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整体式的BIM设计方式研究—基于协同与替换模式的多平台整合应用.rar

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    整体 BIM 设计 方式 研究 基于 协同 替换 模式 平台 整合 应用
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    整体式 BIM——基于协同与替换模式的多平台整合应用吴吉明,倪琛,张庆利北京市建筑设计研究院有限公司,北京市建筑设计研究院有限公司,北京市建筑设计研究院有限公司http://www.biad.com.cn , http://www.biad.com.cn , http://www.biad.com.cnwujiming@biad-1st.com , nichen@biad-1st.com , zhangqingli@biad-1st.com摘要:随着科技手段的发达,越来越多的设计者开始关注于通过数字手段对建筑体型控制,然而在实践过程中设计者却往往发现数字化的设计流程下,对设计的把控往往与原有创作流程不同步,往往很难从整体角度把控设计的走向。为了解决这样的设计实际,我们根据实际项目中的体会,提出了一套基于设计师思路的整体性的数字建构方式与逻辑优化模式。关键词:计算思维;设计思维;信息决策;整体式 BIM ;设计方式Integral BIMMultiplatform Integrated Application Based on Coordination and Interchange WU JIMNG,NI CHEN,ZHANG QINGLI.Beijing Institute of Architecture Design China,Beijing Institute of Architecture Design China,Beijing Institute of Architecture Design ChinaAbstract. With the technology developing fast, more and more designers begin to concentrate on the digital ways of controlling the shape of architecture. While in the process of practice, designers always find that real situation and the original assumption are out of sync when using digital ways. It’s easy to get stuck on specific things and lose sight of the overall aim. In order to solve this problem, we have worked out the integrity of the ways of digital construction and logic optimization model based on designers’thinking. Keywords. Computational Thinking ; Design Thinking ; Information Decision ; Integral BIM ; Design approach本论文为北京市建筑设计研究院 2015 年度科研项目(FJW2014-081):《从构思、方案到施工图——整体式 BIM 的设计方式研究》 , 2014 年度科研项目(FJW2012-045) 《设计院体系下的 BIM 平台建设思考》课题的部分研究成果引言:什么是“整体式 BIM”建筑信息模型(BIM)是建筑业的信息革命,它作为一种创新的建筑设计、施工和管理方法已为整个设计行业所认可。