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空间结构建筑信息模型(SPBIM)简介
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内容提示：介绍了传统CAD设计在信息交流上存在的问题,介绍了建筑信息系统这一新的设计理念在信息流动方面的特点,并结合北京市建筑设计研究院复杂结构研究所拟开发的空间结构建筑信息系统(SPBIM)所做的调研和程序前期规划工作,探讨了BIM在建筑领域的应用,提出空间结构建筑信息模型系统SPBIM应具有的特征:参数化、数据共享、信息的无缝对接和全周期管理等。最后提出SPBIM系统的框架及研究方向。
延伸阅读：参数化设计 建筑信息模型 数据交换 空间结构 空间结构建筑信息系统
0 引言
建筑信息模型( Building Information Modeling，BIM) 是引领建筑业信息技术走向更高层次的一种新技术，它的全面应用将对建筑业界的科技进步产生无可估量的影响，大大提高建筑工程的集成化程度。北京市建筑设计研究院为顺应国际设计潮流的发展，跟上技术进步的步伐，对在空间结构设计中使用这一技术进行了探讨，提出初步规划。（参考《建筑中文网》）
1 现有设计方法的不足
1. 1 无法保证设计数据的一致性、准确性和完整性
在空间结构设计中引入CAD ( 计算机辅助设计) ，CAM( 计算机辅助制造) ，CAE( 计算机辅助工程) 和ERP( 企业资源规划) 等系统后，产生了大量的电子图档。这些电子图档散乱地存在于各设计参与人员的计算机中，这导致电子图档查询困难、共享程度不高、数据信息传递速度缓慢、利用率低下，并且这些文件经常因为种种原因被破坏或丢失，存在很大的安全质量隐患。这样做的缺点是:
( 1) 无法保证设计施工数据的一致性、准确性和完整性，由于建筑企业实施CAD，CAM，CAE 和ERP 等技术后，相互交流的是大量的纸介质的图档，这就导致信息的共享、交流严重受阻。并且这些图档是由各方参与人员手工制作，还存在错误、遗漏等问题，为以后的工作带来很大的安全隐患。
( 2) 无法实现设计团队内部各种应用系统的集成及数据共享。造成了处于分离割裂状态的“信息孤岛( Islands of Information) ”。这对建筑企业实施统一的信息管理、信息共享和交流带来极大的不便。
1. 2 大量重复工作耗时费工，缺少对现有工作的继承和利用
一个空间结构，即使创新的分量多些，其大部分工作仍然是在继承前人的基础上的重复劳动。在传统设计阶段，一般采用标准图的方法来减轻设计人员重复劳动的辛苦，但是由于存在着图纸分散、局部修改麻烦、尺寸不易更改等问题，这些问题一直是标准图纸引用的瓶颈。在CAD 设计阶段，开始靠拷贝来完成重复设计工作，后来开发了一些基于参数设计的工具，可以进行几何拓扑类似，但尺寸变化的设计。可是这些工具没有和数据库相连，许多计算信息无法获得，同时所成图形又不是三维实体，从而无法进行各种校核。
1. 3 无法和各种程序实现数据共享，实现各专业数据及时交流
在做空间结构设计时，需要用到许多特殊的软件，如节点设计验算、螺栓设计、支座设计、动力弹塑性分析、结构整装分析、结构风工程研究、结构在不均匀温度场中的分析，在CAD 设计阶段，往往数据交流通道不通畅，使得许多工作做起来很耗时费工。
1. 4 无法保证设计与施工、后期管理数据的一致性、准确性和完整性
目前，设计单位的图纸无法实现在施工过程的各种应用系统的数据集成及数据共享。事实上，很多设计单位在采用后，其信息系统和CAE，CAM 与ERP 单元系统无数据通道，施工单位的工程师们对设计结果的处理仍需花费相当多的工作精力，如: 施工过程预算、统计明细表、图纸分类与汇总、各种工时成本统计、汇总生产所需的报表等。另外，许多企业的产品设计料单BOM( 物料清单) 、工艺设计料单BOM 无法由CAD 和CAM 等系统自动生成，依然存在大量的手工劳动和重复输入。这是因为空间结构的CAD，CAM 和ERP 等技术的信息通道不畅，目前的应用多为分散孤立的单项应用，它们本身并不具备互相集成的能力，不能实现系统之间信息的自动化传递和交换，因而在设计和施工及后期管理之间各环节中形成了“信息孤岛”，对空间结构整个周期实现统一管理、信息共享和交流带来极大的不便。所以，仅仅实现设计单位的信息集成，设计、施工、使用单位各部门孤立的信息化，而不是空间结构整个生命周期的整体信息化，就不能享有全周期信息化带来的利益。
2 选择开发平台的背景
