中国式BIM 悖论<br/>——谈谈“正向设计”

中国式BIM 悖论
——谈谈“正向设计”

2021-01-25杨荣华张翼

建筑技艺 2020年12期

杨荣华张翼

1 华南理工大学建筑设计研究院有限公司

2 广州同尘建筑设计咨询有限公司

1 “正向设计”之惑

近年来在BIM（建筑信息模型）领域出现了一个很热门的术语——“正向设计”。这是各式BIM应用中最高阶的一类，它构成了BIM技术水准的一道分水岭，区分了BIM应用进程的初级阶段和高级阶段。大家都在谈，但能做到的不多；行业都在呼唤，但实践的不多；项目都在用，但真实有效的不多。在中国，“正向设计”的概念让BIM摆脱了某种“新增专业”或者某种“技术支持”的外来者身份，使这门本应该处于设计核心环节的信息化技术真正“空降”进入了设计过程。但是，在“正向设计”落地之后，它却旋即把门带上，将许多在BIM领域艰难探索的团队拒之门外。

那么，所谓“正向设计”究竟是什么呢？它在行业中约定俗成的含义大概是：在设计开展和推进的过程中，BIM工作同步展开或以稍晚的进度跟进展开。对此，业内已经达成了较为广泛的共识，没有太多异议，且“正向设计”也作为一类明确的BIM应用服务被写入标准合同，并成为各类BIM奖项评奖的热门应用。

但是，当我们回归一种比较陌生的视角来重新审视这个概念时，问题出现了——我们几乎无法顾名思义地去理解它。为什么是“正向设计”而不是“同步BIM”呢？“正向”的设计究竟是一种什么样的设计？如果这个概念成立，是不是还应该有“逆向设计”？带着这些问题去追溯这个概念，竟然发现：这是一个只有在中国才有的术语——作为一门信息化技术，几乎所有的BIM概念或术语都是国际通行的，即便在不同语言互译的译法上存在分歧，但各类概念的基本含义都是共享的，而“正向设计”也许是中国现行BIM术语中的唯一特例。

在诸如英国、美国的比较成熟的国际标准中，不仅找不到类似含义的术语，甚至很难发现同类含义的描述，与“设计”（Design）相关的行文并未发现BIM化的前缀限定，一些与常规设计过程相关的BIM应用如“出图”（Plot），也都是不加限定词的。在国内，出于学术规范不得不为关键词匹配英文时，有些论文将其译作“Forward Design”——这种对中文“正向设计”的粗暴直译显然是不得已而为之的权宜之计，既无法在国际惯例中找到对应，也不可能让英语国家的同行通过字面来理解其粗略含义。不过这倒是侧面证实了所谓“正向设计”是一个独属于中国的概念。

那么，为什么在中国会出现这样一个奇异的概念呢？这得从BIM发展的现状阶段谈起。

2 悖论

BIM（建筑信息模型）概念的创生有近30年，但这门新兴技术真正得到长足发展只有十几年的时间。作为一门信息化技术，BIM不止提供了新的建模、出图工具，还从根本上主导了一场设计方法和建筑信息化水平的革命。另一方面，建筑学作为一门非常古老的学科，其基准方法与工作界面几乎是源自16世纪时就已经奠定的艺术和工程传统。因此，BIM技术的普及不仅要通过软件工具的推广，更根本的是要等待建筑学基本方法的转变——这必然是一个浩大而缓慢的工程。不止在中国，目前全球都处于建筑信息化转型的初期阶段，在这个阶段，BIM技术做不到完全取代传统行业方法，多数情况下是作为一种“协助”或“补充”介入到常规项目工作中来——星星之火还远未燎原。

在这个阶段，BIM技术不必在建筑师人群中广泛普及，因为它通常掌握在致力于该技术的专门团队的手中——在项目里，通过BIM团队与设计团队的合作来实现BIM技术在项目中的介入。这样做的好处显而易见：BIM可以非常快捷地被“置入”项目，团队间的合作与结构、设备等各专业与建筑设计团队之间的合作非常类似——通过相互提资的形式来实现配合。但缺陷也随之而来：BIM建模需要在包括建筑专业在内的各专业完成阶段成果后才能展开，而全专业建模的工作量很大，这种“翻模”非常耗时。因此，通常在BIM阶段模型创建完成时，各专业的设计也随着深化和协调发生了变化，这使得BIM成果总是不能及时为设计推进提供有效的信息，沦为“马后炮”。

