基于BIM技術(shù)的三維建筑設(shè)計軟件APM2010

1、第三屆工程建設(shè)計算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集 上海.2011PAGE 基于BIM技術(shù)的三維建筑設(shè)計軟件APM2010 董毅 姜立 熊志堅 葉敏青（建研科技股份有限公司，北京 100013） 【摘 要】 PKPM建筑工程軟件系統(tǒng)按照BIM的方式進(jìn)行設(shè)計，已形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的涵蓋了建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計以及算量造價、施工管理、乃至企業(yè)管理的全系列BIM系統(tǒng)。PKPM的建筑設(shè)計軟件APM，從三維模型輸入入手建立建筑模型核心數(shù)據(jù)，采用參數(shù)化方式設(shè)計專業(yè)構(gòu)件，各個功能模塊均以核心數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建筑數(shù)據(jù)可被結(jié)構(gòu)、設(shè)備、概預(yù)算等專業(yè)直接使用。各類施工圖均由核心數(shù)據(jù)自動產(chǎn)生，模型與施工圖實(shí)現(xiàn)了雙向鏈接，從

2、模型和施工圖均可修改核心數(shù)據(jù)，并同步調(diào)整。三維和平面采用不同的顯示方式，三維下顯示立體模型，平面下顯示更接近平面施工圖的表達(dá)方式。通過建筑信息模型隨時切換到各個標(biāo)準(zhǔn)層觀察，也可以隨時看到全樓建筑模型，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計過程的三維可視化，并可以隨時制作渲染圖和動畫片,設(shè)計過程中可即時進(jìn)行各類統(tǒng)計和計算?！娟P(guān)鍵詞】 建筑設(shè)計 BIM技術(shù) 三維CAD 核心數(shù)據(jù) 1 引言住建部2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要中提出：加快推廣BIM、協(xié)同設(shè)計、虛擬現(xiàn)實(shí)、4D項目管理等技術(shù)在勘察設(shè)計、施工和工程項目管理中的應(yīng)用，改進(jìn)傳統(tǒng)的生產(chǎn)與管理模式，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平。重點(diǎn)研究與應(yīng)用智能化、可視化、模型設(shè)計

3、、協(xié)同等技術(shù)，集成主要工程設(shè)計軟件，創(chuàng)建工程設(shè)計協(xié)同工作平臺；積極推進(jìn)協(xié)同設(shè)計技術(shù)的普及應(yīng)用，通過協(xié)同設(shè)計技術(shù)改變工程設(shè)計的溝通方式，減少“錯、漏、碰、缺”等錯誤的發(fā)生，提高設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量。2 建筑信息模型（BIM）在過去的20年中，計算機(jī)輔助繪圖（CAD）技術(shù)的普及及推廣使建筑師、工程師們從手工繪圖走向電子繪圖，這是工程設(shè)計領(lǐng)域的第一次革命。建筑信息模型（BIM）將為工程設(shè)計領(lǐng)域帶來第二次革命，是從二維圖紙到三維設(shè)計和建造的革命，也是一次真正的信息革命，它將徹底改變工程設(shè)計、建造和運(yùn)維方式。BIM即建筑信息模型（Building Information Modeling），是以三維數(shù)字技術(shù)為基

4、礎(chǔ)，集成建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對工程項相關(guān)信息詳盡的數(shù)字化表達(dá)。BIM是整個團(tuán)隊共同工作的對象，可供不同參與方從不同角度反復(fù)利用，提升各參與方在各個階段的工作效率和數(shù)據(jù)一致性。因此，BIM的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的各個專業(yè)之間的信息充分互用，提高建筑信息的復(fù)用率，從而達(dá)到降低建筑成本，提高生產(chǎn)效率的目的。建筑信息模型（BIM）技術(shù)與以往的計算機(jī)輔助繪圖（CAD）技術(shù)的差別主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)CADBIM注重二維繪圖注重三維模型建立圖形為核心數(shù)據(jù)為核心分專業(yè)的信息孤島統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲平臺建筑信息的子集和衍生品建筑信息的全集提供工具強(qiáng)調(diào)管理關(guān)注具體技術(shù)的應(yīng)用關(guān)注協(xié)同工作的流程關(guān)注圖形關(guān)注

5、數(shù)據(jù)和信息利用3 基于BIM技術(shù)的三維建筑設(shè)計軟件APM2010中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部是我國建筑行業(yè)計算機(jī)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的最早單位之一，自1988年創(chuàng)立以來，業(yè)務(wù)范圍已涵蓋規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、概預(yù)算、施工管理等多個專業(yè)領(lǐng)域。PKPM建筑工程軟件系統(tǒng)一直按照BIM的方式進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，已形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的涵蓋了建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計以及算量造價、施工管理、乃至企業(yè)管理的全系列BIM系統(tǒng)。PKPM通過核心三維數(shù)據(jù)模型，將建筑項目的概念設(shè)計、建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計、施工圖設(shè)計、工程量計算與造價報表、施工管理等環(huán)節(jié)連接起來，率先實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)

