BIM技術(shù)在計算機(jī)輔助建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究

本文深入分析了BIM技術(shù)應(yīng)用的原理、工作數(shù)據(jù)庫及其在計算機(jī)輔助建筑設(shè)計中的具體應(yīng)用價值和方法，探索BIM技術(shù)和建筑設(shè)計的集成，為設(shè)計與研發(fā)基于BIM技術(shù)的建筑工程軟件提供借鑒。

溫馨提示：為方便大家及時獲知第二十二期圖學(xué)會BIM考試成績查詢動態(tài)，您可以使用 免費預(yù)約短信提醒功能，屆時會通過短信及時通知到您。

引言

在進(jìn)行建筑設(shè)計與施工時，設(shè)計師與施工人員會利用BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬建模，然后對模型進(jìn)行分析，從而全面獲取建筑準(zhǔn)確資料，實現(xiàn)建筑信息共享，提升建筑設(shè)計與施工的科學(xué)性。同時，BIM技術(shù)還能夠生成圖紙，不需要設(shè)計人員動手繪制，方便設(shè)計人員對圖紙進(jìn)行修改與優(yōu)化。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用原理及工作數(shù)據(jù)庫

1.1 應(yīng)用原理

BIM技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，主要是通過數(shù)字編碼表示建筑，創(chuàng)建信息模型滿足建筑在各個階段的數(shù)據(jù)需求，同時還能夠?qū)⑻摂M模型轉(zhuǎn)化為2D或3D施工圖紙，并進(jìn)行能量結(jié)構(gòu)的分析。在應(yīng)用BIM軟件進(jìn)行建筑設(shè)計時，可以利用計算機(jī)獲取全部的建筑信息，然后在對其進(jìn)行修改時也是應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行。

1.2 工作數(shù)據(jù)庫

在應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計時，不僅可以構(gòu)建出建筑的虛擬模型，而且還能夠根據(jù)建筑施工的進(jìn)度，對模型進(jìn)行實時的更新，從而監(jiān)督建筑施工的質(zhì)量與效率。應(yīng)用BIM技術(shù)建立施工模型，及時發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，并采取有效措施。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)施工方案與實際的施工條件不相符時，施工人員要立刻對施工方案進(jìn)行更改，保證施工質(zhì)量。因為BIM技術(shù)具有將全部建筑信息記錄下來的功能，因此在建筑領(lǐng)域應(yīng)用此項技術(shù)，創(chuàng)建出的虛擬模型也是一個綜合性的數(shù)據(jù)庫[1]。這個虛擬 建筑模型可以實現(xiàn)業(yè)主、開發(fā)商、承包人、設(shè)備管理者、工程師以及政府管理機(jī)構(gòu)等都對信息進(jìn)行共享，方便建筑設(shè)計，并且有利于進(jìn)行工程統(tǒng)計和成本運算，實現(xiàn)對建筑各個階段的信息管理。

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用價值

2.1 設(shè)計虛化建筑模型

在建筑設(shè)計與施工中，BIM技術(shù)的應(yīng)用價值無法估計。建筑設(shè)計時，BIM技術(shù)能夠建立三維立體模型，并對模型的各結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，確保模型與現(xiàn)實的建筑結(jié)構(gòu)保持一致，建筑人員在實際建筑設(shè)計與施工時，直接對模型進(jìn)行觀察，能夠提升具體的工作質(zhì)量;設(shè)計修改時，設(shè) 計師只需要對虛擬模型進(jìn)行更改，就可以變更建筑設(shè)計方案。相比于傳統(tǒng)的二維圖形設(shè)計，設(shè)計師可在設(shè)計完成后對虛擬模型進(jìn)行觀察，從多個角度觀察設(shè)計效果，并通過查驗使設(shè)計更加合理[2]。例如，設(shè)計人員在進(jìn)行內(nèi)部空間設(shè)計時，只看設(shè)計圖紙根本觀察不到實際的設(shè)計效果，但是BIM模型則能夠給人強烈的視覺效果，幫助設(shè)計人員合理選擇內(nèi)部空間的色彩。而且利用BIM技術(shù)進(jìn)行建模還能夠呈現(xiàn)出良好的色彩填充效果，能夠切換不同的顏色讓設(shè)計人員對呈現(xiàn)出來的效果進(jìn)行對比，最 終確定色彩的設(shè)計方案。