基于上述现实，许多项目管理者发现：与其让BIM总是慢半拍地“尾随”着项目进度又发挥不了实际作用，还不如索性放弃它在设计推进过程中的辅助工作，免得徒增辛劳。所以，在多数常规项目中，都是等到设计定稿后才交由BIM专业进行一次性翻模，并反提相关的各专业碰撞、管综深化、可视化等信息化成果供设计参考，进行一次性协调和修改。这显然是不得已而为之的权宜之计——尽管减少了设计过程中的徒耗，但在方案定稿后的那次协调也往往是无效的，因为等BIM模型创建完成并反提了需要协调解决的问题条目后，设计周期多数都已经临近结束，甚至已经超时，留给各专业协调解决问题的余地已经非常有限了。

这就是BIM初期阶段的普遍现状。诚然，这不仅是中国建筑行业的问题，而是一个国际性的难题——只是这个问题在中国格外尖锐，其原因有二。

（1）工程咨询传统。在欧美许多国家和地区，工程咨询都是建筑项目中不可或缺的环节。在这些地方，行业工作流程和方法中原本就包含了各类技术咨询对设计过程的辅助，因此BIM的介入并不显得突兀，在比较成熟的项目协调中，全专业的BIM平台反而在工程咨询和设计过程之间架设了更加直观和有效的桥梁。但是，中国的建筑行业并没有形成系统性的工程咨询传统（目前活跃在国内的工程咨询公司多为境外企业），绝大多数项目都是由设计单位中各专业院所的“内部”协作来解决问题。在这种相对封闭的工作流程中，BIM的介入和协调就会遭遇比较严重的“排异反应”。

（2）也是更重要的——项目周期。中国的建筑行业有着国际上最快的建设速度和最紧迫的项目周期，在相同的项目规模下，欧美行业中的项目周期往往比中国长几倍甚至十几倍。在习惯了慢节奏的欧美项目中，BIM的“慢半拍”甚至不被察觉，BIM专业有充分的时间接收提资并创建模型，各专业都可以等，因此BIM作为一个专业的介入所带来的协调问题，可以被简化为时间问题——相比由BIM提升的设计质量，时间不是问题。但是在中国，时间问题几乎是最严峻的问题，在“抢半拍”的常态节奏下，“慢半拍”的BIM尤其显得格格不入。

基于上述对BIM发展阶段以及中国独特国情的讨论，回过头看，我们才能真正理解“正向设计”这个独特的提法所反映的中国式难题。“正向设计”其实是一个悖论：因为设计就是设计，从逻辑上，如果没有“逆向设计”，也就不存在所谓“正向设计”。

这里的“正向”，其实并不是针对“设计”，而是针对前文所谈到的作为权宜之计的BIM工作方法：原本应该伴随在设计推进过程中实时提供信息支持的BIM工作，不得不在设计完成后才启动工作，并对“已完成”的设计成果提供技术建议——这种前后倒置的工作次序显然是“逆向”的。呼唤“正向”，恰恰表达了想让BIM工作回归到其科学、有效的工作逻辑的强烈愿望。如果不能让BIM技术在设计推进过程中回归“正向”，那么BIM发展的进程就不能算真的开始了。“正向”，是关乎BIM在项目应用中是否真实成立的重要课题。

那么，“正向设计”中的“设计”是指什么呢？其实是指用BIM技术取代传统手段（如CAD）来直接执行设计——这是一种更高阶和理想的状态。在BIM发展的初期阶段，这是可遇而不可求的境界，目前在国际上也以鼓励“节奏上同步”为主，并不苛求直接用BIM来执行设计。中国着力追求“设计”的态度，在步骤上是超前的，但这并不来自更完善的发展现状，而是受迫于前文提到的过于紧促的项目周期——在“中国速度”之下，即便BIM模型创建能与设计推进同步，但基于BIM反馈的协调工作仍然耗时；只有直接用BIM技术来执行设计，才有可能在设计过程中直接参考BIM反馈的信息并完成协调。“正向设计”真正的超前之处在于“设计”，这也正是它推行的难点所在。

