BIM技術在計算機輔助建筑設計中的應用研究

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

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引言

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

1 BIM技術應用原理及工作數(shù)據庫

1.1 應用原理

BIM技術在建筑設計中的應用，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)據需求，同時還能夠將虛擬模型轉化為2D或3D施工圖紙，并進行能量結構的分析。在應用BIM軟件進行建筑設計時，可以利用計算機獲取全部的建筑信息，然后在對其進行修改時也是應用計算機進行。

1.2 工作數(shù)據庫

在應用BIM技術進行建筑設計時，不僅可以構建出建筑的虛擬模型，而且還能夠根據建筑施工的進度，對模型進行實時的更新，從而監(jiān)督建筑施工的質量與效率。應用BIM技術建立施工模型，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行更改，保證施工質量。因為BIM技術具有將全部建筑信息記錄下來的功能，因此在建筑領域應用此項技術，創(chuàng)建出的虛擬模型也是一個綜合性的數(shù)據庫[1]。這個虛擬 建筑模型可以實現(xiàn)業(yè)主、開發(fā)商、承包人、設備管理者、工程師以及政府管理機構等都對信息進行共享，方便建筑設計，并且有利于進行工程統(tǒng)計和成本運算，實現(xiàn)對建筑各個階段的信息管理。

2 BIM技術的應用價值

2.1 設計虛化建筑模型

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

2.2 自動生成圖紙文檔

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

2.3 管理功能的變更與調整

在計算機輔助建筑設計中應用BIM技術，還有利于進行管理功能的變更。在建筑設計中，信息的構建、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，有利于為建筑設計人員提供實時的數(shù)據參考，而且應用BIM技術還能夠保留最佳的設計效果信息。BIM模型在應用時與傳統(tǒng)的各種設計圖紙的拼接有著本質的區(qū)別，建筑模型可以將各項信息融合在一起，從而獲取整體的設計效果，保證設計 的全面性和完整性，為設計人員提供強大的檢索功能。

2.4 高級分析處理功能

建筑設計時，建筑規(guī)模會隨著當前我國經濟的發(fā)展而變化，且建筑結構會更加復雜，因此需要設計人員對設計的數(shù)據進行良好的分析與處理。BIM技術在建筑設計中的應用還能夠發(fā)揮出高級處理與分析能力，對各項建筑信息進行綜合與整理，實現(xiàn)自動化、系統(tǒng)化與科學化的分析，并保障設計信息具有較高的應用價值，提高計算機輔助軟件的可靠性與實用性。

3 BIM技術在建筑結構模型設計中的應用

3.1 基本對象的表達差異

在進行建筑設計時，應用BIM技術可以進行虛擬建模，然后獲取從設計到施工再到應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，因此在進行建筑模型設計時，需要分階段建立子模型，從而促進BIM技術應用的科學發(fā)展。在對建筑和結構模型的特征進行分析時，設計人員需要先確定基本對象的表達差異[3]。因為建筑模型與結構模型處于不同專業(yè)，因此在進行基本對象的表達時，也是不同的。例如，對帶有門窗的墻進行對象表達，在結構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)據的反復構建

在建筑的各個階段，數(shù)據信息在傳輸時都需要應用BIM技術，提取出結構、節(jié)能及水暖電等其他設計信息，然后再進行二次建模，得到結構信息模型、節(jié)能信息模型及其他信息模型，而且從結構信息模型中提取出的信息也要應用于節(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，影響結構、節(jié)能、水暖電等環(huán)節(jié)的設計，并且結構信息模型也會影響節(jié)能與水暖設計。

3.3 建筑結構信息模型的設計

建筑結構信息模型，也就是ASIM建模，其流程主要是利用BIM軟件完成計算機的輔助建筑設計，再利用IFC標準數(shù)據模型格式進行建筑對象的表達，建立建筑模型。接著，模型信息轉換平臺會利用C++編譯器或FORT RAN編譯器及PKPM圖形顯示平臺提取結構對象的信息，或者是對象之間的關系，并利用結構規(guī)范，建立結構模型[4]。最后，利用結構設計與分析的軟件對結構模型進行分析、修改、調整與計算，并對荷載進行布置，最終生成模型數(shù)據庫，保證接下來的工作順利完成。

