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转载:BIM协同设计的现状及未来
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  来源:《中国建设信息》(2010年4月);作者:清华大学建筑设计研究院,陈宇军&刘玉龙

  当前,有关建筑设计信息化的各种概念及术语已日趋普及,同时各地不断涌现出一些造型独特的地标性建筑,这一切似乎预示着建筑设计行业即将迎来一场技术变革。建筑设计信息化的具体内容是什么,主流技术正朝着什么方向发展?新技术是否意味着更多的“奇形怪状”的建筑作品,国内设计院所应何去何从?要回答这一系列的问题,我们不妨先从协同设计及BIM技术两方面谈起。

  协同设计与BIM技术的融合
  尽管协同设计的理念已经深入到建筑师和工程师的脑海中了,然而对于协同设计的涵义及内容,以及它的未来发展,人们的认识却并不统一。目前我们所说的协同设计,很大程度上是指基于网络的一种设计沟通交流手段,以及设计流程的组织管理形式。包括:通过CAD文件之间的外部参照,使得工种之间的数据得到可视化共享;通过网络消息、视频会议等手段,使设计团队成员之间可以跨越部门、地域甚至国界进行成果交流、开展方案评审或讨论设计变更;通过建立网络资源库,使设计者能够获得统一的设计标准;通过网络管理软件的辅助,使项目组成员以特定角色登录,可以保证成果的实时性及唯一性,并实现正确的设计流程管理;针对设计行业的特殊性,甚至开发出了基于CAD平台的协同工作软件等等。

  而BIM(建筑信息化模型)的出现,则从另一角度带来了设计方法的革命,其变化主要体现在以下几个方面:从二维(以下简称2D)设计转向三维(以下简称3D)设计;从线条绘图转向构件布置;从单纯几何表现转向全信息模型集成;从各工种单独完成项目转向各工种协同完成项目;从离散的分步设计转向基于同一模型的全过程整体设计;从单一设计交付转向建筑全生命周期支持。BIM带来的是激动人心的技术冲击,而更加值得注意的是,BIM技术与协同设计技术将成为互相依赖、密不可分的整体。协同是BIM的核心概念,同一构件元素,只需输入一次,各工种共享元素数据并于不同的专业角度操作该构件元素。从这个意义上说,协同已经不再是简单的文件参照。可以说BIM技术将为未来协同设计提供底层支撑,大幅提升协同设计的技术含量。BIM带来的不仅是技术,也将是新的工作流及新的行业惯例。

  因此,未来的协同设计,将不再是单纯意义上的设计交流、组织及管理手段,它将与BIM融合,成为设计手段本身的一部分。借助于BIM的技术优势,协同的范畴也将从单纯的设计阶段扩展到建筑全生命周期,需要设计、施工、运营、维护等各方的集体参与,因此具备了更广泛的意义,从而带来综合效率的大幅提升。

  然而,普遍接受的BIM新理念并未普及到实践之中,这使得我们感觉有责任去正视和思考BIM设计的优势与不足。从理念到实践经历一个漫长的过程是必然的,并且多种现象表明该过程在中国可能要更长一些,但是这不应是我们回避问题的理由。

  从二维设计到三维BIM设计当前,2D图纸是我国建筑设计行业最终交付的设计成果,这是目前的行业惯例。因此,生产流程的组织与管理均围绕着2D图纸的形成来进行(客观地说,这是阻碍BIM技术广泛应用的一个重要原因)。

  2D设计通过投影线条、制图规则及技术符号表达设计成果,图纸需要人工阅读方能解释其含义。2D CAD平台起到的作用是代替手工绘图,即我们常说的“甩图板”。2D设计的优势在于四个方面:一是对硬件要求低(2D平台是早期计算机唯一能够支持的CAD平台);二是易于培训,建筑师和工程师在学习了2D基本绘图命令,相对于可以代替绘图板及尺规等基本工具以后,就可以开始工作了;三是灵活,用户可以随心所欲地通过图形线条表达设计内容,只要该建筑用2D图形可以表达,就不存在绘制不出来的问题。应该说,大多数的情况下,2D的表达是可以满足建筑设计要求的;四是基于2D CAD平台有着大量的第三方专业辅助软件,这些软件大幅提高了2D设计的绘图效率。