因此“正向设计”的含义和背景是：“正向”的诉求来自BIM现阶段的普遍规律，而对“设计”的执念则根源自中国独特的国情。所以才有了这个看起来充满悖论的奇异的中国式概念。不管怎样，如果“正向设计”真的能被实现并得到普及，必然意味着建筑信息化的进程取得了划时代的进展。然而，在目前的BIM发展阶段和普遍的设计方法下，过于超前的“正向设计”要求，导致其含义常被曲解，更重要的是在许多违背科学规律的强推之下，“正向设计”不仅难以有效、有序地展开，项目中的各方也常常因操之过急而付出代价。

3 BIM执行设计

尽管艰难，但直接应用BIM执行设计一定是未来发展的趋势。现阶段，在一些特殊的团队和一些适当的项目中，“正向设计”已经成功展开。

下面，结合笔者近年来直接应用BIM技术（以Revit平台为例）执行设计的实践体会，分类谈一谈所谓“正向设计”在设计过程中的应用思路及意义。需要提前说明的是：在下文中所涉及到的设计案例里，设计团队从主持建筑师到助理建筑师都精通Revit、Navisworks、Dynamo、Civil3D等BIM及相关技术，并不是专门的BIM从业者；他们在项目中的角色就是传统项目模式中典型的主创建筑师的角色；其中主要的负责人都有3年以上直接用BIM执行设计的经验。

3.1 出图

BIM直接出图是“正向设计”中的必然要求，甚至成了BIM工作能否被定义为“正向设计”的评价标准。其实这里是存在误区的：BIM在设计过程中的核心作用是实时反馈并处理建筑信息，而出图则仅仅是设计二维成果的制作，本不应该构成BIM应用的决定性环节。之所以如此也不难理解，原因有两个：1）用BIM出图，意味着在图纸成果提交之前，BIM模型工作就已经完成——这是“正向”的标志；2）对于各专业图纸成果的内容和规则，需要具备完整专业技能的设计师才能掌握，出图建立了难以跨越的专业壁垒，因此能用BIM出图，意味着操作BIM的人并不止是BIM技术的专项人员，一定是各专业的设计人员——这是“设计”的保障。

不管怎样，BIM直接出图还是存在一些传统二维出图无法取代的优势。

（1）图纸准确性高。基于模型的出图，二维图纸直接以模型投影为基础，避免了依靠空间想象来绘制二维图形的过程中可能出现的思维错误和几何误区，尤其对于空间形式比较复杂的形体，直接剖切模型所获得的截面在精准度上的表现就更加突出。同时，基于同一建筑分别绘制的平、立、剖和大样图，都有可能存在不对应处，俗称“不交圈”；而BIM出图的不同投影图都是基于对同一模型的剖切，得以避免不交圈的情形。

1 基于BIM 技术的钢结构屋面三维轴测图

（2）三维示意图快捷。BIM模型可以较为快捷地导出三维示意图——三维构件图、剖透视图、剖轴测图等。尽管这类三维示意图并不是传统出图标准中的必需内容，但是由于各类传统图纸都属于剖切投影图，表达相对抽象，即便图纸本身准确，在读图过程中也很容易出现误解以及难以通过想象还原三维关系的情况，而三维示意图是避免上述问题的最有效手段。基于二维绘制技术（如CAD）绘制三维线稿的工作量非常大，而基于BIM模型的图纸输出则可高效地导出各类三维示意图，从而大幅改善读图质量（图1）。

（3）系统化的图则控制。在国标出图规则的基础上，多数企业都有企业级的图则，在传统方法里，特殊的图则多以范图形式进行记录和演示，通过绘图人的经验和执行来完成图则控制。BIM出图有更为系统的图则设置，以Revit为例：Revit可以在项目样板中根据图则要求统一设置线宽、线型、字体字号以及视图样板等，还可以通过管理样板库和族库，实现智能化的企业级图则管理。这样的系统化图则样板，不仅可以更快捷和准确地在图纸中贯彻图则，还可以从图纸形式中解放制图者的精力，让设计师更专注于图纸内容以及设置表达。