北京市建筑设计研究院复杂结构研究所近年来在搜集资料、调研、向兄弟单位学习的基础上，经过认真研究，进行程序前期分析和概念设计，确定程序功能目标，在研究Revit 功能的基础上规划了基于建筑信息模型基础上的空间结构设计程序SpatialStructure of Building Information Modeling ( SPBIM) 。进行空间结构建筑信息模型首要工作是选择一个平台，目前可以作为空间结构建筑信息系统开发的软件中有4 个软件比较成熟: Autodesk 公司的Revit 系列软件、Bentley 工程软件公司的Bentley 系列软件、Graphisoft 公司的ArchiCAD 软件以及Nemetschek公司的ALLPLAN 软件。其中，Graphisoft 公司的ArchiCAD 软件主要面向建筑设计，范围比较窄，面向其他专业的软件产品需要外挂于其他公司的软件，有一定的局限性。从我院目前使用的软件的情况和对上述4 个具有三维实体建模的绘图软件的调研结果，决定选用Autodesk 公司的Revit 作为建筑信息模型设计的平台。
Autodesk 公司经过年的苦心经营，已形成了以建筑工程规划、设计文档阅读、共享网站系列软件产品家族，特别是收购了Revit 和NavisWorks 产品后，欲将BIM 技术应用推广到建筑业的中下游，即建造和物业管理阶段，直至建筑生命周期的终结。主要产品有: Revit Architecture，Revit Structure，RevitMEP， AutoCAD Civil 3D， Autodesk NavisWorks，Autodesk Buzzsaw 等。Revit 以中央数据库( CentralProject Database) 的形式进行建筑信息的整合。
3 SPBIM 简介
空间结构建筑信息模型系统( SPBIM) 具有下列特征。
3. 1 参数设计
参数设计是对以前工作的继承，现在电子信息技术的发展，可以让工程师把主要工作放在创新上，而一个工程中大部分工作都是做前人已经做过的工作，空间结构的杆件、节点都被定义为族，涉及各个族时，只要将同类构件定义好，再在对话框中填好相关数据，一个三维图形就形成了。这个图形形成后自动存储在数据库中，通过数据库和图形软件的连接，可以在计算机屏幕上显示建筑的三维图形，可以通过信息技术很快地将三维图形投影到二维平面上，可以通过对话框修改数据库，从而完成对模型的修改，修改后的信息可以实时地反映在三维模型中。即只要修改数据，就可以自动修改图形，同时反映在各个投影面上的二维绘图也被实时的修改。这就是说，BIM 可以给设计师提供一个简易方便的建模手段，同时，这种手段具有三维图形功能，使设计师可以直观地观察自己的设计作品，并在这种数字模型中提供了方便的修改手段，整个建筑模型和整套设计文件保存在一个集成的数据库中，所有内容都是参数化和相互关联的。参数建模对于BIM 至关重要，因为这种技术产生“协调的、内部一致并且可运算的”建筑信息，这是BIM 的核心特征。如果使用CAD 解决方案，信息的平面表达( 图示或渲染图) 虽然看起来和制定的参数化建筑模型工具的输出形式差不多，但实质却大不相同。相比较而言，参数建筑建模工具可以轻松协调所有图形和非图形数据———全部视图、图纸、表格等，因为它们都是数据库下的视图。以网架为例，当网架优化后，杆件发生变化，可以写成新的数据库，形成新的实体。模型保存了这种数据关系，所有杆件均会更新，如果个别杆件移动了，会自动在它出现的所有视图和图纸中作相应的移动，所有相关尺寸也会更正。参数建模固有的双向联系性和即时性，及全面传递变动的特性，带来了高质、协调一致、可靠的模型，使得以数据为基础的设计、分析和文档编制过程更加便利。
在建筑信息模型中，建筑构件并不只是一个虚拟的视觉构件，而是可以模拟除几何形状以外的一些非几何属性，如材料的耐火等级、材料的传热系数、构件的造价、采购信息、重量、受力状况等等。Revit 中基本的构件元素叫做族，它是参数化的，不仅包括物理信息，还有功能信息等等。这个梁族的参数有描述参数、空间位置参数、物理量参数、标识参数、材质参数、受力分析模型等等。这些参数信息都是以此构件族为载体，以数据库的形式储存的，并且可以贯穿于整个项目周期。
BIM 软件立足于数据关联的技术上进行三维建模，模型建立后，可以随意生成各种平、立、剖二维图纸。无需画一次平面图后，再分别去画立面图、剖面图，避免了不同视图之间出现不一致现象。在工程数据之间创建实时的、一致性的关联，对数据库中数据的任何更改，都马上可以在其他关联的地方反映出来。也就是说，只要修改任何一张图纸，例如修改了平面图，相关的修改马上就可以在立面图、剖面图、效果图、明细统计表以及其他相关图纸上表达出来，杜绝图纸不一致的现象。这样可减少设计引起的错误，提高项目的工作效率，保证工程质量。在Revit 中，当改变一个参数时，构件可以进行自动更新。只要改变参数中的梁高h 和梁宽b，梁在平面视图、立面视图和三维视图中自动变化。
