BIM 在建筑設計中的有效應用研究
——軟件工作效率對比與分析

何苗 韓林

（1.華南理工大學建筑研究院有限公司，廣州 510630；2.北京工業大學，北京 100020；3.內蒙古工業大學建筑學院，呼和浩特 010000)

引言

BIM 在建筑設計中的有效應用受到越來越多從業人員的關注。隨著技術應用的深入，人們逐漸認識到BIM 不僅可以極大優化建筑行業流程，更重要的是將成功助力行業數字化轉型。但因對BIM 概念理解的偏差以及在變革傳統工作模式時遇到的困難，BIM 應用結果往往差強人意。技術的落后扼制了行業的發展與升級，如何實現從CAD 到BIM 應用的技術轉變迫在眉睫。在這樣的環境背景下，亟須多角度、全方位、深層次了解BIM 與CAD 之間的聯系與區別。

1 CAD 與BIM 發展歷程

CAD（Computer-Aided Architectural Design，簡稱CAAD，在建筑數字技術術語中亦稱為CAD）誕生于1960 年代初，是借助計算機計算及圖形處理能力形成的絕對精確的繪圖工具[1]。我國于1990 年代引入CAD技術，并基于AutoCAD 平臺開發了各類插件，如天正建筑、湘源控規等,如表1 所示。歷經30 多年的技術積累，CAD 應用已日趨成熟。BIM 隸屬于CAD 發展中的第八代[2]，不同于同一時期專注于制圖的系統，BIM 更強調基于模型實現自動化制圖，通過數據分析進一步完善優化設計模型[3]，代表軟件如ArchiCAD。

表1 軟件及部分插件年歷表

BIM 軟件與CAD 軟件幾乎同時問世，但BIM 的應用深度遠不及CAD。究其原因，本文認為主要是因為CAD 應用是從手工制圖到電腦制圖的工具轉變，是同一設計思維下使用工具的革新。而BIM 應用則屬于思維的轉變，具體表現為由“分散式”轉變為“集成式”，由“二維”轉變為“多維”。

2 BIM 的“集成式”信息組成結構

2.1 概念解析

在CAD 制圖過程中，制圖信息分散在獨立的圖紙中，更新一處信息，往往需要逐一更改多份圖紙，如圖1 所示。CAD“分散式”的信息組成結構會帶來信息不對稱、信息冗余等問題，使得設計人員在繁忙的設計工作之外，還需花費大量時間處理信息對接。BIM“集成式”的信息組成結構則有效地規避了信息不對稱[4]、信息冗余[5]等問題。在BIM 設計過程中，設計信息都集中存儲在BIM 模型中。圖紙、模型、清單只是信息展示的不同形式，修改任意一處都是對唯一數據信息的修改，可以實現一處修改，處處自動更新的效果，如圖2 所示。

圖1 CAD 信息組成結構

圖2 BIM 信息組成結構

不同的信息組成結構將促使形成不同的工作模式?！胺稚⑹健钡亩S制圖需要多人共同完成一份圖紙。以建筑專業為例，在大型項目中需要多位設計師分別負責平面、立面、剖面和詳圖繪制，在合作過程中需各設計師相互監督、檢查與提醒?！凹惺健钡腂IM 模型則只需要一人完成模型，再由模型輸出對應的平立剖圖紙。BIM 的應用使得傳統設計流程中需要人力協調的工作因信息組成結構的優化而減少，因此從事BIM 建筑設計工作的人員將更有機會關注到建筑設計的本質。

2.2 數據測試

為獲得清晰的應用反饋，本文采用天正建筑、AutoCAD 及ArchiCAD 分別繪制同一建筑，通過統計鼠標點擊次數，量化BIM 與CAD 軟件的工作效率。

2.2.1 創建模型效率對比

測試樣本模型包括柱子、墻體、門窗、地板等構件，具體情況如圖3 ～圖4 所示。

圖3 研究樣本三維展示圖

圖4 研究樣本平面展示圖

依據傳統設計流程繪制平立剖圖紙、創建模型后，分別統計天正建筑、AutoCAD、ArchiCAD 的鼠標點擊次數、創建不同構件的鼠標點擊次數匯總如表2 ～表3 所示。由表2 可知，三款軟件的工作效率對比為T:C:A≈12：16：1。

表2 創建模型鼠標點擊次數統計

表3 創建平面不同構件鼠標操作次數統計

2.2.2 創建圖紙效率對比

為明確創建圖紙的效率，研究選取基底面積為294.78 ㎡的別墅單體為測試樣本，分別統計三款軟件在方案設計階段、初步設計階段與施工圖設計階段的鼠標點擊次數，統計成果如表4 所示。

表4 天正建筑、Auto CAD 及ArchiCAD 成果展示圖表

按設計階段整理數據匯總如表5 所示，可知三款軟件在方案設計階段的鼠標點擊次數的比例是T:C:A≈1.26:1.45:1， 初步設計階段的比例是T:C:A≈2.39:2.87:1， 施工圖階段的比例是T:C:A≈1.73:1.77:1。對比三階段的鼠標點擊次數的比例可知，BIM 的應用在初步設計階段對效率提升最明顯，施工圖階段次之。