总之，BIM出图的门槛并不在BIM软件的操作技巧，而在于操作者是否有出图能力以及是否能系统化地理解建筑图纸的原理。尽管通过直接剖切模型获得基础二维图元总体而言是准确、快捷的，但是规范化的图纸规则与简单的模型投影之间仍存在较大差异，必要的二维修图的工作量是无法规避的；同时，BIM出图的高准确率也意味着设计师在设计中要把问题解决得更详尽和彻底，需要处理的设计表达内容也更多、更全面。

基于上述种种并根据笔者的经验综合评估：BIM直接出图的图纸质量很大程度上高于传统的二维出图，其主要优势是出图的“综合效率”，但是在绝对速度上并没有明显优势，在很多情况下甚至需要更多的图纸处理时间，在成本上也一定更加高昂。因此，BIM直接出图更适合对图纸质量有更高要求的项目，而不适宜草率出图的快速、低标项目。

3.2 设计界面

相较于出图，BIM平台在工作界面上对设计过程的影响更大。

其实，现在的建筑师早已习惯了二维图纸绘制与三维模型检视并行的工作模式，只是在多数非BIM工具里，图纸工作与模型工作通常要基于不同的软件，只是在进度上平行展开，并在设计的不同阶段扮演不同的角色，二维图形与三维模型之间并无关联。这样做尽管兼顾了三维空间推敲与二维图纸深化两个工作界面，但是由于这两部分工作各自展开，一方面无法保证两者的精确同步；另一方面，两种成果无法相互支持，因此无形中导致了双倍的工作量，极大地消耗了精力和时间。

BIM平台的工作界面则支持建筑师同时在二维和三维两种相关联的界面下推进和深化同一设计对象。如在Revit平台中，二维和三维界面只是针对相同图元对象的不同类型的视图，无论在哪个界面上工作，都将作用于模型空间中所创建的对象。在这样的模式下，绝不会出现二维图形与三维模型不对应的状况，成果精确度不可同日而语；同时，三维模型与二维图形的内容都随着创建工作的展开不断深化，这又极大消减了分别展开绘图和建模工作所产生的重复工作量。

2 三维视图与平面视图实时联动

最为重要的一点是：对于建筑师而言，不再需要在抽象的二维想象与具象的三维检视之间切换思维方式。二维绘制的过程同时也是在画法几何规则下创建三维模型的过程，而三维模型的深化也同时完成了二维图形的深化——建筑师得以更专注于对设计对象的推敲。毕竟，设计思维的解放，才是真正关乎设计方法演进的关键。

一个比较特殊又有趣的例子，是笔者直接用BIM执行的一个小型文创建筑设计。在建筑的四个立面上设置了一连串月洞，作为入口、橱窗、售卖口、外廊等，每个月洞里的景象都随着内部格局的改变而改变。在设计过程中，笔者为每个月洞设置了一个专门的局部立面视图，用以在设计推敲过程中实时检视每个月洞内的景致布置。这样就可以在平面视图、剖面视图和三维视图中动态调整模型对月洞外观的影响，调整月洞内的物体也会直接反映在空间布局中。如此一来，建立了一种多界面动态联动的工作方法，整个设计的过程都是这样完成的（图2）。

需要特别指出的是：尽管直接在BIM界面中执行设计具备诸多优势，但是多数建筑师并不熟悉这样的模式，许多建筑师甚至无法适应这样的精度——毕竟二维与三维的关联同时也意味着设计决策要同时对二维和三维负责，这是在传统方法中并不苛求的。设计习惯和方法上的转变是最难攻克的，这也是BIM技术难以取代传统二维技术的重要原因之一。

3.3 精细度

当今的BIM技术体系，在模型的精细度上有着非常大的弹性，在精细度组合上也存在着极多的可能性，模型精细度的管控在维度上远远不是传统的“图纸深度”能比拟的。因此，关于BIM模型精细度的指标——LOD1成了一门复杂的学问，要想有效地应用BIM技术来执行设计，就必须要熟悉LOD的精细度管控系统。

BIM技术体系支持设计从概念、规划经由方案设计、初步设计、施工图设计，最终到竣工模型之间，根据项目需要和BIM应用的需求来创建不同的模型内容、建立不同的图元分类并达成不同的模型精细度。准确、有针对性的LOD标准的建立，可以让设计工作同时兼顾质量和效率。

