BIM技術(shù)與CAD技術(shù)對比研究

齊寶庫　商成城　魏思宇

[內(nèi)容提要]本文對比了BIM技術(shù)與CAD技術(shù)，簡述了兩個技術(shù)的概念，對比變現(xiàn)形式、變更、關(guān)聯(lián)性、信息傳遞以及實際應(yīng)用五個方面，并討論了BIM技術(shù)在實際設(shè)計施工過程的應(yīng)用。將BIM技術(shù)運用到北京世界園藝博覽會國際館多專業(yè)的模型設(shè)計中，有效地解決碰撞、技術(shù)交底等問題，分析BlM技術(shù)在工程項目中的綜合應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞] BIM技術(shù) CAD技術(shù) 對比 差異

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是以建設(shè)工程項目的各種相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。其具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、可出圖性等特點。而以CAD技術(shù)作為代表的傳統(tǒng)建筑軟件基本采用二維平面圖的表現(xiàn)形式，只有在需要一些特定分析計算時，才會使用到三維模型。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑形狀和功能越來越復(fù)雜，給建筑設(shè)計和施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。建筑項目的建造不僅包括基礎(chǔ)建筑模型的建立，還涉及許多復(fù)雜工程，如鋼結(jié)構(gòu)工程、幕墻工程、安裝工程等。隨著信息化手段逐漸成熟，計算機將虛擬模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的手段也愈加成熟，在建筑行業(yè)應(yīng)用BIM也逐漸被人推廣。相關(guān)建筑部門則在一直積極推進BIM和其他信息技術(shù)等在建筑業(yè)的應(yīng)用，以期改善目前建筑工程施工現(xiàn)狀。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2011年發(fā)布的《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》明確提出，到2020年末，以國有資金投資為主的大中型建筑等新立項項目的BIM集成應(yīng)用比率應(yīng)達到90%。

一、BIM與CAD概述

（一）BIM概述

BIM是計算機信息模型（Building InformationModeling）的簡稱，是運用三維數(shù)字技術(shù)，對建筑構(gòu)件進行全方位模擬，相較于傳統(tǒng)的計算機輔助繪制矢量圖形有本質(zhì)的區(qū)別，最大的特征是能夠結(jié)合從建筑方案階段到暖通給排水設(shè)計階段，再到結(jié)構(gòu)施工階段進行協(xié)同設(shè)計。因此，BIM可以理解為在建筑工程生命周期中不同階段的數(shù)字化模型以及針對這些模型的信息集成和協(xié)同處理過程，也稱為建筑信息模型處理過程。

（二）CAD概述

傳統(tǒng)的CAD的應(yīng)用主要集中在繪制二維的幾何信息，便于繪圖表達，卻難以實現(xiàn)設(shè)計行業(yè)集成信息的有效處理。當(dāng)處理極端復(fù)雜的建筑設(shè)計，尤其是處理工程管理中的行政和管理費用時，CAD中技術(shù)模型的信息質(zhì)量十分依賴設(shè)計者的專業(yè)水平和使用者信息的有效輸入。

二、BIM和CAD的對比

（一）表現(xiàn)形式的差異

CAD僅能表達建筑模型的幾何信息（點、線、面、體等幾何元素），而BIM主要以工程的基本單元（如建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件）為對象，通過參數(shù)的形式進行模型構(gòu)建，包括建筑的幾何信息和非幾何信息（造價、能耗參數(shù)、運營時間等）;CAD主要是“繪圖”;BIM的建模方式是“組裝”;CAD可以建立3D模型，但一個單獨的3D模型并不能夠稱為BIM，而BIM也不一定非要以3D形式表達，可以是4D，SD，6D，甚至是nD。

CAD基本是以二維平面圖為主的變現(xiàn)形式，圖紙是以點、線、面的組合呈現(xiàn)給項目各參與方，這些信息復(fù)雜且需要較強的專業(yè)知識，對非專業(yè)人士來說很難理解圖紙含義。而BIM是采取的三維建模的表現(xiàn)形式，可將設(shè)計方案具體化，降低了從二維到三維轉(zhuǎn)化的難度。使用相應(yīng)BIM軟件并搭配時間等信息因素進行施工現(xiàn)場模擬或以虛擬現(xiàn)實轉(zhuǎn)化的方式讓大家對項目中的空間關(guān)系、設(shè)備設(shè)施位置等一目了然。

（二）全壽命周期變更及時性的差異

傳統(tǒng)CAD圖紙在設(shè)計變更的時候，即使是簡單的修改圖元大小，都需要再次對圖紙進行繪制，或者通過拉伸裁剪等命令進行修改。而BIM技術(shù)通過參數(shù)化的方式進行建模，模型中任何構(gòu)件都擁有建筑信息及屬性，如果修改，只需要對軟件的屬性選項進行更改，可以根據(jù)要求，方便陜速調(diào)節(jié)構(gòu)件的尺寸、顏色、樣式等。

