建筑设计工作方法的新变革——建筑信息模型技术的思考与应用

吴 凡

(深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司，深圳 518054)

1 引言

《理解建筑(Understanding Architecture)》一书中描述到，“在西欧中世纪，所有有关建筑的规划、设计和建造工作都由一人负责，他规划、管理和执行着业主的项目。到了后来，这个角色逐渐演变成了建筑师。”建筑师参与项目的规划、设计并监督着项目建造的全过程。在当今飞速发展的建筑设计中，建筑师更加需要综合科学、美学、技术及社会、文化等不同方面的信息。

伴随着信息技术革命，建筑设计正发生着一个质的飞跃，其一建筑师可以借助计算机进行思维和推导得到传统方法无法得到的成果，极大的拓展了设计的深度和广度;其二设计信息的集成化，改进了设计过程，极大地提高了设计效率和设计质量。三维虚拟模型(在三维空间使用参数信息定义物体属性智能三维模型及文档)的发展最终产生了建筑信息模型BIM。

BIM通过数字技术，在计算机中建立一个虚拟建筑，一个建筑信息模型就是提供了一个统一的、完整一致的、逻辑关联的建筑信息库［1］。

建筑信息模型在建筑设计领域的应用，按照对设计信息的处理方式，可分为辅助设计构思、辅助设计表达及实现两个阶段。

2 BIM辅助设计构思

2．1 在构思前期对设计信息与设计条件的整理分析

在概念构思的前期，设计师面临着来自项目场地的，气象气候的，规划条件等大量的设计信息。这些信息的分析反馈与整理对于建筑师来说是非常有价值的。

设计师可利用BIM平台结合GIS及相关的分析软件对设计条件的判断、整理、分析，使设计师能在这些信息中找到关注的焦点，充分利用各种已知条件，在设计的最初阶段就可以朝着最有效的方向努力并作出适当的决定，从而避免潜在的失误。(图1)

图1 设计条件的管理(图片来源:Affinity)

2．2 从二维平面设计到三维空间设计

在计算机三维技术出现之前，建筑师只能依靠透视草图或实体模型研究三维空间。这些工具有其优势，也有不足之处。如绘制草图，能够随心所欲地流畅地表达设计想法，表达建筑师所关注的部分，但是在准确性和整体空间表达上受到限制。实体模型在研究外部形态时，作用较大，而要研究内部空间形态时就相形见绌了，难以提供一个对空间序列关系的人视点直观体验和表达。

建筑信息模型采用的是虚拟现实物体的方式，以三维设计思维为基础，将传统的二维图纸完全转化为计算机的工作，让电脑代替人脑完成三维与二维之间的思维转化。这样设计师可以更加关注设计本身，不再为绘制二维图纸耗费精力，二维与三维的界限在建筑信息模型中逐步模糊。而实体模型设计的弊端在建筑信息模型中也得到了解决，三维数字技术将外观模型与空间形态和序列的研究统一起来。建筑师可以通过设置相机进行人视点的各个空间推敲，也可以通过软件进行虚拟现实仿真或快捷的制作出动画进行空间序列的研究(图2)。

2．3 从形式与功能相分离到整体化的空间设计

当今一些建筑设计中，空间一直没能成为一种控制建筑的方法。其中一方面原因是由于设计工具的限制，建筑师无法在较短的设计周期内去研究和推敲空间，更难以用空间来控制没计。这使得目前较多的建筑师仍然在用“立面”的方法控制建筑。建筑信息模型的出现为我们改变这种状况提供了可能性。在建筑信息模型中，建筑室内空间、室外空间、建筑表皮、平面功能都可以被整合成一个相互关联的逻辑系统。当在布置平面时，已经在同步设计建筑空间，而空间又可以被直观的反映在表皮上，这样空间与表皮可以共同形成建筑的立面［2］。

3 BIM辅助设计的表达及实现

在制造业(电子、航空、船舶)等行业中，产品的设计及生产环节都先后完成了粗放设计到集成设计的转型，实现了从设计到生产的数字化集成。

而建筑业中无论设计还是生产，大部分都还处于粗放型的状态。粗放型设计不仅表现为各个专业设计图纸的深度浅和质量低，更表现为各个专业间的集成化程度低。我们目前的工作方法基本上是各自为政，采用传统的提条件图的方法进行协同，集成化程度还处于以图纸为中介的落后模式，其结果是效率低下和设计品质偏低［3］。而通过BIM能整合了设计中各个环节，实现从粗放设计到集成设计，其集成化主要体现在设计信息的集成与设计过程的集成通过BIM可整合设计、表达与实现阶段，实现从粗放设计到集成设计的过程，其中又可分为设计信息的集成和设计过程的集成。

3．1 设计信息的集成

2．1．1 从使用CAD单个绘制设计文档到数据库统筹管理设计信息

传统的CAD绘图，对于同一个建筑构件，需要使用多张视图及图表说明才能表达，而且每张图纸都是离散的线条，彼此之间互不关联，各个视图之间的错漏碰缺在所难免，并且每份图纸或文档都是一个单独的组成部分必须依靠人力解读才能相互联系成为一个可理解的整体。

