从二维走向三维的信息化建筑设计

From 2D to 3D —BIM in Building Design
傅筱提要：本文首先简述了建筑设计从二维走向三维的发展历程，随后重点探讨了建筑信息模型设计的一些基本概念，并结合笔者的实践分析了在方案设计阶段如何运用Revit 建筑信息模型进行设计。关键词：三维设计、参数化、建筑信息模型、Revit Abstract: This paper firstly summarizes the history of the architectue design from 2D to 3D, secondly, it discusses the basic ideals of Building Information Modeling, and in the end the author introduces some projects design by Revit parameter modeling. Key words: 3D-design, parameter, Building Information Modeling, Revit
在今天的设计行业，“信息化”二字已经不再是什么新鲜的语汇，在飞机、汽车等制造领域，信息化设计和制造已经是十分普及的事情。然而，对建筑设计行业来说，虽然在上世纪末期计算机已基本在全世界普及，但却仍然是处于低端的辅助绘图和制作表现图状态，二维CAD绘图加上3DMAX渲染成为一种标准的建筑设计流程，这在我国尤为明显。信息的含量在这种设计模式中所占有的比例十分有限，“信息化”仿佛是姗姗来迟！事实上，早在十几年前信息化的建筑设计已经悄然出现，目前已经逐渐汇集成了一股潮流，席卷世界的同时，也影响了中国。
一、从二维走向三维的设计和建造
千百年来，人类一直在探索一个问题，那就是如何表达他们的设计。在遥远的古埃及时期，二维图像就已经成为人们表达建筑的方式。由于当时人类还没发明纸张，埃及人将他们的住宅剖面生动地表达在壁画之中（图1）。公元105 年，蔡伦发明造纸技术，并于12 世纪前后传入欧洲。从此，人们步入了用二维图纸来表达设计和指导实际建造的时代，这一方法从产生至今已有近千年的历史。在这漫长的岁月中，二维图纸一直肩负着信息传递的作用，成为设计交流和实际建造过程中的物质中介。
然而，现实中的物体基本都是三维的，二维图纸实际上是人们在缺乏技术手段的情况下，将三维信息简化为二维信息，从而实现表达和交流的技术方法。随着计算机技术的迅速发展，上世纪60 年代初，人们开始能够直接用三维的工程语言进行表达和交流，但当时的模型是十分简单的线框模型。迄今为止，世界上的三维建模软件已十分众多，与建筑行业有关联的主要是机械制造软件和工业造型设计软件。机械制造类的常用软件有Catia 、Autodesk Inventor 、SolidWorks 、Pro/Engineer 等；工业造型设计类的常用软件有犀牛（Rhino）、Alias、玛雅（Maya）、3Dmax 、等。目前世界上一些先锋建筑师正在探索如何用借鉴工业造型设计软件进行三维设计，
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例如格雷格•林（Greg Lynn）、本纳赫•弗兰肯（Bernhard Franken）、纽约CAP 设计小组（Contemporary Architecture Practice ）以及dECOi 设计小组等等。他们不仅探索如何直接利用算机软件进行三维设计，而且进一步探索了如何进行三维数字化建造。在数字化建筑师的工作中，传统的二维设计方法已经被抛弃，换言之，传统的二维图纸表达设计的方式不复存在，取而代之的是无纸化的设计和建造过程。（图2、3）所谓无纸化是指在整个设计制造过程中，信息传递不再是依靠传统的二维图纸，而是直接通过计算机数字信息传递完成加工、装配和检测过程，实现最后的产品。[2]这一方法早在1990 前后就开始在工业设计领域运用，而最早在建筑领域引进无纸化建造模式的无疑是数字化建筑师的先驱人物弗兰克•盖里（Frank Gehry）（图4），1994 年，在哥伦比亚大学建筑系系主任屈米领导的无纸化工作室的进一步推动下，至今已蔚然形成一股新的潮流，改变了我们的设计模式，并在建筑设计领域掀起了一场新的数字化革命。
一方面，数字化建筑师们抛弃了传统的二维图纸，甚至抛弃了建筑师的看家本领—草图，他们利用犀牛、玛雅等三维软件生成变化无穷的形态和空间，这是传统的图纸设计或者实体模型设计所无法比拟的。电脑程序为建筑师探索新的空间形态提供了新的方法和更多的可能性；另一方面，当建造转化为工厂数字化信息传递过程时，传统的对建造过程的安排和组织方式将发生改变，“建造”转换为“制造”，而制造完全是在“数字”信息控制之下。这就改变了建筑师受制于设计与建造之间的3D－2D 转换过程，也即是说，建筑师可以不再苦于如何用传统的二维施工图来表达一个空间的三维复杂形态，从而极大地拓展了建筑师对建筑形态探索的可实施性，自由形态不再是电脑屏幕上的乌托邦想象。数字化建筑师的探索，让建筑设计从二维走向了三维，并走向了数字化建造，这是建筑设计方法的一次重大转型。
二、建筑信息模型的出现
虽然，数字化建筑师们实现了三维设计和无纸化建造，但是他们的三维电脑模型所包含的信息量仍然是有限的。在他们那令人眩目的各种建筑电脑模型中，所传达的信息是唯一的，那就是“视觉信息”，犀牛等工业造型软件实际上只是为建筑师提供了一个强大的形态研究工具，可以帮助建筑师虚拟出各种各样的空间形态（图5），但这些软件建立的模型在容纳更多信息量（如面积、材料、重量、受力等等）上却无能为力。然而，在信息时代，事物的发展总是呈现出瞬息万变的特征，一种新的三维建筑模型概念很快解决了这一问题，那就是方兴未艾的“建筑信息模型”。所谓建筑信息模型（BIM），英文全称是 Building Information Modeling ，目前还没有一个完整而精练的定义，我们可以这样简要地描述它：通过数字信息仿真模