BIM在設(shè)計者設(shè)計完成之初，施工之前就可以進行碰撞檢測，對及時發(fā)現(xiàn)構(gòu)件沖突發(fā)生點或有錯誤之處進行設(shè)計修正或者預(yù)防性的處理，降低工程風(fēng)險。另外，BIM建模還可以直接用于施工，如應(yīng)用在施工過程中的工地實際進度和計劃進度對比，施工階段一旦出現(xiàn)問題可利用BIM模型來解決，新的信息也能同步更新到BIM模型中去。在傳統(tǒng)模式下，施工階段與運營階段建筑物信息很難有關(guān)聯(lián)，但運用BIM模型可直接把設(shè)計施工運營整體連接，業(yè)主也能通過建筑模型簡單了解建筑物各方信息。其作為大型數(shù)據(jù)庫的特性，將設(shè)計信息完整的保留于BIM模型中，除整個工程施工階段亦可將信息讓生命周期中各個階段使用。

（三）統(tǒng)籌全專業(yè)關(guān)聯(lián)性的差異

傳統(tǒng)CAD技術(shù)就因為缺乏高度的關(guān)聯(lián)性，只能針對不同階段、不同專業(yè)分別建立模型，各個模型之間的聯(lián)系只能靠人工進行，操作非常繁瑣，工程量巨大。尤其是在項目體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，一旦發(fā)現(xiàn)某處設(shè)計不合理，需要經(jīng)過多人、長時間的去修改與之相關(guān)圖元中的所有構(gòu)件屬性，既浪費時間還浪費成本。而BIM技術(shù)的構(gòu)件則具有高度關(guān)聯(lián)性，模型中的任何對象的有所改動都會反饋到整個項目模型當(dāng)中，相關(guān)對象會連動修正。發(fā)現(xiàn)構(gòu)件有問題只需要進行屬性調(diào)整，隨后與之相關(guān)的構(gòu)件都會發(fā)生變化，自動配適，如包圍著某房間的墻，墻若被刪除，則房間為非閉合空間，就會有錯誤提示，告知用戶有錯誤發(fā)生;調(diào)整天花板的高度后，門、窗等以天花板高度為基準(zhǔn)構(gòu)件的尺寸和位置也會隨之變化。這種關(guān)聯(lián)性讓BIM提高了工作效率，降低了人為錯誤，保證模型的高度統(tǒng)一性。

（四）信息交流傳遞的差異

CAD的信息表一般是采用二維電子圖紙和表格相結(jié)合的方式，不具備專業(yè)知識技能的人很難看懂。而且在保存的時候具有一定的時效性，容易損壞或丟失。而BIM則是以可視化的3D模型為基礎(chǔ)，該模型可視為一大型數(shù)據(jù)庫，因此用戶可直接從模型中讀取所需要的信息，如門窗數(shù)量的計算統(tǒng)計，將其以類似Excel的表格化方式呈現(xiàn)，并可產(chǎn)出材料明細(xì)表以記事本格式供使用者進行分析使用。基于工程設(shè)計具體化，讓設(shè)計者更能具體呈現(xiàn)其設(shè)計構(gòu)想與概念以及預(yù)期完成的成果，與業(yè)主及施工單位的溝通更加清楚，減少彼此問數(shù)據(jù)反復(fù)修改的次數(shù)，縮短設(shè)計周期，施工單位對設(shè)計的誤解也會減少，進而提升設(shè)計效率與質(zhì)量。BIM可以與云端技術(shù)相結(jié)合，為業(yè)主提供更加快速與準(zhǔn)確的決策，存儲于云端之后可以長期保存，隨時隨意調(diào)取。與此同時，因為BIM的數(shù)字化、參數(shù)化技術(shù)，所以可將項目中各個構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息納入其中，讓建筑整體不僅展現(xiàn)出空間中的幾何特性，也呈現(xiàn)出建筑的物理特性及功能特性。大大豐富了建筑元素，即便是缺乏專業(yè)知識的人員也能讀懂，并且模型對象的信息是以屬性的方式存于BIM數(shù)據(jù)庫中，故可讓使用者直接讀取其所需要的信息，無須經(jīng)過人為的判讀，減少人為因素產(chǎn)生的錯誤。

（五）實際工程應(yīng)用的差異

CAD主要應(yīng)用在二維圖紙效果的展示及設(shè)計修改，不同專業(yè)之間無溝通，導(dǎo)致圖紙設(shè)計有可能出現(xiàn)信息缺漏以及各專業(yè)協(xié)調(diào)出現(xiàn)問題;而BIM的碰撞檢測是通過FUZOR等軟件進行實時漫游觀察，發(fā)現(xiàn)問題并及時進行處理，減少各專業(yè)相互碰撞問題，提高工作效率。還可進行技術(shù)交底，在三維模型查看復(fù)雜的構(gòu)件節(jié)點，對施工重難點分部分項工程技術(shù)工藝進行模擬，采取模型對施工人員交底，便于理解和掌握。BIM也可以同VR技術(shù)結(jié)合，將Revit建模的二維視圖轉(zhuǎn)化為虛擬三維模型，為使用者提供相互交融的設(shè)計過程，增強體驗感。

