传统建筑设计方法与BIM技术的对比

吴琼超 张 征

（陕西国防工业职业技术学院 陕西西安 710300）

1 引言

随着建设项目复杂性的不断加大，包括建筑规模的增大以及结构数量的增加，以及由于竞争导致的业主对缩短工期和控制造价的压力，建筑业在经历快速发展的同时，也面临着巨大的挑战。建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）是一种创新的设计工具，可用来解决2D表达的问题，使建设项目的设计施工运营全过程以3D立体模型来展现[1]。

BIM是建筑学、工程学及土木工程的新工具，是建筑物在设计、建造过程中创建和使用的完备的信息模型，是数字化的建筑3D几何模型。BIM模型不仅包含建筑构件的几何形状信息，还包含大量的非几何信息，如建材的强度等级和耐火性能、构件的造价与装配采购等。BIM不同于传统的数字化设计，而是通过数字建模软件将建筑信息虚拟化，为建筑的设计、建造及维护提供帮助。实际上，BIM就是通过数字化技术建立一座虚拟建筑，其建筑组件与真实世界中用来建造建筑物的构件相一致，这对传统电脑辅助设计用向量图像构图来表示物体的设计方法来说是个根本的改变。

2 BIM设计方法的实现基础

美国佐治亚理工大学查尔斯·伊斯特曼（Charles M.Eastman）博士于1975年在美国建筑师学会杂志（AIA Journal）上发表的文章中，首次提出“Building Description System（建筑表达体系）”概念，这就是BIM的雏形。在其后的35年间，BIM的概念、技术体系、软件等在理论发展和实践过程中不断得到充实，并对美国、欧洲、日本、新加坡、中国香港等国家和地区产生了深远影响。从全球已有的实践来看，通过完整的信息模型，可获得详细的信息清单，描述和记录建筑全生命周期的活动，并赋予建筑更为客观和理性的分析[2]。

BIM的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，其中的信息具有很多种表达类型，诸如建筑的平面图、立面图、剖面图、三维立体视图、透视图，或计算每个房间自然采光的照明效果、所需要的空调通风量、冬夏季需要的空调电力消耗等。IFC标准、IDM信息交付手册、IFD国际框架字典共同构成了BIM价值实现的基础。只有通过这三者的制定和应用才能真正实现BIM的信息交换和共享[3]。

（1）IFC标准作为一种面向建筑行业的数据交换格式标准，是包括了建筑全生命周期内的一切信息的集合体，主要面向建筑工程领域。提供了工程项目处理建筑物和建筑工程数据的描述和定义规范。

（2）在整合的信息流中，针对某个项目或者某个项目的各个阶段、各个项目参与方到底需要哪些信息来组装满足自己需求的模型这一问题，IDM（Information Delivery Manual）给出了具体答案。针对项目参与方，IDM对项目各阶段给出了预期目标，同时定义了要交换什么信息，决定了通过哪些具体的信息基本元素来满足某项任务的完成，之后通过IFC标准格式进行实施。针对软件开发商，IDM定义了某一个具体软件能够支持和实现的IFC标准部分。

（3）IFD（International Frameworkfor Dictionaries）通过GUID（Global Unique Identifier）给每个概念定义一个全球唯一标识码，对任何关于对象的性质进行提炼，得到对象的一般共性，同时记录各种相关特性，由此而形成对象的完整框架字典。

3 BIM设计方法与传统设计方法的对比

中国的建筑师，自古以来都是采用手工制图、手工烫样、手工模型的方式完成建筑设计。上世纪90年代计算机制图的引入，带来了传统设计手段的一次革命性改变，无论是底图简单复制、图纸反复修改，还是是效果表现或电脑比例模型制作，设计工作效率得到了成倍的提高。

计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）技术出现以后，整个建筑行业发生了巨大的变化。从维持了几千年的传统手工绘制建筑图纸的生产模式，到通过计算机辅助软件进行标准化、批量化出图的新兴模式，随着计算机技术的不断提升，各大软件生产商相继加入建筑行业相关程序开发的大军，给整个建筑行业带来了极大的发展空间。

相较二维计算机制图模式，BIM提供了更为直观的设计方式，能够创建和共享一致性高、计算性强的建筑项目信息，用虚拟模型展现复杂的设计方案和建设仿真过程。在建筑设计全过程中，以3D建筑信息模型为共享信息源，可使信息重复收集和资料整理的工作降至最低，并使设计师之间沟通速度和效率提高，同时由于3D建筑信息模型具有可视性和真实性，也为建筑设计质量管理系统的自动化检查和分析提供了可行性，并诞生新的设计共享平台、设计方法、设计标准和设计流程。