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拟建筑物所具有的真实信息，在这里，信息的内涵不仅仅是几何形状描述的视觉信息，还包含大量的非几何形信息，如建筑构件的材料、重量、价格等。
目前国际上有许多公司开发BIM 软件系统，其中比较著名的有4 个公司：Autodesk 公司、Bentley 工程软件公司、Graphisoft 公司以及Nemetschek 公司。Autodesk 公司最初开发的是基于AutoCAD 平台的三维参数建筑模型，后来发展为ADT 软件，现在又进一步发展为Revit 软件为代表的参数化建筑模型；美国奔特力工程软件公司开发了基于Microstation 平台的奔特力建筑软件Bentley Architecture V8 2004；匈牙利Graphisoft 公司主要产品是ArchiCAD；德国Nemetschek 的产品是Allplan 2006 Architecture 。（图6）

建筑信息模型的出现并非偶然，而是顺应整个设计制造行业发展潮流而生，它与机械制造行业的计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术发展密不可分，例如Revit 就是起源于机械制造软件。[3]机械行业的三维CAD 技术发展大致经历了四个创新历程：
1970 年代，为了解决了飞机和汽车制造中遇到的大量的自由曲面问题，出现了贝塞尔曲线算法，这使得三维CAD 技术首次实现了对产品零件几何信息的完整描述，这是三维CAD 技术的第一次技术革命。而由法国达索飞机制造公司开发的三维曲面造型系统CATIA 成为了这一时期的领航软件；但是曲面造型技术只能描述零件形体的表面信息，难以准确表达零件的其它非几何特性，如质量、重心、转动惯量等，于是1979 年美国SDRC 公司推出了世界上第一个基于实体造型（Solid modeling ）技术的大型三维CAD 软件——I-DEAS ，这一技术能够精确表达零件的全部属性，成为了三维CAD 技术上的第二次技术革命；1989 年，美国CV 公司（Computer Vision 计算机视觉）的一批技术人员率先提出参数化实体造型（parametric solid modeling ）概念。不幸的是，这一具有远见的设计理念被公司的领导层否决，随后这批技术人员离开CV 公司，独自创立了PTC 参数化技术公司（Parameter Technology Corp），并很快推出了基于参数化实体造型的Pro/E 软件，引发CAD 技术上的第三次技术革命。参数化造型既能精确描述和定义形体的各种属性，又可以通过参数尺寸驱动、约束和关联设计，这就使得三维模型可以更加精确地模拟真实物体的属性，而且十分方便设计师修改，因为模型的各部分都
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是由参数关联约束的。
然而，参数化实体造型技术仍有不足之处，因为参数化造型技术的思想是：设计师需要按照软件规定的尺寸方式去定义构件参数，以保证设计的正确性和高效率，设计过程必须严格。当实体几何拓扑关系及尺寸约束关系较复杂时，如完全的自由形体，参数化实体造型技术就很难用尺寸去驱动和定义形体。目前以参数化技术为蓝本，更为先进的实体造型技术——变量化实体造型技术（Variation solid modeling Technology）已经开始出现。变量化实体造型技术在保持了参数化技术尺寸驱动形体的同时又加入了形态约束概念。其指导思想是设计可以采用“先形状图7ArchiCAD结合MaxonForm的自由造型后尺寸”的设计方式,允许采用不完全尺寸约束,只给出必要功能的设计条件就能保证设计的正确性及效率性。这一技术更加符合设计的创造性思维规律，因而被视为CAD 技术的第四次技术革命。
