傳統建筑設計方法與BIM技術的對比

吳瓊超 張 征

（陜西國防工業職業技術學院 陜西西安 710300）

1 引言

隨著建設項目復雜性的不斷加大，包括建筑規模的增大以及結構數量的增加，以及由于競爭導致的業主對縮短工期和控制造價的壓力，建筑業在經歷快速發展的同時，也面臨著巨大的挑戰。建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）是一種創新的設計工具，可用來解決2D表達的問題，使建設項目的設計施工運營全過程以3D立體模型來展現[1]。

BIM是建筑學、工程學及土木工程的新工具，是建筑物在設計、建造過程中創建和使用的完備的信息模型，是數字化的建筑3D幾何模型。BIM模型不僅包含建筑構件的幾何形狀信息，還包含大量的非幾何信息，如建材的強度等級和耐火性能、構件的造價與裝配采購等。BIM不同于傳統的數字化設計，而是通過數字建模軟件將建筑信息虛擬化，為建筑的設計、建造及維護提供幫助。實際上，BIM就是通過數字化技術建立一座虛擬建筑，其建筑組件與真實世界中用來建造建筑物的構件相一致，這對傳統電腦輔助設計用向量圖像構圖來表示物體的設計方法來說是個根本的改變。

2 BIM設計方法的實現基礎

美國佐治亞理工大學查爾斯·伊斯特曼（Charles M.Eastman）博士于1975年在美國建筑師學會雜志（AIA Journal）上發表的文章中，首次提出“Building Description System（建筑表達體系）”概念，這就是BIM的雛形。在其后的35年間，BIM的概念、技術體系、軟件等在理論發展和實踐過程中不斷得到充實，并對美國、歐洲、日本、新加坡、中國香港等國家和地區產生了深遠影響。從全球已有的實踐來看，通過完整的信息模型，可獲得詳細的信息清單，描述和記錄建筑全生命周期的活動，并賦予建筑更為客觀和理性的分析[2]。

BIM的技術核心是一個由計算機三維模型所形成的數據庫，其中的信息具有很多種表達類型，諸如建筑的平面圖、立面圖、剖面圖、三維立體視圖、透視圖，或計算每個房間自然采光的照明效果、所需要的空調通風量、冬夏季需要的空調電力消耗等。IFC標準、IDM信息交付手冊、IFD國際框架字典共同構成了BIM價值實現的基礎。只有通過這三者的制定和應用才能真正實現BIM的信息交換和共享[3]。

（1）IFC標準作為一種面向建筑行業的數據交換格式標準，是包括了建筑全生命周期內的一切信息的集合體，主要面向建筑工程領域。提供了工程項目處理建筑物和建筑工程數據的描述和定義規范。

（2）在整合的信息流中，針對某個項目或者某個項目的各個階段、各個項目參與方到底需要哪些信息來組裝滿足自己需求的模型這一問題，IDM（Information Delivery Manual）給出了具體答案。針對項目參與方，IDM對項目各階段給出了預期目標，同時定義了要交換什么信息，決定了通過哪些具體的信息基本元素來滿足某項任務的完成，之后通過IFC標準格式進行實施。針對軟件開發商，IDM定義了某一個具體軟件能夠支持和實現的IFC標準部分。

（3）IFD（International Frameworkfor Dictionaries）通過GUID（Global Unique Identifier）給每個概念定義一個全球唯一標識碼，對任何關于對象的性質進行提煉，得到對象的一般共性，同時記錄各種相關特性，由此而形成對象的完整框架字典。

3 BIM設計方法與傳統設計方法的對比

中國的建筑師，自古以來都是采用手工制圖、手工燙樣、手工模型的方式完成建筑設計。上世紀90年代計算機制圖的引入，帶來了傳統設計手段的一次革命性改變，無論是底圖簡單復制、圖紙反復修改，還是是效果表現或電腦比例模型制作，設計工作效率得到了成倍的提高。

計算機輔助設計CAD（Computer Aided Design）技術出現以后，整個建筑行業發生了巨大的變化。從維持了幾千年的傳統手工繪制建筑圖紙的生產模式，到通過計算機輔助軟件進行標準化、批量化出圖的新興模式，隨著計算機技術的不斷提升，各大軟件生產商相繼加入建筑行業相關程序開發的大軍，給整個建筑行業帶來了極大的發展空間。

相較二維計算機制圖模式，BIM提供了更為直觀的設計方式，能夠創建和共享一致性高、計算性強的建筑項目信息，用虛擬模型展現復雜的設計方案和建設仿真過程。在建筑設計全過程中，以3D建筑信息模型為共享信息源，可使信息重復收集和資料整理的工作降至最低，并使設計師之間溝通速度和效率提高，同時由于3D建筑信息模型具有可視性和真實性，也為建筑設計質量管理系統的自動化檢查和分析提供了可行性，并誕生新的設計共享平臺、設計方法、設計標準和設計流程。