6、模型化、模型通用化的BIM理念，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了建筑模型數(shù)據(jù)在全壽命周期的充分利用。PKPM的建筑設(shè)計軟件APM2010是基于BIM技術(shù)開發(fā)建筑軟件。它從三維模型輸入入手建立建筑模型核心數(shù)據(jù)，各個功能模塊均以核心數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)為核心驅(qū)動，各類施工圖均是由核心數(shù)據(jù)自動產(chǎn)生的成果。其BIM技術(shù)的應(yīng)用具體體現(xiàn)在以下方面：3.1 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計由于采用統(tǒng)一的核心數(shù)據(jù)架構(gòu)，PKPM建筑設(shè)計的全部數(shù)據(jù)均可傳給結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計及概予算，可大大簡化數(shù)據(jù)的輸入，實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計（圖1）。首先，建筑的柱網(wǎng)、軸線及柱、墻、門窗布置可形成結(jié)構(gòu)布置的各層構(gòu)架，另外，建筑設(shè)計提供的材料、作法、填充墻等信息又可生成結(jié)構(gòu)

7、分析所需的荷載信息。建筑設(shè)計的數(shù)據(jù)還可傳給設(shè)備設(shè)計用于生成條件圖和進(jìn)行各種設(shè)備的計算。概予算工程量統(tǒng)計的數(shù)據(jù)也可由APM軟件中讀取。這一點(diǎn)特別方便了設(shè)計單位中各個專業(yè)的密切配合。避免了數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入和沖突錯誤的發(fā)生，可以從根本上提高整個設(shè)計階段的質(zhì)量和效率。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，這種協(xié)同設(shè)計方式與以往CAD中的圖形引用方式完全不同。圖13.2 數(shù)據(jù)核心驅(qū)動，參數(shù)化構(gòu)件設(shè)計APM的建模方式采用數(shù)據(jù)核心驅(qū)動，圖形為數(shù)據(jù)的表象。APM的核心數(shù)據(jù)和圖形完美結(jié)合，數(shù)據(jù)一旦改變，圖形隨即改變，這一點(diǎn)與其他繪圖式的建筑軟件完全不同。圖面上的所有圖素均是參數(shù)化的專業(yè)構(gòu)件對象，可以修改、查詢、刪除、創(chuàng)建。對構(gòu)件的任何操作

8、都是面向建筑構(gòu)件的直接操作。核心數(shù)據(jù)模型的建立是在布置構(gòu)件的同時進(jìn)行的，圖面顯示的構(gòu)件也同時計入了核心數(shù)據(jù)庫（圖2左）。 圖2APM軟件中對異形構(gòu)件的定義采用了用戶交互繪制截面的方式，并以參數(shù)化方式存入核心數(shù)據(jù)庫，結(jié)合路徑放樣實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜構(gòu)件的布置。以最少的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了異形截面構(gòu)件（如異形門窗、梁、柱、挑檐、樓板等）的存儲（圖2右）。APM2010軟件在數(shù)據(jù)模型中增加了“幾何造型”、“三維圖快”、“三維文字”及復(fù)雜的曲面造型功能，使模型數(shù)據(jù)可以表達(dá)更豐富的建筑元素（圖3）。 圖33.3 構(gòu)件管理中心APM提供了一個構(gòu)件管理中心，在這里可以對當(dāng)前工程的所有構(gòu)件統(tǒng)一管理，一目了然，選擇某個構(gòu)件定義，可

9、以即時看到這種構(gòu)件在工程中的布置情況，并可以對選擇的構(gòu)件進(jìn)行修改、刪除、復(fù)制、查詢等各種操作（圖4）。所有對構(gòu)件的編輯修改都是即時修改核心數(shù)據(jù)，并同時在圖面上表達(dá)。通過構(gòu)件管理中心，修改構(gòu)件表中任一構(gòu)件的參數(shù)，圖形隨即改變。選取構(gòu)件表中的任意構(gòu)件，圖面上馬上顯示出此類構(gòu)件的布置位置情況。要想了解圖面上一個構(gòu)件的定義，只需使用【拾取構(gòu)件】功能，再從圖中拾取這個構(gòu)件，就可以定位它構(gòu)件表中的位置。在構(gòu)件表中可修改整類構(gòu)件，修改后整個建筑中的此類構(gòu)件自動更新。定義新構(gòu)件時可先選取一個表中已有的相近構(gòu)件做參考，只要修改一下不同的參數(shù)即可生成所需的新構(gòu)件。圖4在圖面上選擇一個構(gòu)件，按鼠標(biāo)右鍵可彈出修改菜單