建筑信息模型从实质上是借鉴了机械制造领域三维CAD 技术发展的第三阶段成果，即参数化实体造型技术，其中部分建筑信息模型软件已具备初步的变量化实体造型技术思想，如ArchiCAD 结合MaxonForm 自由造型功能，[4] Revit 的体量功能。（图7、8）建筑信息模型的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，不仅包含了建筑师的设计信息，而且可以容纳从设计到建成使用，甚至是使用周期终结的全过程信息，并且各种信息始终是建立在一个三维模型数据库中，其中最为关键的技术支持就是“参数化实体造型技术”。建筑信息模型的出现，可以使电脑三维模型虚拟出建筑所包含的种种真实信息，从而辅助建筑师的设计，而不仅仅局限于辅助视觉形态设计的范畴。
三、建筑信息模型设计
就前文所提及的各种BIM 软件而言，它们之间各有其优缺点，接下来，笔者以Autodesk 公司开发的Revit 建筑信息模型为例，描述一些建筑信息模型设计的基本概念。
1、参数化设计
参数化设计从实质上讲是一个构件组合设计，建筑信息模型是由无数个虚拟构件拼装而成。其构件设计并不需要采用过多的传统建模语言，如拉伸、旋转等，而是对已经建立好的构件（称为族）设置相应的参数，并使参数可以调节，进而驱动构件形体发生改变，满足设计的要求。（图9）而参数化设计更为重要的是将建筑构件的各种真实属性通过参数的形式进行模拟，并进行相关数据统计和计算。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。例如，在建筑信息模型中，梁与墙是不同属性的构件，梁的属性对话框里将包含其尺寸大小以及各向受力等数据，而墙的属性则是完全不同于梁。（图10、11、12）通

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过参数定义属性的意义在于可以进行各种统计和分析，例如我们常见的门窗表统计，在建筑信息模型中是完全自动化的，而参数化更为强大的功能是可以进行结构、经济、节能、疏散等方面的计算和统计，甚至可以进行建造过程的模拟，最终实现虚拟建造。（图13）这与犀牛、3DMAX 等软件中的三维模型是完全不同的概念，用3DMAX 建立的模型，墙与梁并没有属性的差别，它们只是建筑师在视觉上假设的墙与梁，这些构件将无法参与到数据统计，也就不具备利用计算机进行各种信息处理的可能性。

图10 Revit 梁构件属性图11 Revit 墙构件属性图12 犀牛中的墙不具备非几何属性

2、构件关联性设计
构件关联性设计是参数化设计的衍生。当建筑模型中所有构件都是由参数加以控制时，如果我们将这些参数相互关联起来，那么我们就实现了关联性设计。换言之，当建筑师修改某个构件，建筑模型将进行自动更新，而且这种更新是相互关联的。例如，我们在实际工程中经常会遇到修改层高的情况，在建筑信息模型中，我们只要修改每层标高的数值，那么所有的墙、柱、窗、门都会自动发生改变，因为这些构件的参数都与标高相关联，而且这种改变是三维的，并且是准确和同步的。我们不再需要去分别修改平立剖。（图14）关联性设计它不仅提高了建筑师的工作效率，而且解决了长期以来图纸之间的错、漏、缺问题，其意义是显而易见的。
3、参数驱动建筑形体设计
参数驱动建筑形体设计是指通过定义参数来生成建筑形体的方法，当建筑师改变一个参数，形体可以进行自动更新，从而帮助建筑师进行形体研究。参数驱动建筑形体设计仍然可以采用定义构件的方法实现。如果我们要设计一个形体复杂的高层了建筑，我们可以将高层建筑的每一层作为一个构件，然后用参数（包含一些简单的函数）对这一层的几何形状进行定义和描述，最后将上下两层之间再用参数关联起来，例如设定上下两层之间的扭转角度，这样就可以通过修改所定义的角度来驱动模型，生成一系列建筑形体。（图15、16）这种模式对于生成一些有规律的，但却很复杂的建筑形体是十分有用的。在Revit 中，还有另外一种方便的工具—体量。体量设计更加接近建筑师的工作模式，建筑师可以从体量推敲做起，而不必关心体量与尺寸参数的关系，当体量推敲满意后，再为体量附着上具有真实属性的建
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筑构件，例如给形态附着幕墙、墙、楼板等。体量模式较为强大的功能还在于，当我们再次修改体量时，原先附着的建筑构件可以相应更新。这实际上实现了“先形状后尺寸”的设计方式，其技术思想与“变量化实体造型技术”较为接近。（图17、18）