2.2 自動生成圖紙文檔

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計中，設(shè)計圖紙需要手工繪制，包括平面圖、立面圖、剖面圖等，如果要進(jìn)行設(shè)計方案的修改與調(diào)整，過程較為復(fù)雜，降低了建筑設(shè)計的效率。利用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計，可以自動生成圖紙，降低了操作的難度，設(shè)計人員只需將原本設(shè)計好的虛擬模型生成各種需要的設(shè)計圖紙，不需要再進(jìn)行手繪。而且BIM模型在應(yīng)用的時候具有工作數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r獲取建筑信息，在施工的過程中也可以為設(shè)計人員提供各種所需的設(shè)計圖紙，方便設(shè)計人員對圖紙進(jìn)行修改和調(diào)整，從而提升建筑設(shè)計的科學(xué)性?；贐IM技術(shù)的計算機(jī)輔助建筑設(shè)計，還擁有配套設(shè)施，能夠進(jìn)行3D打印、多平面打印，使建筑圖紙更加精準(zhǔn)，方便設(shè)計師工作，保障設(shè)計工作高效完成。

2.3 管理功能的變更與調(diào)整

在計算機(jī)輔助建筑設(shè)計中應(yīng)用BIM技術(shù)，還有利于進(jìn)行管理功能的變更。在建筑設(shè)計中，信息的構(gòu)建、錄入與提取是非常重要的工作，而自動變更管理這項功能可以提高獲取信息的時效性，能夠根據(jù)建筑施工的具體情況變化而自動更新各項建筑信息，有利于為建筑設(shè)計人員提供實時的數(shù)據(jù)參考，而且應(yīng)用BIM技術(shù)還能夠保留最佳的設(shè)計效果信息。BIM模型在應(yīng)用時與傳統(tǒng)的各種設(shè)計圖紙的拼接有著本質(zhì)的區(qū)別，建筑模型可以將各項信息融合在一起，從而獲取整體的設(shè)計效果，保證設(shè)計 的全面性和完整性，為設(shè)計人員提供強大的檢索功能。

2.4 高級分析處理功能

建筑設(shè)計時，建筑規(guī)模會隨著當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而變化，且建筑結(jié)構(gòu)會更加復(fù)雜，因此需要設(shè)計人員對設(shè)計的數(shù)據(jù)進(jìn)行良好的分析與處理。BIM技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用還能夠發(fā)揮出高級處理與分析能力，對各項建筑信息進(jìn)行綜合與整理，實現(xiàn)自動化、系統(tǒng)化與科學(xué)化的分析，并保障設(shè)計信息具有較高的應(yīng)用價值，提高計算機(jī)輔助軟件的可靠性與實用性。

3 BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)模型設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 基本對象的表達(dá)差異

在進(jìn)行建筑設(shè)計時，應(yīng)用BIM技術(shù)可以進(jìn)行虛擬建模，然后獲取從設(shè)計到施工再到應(yīng)用的全生命周期的建筑信息庫，但是由于在不同的階段，建筑的具體信息存在一定的差異，因此在進(jìn)行建筑模型設(shè)計時，需要分階段建立子模型，從而促進(jìn)BIM技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)發(fā)展。在對建筑和結(jié)構(gòu)模型的特征進(jìn)行分析時，設(shè)計人員需要先確定基本對象的表達(dá)差異[3]。因為建筑模型與結(jié)構(gòu)模型處于不同專業(yè)，因此在進(jìn)行基本對象的表達(dá)時，也是不同的。例如，對帶有門窗的墻進(jìn)行對象表達(dá)，在結(jié)構(gòu)模型及建筑模型中其基本對象是不同的，具體見表1、表2。

3.2 模型數(shù)據(jù)的反復(fù)構(gòu)建

在建筑的各個階段，數(shù)據(jù)信息在傳輸時都需要應(yīng)用BIM技術(shù)，提取出結(jié)構(gòu)、節(jié)能及水暖電等其他設(shè)計信息，然后再進(jìn)行二次建模，得到結(jié)構(gòu)信息模型、節(jié)能信息模型及其他信息模型，而且從結(jié)構(gòu)信息模型中提取出的信息也要應(yīng)用于節(jié)能信息模型和其他信息模型的二次建模。即建筑模型處于支配地位，影響結(jié)構(gòu)、節(jié)能、水暖電等環(huán)節(jié)的設(shè)計，并且結(jié)構(gòu)信息模型也會影響節(jié)能與水暖設(shè)計。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)信息模型的設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)信息模型，也就是ASIM建模，其流程主要是利用BIM軟件完成計算機(jī)的輔助建筑設(shè)計，再利用IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型格式進(jìn)行建筑對象的表達(dá)，建立建筑模型。接著，模型信息轉(zhuǎn)換平臺會利用C++編譯器或FORT RAN編譯器及PKPM圖形顯示平臺提取結(jié)構(gòu)對象的信息，或者是對象之間的關(guān)系，并利用結(jié)構(gòu)規(guī)范，建立結(jié)構(gòu)模型[4]。最后，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析的軟件對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析、修改、調(diào)整與計算，并對荷載進(jìn)行布置，最終生成模型數(shù)據(jù)庫，保證接下來的工作順利完成。