三、應(yīng)用舉例

（一）工程概況

本工程為2019年中國北京世界園藝博覽會場館（國際館），項目地處北京市延慶區(qū)，世紀(jì)園藝軸中部，緊鄰中國館和演藝中心。地上兩層為展覽用房，地下一層為停車場及機房，總建筑面積約22000m，建筑高度23.65m。結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。由于國際館結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，管線綜合較多，通過相關(guān)軟件可以有效解決在三維碰撞中產(chǎn)生的問題，并及時進行修改。

（二）模型的構(gòu)建及多專業(yè)碰撞檢查

1.三維模型的建立。根據(jù)二維圖紙在Revit中先建立一個有標(biāo)準(zhǔn)軸網(wǎng)的中心文件，建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電各個專業(yè)的建模都以這個中心文件各自建模，最后再建一個統(tǒng)一文件將各專業(yè)的模型鏈接到一起，實現(xiàn)模型的整合。圖1是將建筑結(jié)構(gòu)及水暖電各專業(yè)模型整合到一個中心文件里形成的全專業(yè)模型。

2.多專業(yè)碰撞分析。碰撞主要包括專業(yè)與專業(yè)間的碰撞，專業(yè)內(nèi)部的碰撞以及構(gòu)件的碰撞，其中碰撞還分為硬性碰撞與間隙碰撞，F(xiàn)UZOR主要用于硬碰撞的相關(guān)問題，對于管線較多工程，利用FUZOR實時模擬比較容易操作，而且更利于深刻了解，觀察到的問題更加直觀方便并可及時進行處理。將國際館模型導(dǎo)人到FUZOR中，可以及時的通過操縱軟件中人物以大眾視角觀察管線綜合碰撞問題、構(gòu)件位置疊合問題以及建筑與結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位置偏差問題。

3.技術(shù)交底。在施工過程中有許多復(fù)雜節(jié)點，而采取模型對施工人員交底，便于施工過程的順利開展，而這種技術(shù)交底可以采用魯班鋼筋及魯班節(jié)點兩個軟件進行。首先通過魯班鋼筋軟件進行結(jié)構(gòu)建模，然后選取復(fù)雜鋼筋節(jié)點位置進行屬性查看，可簡單看出鋼筋種類、級別、直徑、長度，并且掛接至BIM模型中相應(yīng)位置，這樣就可以進行基于BIM模型的可視化施工指導(dǎo)。

4.效果展示。把三維模型導(dǎo)入到Lumion中，根據(jù)設(shè)計進行簡單的室內(nèi)裝飾裝修，將VR與Lumion建立連接后，就可以通過VR眼鏡看到設(shè)計預(yù)期的建筑場景，充分展現(xiàn)國際館項目的實際效果，這種“BIM+VR”的技術(shù)充分實現(xiàn)了由虛擬3D效果到實際效果的轉(zhuǎn)變。圖2是通過Lurmon渲染出來的國際館效果圖。

四、結(jié)語

通過BIM技術(shù)在國際館的應(yīng)用，我們可以得出其在應(yīng)用方面已經(jīng)逐步成熟，并已開始運用于實際施工項目，其從根本上解決了CAD技術(shù)中二維圖紙抽象理解的問題，對于大多數(shù)缺少相關(guān)專業(yè)知識的工作人員能更好的理解圖紙。而且在解決碰撞問題上更加的清晰明了，節(jié)省了大量修圖返圖的過程，提高了工作效率，是建筑設(shè)計方面一個重大的進步。在施工方面通過使用復(fù)雜構(gòu)建節(jié)點的BIM模型三維查看技術(shù)，在很大程度上減少了現(xiàn)場施工人員操作的復(fù)雜性，節(jié)約了施工時間的同時也保證了施工質(zhì)量。在運維方面，減輕了日后構(gòu)件維護修理的難度，并且通過將二維轉(zhuǎn)換成三維的表現(xiàn)形式，溝通虛擬和現(xiàn)實，為業(yè)主提供相互交融的設(shè)計過程，其沉浸式的體驗加強了可視化，提升了單BIM的應(yīng)用效果。但BIM技術(shù)依舊存在不足，BIM的協(xié)同設(shè)計需要全專業(yè)人員相互配合共同合作，而現(xiàn)在對于BIM了解并熟練應(yīng)用的專業(yè)人員數(shù)量有限，BIM的發(fā)展雖然處于上升階段但實行程度不夠，單只多方的協(xié)調(diào)也不夠。相關(guān)數(shù)據(jù)庫以及IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式發(fā)展依舊不成熟，需要加速落實相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在軟件應(yīng)用方面還需要廣泛的學(xué)習(xí)和推廣。應(yīng)當(dāng)讓BIM技術(shù)在設(shè)計、施工、運營全過程的使用成為常態(tài)，充分融入到日常施工應(yīng)用中。