建筑信息模型( Building Information Modeling，BIM) 是引领建筑业信息技术走向更高层次的一种新技术，它的全面应用将对建筑业界的科技进步产生无可估量的影响，大大提高建筑工程的集成化程度。北京市建筑设计研究院为顺应国际设计潮流的发展，跟上技术进步的步伐，对在空间结构设计中使用这一技术进行了探讨，提出初步规划。（参考《建筑中文网》）
1 现有设计方法的不足
1. 1 无法保证设计数据的一致性、准确性和完整性
在空间结构设计中引入CAD ( 计算机辅助设计) ，CAM( 计算机辅助制造) ，CAE( 计算机辅助工程) 和ERP( 企业资源规划) 等系统后，产生了大量的电子图档。这些电子图档散乱地存在于各设计参与人员的计算机中，这导致电子图档查询困难、共享程度不高、数据信息传递速度缓慢、利用率低下，并且这些文件经常因为种种原因被破坏或丢失，存在很大的安全质量隐患。这样做的缺点是:
( 1) 无法保证设计施工数据的一致性、准确性和完整性，由于建筑企业实施CAD，CAM，CAE 和ERP 等技术后，相互交流的是大量的纸介质的图档，这就导致信息的共享、交流严重受阻。并且这些图档是由各方参与人员手工制作，还存在错误、遗漏等问题，为以后的工作带来很大的安全隐患。
( 2) 无法实现设计团队内部各种应用系统的集成及数据共享。造成了处于分离割裂状态的“信息孤岛( Islands of Information) ”。这对建筑企业实施统一的信息管理、信息共享和交流带来极大的不便。
1. 2 大量重复工作耗时费工，缺少对现有工作的继承和利用
一个空间结构，即使创新的分量多些，其大部分工作仍然是在继承前人的基础上的重复劳动。在传统设计阶段，一般采用标准图的方法来减轻设计人员重复劳动的辛苦，但是由于存在着图纸分散、局部修改麻烦、尺寸不易更改等问题，这些问题一直是标准图纸引用的瓶颈。在CAD 设计阶段，开始靠拷贝来完成重复设计工作，后来开发了一些基于参数设计的工具，可以进行几何拓扑类似，但尺寸变化的设计。可是这些工具没有和数据库相连，许多计算信息无法获得，同时所成图形又不是三维实体，从而无法进行各种校核。
1. 3 无法和各种程序实现数据共享，实现各专业数据及时交流
在做空间结构设计时，需要用到许多特殊的软件，如节点设计验算、螺栓设计、支座设计、动力弹塑性分析、结构整装分析、结构风工程研究、结构在不均匀温度场中的分析，在CAD 设计阶段，往往数据交流通道不通畅，使得许多工作做起来很耗时费工。
1. 4 无法保证设计与施工、后期管理数据的一致性、准确性和完整性
目前，设计单位的图纸无法实现在施工过程的各种应用系统的数据集成及数据共享。事实上，很多设计单位在采用后，其信息系统和CAE，CAM 与ERP 单元系统无数据通道，施工单位的工程师们对设计结果的处理仍需花费相当多的工作精力，如: 施工过程预算、统计明细表、图纸分类与汇总、各种工时成本统计、汇总生产所需的报表等。另外，许多企业的产品设计料单BOM( 物料清单) 、工艺设计料单BOM 无法由CAD 和CAM 等系统自动生成，依然存在大量的手工劳动和重复输入。这是因为空间结构的CAD，CAM 和ERP 等技术的信息通道不畅，目前的应用多为分散孤立的单项应用，它们本身并不具备互相集成的能力，不能实现系统之间信息的自动化传递和交换，因而在设计和施工及后期管理之间各环节中形成了“信息孤岛”，对空间结构整个周期实现统一管理、信息共享和交流带来极大的不便。所以，仅仅实现设计单位的信息集成，设计、施工、使用单位各部门孤立的信息化，而不是空间结构整个生命周期的整体信息化，就不能享有全周期信息化带来的利益。
2 选择开发平台的背景
北京市建筑设计研究院复杂结构研究所近年来在搜集资料、调研、向兄弟单位学习的基础上，经过认真研究，进行程序前期分析和概念设计，确定程序功能目标，在研究Revit 功能的基础上规划了基于建筑信息模型基础上的空间结构设计程序SpatialStructure of Building Information Modeling ( SPBIM) 。进行空间结构建筑信息模型首要工作是选择一个平台，目前可以作为空间结构建筑信息系统开发的软件中有4 个软件比较成熟: Autodesk 公司的Revit 系列软件、Bentley 工程软件公司的Bentley 系列软件、Graphisoft 公司的ArchiCAD 软件以及Nemetschek公司的ALLPLAN 软件。其中，Graphisoft 公司的ArchiCAD 软件主要面向建筑设计，范围比较窄，面向其他专业的软件产品需要外挂于其他公司的软件，有一定的局限性。从我院目前使用的软件的情况和对上述4 个具有三维实体建模的绘图软件的调研结果，决定选用Autodesk 公司的Revit 作为建筑信息模型设计的平台。