3.4 建筑結(jié)構(gòu)信息模型的集成框架

ASIM體系包括建筑、結(jié)構(gòu)、節(jié)能以及其他階段的信息模型，根據(jù)ASIM建模流程完成ASIM的集成框架體系，則需要按照工程信息交換的IFC標(biāo)準(zhǔn)，建立IFC數(shù)據(jù)模型以及IFC物理文件，完成應(yīng)用體系、模型體系、轉(zhuǎn)換體系及數(shù)據(jù)庫體系的構(gòu)建，并且每個體系都包括4個階段：建筑 階段、結(jié)構(gòu)階段、節(jié)能階段及其他階段。各個階段及體系的信息在建筑的過程中不斷積累，且相互影響，從而形成 了BIM設(shè)計的各個子信息模型。圖1為ASIM集成框架圖。

圖1 ASIM集成框架圖

3.5 建筑結(jié)構(gòu)信息模型的轉(zhuǎn)換平臺

ASIM的轉(zhuǎn)換平臺在建筑設(shè)計中具有重要的意義，一般而言，應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計需要在VisualC++的語言環(huán)境下，創(chuàng)建出多個C++類，而且要確保C++類與IFC標(biāo)準(zhǔn)相符合。設(shè)計人員還需要對各類進(jìn)行Add函數(shù)等的編寫，用于解析IFC文件數(shù)據(jù)流里面的字符，并將其轉(zhuǎn) 換為臨時參數(shù)，使C++類能夠理解，然后將實例寫入內(nèi)存，同時對臨時的參數(shù)進(jìn)行索引，提取出內(nèi)存中對象對應(yīng)的地址。最后，在一定的環(huán)境中，實現(xiàn)主函數(shù)的編寫，讓轉(zhuǎn)換平臺具有執(zhí)行的功能。例如，在進(jìn)行上海中心大廈的建設(shè)時，應(yīng)用了BIM技術(shù)和可視化技術(shù)進(jìn)行模型的搭建，呈現(xiàn)出較高的真實度和詳細(xì)的設(shè)計信息，能夠為施工人員呈現(xiàn)設(shè)計的結(jié)構(gòu)信息，從而使施工人員了解設(shè)計的整體布局情況，觀察建筑結(jié)構(gòu)的各個環(huán)節(jié)，最終確定施工方案。

4 BIM技術(shù)在建筑設(shè)計中的具體應(yīng)用

4.1 外部結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

當(dāng)前，人們更加追求個性化的生活理念。在建筑領(lǐng)域，設(shè)計師在進(jìn)行建筑設(shè)計時也不再局限于方正設(shè)計，而是追求橢圓形、獎杯形、環(huán)形甚至是抽象的幾何形設(shè)計。例如我國的廣州塔設(shè)計上下2個橢圓扭轉(zhuǎn)在腰部收縮變細(xì)的形狀，塔身的設(shè)計為漸變的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計如果沒有BIM技術(shù)，設(shè)計人員就無法確定建筑形態(tài)，從而保證建筑按期完成，保證建筑效果。在應(yīng)用BIM技術(shù)時，設(shè)計人員可以利用3D模型對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)，放大模型觀察設(shè)計的細(xì)節(jié)，可以幫助設(shè)計人員更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)、暖通、電氣、給排水圖紙的設(shè)計與修改，提升建筑外部結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性與效率。

4.2 內(nèi)部組件設(shè)計應(yīng)用

在進(jìn)行建筑內(nèi)部組件設(shè)計時，利用BIM技術(shù)可以對設(shè)計的各個結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析與處理，從而提升內(nèi)部組件設(shè)計的合理性與準(zhǔn)確性[5]。例如，在進(jìn)行給排水結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計一般都是矩形的，因此給排水工程設(shè)計比較簡單，但是在現(xiàn)代建筑中，因為建筑的外形更加多變，每一層的建筑結(jié)構(gòu)都存在一定的變化，因此給排水工程結(jié)構(gòu)也會呈現(xiàn)出不同的管網(wǎng)系統(tǒng)，如果還應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，就無法保證管網(wǎng)系統(tǒng)的科學(xué)性。設(shè)計人員利用BIM技術(shù)進(jìn)行3D模型的構(gòu) 建，然后在模型中對管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，就可以分析出給排水水表節(jié)點以及配水用水設(shè)備的布置規(guī)律，避免存在偏差。利用BIM技術(shù)可以使設(shè)計人員了解設(shè)計與施工中的細(xì)節(jié)，使工作人員的讀圖效率更高，更好地傳達(dá)出設(shè)計的意圖以及施工訴求，科學(xué)進(jìn)行給排水工程施工，提升施 工效率與質(zhì)量。

