1.   引言

在过去的20多年中，CAD技术的普及和推广使建筑师、工程师们甩掉图板，从传统的手工绘图、设计和计算中解放出来，可以说是工程设计领域的第一次数字革命。而现在，建筑信息模型(BIM)的出现将引发整个工程建设领域的第二次数字革命。BIM(Building Information Modeling)不仅带来现有技术的进步和更新换代，它也间接影响了生产组织模式和管理方式，并将更长远地影响人们思维模式的转变。

2.   实施BIM的不同设计阶段

在建筑项目设计中实施BIM的最终目的是要提高项目设计质量和工作效率，从而减少后续施工期间的洽商和返工，保障施工周期，节约项目资金。因此在建筑设计阶段实施BIM的最终结果一定是所有设计师将其应用到设计全程。但在目前尚不具备全程应用条件的情况下，局部项目、局部专业、局部过程的应用将成为未来过渡期内的一种常态。因此，根据具体项目设计需求、BIM团队情况、设计周期等条件，可以选择在以下不同的设计阶段中实施BIM。

3.   国内BIM技术在建筑设计行业当前应用现状

在北美及欧洲，大部分建筑设计企业已经开始采用BIM技术进行设计。越来越多的甲方以及施工方逐渐认识到基于建筑全生命周期服务的BIM技术对于他们在提升管理效率、节约成本等方面的巨大优势而对BIM青睐有加。但对于设计行业来说，一种长期习惯的设计模式的改变是需要付出代价的，与普及二维CAD软件相比，普及三维BIM软件面临的阻力和难度只会更大。我们能看到，绝大多数的设计公司对于BIM的应用集中于施工图设计阶段，因为BIM协同工作的优势、图纸修改的优势、数据统计优势、管线综合优势等都是传统二维设计所无法比拟的。前期方案设计阶段，目前各设计公司依然主要依靠CAD加SKETCHUP加3DMAX及PHOTOSHOP的传统设计流程模式，方案设计人员对于新BIM技术的接受度较低，认为REVIT或者ARCHICAD在三维造型方面的自由性及随意性会弱于SKETCHUP, 过于的模块化和大量的参数输入会阻碍设计师推敲体型时的自由度。要想对目前这种状况提出些建设性建议，我们必须对前期设计工作的特点和流程进行分析。

4.   目前建筑设计前期工作程序与应用软件分析

(1) 主创设计师构思概念方案—此阶段是建筑师对设计条件和任务的理解和分析阶段，最好不受任何软件束缚，由建筑师天马行空想象，并用传统的草图纸记录思维过程(见图 1)。

图  1  草图纸表现概念方案

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(2) 概念方案体型推敲比较阶段—此阶段传统设计模式一般是制作简单的实体建筑切块模型(见图 2、图 3)或者利用AutoCAD、Sketchup、Rihno等软件进行建筑规模、体型、比例、材质等因素的推敲。

图  2  实体模型

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  3  SKP模型(某博物馆项目)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(3) 概念方案深化阶段—此阶段应承担起对概念方案的具体落实职责，对合理的柱网确定、防火分区、疏散距离、建筑高度、结构选型等一系列与建筑规范密切相关的问题应着重考虑。传统设计模式是以具体的建筑平面、立面、剖面来进行表达。由建筑师用CAD分别完成后填色(见图 4)。

图  4  CAD转平面填色图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(4) 设计方案表达阶段—此阶段成果是设计方与业主交流的主要纽带与平台，也是投标与项目方案汇报的重头戏，大量直接设计成本集中于此。图纸内容一般包括建筑填色的建筑总平面图，功能及相关分析图、建筑单体平面、立面、剖面图，以及各类效果图等。同时根据业主的要求，有时还要提供建筑动画、实体模型等。目前各设计公司一般是将效果图、动画、模型等全部外包至专业公司进行制作(见图 5)。

图  5  3DMAX+PHOTOSHOP效果图

(某博物馆项目)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

设计表达阶段常用软件有：AutoCAD、Sketchup、3DMAX、Rihno、Maya、Lightscape、Artlantis、Photoshop、Indesign等。

5.   BIM在建筑设计前期工作中的应用

5.1   通过对前述前期设计工作特点的分析，我们认为BIM技术在前期设计工作中还是有其相当大的优势的，分析如下：

(1) 可视化(Visualization)：BIM将专业、抽象的二维建筑描述通俗化、三维直观化，使得专业设计师和业主等非专业人员对项目需求是否得到满足的判断更为明确、高效，决策更为准确。

(2) 数据传承性：从技术上说，BIM不是像传统的CAD那样，将建筑信息存储在相互独立的成百上千的DWG文件中，而是用一个模型文件(可看作一个微型的数据库)来存储所有的建筑信息。如果在前期方案阶段引入BIM技术，可以保证数据的传承性，避免后期输入翻图的重复劳动。

