BIM技术在计算机辅助建筑设计中的应用研究

本文深入分析了BIM技术应用的原理、工作数据库及其在计算机辅助建筑设计中的具体应用价值和方法，探索BIM技术和建筑设计的集成，为设计与研发基于BIM技术的建筑工程软件提供借鉴。

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引言

在进行建筑设计与施工时，设计师与施工人员会利用BIM技术进行虚拟建模，然后对模型进行分析，从而全面获取建筑准确资料，实现建筑信息共享，提升建筑设计与施工的科学性。同时，BIM技术还能够生成图纸，不需要设计人员动手绘制，方便设计人员对图纸进行修改与优化。

1 BIM技术应用原理及工作数据库

1.1 应用原理

BIM技术在建筑设计中的应用，主要是通过数字编码表示建筑，创建信息模型满足建筑在各个阶段的数据需求，同时还能够将虚拟模型转化为2D或3D施工图纸，并进行能量结构的分析。在应用BIM软件进行建筑设计时，可以利用计算机获取全部的建筑信息，然后在对其进行修改时也是应用计算机进行。

1.2 工作数据库

在应用BIM技术进行建筑设计时，不仅可以构建出建筑的虚拟模型，而且还能够根据建筑施工的进度，对模型进行实时的更新，从而监督建筑施工的质量与效率。应用BIM技术建立施工模型，及时发现施工中存在的问题，并采取有效措施。例如，当发现施工方案与实际的施工条件不相符时，施工人员要立刻对施工方案进行更改，保证施工质量。因为BIM技术具有将全部建筑信息记录下来的功能，因此在建筑领域应用此项技术，创建出的虚拟模型也是一个综合性的数据库[1]。这个虚拟 建筑模型可以实现业主、开发商、承包人、设备管理者、工程师以及政府管理机构等都对信息进行共享，方便建筑设计，并且有利于进行工程统计和成本运算，实现对建筑各个阶段的信息管理。

2 BIM技术的应用价值

2.1 设计虚化建筑模型

在建筑设计与施工中，BIM技术的应用价值无法估计。建筑设计时，BIM技术能够建立三维立体模型，并对模型的各结构进行控制，确保模型与现实的建筑结构保持一致，建筑人员在实际建筑设计与施工时，直接对模型进行观察，能够提升具体的工作质量;设计修改时，设 计师只需要对虚拟模型进行更改，就可以变更建筑设计方案。相比于传统的二维图形设计，设计师可在设计完成后对虚拟模型进行观察，从多个角度观察设计效果，并通过查验使设计更加合理[2]。例如，设计人员在进行内部空间设计时，只看设计图纸根本观察不到实际的设计效果，但是BIM模型则能够给人强烈的视觉效果，帮助设计人员合理选择内部空间的色彩。而且利用BIM技术进行建模还能够呈现出良好的色彩填充效果，能够切换不同的颜色让设计人员对呈现出来的效果进行对比，最 终确定色彩的设计方案。

2.2 自动生成图纸文档

在传统的建筑设计中，设计图纸需要手工绘制，包括平面图、立面图、剖面图等，如果要进行设计方案的修改与调整，过程较为复杂，降低了建筑设计的效率。利用BIM技术进行建筑设计，可以自动生成图纸，降低了操作的难度，设计人员只需将原本设计好的虚拟模型生成各种需要的设计图纸，不需要再进行手绘。而且BIM模型在应用的时候具有工作数据库，能够实时获取建筑信息，在施工的过程中也可以为设计人员提供各种所需的设计图纸，方便设计人员对图纸进行修改和调整，从而提升建筑设计的科学性。基于BIM技术的计算机辅助建筑设计，还拥有配套设施，能够进行3D打印、多平面打印，使建筑图纸更加精准，方便设计师工作，保障设计工作高效完成。

2.3 管理功能的变更与调整

在计算机辅助建筑设计中应用BIM技术，还有利于进行管理功能的变更。在建筑设计中，信息的构建、录入与提取是非常重要的工作，而自动变更管理这项功能可以提高获取信息的时效性，能够根据建筑施工的具体情况变化而自动更新各项建筑信息，有利于为建筑设计人员提供实时的数据参考，而且应用BIM技术还能够保留最佳的设计效果信息。BIM模型在应用时与传统的各种设计图纸的拼接有着本质的区别，建筑模型可以将各项信息融合在一起，从而获取整体的设计效果，保证设计 的全面性和完整性，为设计人员提供强大的检索功能。