BIM 可以帮助工程建筑项目提高效率、降低风险、并且可以减少对环境的影响实现绿色可持续设计。然而由于目前人们对软件技术与关键衔接方式认识不足,实际操作中 BIM 的应用普遍遵循着数据输入、组件拼装然后再整体优化的设计流程。这样应用的解决方式显然更偏于计算的思维,相比较建筑师的思维,现有的 BIM 工作流程存在明显拼装式感受,妨碍了设计人对设计全程的整体把握。这也使得 BIM 的设计方式难以在更大的范围内广泛推行。“整体式 BIM ”这一理念正是我们针对这一现实状态提出的一套创新性的设计流程。我们认为“构思” 与“实现 ”都是建筑创作中不可忽视的部分,这两部分的思考相辅相承,不可分割。而通过软件体系的有效组织与再造设计流程,我们完全可以达成一种更符合设计师思维的全过程控制。这是一种基于协同与等效替换方式的设计流程,它将旧有的装配式 BIM 优化为从全局把握、调整定型再到优化与信息注入的更为整体性的设计模式。这是一套基于设计师思路的整体性的数字建构方式与逻辑优化模式。[1]设计思维与计算思维在数字技术,特别是以 BIM 为代表的建筑信息化技术蓬勃发展的当下,如何将其与建筑设计过程完善的结合,一直是我们思考和探索的重点。我们深深感到:一方面设计的感染力来源于设计师的灵感甚至武断的直觉,另一方面设计的理性分析归纳以及描述,直至建造又依赖于严谨的逻辑化过程,设计中感性的部分倚重于设计思维,而理性的部分则仰仗于计算思维。两者互为支撑,恰如硬币的正反两面。设计思维是应对变化而应运而成的思维方式。作为一种思维方式,设计思维便于设计师从整体进行思考,把握大局,切中要害,能更加贴合客户的要求,其局限往往在于对微观层落实的忽视[2]。而计算思维的优势在于它的实操性以及对大规模重复性计算的应用。它的局限更多体现在对于宏观层面的控制性把握 [3]。两种思维方式各具特点,设计思维偏于宏观构架,而计算思维强于协助成果落地与推进。两种思维侧重不同但又互为补充。整体式 BIM 的设计方式在数字化大潮中我们保持了冷静和相对中立的态度。我们认为:人的创造力始终是一切设计的内在灵魂,人的思考与判断是设计过程中的主体。成功的数字化设计不应颠覆灵感赖以产生的原初设计过程,而应成为这一过程有力的辅助、支撑和延续。因此,以启发宏观概念为基点,概括描述为特点的传统的设计方式和以搭建微观结构为基点,逻辑演绎为特点的 BIM 设计方式将长期共存,彼此互补。我们认为在现有的 BIM 模式中应该更多的加入“ 构思” ,也就是“设计思维”的元素,我们期待未来的 BIM 可以更贴近于设计的本源 [4], “整体式 BIM”提出了“先整体再细部”的全新 BIM 的构建模式。这份研究成果源于设计实践,我们也希望它可以为我们未来更多的设计项目予以启示。设计院体系下的 BIM 的现状现有设计院条件下,各类的技术支持日趋完备,配合模式和手段也越来越多元化。设计院已具备了实现 BIM 的各项前置条件。而另一方面由于效率与回报体系尚未形成良性循环,大部分业主方对 BIM 项目的考察点,还只是局限在项目的落地可行性与时间成本等方面等传统判定标准上。[5]管理方面,由于 BIM 模式的体系化操作与现行管理体系间存在隔阂,流程性的管理往往会给实际操作带来大量繁琐与冗余操作。平衡式的管理以及更人性化的操作仍是我们未来一段时间必须要强化的问题。对于广大一线设计人员,习惯性操作依旧难以改变,培训成本巨大,难以直接转换为生产力。而传统设计模式在很多环节中还有具有巨大的优势。难以忽视。[6]针对设计院模式下 BIM 应用的几点优化: 为了更好的适应时代要求,切实强化 BIM 在设计院体系下的整体推进与平顺的过渡我们针对设计院体系下的 BIM 实践进行了进一步的优化:1. 我们强调整体化的 BIM 设计模式,我们强调发挥各软件最强优势,整体推进,通过信息注入等方式对一些宏观层级的问题予以补充,提出了“偷梁换柱式”的设计模式。2.规则先行:为了项目的更好推进,避免后期无谓的损耗,规则先行是设计院 BIM推动环节中非常重要的一个原则。