3.4 建筑結構信息模型的集成框架

ASIM體系包括建筑、結構、節(jié)能以及其他階段的信息模型，根據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標準，建立IFC數(shù)據模型以及IFC物理文件，完成應用體系、模型體系、轉換體系及數(shù)據庫體系的構建，并且每個體系都包括4個階段：建筑 階段、結構階段、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 建筑結構信息模型的轉換平臺

ASIM的轉換平臺在建筑設計中具有重要的意義，一般而言，應用BIM技術進行建筑設計需要在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標準相符合。設計人員還需要對各類進行Add函數(shù)等的編寫，用于解析IFC文件數(shù)據流里面的字符，并將其轉 換為臨時參數(shù)，使C++類能夠理解，然后將實例寫入內存，同時對臨時的參數(shù)進行索引，提取出內存中對象對應的地址。最后，在一定的環(huán)境中，實現(xiàn)主函數(shù)的編寫，讓轉換平臺具有執(zhí)行的功能。例如，在進行上海中心大廈的建設時，應用了BIM技術和可視化技術進行模型的搭建，呈現(xiàn)出較高的真實度和詳細的設計信息，能夠為施工人員呈現(xiàn)設計的結構信息，從而使施工人員了解設計的整體布局情況，觀察建筑結構的各個環(huán)節(jié)，最終確定施工方案。

4 BIM技術在建筑設計中的具體應用

4.1 外部結構設計應用

當前，人們更加追求個性化的生活理念。在建筑領域，設計師在進行建筑設計時也不再局限于方正設計，而是追求橢圓形、獎杯形、環(huán)形甚至是抽象的幾何形設計。例如我國的廣州塔設計上下2個橢圓扭轉在腰部收縮變細的形狀，塔身的設計為漸變的網格結構。這種外部結構的設計如果沒有BIM技術，設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。在應用BIM技術時，設計人員可以利用3D模型對建筑結構進行任意旋轉，放大模型觀察設計的細節(jié)，可以幫助設計人員更好地進行結構、暖通、電氣、給排水圖紙的設計與修改，提升建筑外部結構設計的科學性與效率。

4.2 內部組件設計應用

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

4.3 節(jié)能建筑設計

當前建筑行業(yè)更加重視綠色節(jié)能建筑的設計，但是節(jié)能建筑的設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、通風及采光，這主要是由建筑物的方位、造型及結構所引起。應用BIM技術后，設計人員可利用計算機模擬建筑能耗，從而進行生態(tài)的計算與評估，然后對建筑設計的方案進行調整和修改。例如，在建筑場地中，設計人員可以將建筑材料的各項信息導入到虛擬模型中，通過BIM技術自動分析建筑物的能耗，方便設 計人員制定解決對策，從而進行良好的設計與布局。

4.4 建筑光照分析

建筑設計時，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。我國當前的建筑設計與建造存在著較大的日間距問題，高層建筑經常會光照不足。利用BIM技術建立建筑模型，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技術可以獲取到實時數(shù)據信息，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、角度等進行模擬，從而為建筑設計提供理論參考。例如，在進行建筑設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構進行調整，從而使建筑物受到的陽光照射更加科學，有利于提升建筑物的使用壽命。同時，應用BIM技術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。設計人員還可以利用BIM技術建立太陽能吸收裝置，將太陽能轉化為電能，提升建筑物的環(huán)保性能。在具體的太陽直射角度計算中，設計人員可以利用BIM技術和GIS技術進行建筑物虛擬模型以及位置的確定，然后根據太陽直射的公式進行太陽高度角的計算，見式(1)：

結語及展望

在現(xiàn)階段應用BIM技術進行建筑模型設計時，需要工作人員將模型分發(fā)到相應的分析軟件中進行分析，然后對建筑結構的相關信息進行計算，而工作人員需要輸入相應的指令，這樣才能夠生成結構模型以及動態(tài)的設計圖紙。要想提高結構設計的準確性，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技術的物理建模能力。在應用BIM技術進行建筑模型設計時，需要采取完全標準的結構構件才能實現(xiàn)數(shù)據模型之間的對接，如果建筑結構在設計中不符合規(guī)范的要求，就會導致計算中的數(shù)據丟失，從而為建筑工程施工造成不良影響。因此，在實際的建筑結構設計中，工作人員需要加強物理模型以及結構分析模型之間的數(shù)據對接，提升設計水平。在未來發(fā)展中，BIM技術可以用于建立大型項目群，有利于對建筑項目進行協(xié)調處理，使建筑的效率提升，保證工程如期且高質量完成。

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

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