BIM 在建筑设计中的有效应用研究——软件工作效率对比与分析

何苗 韩林

（1.华南理工大学建筑研究院有限公司，广州 510630；2.北京工业大学，北京 100020；3.内蒙古工业大学建筑学院，呼和浩特 010000)

引言

BIM 在建筑设计中的有效应用受到越来越多从业人员的关注。随着技术应用的深入，人们逐渐认识到BIM 不仅可以极大优化建筑行业流程，更重要的是将成功助力行业数字化转型。但因对BIM 概念理解的偏差以及在变革传统工作模式时遇到的困难，BIM 应用结果往往差强人意。技术的落后扼制了行业的发展与升级，如何实现从CAD 到BIM 应用的技术转变迫在眉睫。在这样的环境背景下，亟须多角度、全方位、深层次了解BIM 与CAD 之间的联系与区别。

1 CAD 与BIM 发展历程

CAD（Computer-Aided Architectural Design，简称CAAD，在建筑数字技术术语中亦称为CAD）诞生于1960 年代初，是借助计算机计算及图形处理能力形成的绝对精确的绘图工具[1]。我国于1990 年代引入CAD技术，并基于AutoCAD 平台开发了各类插件，如天正建筑、湘源控规等,如表1 所示。历经30 多年的技术积累，CAD 应用已日趋成熟。BIM 隶属于CAD 发展中的第八代[2]，不同于同一时期专注于制图的系统，BIM 更强调基于模型实现自动化制图，通过数据分析进一步完善优化设计模型[3]，代表软件如ArchiCAD。

表1 软件及部分插件年历表

BIM 软件与CAD 软件几乎同时问世，但BIM 的应用深度远不及CAD。究其原因，本文认为主要是因为CAD 应用是从手工制图到电脑制图的工具转变，是同一设计思维下使用工具的革新。而BIM 应用则属于思维的转变，具体表现为由“分散式”转变为“集成式”，由“二维”转变为“多维”。

2 BIM 的“集成式”信息组成结构

2.1 概念解析

在CAD 制图过程中，制图信息分散在独立的图纸中，更新一处信息，往往需要逐一更改多份图纸，如图1 所示。CAD“分散式”的信息组成结构会带来信息不对称、信息冗余等问题，使得设计人员在繁忙的设计工作之外，还需花费大量时间处理信息对接。BIM“集成式”的信息组成结构则有效地规避了信息不对称[4]、信息冗余[5]等问题。在BIM 设计过程中，设计信息都集中存储在BIM 模型中。图纸、模型、清单只是信息展示的不同形式，修改任意一处都是对唯一数据信息的修改，可以实现一处修改，处处自动更新的效果，如图2 所示。

图1 CAD 信息组成结构

图2 BIM 信息组成结构

不同的信息组成结构将促使形成不同的工作模式。“分散式”的二维制图需要多人共同完成一份图纸。以建筑专业为例，在大型项目中需要多位设计师分别负责平面、立面、剖面和详图绘制，在合作过程中需各设计师相互监督、检查与提醒。“集中式”的BIM 模型则只需要一人完成模型，再由模型输出对应的平立剖图纸。BIM 的应用使得传统设计流程中需要人力协调的工作因信息组成结构的优化而减少，因此从事BIM 建筑设计工作的人员将更有机会关注到建筑设计的本质。

2.2 数据测试

为获得清晰的应用反馈，本文采用天正建筑、AutoCAD 及ArchiCAD 分别绘制同一建筑，通过统计鼠标点击次数，量化BIM 与CAD 软件的工作效率。

2.2.1 创建模型效率对比

测试样本模型包括柱子、墙体、门窗、地板等构件，具体情况如图3 ～图4 所示。

图3 研究样本三维展示图

图4 研究样本平面展示图

依据传统设计流程绘制平立剖图纸、创建模型后，分别统计天正建筑、AutoCAD、ArchiCAD 的鼠标点击次数、创建不同构件的鼠标点击次数汇总如表2 ～表3 所示。由表2 可知，三款软件的工作效率对比为T:C:A≈12：16：1。

表2 创建模型鼠标点击次数统计

表3 创建平面不同构件鼠标操作次数统计

2.2.2 创建图纸效率对比

为明确创建图纸的效率，研究选取基底面积为294.78 ㎡的别墅单体为测试样本，分别统计三款软件在方案设计阶段、初步设计阶段与施工图设计阶段的鼠标点击次数，统计成果如表4 所示。

表4 天正建筑、Auto CAD 及ArchiCAD 成果展示图表

按设计阶段整理数据汇总如表5 所示，可知三款软件在方案设计阶段的鼠标点击次数的比例是T:C:A≈1.26:1.45:1， 初步设计阶段的比例是T:C:A≈2.39:2.87:1， 施工图阶段的比例是T:C:A≈1.73:1.77:1。对比三阶段的鼠标点击次数的比例可知，BIM 的应用在初步设计阶段对效率提升最明显，施工图阶段次之。