2.4 高级分析处理功能

建筑设计时，建筑规模会随着当前我国经济的发展而变化，且建筑结构会更加复杂，因此需要设计人员对设计的数据进行良好的分析与处理。BIM技术在建筑设计中的应用还能够发挥出高级处理与分析能力，对各项建筑信息进行综合与整理，实现自动化、系统化与科学化的分析，并保障设计信息具有较高的应用价值，提高计算机辅助软件的可靠性与实用性。

3 BIM技术在建筑结构模型设计中的应用

3.1 基本对象的表达差异

在进行建筑设计时，应用BIM技术可以进行虚拟建模，然后获取从设计到施工再到应用的全生命周期的建筑信息库，但是由于在不同的阶段，建筑的具体信息存在一定的差异，因此在进行建筑模型设计时，需要分阶段建立子模型，从而促进BIM技术应用的科学发展。在对建筑和结构模型的特征进行分析时，设计人员需要先确定基本对象的表达差异[3]。因为建筑模型与结构模型处于不同专业，因此在进行基本对象的表达时，也是不同的。例如，对带有门窗的墙进行对象表达，在结构模型及建筑模型中其基本对象是不同的，具体见表1、表2。

3.2 模型数据的反复构建

在建筑的各个阶段，数据信息在传输时都需要应用BIM技术，提取出结构、节能及水暖电等其他设计信息，然后再进行二次建模，得到结构信息模型、节能信息模型及其他信息模型，而且从结构信息模型中提取出的信息也要应用于节能信息模型和其他信息模型的二次建模。即建筑模型处于支配地位，影响结构、节能、水暖电等环节的设计，并且结构信息模型也会影响节能与水暖设计。

3.3 建筑结构信息模型的设计

建筑结构信息模型，也就是ASIM建模，其流程主要是利用BIM软件完成计算机的辅助建筑设计，再利用IFC标准数据模型格式进行建筑对象的表达，建立建筑模型。接着，模型信息转换平台会利用C++编译器或FORT RAN编译器及PKPM图形显示平台提取结构对象的信息，或者是对象之间的关系，并利用结构规范，建立结构模型[4]。最后，利用结构设计与分析的软件对结构模型进行分析、修改、调整与计算，并对荷载进行布置，最终生成模型数据库，保证接下来的工作顺利完成。

3.4 建筑结构信息模型的集成框架

ASIM体系包括建筑、结构、节能以及其他阶段的信息模型，根据ASIM建模流程完成ASIM的集成框架体系，则需要按照工程信息交换的IFC标准，建立IFC数据模型以及IFC物理文件，完成应用体系、模型体系、转换体系及数据库体系的构建，并且每个体系都包括4个阶段：建筑 阶段、结构阶段、节能阶段及其他阶段。各个阶段及体系的信息在建筑的过程中不断积累，且相互影响，从而形成 了BIM设计的各个子信息模型。图1为ASIM集成框架图。

图1 ASIM集成框架图

3.5 建筑结构信息模型的转换平台

ASIM的转换平台在建筑设计中具有重要的意义，一般而言，应用BIM技术进行建筑设计需要在VisualC++的语言环境下，创建出多个C++类，而且要确保C++类与IFC标准相符合。设计人员还需要对各类进行Add函数等的编写，用于解析IFC文件数据流里面的字符，并将其转 换为临时参数，使C++类能够理解，然后将实例写入内存，同时对临时的参数进行索引，提取出内存中对象对应的地址。最后，在一定的环境中，实现主函数的编写，让转换平台具有执行的功能。例如，在进行上海中心大厦的建设时，应用了BIM技术和可视化技术进行模型的搭建，呈现出较高的真实度和详细的设计信息，能够为施工人员呈现设计的结构信息，从而使施工人员了解设计的整体布局情况，观察建筑结构的各个环节，最终确定施工方案。

4 BIM技术在建筑设计中的具体应用

4.1 外部结构设计应用

当前，人们更加追求个性化的生活理念。在建筑领域，设计师在进行建筑设计时也不再局限于方正设计，而是追求椭圆形、奖杯形、环形甚至是抽象的几何形设计。例如我国的广州塔设计上下2个椭圆扭转在腰部收缩变细的形状，塔身的设计为渐变的网格结构。这种外部结构的设计如果没有BIM技术，设计人员就无法确定建筑形态，从而保证建筑按期完成，保证建筑效果。在应用BIM技术时，设计人员可以利用3D模型对建筑结构进行任意旋转，放大模型观察设计的细节，可以帮助设计人员更好地进行结构、暖通、电气、给排水图纸的设计与修改，提升建筑外部结构设计的科学性与效率。

