二維CAD與三維BIM設(shè)計(jì)對(duì)比分析

安 瑩

（西安海棠職業(yè)學(xué)院 陜西 西安 710038）

1 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的概念最早是美國(guó)的喬治亞理工大學(xué)的查克伊士曼學(xué)者明明和提出的。BIM的定義為：“建筑信息模型是基于建筑項(xiàng)目中的整個(gè)周期內(nèi)的全部幾何特征以及相關(guān)功能需求及構(gòu)件的各種信息匯總到一套獨(dú)立的模型中。這套模型同時(shí)還是整個(gè)建筑項(xiàng)目的施工進(jìn)度以及建造過程中的過程信息載體”[1]。

目前我國(guó)建筑工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑對(duì)象數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于BIM模型的定義是：建筑信息的完整、協(xié)調(diào)的組織架構(gòu)，通過基于計(jì)算機(jī)的相關(guān)程序進(jìn)行各種操作從而使得建筑信息能夠使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)語言來詮釋和表達(dá)各種建筑設(shè)施的物理和功能特性，同時(shí)也能詮釋建筑的各種信息和其生命周期的信息[2]。

信息就是BIM的核心，建立一個(gè)完整的BIM模型，需要所有基于建筑項(xiàng)目生命全周期的各種數(shù)據(jù)、過程以及資源[3]，同時(shí)BIM模型可以清楚、完整地對(duì)工程項(xiàng)目本身進(jìn)行描述和解釋。

2 二維CAD與三維BIM設(shè)計(jì)對(duì)比分析

2.1 傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計(jì)的缺陷

（1）二維模型很難直觀地反應(yīng)出設(shè)計(jì)的效果，只能通過平面的設(shè)計(jì)形象來反應(yīng)設(shè)計(jì)對(duì)象，最簡(jiǎn)單的問題就是建筑平面圖中，墻體用兩條平行粗實(shí)線表示即可，無法真實(shí)展現(xiàn)墻體。

（2）無法承載數(shù)字化建筑信息：CAD設(shè)計(jì)模式只能加入非常少的數(shù)字信息，而信息和信息間也會(huì)存在各種沖突，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)造成干擾。另外，由于大量不同時(shí)期的信息的出現(xiàn)，不僅會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)間的沖突，也很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)間出現(xiàn)錯(cuò)誤或紕漏，而且基于二維的模型也無法較好的演示構(gòu)件的空間拓?fù)潢P(guān)系。

（3）割裂各工種：一個(gè)成功的建筑工程需要建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電，以及數(shù)據(jù)、通訊、安全等各專業(yè)配合共同來完成。在二維CAD設(shè)計(jì)中，對(duì)于不同專業(yè)的分工雖然有著很明確的界定，但是對(duì)于不同分工的合作，則很容易出現(xiàn)問題。最典型的問題就是，在二維環(huán)境中，雖然局部的圖紙信息和資料都正確，但是如果匯總到一起，就會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，銜接、接口的各種沖突和不匹配，從而導(dǎo)致出現(xiàn)“對(duì)不上圖”的問題。即便是各個(gè)專業(yè)的工程人員參與到整體的拼接上，依然會(huì)導(dǎo)致各種問題的存在[4-5]。

（4）優(yōu)化成本高：在傳統(tǒng)工作模式中，如果指定多種優(yōu)化方案，每個(gè)優(yōu)化方案都需要經(jīng)過大量的計(jì)算和分析，花費(fèi)、時(shí)間精力巨大，會(huì)提高優(yōu)化成本，弱化優(yōu)化效果。

（5）工程計(jì)算部分難以完成：基于二維環(huán)境中，對(duì)于成本預(yù)算、施工進(jìn)度安排以及管道流量等那些計(jì)算量多的工程設(shè)計(jì)，會(huì)有很大的問題和困難。由于二維設(shè)計(jì)的各種數(shù)據(jù)和圖表都是相互獨(dú)立的，因此在計(jì)算這些跨專業(yè)的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生很多問題。比如電氣、建筑專業(yè)的數(shù)據(jù)就很難聯(lián)系在一起，只能是每個(gè)專業(yè)人員共同參與，這必然會(huì)造成大量人力的浪費(fèi)，在實(shí)踐上也會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間，而且也會(huì)存在很多出錯(cuò)的現(xiàn)象。

（6）改圖工作量大：在基于二維設(shè)計(jì)環(huán)境中，由于圖元之間是完全獨(dú)立的，所以在設(shè)計(jì)過程中，尤其是整體設(shè)計(jì)中，就會(huì)造成設(shè)計(jì)的效率低下[3]。而且在CAD設(shè)計(jì)中，都是通過點(diǎn)、線、面來進(jìn)行設(shè)計(jì)表達(dá)的，而對(duì)于設(shè)計(jì)對(duì)象的相關(guān)屬性則是使用文字進(jìn)行標(biāo)注的，由于不同的設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)特定不同，也導(dǎo)致了設(shè)計(jì)過程中的統(tǒng)一性相對(duì)較差。在對(duì)某個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行修改時(shí)，需要將對(duì)應(yīng)圖元一一修改，工作量巨大，并且修改過程中容易漏改或改錯(cuò)。