(3) 模型深度的可调整性：BIM建模需要达到何种深度和详细程度？这个是困扰前期设计工作的一个重要问题，有时设计师会陷入“过度建模”的误区，即在模型中包含过多的细节。但在项目初期，最好多使用概念性构件，只包含简单的几何轮廓和参数，而随着模型逐步深化，再用更多的细节去充实模型。在这个过程中，要考虑哪些细节信息是确实需要的，哪些细节实际上并不需要。减少不必要的细节既能减轻设计师的工作量，也能提高软件运行速度。BIM经理需要为项目制定详细度标准，在前期方案使用较低的详细度，而在施工图阶段再使用更高详细度的对象来替换前期对象。这样也能在前期方案构思时解放设计师的思想，赋予其更多的自由度。

(4) 设计合理化：参数与模块化设计会使设计方案模型更趋于理性，便于后期的深化与实施。目前设计院前期设计人员普遍存在年轻化的趋势，或是毕业后一直从事方案创作，没有太多的施工图经验。这样在方案创作中有时容易脱离实际，方案落地时会发现这样那样各种不合理的问题，最终实施方案往往面目全非。通过BIM技术介入前期设计方案，对于方案的合理性优化会很有意义，建筑梁板柱墙窗等各构件的参数化和模块化使设计方案更具实施性，同时建模过程也加深了设计师对建筑的理解。

(5) 设计输出表达的便捷性：从前面对前期设计方案表达阶段的分析可以看出，最终的设计成图过程是一个工作量集中而密集的阶段。设计师们要分别画出CAD单体的平面、立面和剖面图并填色。同时还要提供给外包的服务公司建立3DMAX模型并做最终的效果图，有需要的话还要花大量财力来完成建筑或规划动画。对于BIM技术来说，一切变得简单多了，设计定稿时，模型也就基本完成，所需的就是直接在模型上设置剖切面迅速得到各个位置的平面、立面、剖面图，并可以直接填色。无论是REVIT模型还是ARCHICAD模型均可以导入ARTLANTIS或者VRAY渲染器进行真实材质的渲染，很容易得到反映真实环境及建筑材质的效果图和动画，整个过程方便快捷(见图 6)。

图  6  AC+Artlantis渲染图(某博物馆项目)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(6) 建筑模拟分析：BIM技术可在项目设计初期对BIM模型进行各类分析，如面积分析、体形系数分析、可视度分析、日照轨迹分析、建筑疏散分析等。通过分析可以及时准确的反应设计方案的可靠性和可行性，给方案的合理化设计提供了准确的数据(见图 7)。

图  7  能耗分析图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5.2   BIM的现阶段应用

在认识到BIM在前期工作中存在优势的同时，我们应该看到的是目前实际情况是各个设计公司在BIM技术推进工作中遇到的重重困难，尤其是设计前期阶段。其原因主要是：

(1) 外部变革动力与压力不够：业主对前期阶段一般无BIM需求。

(2) 软件成本较大：设计工具、协同模式的变更所带来的软硬件成本、培训成本、新技术积累与现有设计成果的转化成本都会较高，各设计院一般也是从设计中后期开始配备BIM技术力量。

(3) 前期设计业务压力：前期设计部门往往是现有业务多、时间紧、压力大，导致设计企业对于推行BIM的情况往往是高层领导积极、中层领导反对、设计师没有学习新技术的时间和精力。

(4) 个人技术更新动力不足：很多设计师已经习惯了固有的设计模式，对3D参数化设计习惯、协同设计模式等的改变不适应。认为在方案构思时采用BIM技术会使思路受限，同时不愿意承担太多学习时间成本及变革的风险，这都将影响BIM的进一步推广。

(5) 技术不完善：BIM工具的专业设计功能依然存在较大的提升空间、可以结合前期设计的工作特点有针对性地进行完善。

5.3   BIM的长远阶段应用

从长远看，BIM技术作为一种新兴的设计模式，尽管存在各种阻碍因素的制约，但其发展依旧是迅猛的，因为建筑信息模型不仅是一个工具的升级，BIM的应用还将改变设计院内部的工作模式，也将改变业主、设计、施工方之间的工作模式。在BIM技术支撑下，设计方能够对建筑的性能有更多掌控，而业主和施工方也可以更多、更早的参与到项目的设计流程中，以确保多方协作创建更好的设计，满足业主的需求。BIM在设计阶段的应用已经势在必行。

6.   附：Artlantis与BIM模型的结合应用

Artlantis是法国Advent公司重量级渲染引擎, 它是一款用于建筑室内外场景的专业渲染软件，其超凡的渲染速度与质量，友好和简洁的用户界面令人耳目一新，其渲染速度极快，渲染后的图像和动画影像非常具有质感。以下主要介绍ArchiCAD结合ARTLANTIS的应用研究

6.1   BIM模型的搭建要求及数据的转换

Artlantis软件的接口具有良好的软件接口，支持的文件格式也比较多(见图 8)，如DXF/3DS/DWG/SKP等文件格式都可以在Artlantis下直接打开使用，由此可见Artlantis软件针对目前的sketchup、ArchiCAD等建模软件的兼容性还是很好的。