4.2 内部组件设计应用

在进行建筑内部组件设计时，利用BIM技术可以对设计的各个结构数据进行详细的分析与处理，从而提升内部组件设计的合理性与准确性[5]。例如，在进行给排水结构的设计时，传统的建筑设计一般都是矩形的，因此给排水工程设计比较简单，但是在现代建筑中，因为建筑的外形更加多变，每一层的建筑结构都存在一定的变化，因此给排水工程结构也会呈现出不同的管网系统，如果还应用传统的设计方法进行设计，就无法保证管网系统的科学性。设计人员利用BIM技术进行3D模型的构 建，然后在模型中对管网系统进行设计，就可以分析出给排水水表节点以及配水用水设备的布置规律，避免存在偏差。利用BIM技术可以使设计人员了解设计与施工中的细节，使工作人员的读图效率更高，更好地传达出设计的意图以及施工诉求，科学进行给排水工程施工，提升施 工效率与质量。

4.3 节能建筑设计

当前建筑行业更加重视绿色节能建筑的设计，但是节能建筑的设计需要多方面的支持，从而降低建筑物能耗。建筑物的能耗主要取决于外部环境与建筑物之间存在的能量交换、通风及采光，这主要是由建筑物的方位、造型及结构所引起。应用BIM技术后，设计人员可利用计算机模拟建筑能耗，从而进行生态的计算与评估，然后对建筑设计的方案进行调整和修改。例如，在建筑场地中，设计人员可以将建筑材料的各项信息导入到虚拟模型中，通过BIM技术自动分析建筑物的能耗，方便设 计人员制定解决对策，从而进行良好的设计与布局。

4.4 建筑光照分析

建筑设计时，需要考虑到日间距，而且日间距在建筑的整体规划中也是重要的衡量指标。我国当前的建筑设计与建造存在着较大的日间距问题，高层建筑经常会光照不足。利用BIM技术建立建筑模型，模拟每天的日照情况以及建筑阴影对建筑的阻挡情况，可以分析出建筑物之间的遮挡影响以及周围环境对建筑物的遮挡影响。因为BIM技术可以获取到实时数据信息，可以对光照的变化情况、不同季节的光照情况以及光照的范围、强度、角度等进行模拟，从而为建筑设计提供理论参考。例如，在进行建筑设计时由于建筑材料以及阳光直射的影响，存在着建筑物过度曝晒的情况，可以利用虚拟建筑模型对建筑的布局与结构进行调整，从而使建筑物受到的阳光照射更加科学，有利于提升建筑物的使用寿命。同时，应用BIM技术还能够模拟出建筑物获得的阳光照射日光能 量，从而确定在不同的角度上，建筑物的日光辐射，避免日光过度曝晒建筑物。设计人员还可以利用BIM技术建立太阳能吸收装置，将太阳能转化为电能，提升建筑物的环保性能。在具体的太阳直射角度计算中，设计人员可以利用BIM技术和GIS技术进行建筑物虚拟模型以及位置的确定，然后根据太阳直射的公式进行太阳高度角的计算，见式(1)：

结语及展望

在现阶段应用BIM技术进行建筑模型设计时，需要工作人员将模型分发到相应的分析软件中进行分析，然后对建筑结构的相关信息进行计算，而工作人员需要输入相应的指令，这样才能够生成结构模型以及动态的设计图纸。要想提高结构设计的准确性，工作人员就要保证模型的真实性，这就要求工作人员综合考虑BIM技术的物理建模能力。在应用BIM技术进行建筑模型设计时，需要采取完全标准的结构构件才能实现数据模型之间的对接，如果建筑结构在设计中不符合规范的要求，就会导致计算中的数据丢失，从而为建筑工程施工造成不良影响。因此，在实际的建筑结构设计中，工作人员需要加强物理模型以及结构分析模型之间的数据对接，提升设计水平。在未来发展中，BIM技术可以用于建立大型项目群，有利于对建筑项目进行协调处理，使建筑的效率提升，保证工程如期且高质量完成。

总之，BIM技术在计算机辅助建筑设计中的应用，可以提高建筑设计的质量，保证建筑工作高效完成。在具体应用中，BIM软件需要先对建筑基本对象进行不同的表达，然后构建模型数据，建立ASIM集成框架，实现ASIM平台转换，完成虚拟模型的建设，保障建筑施工质量，促进我国建筑行业的快速高效发展。

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