表5 各阶段各软件鼠标点击次数统计表

按软件类别整理数据汇总如表5 所示，可知天正建筑创建该模型的鼠标点击次数为1 265 次，Auto-CAD 为1 410 次，ArchiCAD 为741 次，三者的比例是T:C:A≈1.71:1.90:1。由该数据可知，应用BIM 可将整体设计效率提高至1.71 ～1.90 倍。

2.2.3 设计增幅对比

按图纸类别整理数据汇总如表6 所示，获得各软件绘制总平面、平面图、立面图、剖面图及整体的设计增幅，设计增幅的计算有助于评估各阶段的设计工作量。设计增幅的计算公式如下所示：

表6 各类图纸鼠标点击次数增幅

设计增幅=（末期量-基期量）÷基期量

对比各表数据可知，较CAD 制图，BIM 建模的设计增幅较小。天正建筑在初步设计和施工图设计的增幅分别是1.16 与0.67，AutoCAD 的设计增幅分别是1.22 与0.58，ArchiCAD 的设计增幅分别是0.62 与0.65。初步设计阶段三者增幅的比例为T:C:A≈1.87:1.97:1，施工图阶段的比例为T:C:A≈1.03:0.89:1。其中AutoCAD在施工图阶段的增幅较小是因为其方案设计与初步设计的鼠标点击次数基数较大导致。

3 BIM 的“多维度”信息处理能力

3.1 概念解析

BIM 提质增效的另一方面是“多维”的信息处理能力。作为一个信息处理系统，BIM 通过“维度”表征信息处理能力[6]。如图5 所示，在传统设计过程中，局限于制图软件的限制，设计师的工作精力更多地消耗在图纸处理层面，提供的服务也多限于几何信息的表达。而在BIM 应用中，几何信息的表达只是BIM 应用的一个分支，BIM 不仅涵盖了物理几何信息，还包括了设计、施工、运营过程中的功能性属性信息，比如时间信息、价格信息、可持续信息、运营维护信息等[7]，如图6 所示。

图5 CAD 信息处理维度

图6 BIM 信息处理维度

3.2 多维度信息的扩展路径

BIM 多维度的信息处理能力有助于扩展其应用范围及深度。扩展的路径是在设计阶段的BIM 模型中增加时间信息、价格信息、运营维护信息以及可持续信息，逐级形成BIM 施工管理模型（BIM4D）[8]、BIM 造价管理模型（BIM5D）[9]、BIM 循环利用模型（BIM6D）[10]及BIM 运营维护模型（BIM7D）[11]，如图7 所示。BIM多维度信息处理能力的应用带来的是更大范围的信息集成，但如果处理不当，也将带来新的信息冗余问题。通过分类别分阶段处理信息的方法可有效解决该困难[12]，具体包括数据收集、信息集成、技术管理三个阶段：

图7 BIM 模型信息传递图

（1）数据收集阶段。在该阶段需明确BIM 应用阶段和应用目的，选择适合的BIM 建模软件及插件创建BIM 模型，依据应用阶段及应用目标创建工作流程，组织角色划分；

（2）信息集成阶段。在该阶段需封装各阶段应用成果，制作样板文件，传递数据；

（3）技术管理阶段。在该阶段需处理各阶段、各类别BIM 模型信息对接问题。

在面对陌生的技术手段时，难以承受大量信息带来的瞬间冲击，是BIM 推行困难的另一原因。通过这种循次而进的方式，BIM 应用难度不仅没有增大，反而因为流程与样板的固化减少了对个人技能创造价值的依赖。

4 总结

从“集成式”信息组成结构与“多维度”信息处理能力两方面解析BIM 如何提质增效，仅是BIM 应用中的一个初级探索。本文以延伸BIM 广阔的应用价值为研究目的，总结如下：

（1）本研究采用统计鼠标点击次数的方法，实现了工作量的量化展示，但该方法的不足之处是在假定批量构件与出图样式均设置好的前提下实施的。制作构件与调试出图设置是需要投入大量人力、物力的，因此BIM 有效应用的前提是需要多方配合，创建一个有序、共享的BIM 应用生态环境；

（2）从建筑设计的角度看，“集成式”信息组成结构使得BIM 软件在建模、制图、设计迭代三方面的工作效率均得到了显著提升。“多维度”信息处理能力则表明如果可以对信息进行分类别分阶段处理，助力信息逐级传递，将不断扩大BIM 应用效力；

（3）相比传统CAD 制图，BIM 技术带来的影响不仅是设计结果形态的不同，更多的是设计过程思维的转变。设计思维的转变意味着需要设计人员具备对信息的组织和管理能力。未来建筑行业会出现更多的职业选择，期待更多先进技术和优秀人才加入到建筑设计行业中，借力科学技术的发展，将古老、淳朴、底蕴丰厚的建筑设计推向更广阔的天地。