然而，BIM软件的三维设计在现有的计算机辅助制图的软硬件水平下很难做到建筑纯三维设计而不借助二维作图，计算机显示的二维性也限制了纯三维建筑设计的可行性。因此，BIM建模初期还是要从二维平面入手，在计算机上展示虚拟三维。

我国有许多知名建筑案例，均为使用BIM技术来完成整个设计项目。下面通过举例说明BIM技术在空间造型、流程控制两个方面对传统设计方法的影响和冲击。

3.1 扩展空间造型能力

传统的建筑设计是将3D的建筑转变为2D的三视图，制图多且效率低，且对于造型复杂的建筑缺乏表达能力，有时为了表达一个曲线扭转的形体，往往要画几十个甚至上百个平面，但仍然不能直观的表现建筑的真实面貌。造型复杂，尤其是结构、内部空间复杂的建筑，若采用传统的设计流程很容易发生错漏碰缺。同时，对于空间定位精度要求非常高的结构构件，如若采用传统的二维设计方式将非常难以描述，进而影响后续施工。

从空间设计角度而言，对比传统的二维设计，BIM作为可视化载体能回归建筑的三维本质，从而使设计师能够进行全方位的3D漫游展示，做到“所见即所得”，分析和确立各类复杂曲面的空间搭接位置及空间定位问题等[4]。BIM能够使建筑师们抛弃传统的二维图纸，更容易表达三维复杂形态，有利于建筑师们探索更为丰富别致的建筑形态。

以2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”为例，其结构特点十分显著。整个建筑外形结构主要由巨大的门式钢架组成，外壳搭配的型钢是曲线的，用二维图纸表达非常困难。运用BIM技术就可以直观地展示出“鸟巢”的三维模型，甚至可以使用BIM模型通过数控技术直接加工那些复杂多变的异型钢构件，从而减小结构设计和施工组织的难度。

3.2 增强流程控制能力

传统的建筑设计方法虽然能够落实规范标准等条文，却无法完全掌控建筑内部情况，并且量化过程也较为复杂。根据AutoCAD建立的物理模型和工程图进行建筑性能评估，需要大量的人员干预和解释说明，增加了大量的分析评估时间和成本。应用BIM技术可改善这一技术和质量分析缺陷。BIM与众多商用分析工具相集成，BIM模型可以做出即时的分析评判，极大地简化繁重、复杂的分析工作，使建筑师可以轻松利用工具，从而在设计流程初期获得有关设计备选方案的即时反馈信息，拓展设计的思考范围和深度，如对建筑的通风、采光等进行分析和优化，可使建筑更加节能环保。

以2010年上海世界博览会文化中心项目为例。按照3R原则（Reducing，Reusing，Recycling）对新能源利用、节能节水、资源回收再生等进行统筹安排，同时采用多种有效的节能技术手段，使世博文化中心被评为中国“三星级绿色建筑”。该建筑80%的能效是在设计早期决定的，因此要在设计早期对建筑能效做出评估，便于后续设计、施工、运营中更好的决策。世博文化中心项目使用了BIM平台下的Ecotect软件进行日照、采光、热环境模拟等分析，使得上述各种绿色技术手段得以在项目中更加高效、顺畅的实施。

4 结论

BIM技术将三维模型和数字信息整合到一起，改变了传统二维建筑设计的方法和理念，也改善了设计、施工、运营等各个环节中信息丢失、脱节的问题，不仅使得结构设计具有更丰富的形态，而且方案调整、评估和优化也更加精确方便。BIM技术在建筑工程中的成功应用，展现了其作为一个崭新的、集成化的工作模式，在空间造型能力、流程控制能力等方面具有显著的优势。

[1]首灵丽.基于BIM技术的建筑能耗模拟分析与传统建筑能耗分析对比研究[D].重庆大学，2013.

[2]赵 希，桑荷.BIM在建筑设计行业变革中的作用及其展望[C].中国建筑学会建筑师分会2010学术年会，2010.

[3]王加峰.建筑工程BIM结构分析与设计方法研究[D].武汉理工大学，2013.

[4]王雪松，丁华.BIM技术对传统建筑设计方法的冲击[J].四川建筑科学研究，2013（3）：271～274.