图  8  Artlautis软件接口类型

下载: 全尺寸图片 幻灯片

BIM模型要比sketchup模型细致很多，基本上都是按施工图标准来搭建的，所以我们用BIM模型转换到Artlantis中，用它来制作出的三维表现图更细致，更接近于实际效果，还可以通过BIM模型渲染三维管线和三维剖面图，很方便，也很实用。

模型在导出之前最好附带材质附的模型，也可以按颜色区分材料做好选择集，后者操作起来更快一些。附材质和色块的目的都是为了在Artlantis中编辑材质使用。因为在Artlantis中是通过同类材质区分对物体进行分类，同一种材质默认为是一个物体。

6.2   利用三维模型渲染出图的制作方法

6.2.1   模型的导出和导入

此文针对在ArchiCAD软件下建模导入到Artlantis中展开说明，当BIM模型建立完成后附上材质，将文件另存为3DS文件，在存储的时候会把模型的材质贴图一起存放到相应的目录下，然后打开Artlantis软件导入。

6.2.2   材质的赋予和编辑

模型在Artlantis中打开后，是一个不带材质的素模型(见图 9)，之前在ArchiCAD编辑的材质不能完全显示，必须从新赋予和编辑，原因是Artlantis对中文的材质名称不能够很好的兼容。

图  9  未附材质的素模型

下载: 全尺寸图片 幻灯片

通过我们的摸索和尝试，素模虽然没有带材质，但是整个BIM模型的建筑构件是按之前赋予的材质来分类的，相同材质的物体在Artlantis中将被认为是一个整体，如果想单独编辑某个构件的材质需要将它独立出来，因此在模型导入之前做好选择集，是很重要的一步工作，否则整个建筑模型将被视为一个整体，编辑起来非常繁琐。通过项目的实践，我们建议其他设计师在模型导入之前，将贴图和名称都整理好，可以提高工作效率。

在编辑现有材质时，可以通过在材质预览窗口直接拖拽到要赋予的物体上，如果想编辑材质可以通过修改材质列表，也可以通过点选模型上的材质，在材质编辑出口对材质的属性信息进行调整，通过调整材质的反射值、高光、凹凸值、透明值、贴图亮度等属性来实现自己想要的材质理想效果。Artlantis的材质编辑功能很直观，参数调整也很方便，见图 10。

图  10  材质编辑窗口

下载: 全尺寸图片 幻灯片

6.2.3   阳光

在阳光的设置面板中可以设置，地理位置、日期、时间、阳光强度、阴影的强度，以及云的形态等参数。可调整的参数非常丰富和实用，见图 11。

图  11  阳光设置模板

下载: 全尺寸图片 幻灯片

6.2.4   相机

在Artlantis中相机分为相机透视图、平行视图、全景图、虚拟现实、动画五类，相机透视图、平行视图、动画相机基本上可以满足一般使用的需要，见图 12-14。

图  12  相机位置调整视图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  13  透视相机设置界面

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  14  动画相机设置界面

下载: 全尺寸图片 幻灯片

一般情况下从ArchiCAD导入的模型，都会自带一个相机，根据个人习惯，可以保留也可以自己新建一个将原来的删除，个人建议用后者比较好。相机位置的调整需要在2D视图中进行调整，也可在“实施预览”窗口中调整，操作起来也都比较简单方便，相机位置调整好后，通过“透视图渲染设置“对话框调整所需参数，相机的设置基本完成。以后可以根据需要再进行相应调整。

在二维视图中通过调整蓝色矩形框的高度和范围，来实现三维的平面图和剖面图，操作方便快捷，实时生成预览图像。调整好所需的剖面后即可渲染出图。以下是调整后渲染的图片，见图 15-图 16。

图  15  立体调整相机高度

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  16  管线与建筑结构关系渲染图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  17  剖切面渲染图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

制作后期渲染的软件有很多，在项目初期三维表现方面用Artlantis出效果图和不同角度的透视图还是非常实用，在方案设计阶段，项目汇报文件制作、投标等项目前期有较高的使用价值，基本上能满足设计方案的表现需求，结合BIM建模软件使用，在方案设计的推敲和立面材质的选择上，表达更直观，通过BIM模型进行的能耗分析、管线综合等对BIM模型在三维表方面的的应用，既节约了经济、和人力成本，又提高了设计工作的质量和效率。三维表现方面的应用为将来的全专业BIM可视化设计提供了强有力的支持。

7.   结语

在建筑项目设计中实施BIM的最终目的是要提高项目设计质量和工作效率，从而减少后续施工期间的洽商和返工，保障施工周期，节约项目资金。BIM在前期方案阶段的应用也是如此，应充分发挥建筑信息模型技术在前期方案中的优势，在建筑的策划分析、设计合理性、设计表达方式的便捷性、数据分析的精确性、模型数据的传承性等各方面描绘出传统二维设计所不能比拟的前景，切实提升项目的设计质量及工作效率。