在实践过程中,我们基于整体协同的原则建立了完整的文件构架,而利用标准的操作流程以及数据库结构,初步解决了跨软件间的模型交互。3.体系化策略以及回馈与总结机制:为了确保研究的实效性,在我们的研究中我们特别注重项目的体系化构建,我们将专注的重点更多放在了各个接口的开放与衔接方面的而非各软件内的具体应用。我们强调核心团队的带动,以点带面, 避免低水平重复。我们也建立 BIM 的回馈机制,注重方法总结,强化日常的交流 [7]实践案例及总结:传统设计方式的嬗变课题研究从我们院的几个具体的工程实践入手,分析目前通过整体设计手段实现全流程 BIM 的可行性。对从创意构思到施工图配合阶段的主流设计软件进行梳理。使设计人员了解个设计阶段中软件的优势与能力。同时基于目前移动互联和“云” ,我们也探讨了借助先进的移动和云存储模式从前期草图构思到施工图甚至到工地现场解决问题的一系列可能。整体式 BIM 标准的工作流程: (各实际应用可根据这一标准流程进一步优化 ) STEP 1 建立项目构架与整体输出体系:利用已有的构架模板建立文件体系、适用软件、人员配置、工作的交接界面等标准。按最终输出完成基础性的页面布局,页面内容先利用标准占位符填充。这一阶段的目的为制订标准,划分工作界面,明确最终成果表达内容与范围。确保项目未来的每一时刻都具备时时输出的可能。STEP 2 资料收集及头脑风暴:以设计概念为出发点,进行各种形态的资料收集。核心成果逐步替换已设定好的页面中的占位符。这一阶段的是为了解和收集项目有关的各种相关变量,探讨其可能性,判定各个影响变量的权重。STEP 3 构思及主体功能布置:以手绘草图及 Sketchup 体量模型为表达手段,草图及模型按照先期制定的文件夹架构进行设计成果留存,逐步替换前期概念搜集阶段的意向性图片。在这一阶段,应力求解决规划建筑的主体功能\空间的基本布局等核心问题。STEP 4 数字化草图与综合分析:利用 CAD 绘制平面草图或利用软件手段将原有相对含混的图形信息数字化。在这一步骤中应包含平面柱网、功能布局等基本信息。此外通过软件的数据接口,综运采用Ecotect、CHEC 等建筑分析工具优化设计。这是一个输入→反馈→输出→调整→验证的递归过程,一般包含多次设计调整。在这一阶段,方案将趋于合理。STEP 4 BIM 初步阶段:设计方案基本稳定,开始 BIM 建模。通过 REVIT 与 CAD 良好的兼容性,以链接方式引入 CAD 平面图或 Sketchup 的体量模型,已拾取线的功能快速构造内墙,推敲建筑的细节设计。在这一阶段,设计由概念化的方案向严谨的工程设计方向转化。与此同时项目的整体形态应始终处于控制状态,对于那些不便于一次深化完成的模型部分应采取封装替换的方式予以解决,始终确保模型的完整与可输出性。STEP 5 BIM 深化阶段:设计方案向初步设计过渡,深化 BIM 建模。逐步加大 BIM 设计人力投入,机电专业建立本专业中心文件,各专业内细分工作集,协调设计团队的设计作业。在这一阶段,将向完成设计产品的最终输出。 在这一阶段的重点应放在界面划分,以便于和未来施工,深化设计,运营管理等各个接口的可持续对接。STEP 6 文件整理与后期再利用完成阶段后的模型同样需要我们经一步的整理分类,以便我们可以在今后的项目中进一步的加以利用模拟 /近似 、 优化 、 与封装 ——山东考古工厂中替换方式研究山东省文物保护科研修复工厂是我院一个中标实施项目,它集收藏、保护、科研、培训、展示于一体,是山东文物保护科研信息交流与业务培训的重要平台。 (图 1)“在现代化的工业生产中,不断出现一些较复杂的设备或装置,这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多,因此,必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。由于控制回路的增加,往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用,由于耦合关系,往往使系统难于控制、性能很差。 ——百度搜索中的 ‘解耦 ’词条 ”在计算逻辑中的“解耦”是一种简化计算的逻辑。它通过适当的控制量的选取,坐标变换等手段将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的数学模型,从而增强设计者对各个控制项独立控制的能力。在山东考古项目的案例中我们便充分利用了近似、模拟与封装的手段,将主要的形体关系及外皮始终通过的引用替换的手段,在主体 BIM模型中进行替代表达。设计人员熟悉的 Sketchup 模型仅通过简单的操作便于主体 BIM模型链接,并产生关联。分工合作的设计人员,实时可以了解到项目的整体进展,并与之互动(图 2) (图 3) 。而实际的操作并未因此大幅增加…..这种控制思路事实上对应的就是设计思维的整体观与计算思维的“解耦”操作的一种整合。本项目从概念设计开始,我们就引入数据模型的建立,并利用 Sketchbook Design Center(草图矢量化) 、Sketchup 和 Revit 各自的优点,互通有无,随时保持模型的完成性,针对业主多次不定期汇报的特点,随时可以出具完整的汇报文件。图 1 山东考古工厂群体关系 图 2 利用动态引用 Skp 模型进行整体设计图 3 设计中的山东考古,外壳部分为同步引用更新的 Skp 文件复杂建模与分层控制 ——天师大学体育馆项目模型控制方式研究对于复杂的模型结构,我们必须要考虑模型建构的逻辑关系,并应充分考虑和上层规划逻辑的对接。天狮大学体育中心便是这样一个研究案例,天狮大学体育中心位于天狮大学天津武清校区。总用地面积 109240 平方米,总建筑面积 71000 平方米,其中包括一座 3 万人体育场和一座 4 千人体育馆。图 4 天狮大学体育中心西南侧鸟瞰效果图 图 5 GH 界面编写数学模型程序体育中心建筑单体的设计是在前期校园 5000 亩大规划的基础上进行的。园区北侧不但有标志性的龙凤河景观,而且内部也由大小不同的人工水系串联。规划设计中丰富的水纹肌理,为建筑师提供了灵感来源:建筑师用一条“流动”的曲线,勾勒出整体建筑轮廓,化零为整,整合建筑功能,顺应不规则用地形状,一气呵成,整个建筑形态极具运动感,呼应体育建筑的功能特点,天际线轮廓高低起伏,像空中随风飘舞的绸带一样,充满激情与活力,而又不失浪漫气质。 (图 4)对建筑师而言,这个项目方案阶段的工作具有一定的实验性,尤其是对一些自由曲面造型的处理。相对应用历史“悠久”一点的 CAD 软件和新兴参数化软件之间的逻辑转换,不但能帮助建筑师更好地把握不规则造型的精确性,还可以大幅度提高工作效率。GH 提供的数学模型没有摒弃传统的模型建构方法,而是在原来的基础上,极大地优化了模型的可操控性。 (图 5) (图 6) (图 7)图 6 方案阶段结构模型图 7 方案阶段结构计算模型和支点计算模型关于本项目针对建构方式的优化我们总结如下: 更少的控制点更有利于打造更流畅的建构控制。 数字模型在各种转换与输出的过程中必须要进行适当的优化。 模型应保证有效拆分可能 : 应考虑合理时机并制定有效的拆分原则。 模型的转换过程应注重与精度的变化以及与衔接部位的交接。 各控制项间应考虑适宜联动关系的并进行有效的规划设置。分解与分层 ——长安运河项目的全流程管控中国大运河作为世界上里程最长、最古老且任在使用的人工运河已成功进入了世界文化遗产名录,长安运河项目正是位于这条中国古动脉的北端起点与长安街的东延长线大运河的入京处的关键节点处。这里是未来通州 CBD 的核心地块。本项目造型多变,与周边环境协调难度大,配合顾问公司多达十余家。 (图 8)在这个项目中我们探索了基于移动终端的设计全流程的项目控制以及项目的有效拆分与整合。分解与分层的方法是计算思维中的重要步骤,也是设计思维中解决复杂问题的重要手段。任何一个完整的设计项目都可以看成是是由若干个互有联系但是可以分割的部分构成的,而每一个独立的部分我们又可以把它看成一个有着独立边界的新的项目。分解成子项后,项目由原来的宏大变成可控。