3)模型應保證有效拆分可能:合理時機與拆分原則；

4)模型的轉換過程應注重與精度以及與銜接部位的交接；

5)各控制項間應考慮適宜聯動關系的并進行有效的規劃設置。

3.3 分解與分層操作——長安運河項目的全流程管控

分解與分層的方法是計算思維中的重要步驟，也是設計思維中解決復雜問題的重要手段。任何一個完整的設計項目都可以看成是由若干個互有聯系但是可以分割的部分構成的，而每一個獨立的部分我們又可以把它看成一個有著獨立邊界的新的項目。我們日常的每一個實際工程都像浩瀚的宇宙，從宏觀到微觀，每一個層面都存在著太多可獨立分割的個體。分解成子項后，項目由原來的宏大變成可控。而通過分層，我們擁有了更多駕馭復雜交錯手段的能力。

中國大運河作為世界上里程最長、最古老且任在使用的人工運河已成功進入了世界文化遺產名錄，長安運河項目正是位于這條中國古動脈的北端起點，長安街的東延長線，大運河的入京處的關鍵節點處。這里是未來通州CBD的核心地塊。項目造型多變，與周邊環境協調難度大，配合顧問公司多達十余家。(見圖6)

圖7 多樣化的移動應用

分解成子項目：本項目作為一個大的總體規劃樓棟較多，初期分成四期項目。按方位和施工順序施工難度，將一個巨大的規劃劃分成四個相對于小的子部分，從整體上方便更好地控制，從單體上也便于靈活掌握項目進度和進程。

子項目分層處理：總體規劃-子項目-分層遞進，通過把一個整體不停的拆分發散，變成細小的部分，每個部分都與整體相關聯，便于控制和整體協調，有可以分門別類單獨設計。從子項目中再逐步分層處理，細分成水域景觀設計，地面景觀設計和建筑單體設計。把每一個子項目逐一分層進行設計，從整體到局部，從整體規劃到單體設計。這樣的分層級全流程管控使整個項目能高效有序地進行，而在核心控制的方式的選擇上，也是我們從構思到實現的一次全程整體式BIM嘗試。從構思階段的手繪草稿矢量化，到最終的施工現場配合，我們關注著未來給予移動互聯的各種可能。[4]這也讓我們對未來整體式BIM模式充滿了信心！

4 結論

從宏觀世界到微觀實現，我們的設計世界存在著太多需要解決的問題。

而我們設計是一個反復的過程，在中國的設計條件下就更是如此，就比如對方案的宏觀性把控存在于從客戶委托到設計完成這一過程的每個階段。客戶提出的任何設計要求都可以有多種解決方案，而且它們在創新性、實用性和預算等方面也都會有不同側重與解決。在高效的設計模式中，設計師會根據設計任務書內容，查閱參考資料，通過“頭腦風暴”等形式產生設計靈感，并逐步整合，把它們發展成一個或幾個方案。而在設計的下一步工作中，確定一個明確的發展方向并進行優化非常的重要。最終的決策需要準確并利于衡量，且有目標適應性。因為單一的設計方案是很難滿足任務書中的所有要求，它只是側重于解決某一領域的問題。

但事實上諸如成本和時間等其他因素也與最終選擇的策略有關，這些基礎性的因素在定義階段

就應該確定，并且在整個設計進程中都應予以考慮。但這些有可能隨著進程的發展而變化。完美的方案往往會超出原本的預算，因此在很多情況下我們的建設方往往會選擇一種成本更低的方式。設計師可以向客戶提交其認為最好的設計方案，雖然專業的意見和建議很重要，但只有客戶自己才最了解自己的業務、市場和顧客，他們會根據自己的經驗做出最終的選擇。而這很可能與設計師的首選方案不同。

5 信息矩陣以及關聯推進

在與設計相關的各個信息矩陣中，各個層級的信息相互影響著，他們從宏觀到微觀始終發生著關聯，相同層級的各個要素相互關聯制約，形成實物最終成型的動力。而不同宏觀層級的思考要素則關聯關系很微弱。因此從最高效率原則，我們在解決問題時一定先以解決上層關聯為先，解決同級關聯一定是先解決短板問題為先。再遇到跨級問題時，應采用化簡、替換、局部封裝等方式以整體方式進行替換。一定要以最簡單以及一線人員最熟悉的方式對關鍵信息進行表達。解決問題時我們一定要注重外延邊界，注重邊界與上層的構建邏輯的平順對接，而放松對內其數據內核格式及的構建方式的要求。

而在復雜建構中，我們一定要強調整體式建構邏輯，明確與專業BIM工程師的工作界面，強化工作配合。

6 結論

BIM的設計方式是未來設計的趨勢，也是每個設計人員都必須面對的一個事情。充分理解好整體試構思的原則，將大大提高設計人員的工作效率，減少無謂勞動，BIM將真正會歸于設計而僅非建造。

[1]Jeannette M.Wing Computational Thinking and Thinking about Computing[EB/OL]，2008，3.

[2]設計思維ISBN編號: 9787500694854出版時間: 2010.09出版社: 中國青年出版社作者：(英國)加文·安布羅斯(Gavin Ambrose)(英國)保羅·哈里斯(Paul Harris)譯者：詹凱臧迎春賀貝

[3]吳吉明.數字信息模型(BIM)與我國的建筑設計[J].工程設計與計算機技術：第十五屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集[C].2010

[4]吳吉明.建筑信息模型系統(BIM)的本土化策略研究[J]. 土木建筑工程信息技術, 2011,3(3):45-52.

[5]吳吉明，張慶利.從構思到實現——移動平臺上的設計與云應用研究[J].土木建筑工程信息技術，2013，5(5)：11-20.

Integral BIM——Integrate Design Thinking with Computational Thinking

Wu Jiming, Zhao Xu, Wang Na, Li Wen

(BeijingInstituteofArchitecturalDesign(BIAD)，Beijing100045,China)

With the technology developing fast, more and more designers begin to concentrate on the digital ways of controlling the shape of architecture. While in the process of practice, designers always find that real situation and the original assumption are out of sync when using digital ways. It’s easy to get stuck in specific things and lose sight of the overall aim. In order to solve this problem, we have worked out the integrity of digital construction method with logic optimization model based on designers’thinking.

Computational Thinking； Design Thinking； Information Decision； Integral BIM； Design Approach； Mobile Internet

北京市建筑設計研究院有限公司支持課題“整體式的BIM設計方式研究-基于協同與替換模式的多平臺整合應用”(編號：FJW2014-81)

吳吉明(1978-)，男，主任建筑師，國家一級注冊建筑師，高級建筑師。主要研究方向：建筑設計、BIM云及互聯網。

TU201;G202

A

1674-7461(2015)02-0001-08