  除了日益复杂的建筑功能要求之外,人类在建筑创作过程中,对于美感的追求实际上永远是第一位的。尽管最能激发想象力的复杂曲面被认为是一种“高技术”和“后现代”的设计手法[1],实际上甚至远在计算机没有出现,数学也很初级的古代,人类就开始了对于曲面美的探索,并用于一些著名建筑之中。因此,拥有了现代技术的设计师们,自然更加渴望驾驭复杂多变,更富美感的自由曲面。然而,令2D设计技术汗颜的是,它甚至连这类建筑最基本的几何形态也无法表达。在这种情况下,3D设计应运而生了。

  3D设计能够精确表达建筑的几何
  特征,相对于2D绘图,3D设计不存在几何表达障碍,对任意复杂的建筑造型均能准确表现。去年国庆前评选出的“北京当代十大建筑”中,首都机场3号航站楼、国家大剧院、国家游泳中心等著名建筑名列前茅[2],这些建筑的共同特点是无法完全由2D图形进行表达,这也预示着3D将成为高端设计领域的必由之路。

  尽管3D是BIM设计的基础,但不是其全部。通过进一步将非几何信息集成到3D构件中,如材料特征、物理特征、力学参数、设计属性、价格参数、厂商信息等,使得建筑构件成为智能实体,3D模型升级为BIM模型,BIM模型可以通过图形运算并考虑专业出图规则自动获得2D图纸,并可以提取出其它的文档,如工程量统计表等,还可以将模型用于建筑能耗分析、日照分析、结构分析、照明分析、声学分析、客流物流分析等诸多方面。

  由Gensler设计的预计2004年完工的632米高的上海中心,采用了BIM技术,其特点是自方案初期就综合各工种协同创作,特别是建筑造型与结构方案选择的协调统一成为了设计的一大亮点。由于该结构高达632米,风荷载的影响是结构师要考虑的重要因素。因此在考虑建筑外部造型的同时,必须慎重优化结构体征,降低风荷载的作用。据估算,风荷载每降低5%,造价将降低1200万美元,Genslar利用Bentley GC参数化设计工具制作建筑表皮模型,保证功能及美观的同时也将该模型用于结构风洞试验及计算分析,最终优化的结果是将风荷载降低了32%[3]。这于2D 设计模式来说是不可想象的。

  纯粹的3D设计,其效率要比2D设计低得多。地标性建筑可以不记成本,不记效率,但大众化的设计则不可取。可喜的是,为提高设计效率,主流BIM设计软件如Autodesk Revit系列、Bentley Building系列,以及Graphisoft的ArchiCAD均取得了不俗的效果。这些基于3D技术的专业设计软件,用于普通设计的效率达到甚至超过了相同建筑的2D设计。

  这些BIM设计软件的出现本是激动人心的事情,然而在经历了相当长的时期之后,在我国并没有真正普及。实际上,即使在其它国家,例如亚洲的邻国日本,BIM设计技术也尚未广泛推广。《建築と都市》(a+u)2009年8月出版本了一期BIM特刊,研究在日本广泛推广BIM技术的可能性,并对尚未推广的原因进行了深入讨论。该期杂志把2009年定义为日本建筑行业的“BIM元年”[4]。

  影响3D BIM普及的主要因素那么,3D BIM设计存在哪些普及障碍呢?经过分析,我们认为主要有以下几点:
  1.机制不协调
  BIM应用不仅带来技术风险,还影响到设计设计工作流程。因此,设计师应用BIM软件不可避免地会在一段时间内影响到个人及部门利益,并且一般情况下设计师无法获得相关的利益补偿。因此,在没有切实的技术保障和配套管理机制的情况下,强制在单位或部门推广BIM是不太现实的。

  另外,由于目前的设计成果仍是以2D图纸表达的,BIM技术在2D图纸成图方面仍存在着一定程序的细节不到位,表达不规范的现象。因此,一方面应完善BIM软件的2D图档功能,另一方面国家相关部门也应该结合技术进步,适当改变传统的设计交付方式及制图规范,甚至能做到以3D BIM模型作为设计成果载体。