而通过分层我们拥有了更多驾驭复杂交错手段的能力。分解成子项目:本项目作为一个大的总体规划楼栋较多,初期分成四期项目。按方位和施工顺序施工难度,将一个巨大的规划划分成四个相对于小的子部分,独立模型控制,这样从整体上方便更好的控制,从单体上也便于灵活掌握项目进度和进程。图 8:众多配合机构共同努力完成的长安运河项目子项目分层处理:总体规划——子项目——分层递进,通过将整体项目的不停的拆分,项目被分割成了若干相对独立可控的部分,各部分间分级整合并与整体关联,便于控制和整体协调,又可以分门别类单独设计。而在从子项目的细化我们又采取了分层处理了方式,单体项目细分成水域景观设计,地面景观设计、幕墙体系和建筑单体设计等分项。把每一个子项目逐一分层进行设计,从整体到局部,从整体规划到单体设计。这样的分层级全流程管控使整个项目能高效有序的进行。 图 9:全流程基于移动终端的软件部署此外这个项目的实践也是我们从构思到实现一次全程整体式 BIM 尝试。 从个人电脑到服务器,从互联网到无线应用,未来以超便携终端为首的各种应用已展现出巨大的潜力。而在设计领域,传统的设计模式也正寻找同数字时代更有效结合的方法。一场基于移动互联的设计革命正迫在眉睫。在这个项目中我们从全流程的角度,进行软件体系的架构, (图 9)从构思阶段的手绘草稿矢量化到最终的施工现场配合,我们关注着未来基于移动互联的各种可能。[8]互动与融合之道 ——忻州市规划馆、博物馆、档案馆项目与传统建构方式的融合忻州市规划馆、博物馆、档案馆项目是山西省近年来兴建的大型综合性文化建筑群组(图 10) 。项目于 2012 年举办国际设计招标中选。目前,设计工作已完成,主体结构也已顺利封顶,建筑的造型及空间初露端倪,并即将转入内外装修及设备安装阶段。图 10:忻州市规划馆、博物馆、档案馆全专业整合性的 BIM 应用本项目“设计过程”的目标在于:探索传统设计和 BIM 设计之间的互动与融合之道。我们的策略是在时间和空间两个维度合理规划设计流程,应用适宜的方法及工具。[9]设计在时间维度的拓扑我们认为针对软件体系的合理的选择应该是在不同设计阶段,以解决不同的问题为目的,合理搭配,综合运用各类设计工具或软件,用其所长,避其所短。前期以传统设计方式为主,以 BIM 作为设计验证工具,有利于快速构建设计成果和快速响应设计调整以及确保设计合理的发展方向。中期以后 BIM 设计逐渐成为工作重心,以有限的时间和人力投入获得更理想的设计成果。即使在以 BIM 作为工作重心的中期及后期设计阶段,由于 BIM 的设计表达基于三维模型,而非二维的线条图,因此较高的建模精细度将导致工作量呈指数级增加。因此,在有限的设计周期内,必须采用灵活有效的设计表达方法,即综合运用 BIM 与传统的图纸表达,才能取得理想的设计成果。对于平立剖面及各类表格采用 BIM 方式建模和出图,保证建筑模型信息的有效和实时控制;对于细部大样采用 CAD 二维绘制,设计效率较高,且图纸深度有保证。为实现数据的无缝对接,我们采用在 CAD 中绘图,在 Revit 中链接引入 CAD 文件并布局出图的工作方式,实现了数据的实时协同,并且提升了工作效率。在设计可视化领域,与绘画或雕塑的创作过程相类似,其过程也是逐步细化、渐趋完善的过程。我们通过充分利用程序自带的内部接口或外部插件,我们力求实现模型数据在软件间有效的传递,避免重复建模的无效工作。在 Sketchup 转向 Revit 的过程中,我们基本实现了模型数据在软件间的无损传递,从而避免了重复建模的无效工作。[9](图 11)图 11:多平台体系下的可视化标准工作流程设计在空间维度的拓扑当前,作为建筑师,需要面对的设计软件日益增加。这实际上反映了设计要素的多元化及设计软件的专业化倾向。众多的软件功能相互交织,其应用链实际交织成为错综复杂的网状结构。我们的工作组织方式是以 BIAD 自主知识产权的协同设计平台作为数据存在的空间基础,以 CAD 和 Revit 双平台为基础的多软件协同工作。数据无损的传递以及实时的数据协同是提高设计效率的关键点。 (图 13)基于协同目标的文件体系构架,及规范化的设计流程,以及文件组织结构,解决软件间的设计数据交互:以 BIAD 协同设计平台为基础,通过 BIM 软件管控文件和设计信息,并做到信息实时交互。本项目设三个中心文件,分别由各专业负责人掌控。同时,各专业内均由多位设计人同时设计,为清晰划分各自工作范围,采用细化的工作集设置工作界面及权限。[10] (图 14)图 12:文件组织构架 [8] 图 13:各专业间的协同构架结论-设计的多维度向量及解决真实的设计是一个反复的过程,在中国的设计条件下就更是如此。建设方提出的任何设计要求其实都可以有多种方式的解决方案,而且它们在创新性、实用性和预算等方面也都会有不同侧重与解决。在设计的每一步工作中,确定一个明确的发展方向并进行优化非常的重要。而我们的决策也需要准确、利于衡量且有目标适应性。信息矩阵以及关联推进信息矩阵中各个层级的信息相互影响,它们从宏观到微观始终发生着关联,相同层级的各个要素相互关联制约。而不同宏观层级的思考要素则关联很微弱。 (图 14)因此从最高效率原则考虑,在解决问题时我们一定先以解决上层关联为先,在解决同级关联时也应该先解决短板问题。对于跨级问题,我们应采用化简,替换,局部封装等方式以整体方式进行替换。一定要以简单高效的方式对关键信息进行表达。对于问题的解决我们应该更注重外延边界,注重边界与上层构建逻辑的平顺对接,而可以适度放松对内其数据内核的格式及的构建方式的要求。图 14:信息的矩阵模型图 15:真实工程中的信息矩阵形态外在宏观 内在微观设计目标关联式推进多象限设计条件图 16:软件应用策略 -时间拓扑图 图 17:软件应用策略 -空间拓扑图对于操作而言跨越宏观层级的操作效率低下,花费大量精力却对整体方案推进收效甚微。我们完全有机会通过简单的操作完成不同层级的表达,具体的使用的手段并不重要。而在复杂建构中我们一定要强调整体式建构逻辑,明确与专业 BIM 工程师的工作界面,强化工作配合。 (图 15) (图 16) (图 17)结论BIM 的设计方式是未来设计的趋势,也是每个设计人员都必须要面对的一个现实。充分理解好整体式 BIM 的原则,将大大提高设计人员的工作效率,减少无谓劳动, BIM将真正会归于设计而仅非建造……(图 18) (图 19)图 18:整体式 BIM 的时间曲线表 图 19:设计院体系下的 BIM 平台建设思考参考专著1 吴吉明 张庆利 . 从构思、方案到施工图——整体式 BIM 的设计方式研究. 北京市建筑设计研究院2015 年度科研(FJW2014-081 ) , 2 设计思维 ISBN 编号: 9787500694854 出版时间: 2010.09 出版社: 中国青年出版社作者:(英国)加文·安布罗斯(Gavin Ambrose) (英国)保罗· 哈里斯(Paul Harris)译者:詹凯臧迎春贺贝3.Jeannette M.Wing Computational Thinking and Thinking about Computing[EB/OL],2008,34.吴吉明 赵旭 王娜 等. 整体式 BIM—设计思维与计算思维的整合[J]. 《土木建筑工程信息技术》,2015.04.第 7 卷 1-8 第 2 期[总第 28 期] 5 吴吉明 张庆利 .设计院体系下的 BIM 平台建设思考. 北京市建筑设计研究院 2014 年度科研(FJW2012-045)6 吴吉明.数字信息模型(BIM)与我国的建筑设计[J]. 工程设计与计算机技术:第十五届全国工程设计计算机应用学术会议论文集[C].20107.吴吉明.建筑信息模型系统(BIM)的本土化策略研究[J]. 《 土木建筑工程信息技术》,2011,3(3):45-52.8.吴吉明 张庆利.从构思到实现—移动平台上的设计与云应用研究 [J].《土木建筑工程信息技术》,时间成果传统模式传统 BIM整体式 BIM
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