[摘要] 在建筑生命周期的i个主要阶段(设计、施工和管理)，建筑信息模型B1M(Building information Modeling)对于促进数据信息交换与共享，加快决策速度，降低项目成本和提高产品质量等方面起到了非常重要的作用。建筑设计是一个从无到有、反复修改的过程，随着超高层、超大跨度建筑以及特大跨度桥梁等大型复杂土木工程在我国的相继发展，设计者贯彻信息模型理念显得越来越重要。本文在介绍建筑信息模型相关发展的基础上，阐述了信息模型在协同设计中的作用，期待能够促进建筑信息模型在上程设计行业的运用。

1建筑信息模型BIM发展背景

1．1国际背景

目前，全球土木建筑业存在两个亟待解决的问题：一是各种生产环节之间缺乏协同工作，以至于生产效率较低，资源浪费严重；二是重复工作不断，特别是项目初期建筑和结构设计之间的反复修改工作，造成生产成本上升…。美国国家标准和技术协会的研究数据表明，由于缺乏相互协作，建筑业每年约有158亿美元的损失(2004年统计数据)，在4．8万亿美元总投资中约30％资金浪费(2008年初统计数据)陋1。研究还表明，土木建筑业约消耗了全球40％的原材料、40％的能量(消耗了美国电力能源的65．2％)，约占大气污染排放量的40％以及占用土地供应的20％用于建设。

图1为当前国际制造业和建筑业投入资金流向比较。从图中可以看出，制造业价值增值为62％,所产生的浪费为26％；而土木建筑业的情况正好相反，价值增值仅占10％，却有高达57％资金浪费。

图2为美国工业原材料百年消耗示意图。从图中可以看出，建筑业所消耗的资源(图中箭头所指)远远高于其它行业，并呈现急剧发展的势头。虽然我国在这方面还没有相关的统计数据，但从近几年的建筑市场的快速发展来看，情况并不乐观。

图3统计了1964．2004年美国40年问建筑生产业和其它工业生产力发展的比较。从图中很明显地看出(灰线为建筑业，黑线为其它工业)，这40年间，美国建筑业的生产力不仅没有稳步上升，却呈现下降的趋势。

1．2国内背景

近年来，我国正处在城镇建设高速发展的过程中，能源和环境问题El益突出，土木建筑业必须由传统的高消耗、高污染发展模式转向能源和资源节约、环境良好、以人为本的高效发展模式。怎样解决以上问题，提高土木建筑业的生产效率，贯彻绿色建筑的发展模式，已经成为工程界关注的焦点。

目前，我国已经成为世界上最大的建筑市场之一。研究统计，2006年全球建筑业总产量达到4．6万亿，而东亚(主要是中国)就占了1万亿。但土木建筑业的增长在很大程度上是靠投资拉动和规模扩张实现的，因此，在保持建筑业高速发展的同时，必须形成对环境友好的绿色建筑市场。绿色建筑倡导高效合理地利用能源、土地资源、水资源、建筑材料等，最低限度地影响环境。而建筑信息模型BIM，正是在新世纪全球土木建筑业可持续发展的关键时期应运而生的新事物。

2 建筑信息模型BIM特点

2.1  IAI和IFC

1995年底，在北美建立了国际互协作组织IAI(Industry Alliance for Interoperability)，IAI组织的发展目标是在土木建筑全生命周期范围内，改善信息交流、提高生产力和质量、降低生产成本，从l的目标如图4所示。

IFC(Industry Foundation Classes)是IAI组织于1997年初开发的建筑信息共享标准，IFC为土木建筑业提供了一种通用的数据表达模型和标准，目前最新版本为IFC2x3。IFC2x3对图形信息组织有了很大的扩展，使较为完整的电子图纸交换成为可能。同时IFC2x3也对结构分析模型的信息模型作了很多增补。IFC采用的建筑信息模型(BIM)不仅仅包括一些看得见、摸得着的建筑元素(比如梁、柱、墙、板等)，也包括了一些抽象的概念(比如关联、对象类型定义、组织层次等等)。2007年，国家科技支撑计划课题“绿色建筑全生命周期设计关键技术研究”启动，其中将应用IFC标准解决信息交换和共享等技术难题，推动其在国内的应用。

2.2 BIM的特点

自2002年以来，国际建筑业兴起了以围绕BIM为核心的建筑信息化的研究。建筑信息模型BIM是对建筑物理和功能特性的数字式表达，从建筑物诞生开始，为建筑物整个生命周期提供可信赖的信息共享的知识资源。它基于IFC标准，是建筑生命周期各种信息的集成，基本前提是为土木建筑建造过程中的不同参与者(比如建筑师、结构师、建造师等)之间提供相互协作，方便地对数据信息进行更新或修改等处理。因此，BIM是基于开放标准(IFC)的、用于相互协作的共享数字式信息描述模型。

建筑信息模型BIM采用参数化来描述建筑单元，以墙、窗、梁、柱等建筑构件为基本对象(见图5)，而不是CAD中的点、线、面等几何元素，并将建筑单元的各种真实属性通过参数的形式进行模拟，进行相关数据信息描述旧引。在建筑信息模型中，建筑单元可以模拟除几何形状外的一些非几何属性，如材料信息、造价信息、设备信息等等。

