建筑信息模型与建筑学专业的教学

李建成

（华南理工大学-Autodesk公司BLM-BIM联合实验室）

摘  要：本文分析了建筑信息模型在建筑设计、建筑物理、建筑构造、建筑历史等方面的应用，探讨了建筑信息模型在建筑学专业教学中应用的方法和途径，并指出在教学过程中要让学生们了解建筑信息模型在建筑业信息技术中的重要地位。
关键词：建筑信息模型；建筑设计；建筑物理；建筑构造；建筑历史；专业教学
建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)是近年来在建筑业出现的数字化建模新技术。它的出现，大大提高了建筑信息和建筑工程的集成化程度，引领着建筑数字技术走向更高的层次，将为建筑业界的科技进步产生无可估量的影响。它的全面应用，将给建筑设计模式带来一场新的革命，使设计乃至整个工程的质量和效率显著提高，成本降低，为建筑业的发展带来巨大的效益。同时，也为建筑学专业教学提供新的手段。
1 建筑信息模型与建筑设计教学建筑信息模型的出现，使信息化技术在建筑设计中的应用迈了一大步。BIM软件也成为建筑设计方案的理想载体和建筑设计描述的适宜工具。
诚然，建筑设计并不单纯是信息的堆积，它更是一项艺术创作。建筑师在建筑概念设计阶段需要对建筑的平面布置、立面处理、体型、体量、空间作反复的推敲，以往这些工作一般通过手绘草图来进行，然后辅之以一些工作模型。由于这些工作并不是完全在三维环境中进行，特别是建筑设计方案中用到了一些稍为复杂的形体组合或者空间曲面，因此效果不尽如人意。而BIM软件立足于三维空间，在设计中可以不断变换角度、变换构建的各种参数对其造型、单元组合进行观察、思考、推敲、修改，最后达至方案的确定。事实上，造型比较复杂的空间曲面，如果不应用计算机的三维图形技术，则根本无法表达出来。同时，应用BIM软件建立起来的建筑模型，是以建筑构件为最基本的作图单元，并且在对模型的任何部分进行变更时都能引起相关构件实现关联变更，非常适宜用于在构思阶段对模型的反复修改。因此，BIM软件比起以往的建筑设计软件更加适宜于用来进行建筑设计构思。

（图片1在下方）

当前建筑学专业的教学，主要还是沿用传统的教学模式。在大学阶段，主要训练学生进行各种类型建筑物的方案构思。设计教学一直以来，都是用一支笔、一张纸，通过手绘草图方式向学生传授建筑设计构思的方法。这种方法虽然方便、灵活，但实际上是二维的方法，难于便捷地表现三维。特别需要深入到细部研究方案时，就不得不借助于制作模型等的手段。因此手绘草图的方式难于将设计构思引向深入。
由于BIM软件的出现，终于为计算机辅助建筑设计构思实现了突破。这类软件功能较强、易学易用，非常适合建筑设计构思的使用。它突破了用一支笔、一张纸在二维空间进行建筑构思的局限，很便捷地在三维空间建立起模型、进行空间分析、辅助建筑设计构思，还能进行日照分析、景观分析，方便地表达设计思想。
3 建筑信息模型与建筑物理研究由于BIM中的数据库集成了各种设计信息，因此BIM软件有能力支持进行各种复杂的设计评价和分析，包括建筑物理的评价与分析。这正是传统的建筑设计软件不能做到的地方。
以一个简单的例子为例。BIM软件都可以设定建筑物所在位置的实际的经纬度，设定相关的太阳方位角、高度角等的地理信息，这就可以把建筑物放在一个虚拟的现实环境中进行相应的日照分析，甚至可以通过包括动画在内的多种手段模拟室外或室内整天的日照变化情况。

（图片2在下方）

在BIM中存储了极其完整的设计信息，达到必要的详细度和可信度，能够支持在设计阶段的前期完成各种物理分析，从而选择出合理的建筑设计方案，实现可持续发展的目标。
由于BIM软件具有以上所介绍的能力，使其在建筑物理环境设计特别是节能设计中得到越来越多的应用，为可持续发展的建筑设计提供了有力的工具。下面介绍其在美国南卡罗来纳大学生活/学习中心的建筑节能设计中的一些应用。
由美国Little Diversified 建筑咨询公司设计的南卡罗来纳大学生活/学习中心，是一幢建筑面积180,000平方英尺的“绿色”学生宿舍。由于在设计过程中采用BIM技术，研究了太阳的运动规律，计算了太阳辐射照度，并对日照分析进行了详细的研究。
该项目的实施效果，比预期减少能耗 45%、减少用水 20%，而造价与传统的建造方法相同。这样在一年的应用中，就能节省数万美元的开支。该项目获得了LEED(Leadership in Energy and Environment Design，能源与环境设计指南)黄金标准认证。