  2.任务风险
  我国普遍存在着项目设计周期短、工期紧张的情况,BIM软件在初期应用过程中,不可避免地会存在技术障碍,这有可能导致无法按期完成设计任务。

  3.使用要求高,培训难度大
  尽管主流BIM 软件一再强调其易学易用性,实际上相对2D设计而言,BIM软件培训难度还是比较大的,对于一部分设计人员来说熟练掌握BIM技术有一定难度。另外,复杂模型的创建甚至要求建筑师具备良好的数学功底及一定的编程能力,或有相关CAD程序工程师的配合,这无形中也提高了应用难度。

  4.BIM技术支持不到位
  BIM软件供应商不可能对客户提供长期而充分的技术支持。通常情况下,最有效的技术支持是在良好的成规模的应用环境中客户之间的相互学习,而环境的培育需要时间和努力。各设计单位首先应建立自己的BIM 技术中心,以确保本单位获得有效的技术支持。这种情况在一些实力较强的设计院所应率先实现,这也是有实力的设计公司及事务所的通用作法,在愈来愈强调分工协作的今天,BIM 技术中心将成为必不可少的保障部门。

  5.软件体系不健全
  现阶段BIM软件存在一些弱点:本地化不够彻底,工种配合不够完善,细节不到位,特别是缺乏本土第三方软件的支持。软件的本地化工作,除原开发厂商结合地域特点增加自身功能特色之外,本土第三方软件产品也会在实际应用中发挥重要作用。2D设计方面,在我国建筑、结构、设备各专业实际上均在大量使用国内研发的基于AutoCAD平台的第三方工具软件,这些产品大幅提高了设计效率,推广BIM应借鉴这些宝贵经验。

  积极准备,迎接挑战
  首都机场3号航站楼、国家大剧院,以及在建的上海中心、甚至地方的重要建筑如广州歌剧院、重庆歌剧院等,无一例外地交给了国外的设计事务所。建筑高端设计领域还相当缺乏国内同行的声音。这种局面值得国内同行警醒,我们已到了应该付出切实努力并迎头赶上的时候了。

  为在我院推广普及BIM技术,我院已委托具备项目设计、技术研究及CAD开发综合能力的工程软件室担当了BIM研究中心的角色,制定了详细的BIM实施路线,包括技术研究、技术培训、试点设计、技术支持、配套研发等实施环节,以期在BIM 技术领域取得实质性进展。

  BIM及CAD国产化战略
  BIM技术无疑已成为未来的发展趋势,在这种背景下,我国的CAD产业也面临着新一轮的挑战。以浩辰、中望、CAXA等为代表的一批国产CAD软件已实现了2D绘图平台的功能(其中CAXA甚至在三维设计领域也已独树一帜),并整合了一批专业软件,形成了“CAD联盟”、“CAD联合体”等组织,为国内设计行业提供了实用解决方案。这些解决方案来源于国内的实践,很适合中国国情,已经取得了很好的实际效果。对于国产CAD来说,当务之急是如何做好应对BIM技术的准备,做出更具前瞻性的决策。

  结语
  我们正处于一个技术变革的时期,BIM带来的不仅是技术冲击,也是对行业传统的冲击。如何正确应对这一变革,将关系到我国设计行业及CAD行业的未来发展及国际地位。我们只有结合中国特色认真学习、结合实际、努力实践、勇于探索,才能尽快走出一条新的发展之路。

  参考文献:
  [1]苏毅,曾坚,“从尺规到NURB——用于辅助设计曲面型建筑的几何工具的沿革”,建筑师,2007 年第10 期,p18~23;
  [2]李武英,“从建筑选秀论生态创作”,时代建筑,2009 年第6期,p5;
  [3]Genslar,“BIM Analysis for Form and Fa?ade”,建築と都市『a + u』臨時増刊,2009年8月,p98~103;
  [4]“BIM in Japan”,建築と都市『a+u』臨時増刊,2009年8月,p156。

  本版图片均为资料图片

 

2013.06.14
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