Autodesk 公司经过年的苦心经营，已形成了以建筑工程规划、设计文档阅读、共享网站系列软件产品家族，特别是收购了Revit 和NavisWorks 产品后，欲将BIM 技术应用推广到建筑业的中下游，即建造和物业管理阶段，直至建筑生命周期的终结。主要产品有: Revit Architecture，Revit Structure，RevitMEP， AutoCAD Civil 3D， Autodesk NavisWorks，Autodesk Buzzsaw 等。Revit 以中央数据库( CentralProject Database) 的形式进行建筑信息的整合。
3 SPBIM 简介
空间结构建筑信息模型系统( SPBIM) 具有下列特征。
3. 1 参数设计
参数设计是对以前工作的继承，现在电子信息技术的发展，可以让工程师把主要工作放在创新上，而一个工程中大部分工作都是做前人已经做过的工作，空间结构的杆件、节点都被定义为族，涉及各个族时，只要将同类构件定义好，再在对话框中填好相关数据，一个三维图形就形成了。这个图形形成后自动存储在数据库中，通过数据库和图形软件的连接，可以在计算机屏幕上显示建筑的三维图形，可以通过信息技术很快地将三维图形投影到二维平面上，可以通过对话框修改数据库，从而完成对模型的修改，修改后的信息可以实时地反映在三维模型中。即只要修改数据，就可以自动修改图形，同时反映在各个投影面上的二维绘图也被实时的修改。这就是说，BIM 可以给设计师提供一个简易方便的建模手段，同时，这种手段具有三维图形功能，使设计师可以直观地观察自己的设计作品，并在这种数字模型中提供了方便的修改手段，整个建筑模型和整套设计文件保存在一个集成的数据库中，所有内容都是参数化和相互关联的。参数建模对于BIM 至关重要，因为这种技术产生“协调的、内部一致并且可运算的”建筑信息，这是BIM 的核心特征。如果使用CAD 解决方案，信息的平面表达( 图示或渲染图) 虽然看起来和制定的参数化建筑模型工具的输出形式差不多，但实质却大不相同。相比较而言，参数建筑建模工具可以轻松协调所有图形和非图形数据———全部视图、图纸、表格等，因为它们都是数据库下的视图。以网架为例，当网架优化后，杆件发生变化，可以写成新的数据库，形成新的实体。模型保存了这种数据关系，所有杆件均会更新，如果个别杆件移动了，会自动在它出现的所有视图和图纸中作相应的移动，所有相关尺寸也会更正。参数建模固有的双向联系性和即时性，及全面传递变动的特性，带来了高质、协调一致、可靠的模型，使得以数据为基础的设计、分析和文档编制过程更加便利。
在建筑信息模型中，建筑构件并不只是一个虚拟的视觉构件，而是可以模拟除几何形状以外的一些非几何属性，如材料的耐火等级、材料的传热系数、构件的造价、采购信息、重量、受力状况等等。Revit 中基本的构件元素叫做族，它是参数化的，不仅包括物理信息，还有功能信息等等。这个梁族的参数有描述参数、空间位置参数、物理量参数、标识参数、材质参数、受力分析模型等等。这些参数信息都是以此构件族为载体，以数据库的形式储存的，并且可以贯穿于整个项目周期。
BIM 软件立足于数据关联的技术上进行三维建模，模型建立后，可以随意生成各种平、立、剖二维图纸。无需画一次平面图后，再分别去画立面图、剖面图，避免了不同视图之间出现不一致现象。在工程数据之间创建实时的、一致性的关联，对数据库中数据的任何更改，都马上可以在其他关联的地方反映出来。也就是说，只要修改任何一张图纸，例如修改了平面图，相关的修改马上就可以在立面图、剖面图、效果图、明细统计表以及其他相关图纸上表达出来，杜绝图纸不一致的现象。这样可减少设计引起的错误，提高项目的工作效率，保证工程质量。在Revit 中，当改变一个参数时，构件可以进行自动更新。只要改变参数中的梁高h 和梁宽b，梁在平面视图、立面视图和三维视图中自动变化。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201203/15108.htm
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