精细度标准的选择和设计，针对不同的模型使命。比如要配合造价算量的BIM模型，其分类要与造价清单的分类相吻合，而从模型精细度上也至少要满足算量的需求；前期策划阶段的概念模型，甚至不需要为模型赋予材料和精准的定位信息；而在标准的竣工模型（Record Model）中，模型的精细度则趋近于真实状况，图元的分类要为之后的运维负责。

这种分级、分类管理精细度的体系，不仅能在质与量之间达成某种高效的平衡，更重要的是，有针对性的模型管理可以在思维路径上引导建筑师更专注地面对专项设计问题。与其他关于设计方法和思维模式的变革一样，BIM精细度体系的优势也同时构成了技术壁垒——应用BIM执行设计，不仅在技术上需要学习新的操作，更大的考验是面对更复杂和高标准的技术管理要求。

当前，由于BIM发展的时间尚短，在标准管控以及技术管理上的普及程度远不及在软件操作方面，要想高效地基于BIM技术完成设计，建筑师在掌握建模技术之余，尚需要花大功夫学习和研究国际上更为先进的LOD管控技术及BIM实施规程，并熟悉我国相关BIM标准，而这是非常大的挑战。

3.4 参数化驱动模块化

不同的BIM平台都有强大的模块化或类型化设置功能。如在Revit中，所有类型化元素都以“族”（Family）的形式被调用，除了程序默认提供的系统族外，还支持根据用户的设计需要自定义族。

这种类型化定义模型的方式，与传统方法中通过复制和修改来实现某些通用图元或模型构件在不同项目中的共用有着本质的区别。Revit中创建的族可以为不同的对象匹配专用的参数类型，除了直接键入参数外，如钢板厚度可以是在一系列确定规格下的选单（钢板的规格通常是限定的），而杆件长度则可以在有限区间内通过滑块来确定（杆件受限于产品最大长度，而在范围内的具体下料长度通常可以自定义）。此外，许多相关的参数可以根据其专业逻辑以变量或公式的方式写入模型，从而实现精确联动甚至智能联动，如笔者在一个项目中用Dynamo（可视化编程插件）编写的一个设计功能——可以自动识别模型中超过某个跨度限值的洞口，并自动添加过梁。这些都是参数化建模在设计中的优势。

参数化机制除了能让模型创建更加智能和准确外，在一些模块化的设计类型中还能取得奇高的效率。在当下越来越热门的装配式建筑中，通过参数化模块直接完成设计，不仅消减了大量重复绘制和重复建模的工作量，更重要的是在这种模式下，建模逻辑与生产、建造、安装逻辑取得了一致，建筑师有机会更直观地在设计界面中推敲技术问题。除了构件的模块化之外，空间的模块化设计有着更强的普适性。例如在笔者此前的一个改造设计中，用Revit族创建了一系列可以独立加工和安装的空间模块，再将这些模块置入待改造的旧建筑空间中，在建造过程中，作为模块的设计单元被直接提交给异地的厂家加工，之后再运抵工地照图安装。在这里，设计过程不仅是案头解决建筑问题的过程，同时也是生产和建造工序的演练（图3）。

但是，在行业普及“数字化”绘图和建模的近几十年中，作为数字化经典形式的“参数化”却没有得到足够发展和普及，尤其是在以建筑学为核心的设计创作过程中，数字化几乎只是提供了一种更容易复制和保存的成果形式，并没有从根本上改变建筑师思考和推衍设计数据的方法。相比于模糊的、凭感觉的“美院方法”，参数化方法需要更扎实的数学基本功和更严密的系统化思维习惯，而在这两者基础上，要想同时在设计推敲过程中维持形式的开放性就更是难上加难。

思维方法的壁垒，是实现“正向设计”最艰难的瓶颈，这不是简单的学习软件能够改善的，甚至不是转变思路和变革工作方法所能改善的——它需要一个漫长的潜移默化的演化过程，或许要从教育开始，从设计课的教案开始。