（图片3在下方）

设计人员将BIM用于详细的建筑日照设计的分析上，计算了室内外的日照情况。该中心的屋顶设计是采用部分玻璃的坡屋顶，原来的设计经过计算后，在采光窗下的日照系数(Daylight Factor)只有1.29，达不到2.0的标准。后来通过模型的推导计算改进了设计，终于满足了标准的要求。
（图片4在下方）
目前的建筑物理教学比较着重于各种概念和计算的介绍，学生们学习后，能得到一些定性的知识，但要应用好建筑物理知识搞设计还需作很大的努力。老师和学生们都希望在物理计算和建筑设计之间能够建立起一座联系桥梁，解决物理计算与设计构思两种不同思维方法相结合的问题。BIM软件的出现使我们看到了解决以上这些问题的希望。如果在建筑物理的课堂上能借助BIM软件形象地演示建筑设计方案，又借助其强大的数据库中的各种信息包括各种物理参数通过相关软件来进行物理计算，通过不同设计方案的计算对比，学生学到的物理知识比起单纯介绍各种概念和计算会深刻得多、巩固得多。

[ 本帖最后由 大狼星 于 2007-12-6 11:54 编辑 ]

4 建筑信息模型与建筑构造研究应用BIM技术研究建筑构造，有许多前所没有的优势。
BIM软件提供的图形元素，本身就是一个个的建筑构件，例如墙、门、窗、柱、楼梯等。这些构件图元都具有现实的构造意义。例如楼板、复合墙体，包含有构件本身详尽的构造信息，可以方便地指定保温层、面层、防水层等构造，使人们非常直观地了解到这些构件的结构组成。除了构造信息之外，构件图元还包含有其他相关信息，如材质、荷重、导热系数等，为人们对构件进行深入研究提供了信息保证。

（图5在下方）
在BIM软件中的建筑构件，如墙，楼板，梁、柱、屋顶，门窗等都具有相互关联的建筑构件关系，如门窗要安装在墙上，梁要放置在柱上。当在设计中移动墙体的时候，墙上的门窗也会跟着移动，墙体被删除，门窗也跟着被删除，充分反映了建筑构件之间彼此关联的关系。
建筑构造课一般都在低年级开设，这个阶段学生的建筑知识都比较少。建筑构造课的老师需要准备大量的模型、实物或实物图片向学生传授构造知识。随着新技术的迅速发展、新的构造形式不断出现，实际上不可能把各种构造实物和模型都收集齐全。但通过信息技术取得构造的相关数据后，就可以在BIM软件中建模，向学生直观地介绍构件的结构组成以及相关信息。
5 建筑信息模型与历史建筑研究以往对历史建筑的研究手段比较少，不外就是文献资料研究、现场考察和现场测绘。这些手段都有一定的局限性，往往需要结合起来才能将研究推进。
如果应用BIM技术来研究历史建筑，将会使历史建筑的研究发生一种质的变化。例如，我国古代的木构建筑的斗拱，具有十分复杂的构造。斗拱的每一块部件，都有它特有的名称和尺寸的计算方法，构成一个斗拱的部件非常多，要记住每块部件的名称和尺寸的计算方法，确实不是一件容易的事。现在，如果应用BIM软件技术为斗拱建模，就可以把每块部件的名称和尺寸的计算方法记录在建筑信息模型中，大大方便了学习和研究。

（图6在下方）
历史建筑在漫长的历史进程中，因各种原因会发生改建、扩建、重建等情况。例如著名的巴黎圣母院在1320年建成时是没有上面的尖塔，到了19世纪才在上面加建了个尖塔。建筑信息模型是一项可以覆盖整个建筑物生命周期的技术。在应用BIM技术为历史建筑建模的时候，可以应用到工程项目的“阶段”属性。例如，巴黎圣母院上面的尖塔的“阶段”属性将有别于其原有的部分。当“阶段”属性取不同的年代时，在屏幕上展示的历史建筑模型将会真实地展现它在不同阶段中所发生的变化。
因此在建筑历史课中，如果借助于BIM软件来辅助教学，将大大方便老师的教学以及学生的学习。
6 结语从上面的分析可以看出，建筑信息模型是一项有着广阔发展前景的建筑信息技术，它为建筑设计、建筑物理研究、建筑构造研究、历史建筑研究提供了新的途径、新的方法。同时也为建筑学专业各课程的教学提供了新的手段。
但是，我们不应当仅仅将建筑信息模型技术作为一种教学手段。更重要的是，在把建筑信息模型技术应用到教学的同时，要让建筑学专业的学生懂得建筑信息模型是实行建筑工程全生命周期的管理战略的核心，感悟到建筑信息模型在整个建筑业信息技术发展中所处的重要地位，明确一个未来的建筑师在建筑业信息化的进程中所肩负的责任。建筑设计是整个建筑业的龙头专业，也是整个建筑工程项目信息的源头、建筑信息模型建立的起点。希望未来的建筑师们在未来的工作中能够自觉地应用建筑信息模型技术，为建筑工程全生命周期的管理、为建筑业的信息化做出自己的贡献。


[ 本帖最后由 大狼星 于 2007-12-6 12:00 编辑 ]