4.3 節(jié)能建筑設(shè)計

當(dāng)前建筑行業(yè)更加重視綠色節(jié)能建筑的設(shè)計，但是節(jié)能建筑的設(shè)計需要多方面的支持，從而降低建筑物能耗。建筑物的能耗主要取決于外部環(huán)境與建筑物之間存在的能量交換、通風(fēng)及采光，這主要是由建筑物的方位、造型及結(jié)構(gòu)所引起。應(yīng)用BIM技術(shù)后，設(shè)計人員可利用計算機(jī)模擬建筑能耗，從而進(jìn)行生態(tài)的計算與評估，然后對建筑設(shè)計的方案進(jìn)行調(diào)整和修改。例如，在建筑場地中，設(shè)計人員可以將建筑材料的各項信息導(dǎo)入到虛擬模型中，通過BIM技術(shù)自動分析建筑物的能耗，方便設(shè) 計人員制定解決對策，從而進(jìn)行良好的設(shè)計與布局。

4.4 建筑光照分析

建筑設(shè)計時，需要考慮到日間距，而且日間距在建筑的整體規(guī)劃中也是重要的衡量指標(biāo)。我國當(dāng)前的建筑設(shè)計與建造存在著較大的日間距問題，高層建筑經(jīng)常會光照不足。利用BIM技術(shù)建立建筑模型，模擬每天的日照情況以及建筑陰影對建筑的阻擋情況，可以分析出建筑物之間的遮擋影響以及周圍環(huán)境對建筑物的遮擋影響。因為BIM技術(shù)可以獲取到實時數(shù)據(jù)信息，可以對光照的變化情況、不同季節(jié)的光照情況以及光照的范圍、強度、角度等進(jìn)行模擬，從而為建筑設(shè)計提供理論參考。例如，在進(jìn)行建筑設(shè)計時由于建筑材料以及陽光直射的影響，存在著建筑物過度曝曬的情況，可以利用虛擬建筑模型對建筑的布局與結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而使建筑物受到的陽光照射更加科學(xué)，有利于提升建筑物的使用壽命。同時，應(yīng)用BIM技術(shù)還能夠模擬出建筑物獲得的陽光照射日光能 量，從而確定在不同的角度上，建筑物的日光輻射，避免日光過度曝曬建筑物。設(shè)計人員還可以利用BIM技術(shù)建立太陽能吸收裝置，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，提升建筑物的環(huán)保性能。在具體的太陽直射角度計算中，設(shè)計人員可以利用BIM技術(shù)和GIS技術(shù)進(jìn)行建筑物虛擬模型以及位置的確定，然后根據(jù)太陽直射的公式進(jìn)行太陽高度角的計算，見式(1)：

結(jié)語及展望

在現(xiàn)階段應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑模型設(shè)計時，需要工作人員將模型分發(fā)到相應(yīng)的分析軟件中進(jìn)行分析，然后對建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息進(jìn)行計算，而工作人員需要輸入相應(yīng)的指令，這樣才能夠生成結(jié)構(gòu)模型以及動態(tài)的設(shè)計圖紙。要想提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確性，工作人員就要保證模型的真實性，這就要求工作人員綜合考慮BIM技術(shù)的物理建模能力。在應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑模型設(shè)計時，需要采取完全標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型之間的對接，如果建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計中不符合規(guī)范的要求，就會導(dǎo)致計算中的數(shù)據(jù)丟失，從而為建筑工程施工造成不良影響。因此，在實際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，工作人員需要加強物理模型以及結(jié)構(gòu)分析模型之間的數(shù)據(jù)對接，提升設(shè)計水平。在未來發(fā)展中，BIM技術(shù)可以用于建立大型項目群，有利于對建筑項目進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，使建筑的效率提升，保證工程如期且高質(zhì)量完成。

總之，BIM技術(shù)在計算機(jī)輔助建筑設(shè)計中的應(yīng)用，可以提高建筑設(shè)計的質(zhì)量，保證建筑工作高效完成。在具體應(yīng)用中，BIM軟件需要先對建筑基本對象進(jìn)行不同的表達(dá)，然后構(gòu)建模型數(shù)據(jù)，建立ASIM集成框架，實現(xiàn)ASIM平臺轉(zhuǎn)換，完成虛擬模型的建設(shè)，保障建筑施工質(zhì)量，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的快速高效發(fā)展。

編輯推薦：歷年BIM技能等級考試真題

以上內(nèi)容就是“BIM技術(shù)在計算機(jī)輔助建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究”，更多BIM熱點資訊/教程分享歡迎關(guān)注環(huán)球網(wǎng)校BIM考試頻道，也可點擊下方免費下載領(lǐng)取精品學(xué)習(xí)資料。