3.5 实时信息

比起参数化，信息化是更为新兴的事物，但信息化恰恰是建筑信息模型技术的核心——“BIM”中的“I”即“Information”。BIM系统不止是一个建模和出图的系统，其本质是一个专门用于存储和处理建筑信息的数据库，除了大量可写入的数据信息之外，包括模型图元本身都是以信息的方式被存储的。因此，BIM模型的应用不仅在于与传统设计相重叠的领域，其所支持的信息访问和运算功能才是它在信息化时代最可贵的特质。

在设计过程中，一些粗浅的信息化功能就已经能提供很大的帮助了。例如Revit中的明细表功能（图4）。最常用的是面积明细表，因其关乎指标，原本是设计推敲过程中需要实时检视的信息，但是由于传统设计方法无法实现实时统计，所以总是要在某些阶段成果完成后才能统计。一方面，导致信息反馈滞后，容易造成多轮次的返工；另一方面，从经验上总要为指标的变动留出足够的余地，也导致设计无法更精确和极限地匹配指标。而Revit中的面积明细表则可以在空间修改过程中实时更新指标，是非常实用的信息化支持。在一些需要严格控制成本和工艺的设计项目中，实时检视门窗明细表，可以有效控制规格种类。此外，许多与绿建、装配率相关的指标，能在方案推演过程中实时监控数据信息的变化，也都是建筑师梦寐以求的。

除了上述统计类的常规信息功能外，Revit依附其“类别—族—类型—实例”的逻辑层级，建立了非常明晰的信息写入机制。不同逻辑层级的信息可以被写入不同级别的信息栏中，并依其层级被访问、分类、提取和运算。诸如成本单价、热工性能、材料标号、设计要点甚至产品供应商电话等……各种不同类型的信息都可以被写入模型系统。例如在笔者完成的一个造价非常严苛的民宿设计中，需要在设计推敲过程中随时监控实时修正的设计决定对造价的影响，因此在创建模型时，用造价清单的分类来为模型图元分类，并将清单单价录入不同的模型，尽管工作量极大，但是非常有效地保障了设计过程中对成本的控制——这样的操作，在信息化以外的手段是难以想象的（图5）。

3 标准化空间模块

4 Revit 的明细表功能

5 利用BIM 平台为模型写入清单单价

如本例中将成本信息写入模型的过程，其本质是建立了一个“项目级”的数据库，之后的运算与信息交换，已经远远超出了传统设计信息所涉及的范畴。其实，巨大的工作量是可以通过系统化的方法规避的——在笔者正在展开的一项研究中，尝试建立写入成本信息的“带价族库”，这其实是建立一个“企业级”的数据库系统，在这个系统下，带价族在具体项目中的调用直接附带了成本信息，而不必像上述案例中那样通过海量的手工输入来完成。因此，信息化功能在设计中可以发挥的潜力有着非常广阔的前景，它将不断刷新我们的想象，并且创造更多的设计需求。

比起参数化，建筑师离信息化的精进其实更近也更可实现。其实，建筑设计的过程就是一个信息处理的过程，传统的设计图纸并不是建筑师设计的成果，它只是一个符号系统，用以记录大量的信息——只是多数建筑师也许还没有意识到这一点。BIM系统不仅可以承载信息，在建模过程中也可以作为建筑师的信息化向导，引导建筑师更清晰和系统化地梳理设计信息。在这个信息化时代，将设计思维转向信息化，也许是最重要、也是最有效的用BIM技术执行设计的前提准备。

3.6 实时协调

最后，谈一点关于碰撞协调的事情——这也是当前BIM技术最普及和热门的应用。当我们直接用BIM技术执行设计时，如前文所述：原则上，并不需要专门的碰撞协调的环节。设计过程同时也就是模型创建的过程，而建筑师可以在第一时间掌握设计中发生的各种碰撞，并在设计推进和深化的过程中直接完成协调。这样不仅完成了设计与BIM周期合一的高效，而且可以实现当前设计与BIM分离的模式下不可能获得的高质。当建筑师可以在设计全过程不断发现问题和解决问题时，被发现的问题的量和细度，以及解决问题的程度都是不可同日而语的。

因此，尽管碰撞协调是BIM技术体系中最粗浅的应用，但是在现阶段，由实时协调所提升的设计质量，或许是“正向设计”对行业而言最浅近的收益。