10、，其中包含多種修改方式：只改這個選擇的構(gòu)件自身，修改構(gòu)件時可將本標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)所有相同類型的構(gòu)件同時修改，也可將整個建筑內(nèi)所有相同類型的構(gòu)件一起修改。3.4 構(gòu)件的關(guān)聯(lián)分析APM建模過程中可隨時根據(jù)建筑中各種構(gòu)件的屬性自動進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，如門窗、陽臺、樓梯與依托墻之間的關(guān)聯(lián)，墻與周圍墻的關(guān)聯(lián)，構(gòu)件與網(wǎng)格軸線的關(guān)聯(lián)等。修改了網(wǎng)格軸線或基層構(gòu)件，相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件自動聯(lián)動修改，從而使用戶調(diào)整方案的工作量大為減少，也避免了許多錯誤和遺漏的情況發(fā)生。3.5構(gòu)件庫APM 中提供一個“構(gòu)件庫”的功能，可將當(dāng)前工程中定義的構(gòu)件分類導(dǎo)出到構(gòu)件庫中，可以將構(gòu)件庫中的構(gòu)件導(dǎo)入到當(dāng)前工程，還可以導(dǎo)入其他工程中定義好的構(gòu)件（圖5）

11、。在用戶開始一個新工程時，可以根據(jù)需要將構(gòu)件庫中的部分標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件導(dǎo)入，不必再重新定義一遍。隨著工程的積累，每個用戶就可以生成自己的常用構(gòu)件庫。圖53.6 建筑構(gòu)件表達(dá)方式APM的建筑構(gòu)件在不同視圖下自動采用不同的表達(dá)方式，對同一構(gòu)件對象，三維和平面采用不同的顯示方式，三維下顯示立體模型，平面下顯示更接近平面施工圖的表達(dá)方式（圖6）。 圖63.7 設(shè)計過程實(shí)現(xiàn)三維可視化APM的輸入方式是三維直觀的。對一個建筑形體，程序可從X、Y、Z中任一方向的坐標(biāo)系平面輸入，還可在空間透視的狀況下布置，布置方式有逐個、沿軸線、窗口、任意圍區(qū)及自動搜索內(nèi)外環(huán)等多種方式。不管從哪一個方向輸入的都是三維的形體造型，可以

12、即時地從各方向顯示，既可以全景透視，又可進(jìn)入房間內(nèi)漫游。通過建筑信息模型隨時切換到各個標(biāo)準(zhǔn)層觀察，也可以隨時看到全樓建筑模型，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計過程的三維可視化（圖7）。APM可直接完成建筑彩色真實(shí)感渲染圖像及動畫制作，具有24位全色彩、可表現(xiàn)陰影、透明、貼材料紋理等豐富功能，并可加前景背景，其主要技術(shù)指標(biāo)均與國外同類軟件水平相媲美，但操作步驟則大大簡化。APM具有建筑物動畫制作功能，生成的文件為標(biāo)準(zhǔn)的FLI、FLC或M1V格式，可以用APM本身播放，也可以用其它動畫軟件播放。 圖73.8 施工圖自動生成，模型與施工圖雙向鏈接APM可根據(jù)核心數(shù)據(jù)智能完成建筑平、立、剖面和大樣施工圖，并可繪制建筑總平面

13、圖和鳥瞰圖。用戶建立模型后，施工圖中大部分標(biāo)注基本可以自動或半自動完成。從模型和施工圖均可修改核心數(shù)據(jù)，模型與施工圖同步調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了雙向鏈接（圖8）。軟件提供豐富的圖形庫和菜單自動標(biāo)注與畫圖，并便于用戶隨意編輯和修改。程序特別適用于平面反復(fù)修改的情況，已實(shí)現(xiàn)布置修改后其相關(guān)標(biāo)注的自動修改和建筑模型的同步修改。圖83.9 實(shí)時動態(tài)統(tǒng)計工程量APM提供各種分析和統(tǒng)計功能，既有房間的建筑面積和使用面積，各層和全樓門窗表的統(tǒng)計，也有幾棟建筑的日照分析。建筑信息模型不僅可以自動生成各種建筑施工圖，還可以即時進(jìn)行各類統(tǒng)計和計算，如構(gòu)件表、墻面積、混凝土量、窗墻比、體形系數(shù)等。四、結(jié)語隨著計算機(jī)運(yùn)算速度、圖形處理能力及圖形學(xué)理論的發(fā)展，CAD軟件已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，CAD技術(shù)正在從原來簡單的輔助繪圖（Drafting）向成為真正能夠輔助設(shè)計（Design）的工具發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化已成為新一代CAD軟件的重要特征。而三維建筑信息模型（BIM）正是實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的基礎(chǔ)。歐美發(fā)達(dá)國家已開始普及BIM技術(shù)，如美國、芬蘭、挪威、德國等，基于BIM技術(shù)的應(yīng)用軟件普及率達(dá)到60% -70%，BIM已是大勢所趨，不可阻擋。我國目前對BIM技術(shù)的應(yīng)