某假设的高层建筑为一层构件设置尺寸参数定义构件间的关联参数完成一层构件设计图15 为一层构件定义参数

0度 15度 30度 45度图16 通过调整角度参数来驱动形态研究

建立体量为体量划分层高添加楼板添加墙和幕墙图17 从体量演变为由构件组成的建筑

改变体量楼层划分随体量改变而自动改变点击重做命令，原已添加的建筑构件自动更新
图18 通过调整角度参数来驱动形态研究
参数驱动建筑形体设计并不是建筑信息模型的所独有的技术，犀牛等软件具备同样的功能。但是在建筑信息模型中，形体可以方便地转化成具有真实属性的建筑构件，如给形态附着幕墙，当我们改变参数，形体发生变化的同时，建筑构件也相应同步变化，这就使视觉形体研究与真实的建筑构件关联起来，视觉模型也就转化为真正的“信息模型”。
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4、协作设计
在以往，我们理解的协作设计通常是建筑专业与结构水暖电的专业协作。而今天，随着建筑工程复杂性的增加，跨学科的合作成为建筑设计的趋势。在二维CAD 时代，协作设计缺少一个统一的技术平台，但建筑信息模型为传统建筑工种提供了一个良好的技术协作平台，例如，结构工程师改变其柱子的尺寸时，
建筑模型中的柱子也会立即更新，而且建筑信息模型还为不同的生产部门、甚至管理部门提供了一个良好的协作平台，例如施工企业可以在建筑信息模型基础上添加时间参数进行施工虚拟，控制施工进度，政务部门可以进行电子审图等等。这不仅改变了建筑师、结构工程师、设备工程师传统的工作协调模式，而且业主、政府政务部门、制造商、施工企业都可以基于同一个带有三维参数的建筑模型协同工作。（图19）
四、建筑信息模型在设计中的运用
由于BIM 在我国仅处于起步阶段，目前更多的还用于方案设计阶段，要达到大规模普及运用，并深入到施工图工种协作状态尚需时日。下面举几个笔者设计的项目来说明BIM 在建筑方案设计中的实际作用。
1、实例一：南通大学图文信息中心（设
计指导：沈国尧）
南通大学图文信息中心设计于2006 年2 月，位于南通大学新校区主轴线上，建筑规模约6 万平方米，由一座22 层的高层行政中心和5 层的图书馆、2 层会议中心以及一层的档案馆组成，规模较大，功能复杂。由于种种原因，方案设计前后时间仅18 天，但采用了Revit 进行设计后，不仅按时交标，并最终赢得项目。
方案设计采用体量的设计方法，先根据校园规划和内部四大功能确定建筑体量，比较其与环境的关系，分析出入口、日照、遮阳以及对周边建筑的影响，最后确定出基本的建筑形体。接下来，开始用面幕墙、面楼板、面墙等工具将体量转换为具有细节的建筑构件，这一过程就像实际建造房屋一般，真实地“搭建和拼装”各种建筑构件。同时Revit 的相机可以选取各种角度，帮助建筑师进行设计判断。当

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模型搭建完毕，可以通过切片功能直接生成平立剖，转换时Revit 将自动地识别线型比例和材料填充，而最后的工作只是添加文字和标注。在设计过程中，建筑师不必去关注传统的平立剖之间是否对位、是否有遗漏等问题，设计的重心完全可以放在体量布局、空间组织、材质搭配以及功能安排上，计算机成为真正的辅助设计工具而非辅助绘图工具。（图20-24）

图25 某别墅设计
2、实例二：别墅设计
这是为一位朋友设计的私家别墅，位于景观优美的湖畔。在设计中，同样是采用体量的方法进行设计，由于Revit 不只是一个造型设计工具，而是对真实建造的一种模拟设计工具，这使得设计可以从内外两个方向推敲设计，并且可以进行细节的研究。这一方法在我们常用的SketchUp 草图软件中是难以实现的。SketchUp 建立的模型往往只能表达到体量和表皮的深度，如果要研究内部空间将十分吃力。而在Revit 中，当你布置平面功能的同时，实际上已经在布置内部空间。这就便于建筑师将内外空间联系起来进行设计。（图25-28）
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图26 别墅鸟瞰Revit模型
图27 Revit 生成的平立剖图纸