2.2 三維BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

BIM引領(lǐng)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域繼CAD第一次革命之后的第二次革命。BIM技術(shù)主要是以建筑行業(yè)為服務(wù)對(duì)象，并且BIM技術(shù)可以覆蓋整個(gè)建筑工程的生命周期中的各個(gè)階段，而且BIM技術(shù)基于3D技術(shù)，能夠集成幾乎所有的建筑工程所需要用到的各種數(shù)據(jù)和信息。在BIM技術(shù)中，核心就是信息的有效使用，通過信息的使用，就可以將BIM技術(shù)中的所有建筑項(xiàng)目的各個(gè)部分有效的聯(lián)系在一起，并且這些部分的各種數(shù)據(jù)和信息在BIM的3D模型中都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在3D模型的設(shè)計(jì)環(huán)境中，不同的工種都可以通過一定的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)流程按部就班的進(jìn)行有序工作，而且對(duì)于信息模型而言，也具有很強(qiáng)的兼容性和跨平臺(tái)的適用性，可以在其他的BIM平臺(tái)中無縫銜接，工程人員可不斷對(duì)信息模型進(jìn)行分析與優(yōu)化。需要工程出圖時(shí)，無需另外繪制圖紙，在三維模型中選取所需位置即可。

同傳統(tǒng)的2D設(shè)計(jì)模型相比，3D BIM模型具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)過程直觀化、可視化。由于在3D設(shè)計(jì)環(huán)境中，并不是2D設(shè)計(jì)中那種通過點(diǎn)、線、面的構(gòu)圖來表示設(shè)計(jì)對(duì)象的設(shè)計(jì)方法，而完全是采用了構(gòu)件進(jìn)行表示。比如在2D的設(shè)計(jì)中，都是通過不同顏色的線條表示不同的管道，但是在3D的設(shè)計(jì)環(huán)境中，管道都是通過數(shù)字化渲染的圓管進(jìn)行表示，從而使得設(shè)計(jì)效果更加接近現(xiàn)實(shí)，也更容易體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的思想和設(shè)計(jì)理念。由于在3D設(shè)計(jì)環(huán)境中，所有的設(shè)計(jì)、施工以及管理都是通過可視化進(jìn)行管理，因此很容易進(jìn)行不同部門間的溝通協(xié)作。

（2）協(xié)同設(shè)計(jì)：由于3D設(shè)計(jì)是基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，因此在設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)內(nèi)容都受到實(shí)體對(duì)象的限制，當(dāng)各專業(yè)設(shè)計(jì)人員在同一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)協(xié)同工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員就很容易發(fā)現(xiàn)問題，也能夠第一時(shí)間進(jìn)行聯(lián)系和反饋，這樣就能盡早的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，從而提升設(shè)計(jì)的流暢性和縮短設(shè)計(jì)周期。

（3）多方案對(duì)比，這樣就可以將最適合本設(shè)計(jì)的方案盡快的被提取，從而也使得整體的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案能夠通過更高效、更迅速、更高質(zhì)量的方式來實(shí)現(xiàn)。

（4）能夠進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和計(jì)算：由于BIM技術(shù)完全是基于3D數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，本質(zhì)上就是以信息為基礎(chǔ)、為核心。所以在BIM的3D模型中就包括了實(shí)體信息以及模型的空間信息，還有模型的各種幾何信息，比如基礎(chǔ)構(gòu)建的長(zhǎng)寬高等。同時(shí)在這些信息中還帶有很多數(shù)據(jù)，通過合理使用、分析數(shù)據(jù)就可以有效的分析出各種優(yōu)化方案，也可以通過各種優(yōu)化方案來找出最適合的方案，比如通過BIM 3D模型就可以完成各種建筑成本的碰撞檢測(cè)優(yōu)化、施工進(jìn)度模擬等功能，同時(shí)也可以利用3D模型來完成各種施工用到的材料用量報(bào)表，從而為工程的施工提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

（5）極大提升該設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工效率，有效降低施工出錯(cuò)率。在BIM 3D設(shè)計(jì)環(huán)境中，尤其是在協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中，各個(gè)工種協(xié)同工作，這樣就能實(shí)現(xiàn)1+1＞2的效果，也能夠有效降低施工周期。不僅如此，通過BIM 3D模型的使用，也能夠使用之前已經(jīng)完成的各種模型中間件，從而提升設(shè)計(jì)效率。此外，還可以通過3D模型進(jìn)行不同算法的組合，來找出設(shè)計(jì)中可能存在的問題，從而第一時(shí)間加以解決，有效降低設(shè)計(jì)中的問題。而且在3D模型上，還可以在設(shè)計(jì)中對(duì)構(gòu)件進(jìn)行任意的設(shè)計(jì)，以及對(duì)位置、結(jié)構(gòu)上的剖圖，這就能夠打造更加精確的3D模型，從而為以后的施工提供更加精準(zhǔn)的工程數(shù)據(jù)和相關(guān)資料。

3 結(jié)語

通過對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，BIM的應(yīng)用可打破業(yè)主、設(shè)計(jì)方、施工方等之間的隔閡，讓建筑的所有信息在各方之間實(shí)現(xiàn)信息共享，并且在設(shè)計(jì)階段的協(xié)同以及施工的一體化方面提供了巨大的幫助和支撐，因此BIM技術(shù)具有非常強(qiáng)大的應(yīng)用前景。