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，所有有關(guān)建筑的規(guī)劃、設(shè)計和建造工作都由一人負責(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進行思維和推導(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)計表達及實現(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，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設(shè)計想法，表達建筑師所關(guān)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(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)系的人視點直觀體驗和表達。

建筑信息模型采用的是虛擬現(xiàn)實物體的方式，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(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)置相機進行人視點的各個空間推敲，也可以通過軟件進行虛擬現(xiàn)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(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)計的表達及實現(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、表達與實現(xiàn)階段，實現(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，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)進行計算，BIM軟件平臺構(gòu)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(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。建筑師可以加強對設(shè)計概念的控制，對建筑細節(jié)進行直觀的研究，加強細部設(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。而以傳統(tǒng)的二維管線綜合設(shè)計表達空間信息，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體模型，同時還提供包含了材料信息、工藝設(shè)備信息、進度及成本信息等，這些信息的引入，使各專業(yè)均可以采用BIM的數(shù)據(jù)進行計算分析或者統(tǒng)計，使各專業(yè)間的協(xié)同達到更高的層次［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)展的新機遇——關(guān)于參數(shù)化設(shè)計和BIM技術(shù)的思考與實踐．

［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］楊遠豐，蔡曉寶．三維管線綜合設(shè)計實踐與技術(shù)探討．

［8］陳宜．建筑協(xié)同設(shè)計的推廣．