表5 各階段各軟件鼠標點擊次數統計表

按軟件類別整理數據匯總如表5 所示，可知天正建筑創建該模型的鼠標點擊次數為1 265 次，Auto-CAD 為1 410 次，ArchiCAD 為741 次，三者的比例是T:C:A≈1.71:1.90:1。由該數據可知，應用BIM 可將整體設計效率提高至1.71 ～1.90 倍。

2.2.3 設計增幅對比

按圖紙類別整理數據匯總如表6 所示，獲得各軟件繪制總平面、平面圖、立面圖、剖面圖及整體的設計增幅，設計增幅的計算有助于評估各階段的設計工作量。設計增幅的計算公式如下所示：

表6 各類圖紙鼠標點擊次數增幅

設計增幅=（末期量-基期量）÷基期量

對比各表數據可知，較CAD 制圖，BIM 建模的設計增幅較小。天正建筑在初步設計和施工圖設計的增幅分別是1.16 與0.67，AutoCAD 的設計增幅分別是1.22 與0.58，ArchiCAD 的設計增幅分別是0.62 與0.65。初步設計階段三者增幅的比例為T:C:A≈1.87:1.97:1，施工圖階段的比例為T:C:A≈1.03:0.89:1。其中AutoCAD在施工圖階段的增幅較小是因為其方案設計與初步設計的鼠標點擊次數基數較大導致。

3 BIM 的“多維度”信息處理能力

3.1 概念解析

BIM 提質增效的另一方面是“多維”的信息處理能力。作為一個信息處理系統，BIM 通過“維度”表征信息處理能力[6]。如圖5 所示，在傳統設計過程中，局限于制圖軟件的限制，設計師的工作精力更多地消耗在圖紙處理層面，提供的服務也多限于幾何信息的表達。而在BIM 應用中，幾何信息的表達只是BIM 應用的一個分支，BIM 不僅涵蓋了物理幾何信息，還包括了設計、施工、運營過程中的功能性屬性信息，比如時間信息、價格信息、可持續信息、運營維護信息等[7]，如圖6 所示。

圖5 CAD 信息處理維度

圖6 BIM 信息處理維度

3.2 多維度信息的擴展路徑

BIM 多維度的信息處理能力有助于擴展其應用范圍及深度。擴展的路徑是在設計階段的BIM 模型中增加時間信息、價格信息、運營維護信息以及可持續信息，逐級形成BIM 施工管理模型（BIM4D）[8]、BIM 造價管理模型（BIM5D）[9]、BIM 循環利用模型（BIM6D）[10]及BIM 運營維護模型（BIM7D）[11]，如圖7 所示。BIM多維度信息處理能力的應用帶來的是更大范圍的信息集成，但如果處理不當，也將帶來新的信息冗余問題。通過分類別分階段處理信息的方法可有效解決該困難[12]，具體包括數據收集、信息集成、技術管理三個階段：

圖7 BIM 模型信息傳遞圖

（1）數據收集階段。在該階段需明確BIM 應用階段和應用目的，選擇適合的BIM 建模軟件及插件創建BIM 模型，依據應用階段及應用目標創建工作流程，組織角色劃分；

（2）信息集成階段。在該階段需封裝各階段應用成果，制作樣板文件，傳遞數據；

（3）技術管理階段。在該階段需處理各階段、各類別BIM 模型信息對接問題。

在面對陌生的技術手段時，難以承受大量信息帶來的瞬間沖擊，是BIM 推行困難的另一原因。通過這種循次而進的方式，BIM 應用難度不僅沒有增大，反而因為流程與樣板的固化減少了對個人技能創造價值的依賴。

4 總結

從“集成式”信息組成結構與“多維度”信息處理能力兩方面解析BIM 如何提質增效，僅是BIM 應用中的一個初級探索。本文以延伸BIM 廣闊的應用價值為研究目的，總結如下：

（1）本研究采用統計鼠標點擊次數的方法，實現了工作量的量化展示，但該方法的不足之處是在假定批量構件與出圖樣式均設置好的前提下實施的。制作構件與調試出圖設置是需要投入大量人力、物力的，因此BIM 有效應用的前提是需要多方配合，創建一個有序、共享的BIM 應用生態環境；

（2）從建筑設計的角度看，“集成式”信息組成結構使得BIM 軟件在建模、制圖、設計迭代三方面的工作效率均得到了顯著提升?！岸嗑S度”信息處理能力則表明如果可以對信息進行分類別分階段處理，助力信息逐級傳遞，將不斷擴大BIM 應用效力；

（3）相比傳統CAD 制圖，BIM 技術帶來的影響不僅是設計結果形態的不同，更多的是設計過程思維的轉變。設計思維的轉變意味著需要設計人員具備對信息的組織和管理能力。未來建筑行業會出現更多的職業選擇，期待更多先進技術和優秀人才加入到建筑設計行業中，借力科學技術的發展，將古老、淳樸、底蘊豐厚的建筑設計推向更廣闊的天地。