建筑信息模型BIM采用关联性来描述建筑单元，建筑师或结构工程师修改某个单元构件的属性，
建筑模型将进行信息的自动更新，而且这种更新是相互关联的。关联性不仅提高了设计的工作效率，而且解决了图纸之间信息的错、漏、缺等问题。

建筑信息模型BIM贯穿工程项目的设计、建造、运营和管理等生命周期阶段，是一种螺旋式的智
能化的设计过程(见图6)。

建筑信息模型BIM具有以下特点：
(1)以建筑单元为基本描述对象；
(2)建筑信息文档生成、修改、维护简单，关联修改可自动避免二维图纸设计过程中平、立、剖面之间可能产生不一致的错误；
(3)支持各学科(专业)在同一数据平台的协同工作；
(4)具有强大的可视化展示及分析功能，可以清晰分析设计过程中可能产生的问题。

2．3 Bin的可视化技术

由于设计工作是一个反复修改的过程，通过BIM可将结构分析和计算从模型的建立、计算的实施到结果的输出中所涉及的大量数据转换成图形或图像，直观地显示在计算机屏幕上，让设计者能方便分析计算结果的正确性与合理性。

在大型、复杂结构体系的设计过程中运用可视化技术，建立包括单元拓扑结构、节点信息、刚度数据、材料特性、边界支撑条件、荷载分布等信息丰富的有限元结构分析模型，可以增强计算软件的前后处理功能。比如，在超高层建筑结构的结构分析可视化计算中，某一局部分析过程修改的动态演示，或者是施工阶段随时间变化的结构装配动态演示等。通过可视化技术还可以加快设计变更决策，快速检测工程设计中存在的错误和纰漏，降低工程设计建造成本。图7分别为厂房结构和管道结构的可视化效果与实图对比。

3 建筑信息模型BIM在设计中的应用      

3．1工程设计中建筑信息模型的优势

工程设计是工程建设的关键，在过去的20多年中，计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)技术使建筑师、结构工程师们摆脱手工绘图。但是，CAD并没有从根本上脱离手工绘图的思路。随着信息技术的不断发展，人们在进行建筑信息处理的过程中发现许多非图形的信息比单纯的图像信息更重要。由此，建筑信息模型BIM应运而生，其优势是：

(1)通过数字信息仿真模拟建筑物的真实信息，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信息；

(2)贯穿土木建筑的设计到建成使用，以及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；

(3)可以持续即时地提供项目设计范围、进度以及成本信息，这些信息完整可靠并且完全协调；

(4)能够在综合数字环境中保持信息不断更新并可提供访问，使建筑师、结构工程师、建造师以及
业主可以清楚全面地了解项目进展过程；

(5)信息的共享在建筑设计、结构设计、施工和管理的过程中能够加快决策进度、提高决策质量，从而提高整体项目质量。

3．2基于建筑信息模型的协同设计

当前，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，协作设计缺少统一的技术平台。比如在建筑工程的设计阶段，一般是各专业采用各自相应的CAD软件分别进行设计，为完成一项设计任务，需要重复输入大量的数据，而且很难保证数据的一致性。虽然目前也有部分集成化软件能在不同专业间实现部分数据的交流和传递(比如PKPM系列)，但设计过程中可能出现的各专业间协调问题仍然无法解决。

建筑信息模型为传统土木建筑业提供了一个良好的技术协作平台。比如，结构工程师改变结构中柱子尺寸时，建筑模型中的柱子信息也会立即更新。而且建筑信息模型还为建筑业不同的生产部门，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(4D建筑施工)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。

基于建筑信息模型的协同设计采用三维集成设计模型，从模型上直接获得的各专业视图和设计信息，不同专业设计人员通过中间模型处理器对模型进行操作，建立和修改与本专业相关的各种信息。

各专业的设计信息可放在本专业的“领域层”上，其它专业的设计人员可参考，但不能修改。中间模型的运用可使设计信息得到及时交流和传递，更好地解决协同设计中不同专业间的相互协作问题，从而大大提高设计的质量和效率。

建筑信息模型协同设计重要环节是数据的交流与共享。它主要包括两方面的含义：一是异地设计采用不同应用软件时，生成文件之间的数据转换与共享；二是不同工种之间的数据传递和共享，即把不同专业、不同功能的CAD系统，如建筑、结构、给排水、暖通设计等系统有机地结合起来，用统一的执行平台规范各种信息的传递，保证系统内信息流的畅通，并协调各CAD子系统有效地运行。对于第一种情况，一般利用中间数据文件来实现数据转换。对于第二种情况，一般采用建立中性数据库的方法，把应用程序中被处理的全部数据放在数据库中，由数据库管理系统通过统一的界面进行管理。

4 结 论          

在“十一五”国家科技支撑计划重点项目《现代建筑设计与施工关键技术研究》中，明确提出深入研究目前国际上倍受关注的建筑信息模型BIM的技术，完善协同工作平台，研究大型复杂工程设计信息化的关键技术，提高设计过程的工作效率、生产水平和质量。本文阐述了建筑信息模型近年来的发展背景和特点，以及运用建筑信息模型技术完善工程设计过程的协同工作，希望能够促进建筑信息模型技术在工程设计行业的运用。