3、实例三：绿屏—南京市住宅遮阳设计竞赛（建筑设计：傅筱、李亚伟获奖情况：创意一等奖）
这是一种称为绿屏的住宅飘窗外遮阳系统。其基本原理是将绿色植物，如爬藤，引入建筑遮阳系统中，利用爬藤植物所形成的绿色屏障达到抵挡太阳西晒直射阳光的效用。由于这一概念设计形体相对简单，我们直接采用Revit 系统族构件设计，放弃了体量方法。当概念设计完成后，我们采用Revit 进行了详图设计。先通过详图索引工具在剖面图上将需要绘制详图的部分切割下来，然后用Revit 强大的详图工具进行绘制，整个详图绘制过程较之二维CAD 而言轻松许多。此外，我们还利用Revit 的日照分析工具模拟2006 年南京夏至日和冬至日的日照状况，估算出遮阳率。（图29-30）

图29 采用Revit设计的绿屏遮阳系统图30 采用Revit设计的详图
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五、结语
如果说，十多年前我们抛弃绘图板，转向计算机辅助绘图是一次进步的话，那么，今天我们采用建筑信息模型进行辅助设计应称得上是一次飞跃和革命。建筑信息模型通过参数化实体造型技术使计算机可以表达真实建筑所具有的信息，信息化的建筑设计得以真正实现，这就突破了千百年来用抽象的视觉符号来表达设计的固有模式。值得注意的是，这次革命性飞跃并不是发生在大洋彼岸的天方夜谈，而是发生在我们身边的事实。在这瞬息万变得信息时代，我们需要转变固有的设计思维模式，从传统的二维设计走向三维信息化设计，让计算机成为真正的设计工具。诚然，就目前的各种BIM 软件而言，与机械行业相比较还有一定的差距，某些工具模块还有待改进，但这并不能阻碍BIM 发展的潮流，它将不受个人好恶和思维习惯的束缚而向前推进，从而将深刻影响我们的设计方法和设计模式。
注释：
[1] 早在1982 年，匈牙利Graphisoft 公司就着手开发了专门用于建筑设计的三维CAD 软件ArchiCAD，并提出了类似建筑信息模型概念的“虚拟建筑”。
[2] 关于无纸化建造的具体过程参见傅筱，无纸化建造，南方建筑，2005.5，第81-86页。[3]Revit 软件最初是由Revit 技术公司（Revit Technology Corporation ）于1997 年开发的建筑设计软件，主要是将机械制造领域的参数化设计理念引入建筑软件中。Revit 软件的创始人Leonid Raiz 和 Irwin Jungreis 前身是PTC 参数化技术公司的资深软件工程师。PTC 是美国一家著名的开发参数化机械工程设计软件的公司。2002 年，Autodesk 公司以1.33 亿美元收购了Revit 软件，并作了大量的再开发工作，完成了现在的Autodesk Revit 软件产品。
[4] Graphisoft 和MAXON Computers GmbH 联合开发了一个文件传递的插件。MAXON Computers GmbH 是专业的3D 建模、着色、动画和渲染软件，二者的结合使得变量化设计成为可能。

参考文献：
1 1. 傅筱，无纸化建造，南方建筑，2005.5,第81-86 页。
2 2. 傅筱，当前我国建筑师的技术选择观研究[D]，[博士学位论文]，南京：东南大学建筑学院，2006 年。
3 3. 虞刚，数字建构的建筑形态研究[D]，[博士学位论文]，南京：东南大学建筑学院，2003 年。

1 4. Ned Cramer and Anne Guiney, The Computer School – in only six years, Columbia university’s grand experiment in digital design has launched a movement，Architecture, Sept2000, P94~107
2 5.袁定福，CAD/CAM系统的发展与应用[EB/OL]， http://it.caep.ac.cn/dept-science/fotum/yuandingfu/ydflw.doc，2003-04-23
3 6. Revit Provides Parametric Design for Architects[EB/OL]，http://aecnews.com/articles/619.aspx，2000-04-01

作者简介：傅筱建筑学博士作者单位：东南大学建筑设计研究院