在BIM平台下，则是以数据库替代绘图。将设计内容归总为一个数据库而不是单独的各张图纸。

就BIM项目而言，设计文档中那些体现着项目信息的线条、文字、图表等都不是传统意义上“画”出来的。而是通过BIM软件中的数据库，使用体现了项目全部信息的“智能构件(INTELLIGENT OBJECTS)”，以投影、剖切等数字方式“实时建造”而成。一旦置于BIM环境下，它会自动将自身信息反映至所有的二维图纸、明细表、三维渲染图、工程量估计等。随着设计的变化，构件能够将自身参数进行调整，以适应新的设计。

图2 建筑信息模型可以提供空间序列研究

3．1．2 BIM模型数据与分析平台的交互——BIM与CAE/CAA

目前大多数情况下，CAD作为主要设计工具，而CAD图形本身没有或极少包含各类CAE系统所需要的项目模型非几何信息(如材料的物理、力学性能)和外部环境信息，设计师需要在CAD图形和CAE系统之间反复交互数据，因此工作量大、成本高且容易出错。大部分CAE系统只好被用来对已经确定的设计方案的一种事后计算，CAE作为决策依据的根本作用并没有得到很好发挥。

BIM的应用则让CAE回归了真正作为项目设计方案决策依据的角色。

由于BIM模型集成了一个项目完整的几何、物理、性能等信息，CAE可以在项目进行的任何阶段从BIM模型中自动抽取各种分析、模拟、优化所需要的数据进行计算，BIM软件平台构建出的深度BIM(详细建筑信息模型)通过软件工具输出为不同的数据格式，根据应用方向的不同选择合适的数据格式输入专业的分析软件中，可以有效地解决数据一致性问题，提高建模效率，项目团队根据计算结果对项目设计方案调整以后又立即可以对新方案进行计算，直到满意的设计方案产生为止［4］(图3)。

图3 利用BIM平台集成各种软件与信息

3．2 数据信息的集成促进了设计过程的集成

3．2．1 BIM 与设计过程控制

图4 方案设计－施工图设计－加工图设计，数据通过BIM模型完整的传递

建筑设计过程中，方案设计和工程设计常常由不同的团队完成。方案设计阶段的建筑师只关心造型设计和粗略的功能布局、许多细化工作在后面几个阶段完成。这容易造成设计上的脱节。而如果使用一套建筑信息模型用于设计的所有阶段，则一方面可以减少各专业图纸间的“错漏碰缺”，另一方面表现在建筑师对设计品质的控制力度大大加强。建筑师可以加强对设计概念的控制，对建筑细节进行直观的研究，加强细部设计(图4)。

3．2．2 BIM 与管线综合

在大型、复杂的建筑工程项目设计中，由于系统繁多、空间复杂，常常出现管线之间、管线与结构构件之间发生冲突的情况，或影响建筑室内净高及空间效果，或给施工造成麻烦，导致返工或浪费。而以传统的二维管线综合设计表达空间信息，技术上存在着先天不足，效果上不能让人满意。

而BIM模型设计是对整个建筑设计的一次“预演”，建模的过程同时也是一次全面的“三维校审”过程，在此过程中可发现大量隐藏在设计中的问题，在传统的单专业校审过程中很难被发现，但在BIM模型面前则无法遁形，提升了整体设计质量，并大幅减少后期工地处理的投入［5］。(图5)

3．2．3 BIM 与协同设计

图5 建筑各专业施工图管线综合建模

现在大量使用的基于二维CAD模式下的协同，在一定程度上提高了效率，但对提高设计质量，减少专业间的技术协同错误，其效果并不显著。其原因在于二维CAD绘制的图纸都是相对独立的信息，不具有关联性．例如平面、立面、剖面是无法被同步修改的。

而BIM以三维信息模型所形成的数据库为基本集成平台，模型中所有的数据信息都是相互关联的，改变模型中的某一部分，所有与其相关的内容都会发生相应的变化。所以在技术上更适合于协同工作的模式，甚至可以这样说，BIM和协同设计是密不可分的，因为BIM使各专业基于同一个模型进行工作，从而使真正意义上的三维集成协同设计成为可能，将彻底改变传统的单兵作战的工作方法和工作模式。

同时，BIM不仅给设计人员提供一个三维实体模型，同时还提供包含了材料信息、工艺设备信息、进度及成本信息等，这些信息的引入，使各专业均可以采用BIM的数据进行计算分析或者统计，使各专业间的协同达到更高的层次［6］。

此外，由于BIM可以应用于工程项目的全生命周期，所以，对于建筑设计企业，施工企业、发展商、物业管理单位以及各相关单位之间的协同提供了良好的协同工作的基础。

［1］何关培．BIM和BIM相关软件［J］．土木建筑工程信息技术，2010，2(4):110-117．

［2］张学斌．BIM技术在杭州奥体中心主体育场项目设计中的应用［J］．土木建筑工程信息技术，2010，2(4):50-54．

［3］邵韦平．数字化背景下建筑设计发展的新机遇——关于参数化设计和BIM技术的思考与实践．

［4］［5］傅筱．建筑信息模型带来的设计思维和方法的转型．建筑学报．2009．1

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

［7］杨远丰，蔡晓宝．三维管线综合设计实践与技术探讨．

［8］陈宜．建筑协同设计的推广．