然而，BIM軟件的三維設計在現有的計算機輔助制圖的軟硬件水平下很難做到建筑純三維設計而不借助二維作圖，計算機顯示的二維性也限制了純三維建筑設計的可行性。因此，BIM建模初期還是要從二維平面入手，在計算機上展示虛擬三維。

我國有許多知名建筑案例，均為使用BIM技術來完成整個設計項目。下面通過舉例說明BIM技術在空間造型、流程控制兩個方面對傳統設計方法的影響和沖擊。

3.1 擴展空間造型能力

傳統的建筑設計是將3D的建筑轉變為2D的三視圖，制圖多且效率低，且對于造型復雜的建筑缺乏表達能力，有時為了表達一個曲線扭轉的形體，往往要畫幾十個甚至上百個平面，但仍然不能直觀的表現建筑的真實面貌。造型復雜，尤其是結構、內部空間復雜的建筑，若采用傳統的設計流程很容易發生錯漏碰缺。同時，對于空間定位精度要求非常高的結構構件，如若采用傳統的二維設計方式將非常難以描述，進而影響后續施工。

從空間設計角度而言，對比傳統的二維設計，BIM作為可視化載體能回歸建筑的三維本質，從而使設計師能夠進行全方位的3D漫游展示，做到“所見即所得”，分析和確立各類復雜曲面的空間搭接位置及空間定位問題等[4]。BIM能夠使建筑師們拋棄傳統的二維圖紙，更容易表達三維復雜形態，有利于建筑師們探索更為豐富別致的建筑形態。

以2008年北京奧運會主體育場“鳥巢”為例，其結構特點十分顯著。整個建筑外形結構主要由巨大的門式鋼架組成，外殼搭配的型鋼是曲線的，用二維圖紙表達非常困難。運用BIM技術就可以直觀地展示出“鳥巢”的三維模型，甚至可以使用BIM模型通過數控技術直接加工那些復雜多變的異型鋼構件，從而減小結構設計和施工組織的難度。

3.2 增強流程控制能力

傳統的建筑設計方法雖然能夠落實規范標準等條文，卻無法完全掌控建筑內部情況，并且量化過程也較為復雜。根據AutoCAD建立的物理模型和工程圖進行建筑性能評估，需要大量的人員干預和解釋說明，增加了大量的分析評估時間和成本。應用BIM技術可改善這一技術和質量分析缺陷。BIM與眾多商用分析工具相集成，BIM模型可以做出即時的分析評判，極大地簡化繁重、復雜的分析工作，使建筑師可以輕松利用工具，從而在設計流程初期獲得有關設計備選方案的即時反饋信息，拓展設計的思考范圍和深度，如對建筑的通風、采光等進行分析和優化，可使建筑更加節能環保。

以2010年上海世界博覽會文化中心項目為例。按照3R原則（Reducing，Reusing，Recycling）對新能源利用、節能節水、資源回收再生等進行統籌安排，同時采用多種有效的節能技術手段，使世博文化中心被評為中國“三星級綠色建筑”。該建筑80%的能效是在設計早期決定的，因此要在設計早期對建筑能效做出評估，便于后續設計、施工、運營中更好的決策。世博文化中心項目使用了BIM平臺下的Ecotect軟件進行日照、采光、熱環境模擬等分析，使得上述各種綠色技術手段得以在項目中更加高效、順暢的實施。

4 結論

BIM技術將三維模型和數字信息整合到一起，改變了傳統二維建筑設計的方法和理念，也改善了設計、施工、運營等各個環節中信息丟失、脫節的問題，不僅使得結構設計具有更豐富的形態，而且方案調整、評估和優化也更加精確方便。BIM技術在建筑工程中的成功應用，展現了其作為一個嶄新的、集成化的工作模式，在空間造型能力、流程控制能力等方面具有顯著的優勢。

[1]首靈麗.基于BIM技術的建筑能耗模擬分析與傳統建筑能耗分析對比研究[D].重慶大學，2013.

[2]趙 希，桑荷.BIM在建筑設計行業變革中的作用及其展望[C].中國建筑學會建筑師分會2010學術年會，2010.

[3]王加峰.建筑工程BIM結構分析與設計方法研究[D].武漢理工大學，2013.

[4]王雪松，丁華.BIM技術對傳統建筑設計方法的沖擊[J].四川建筑科學研究，2013（3）：271～274.