从二维走向三维的信息化建筑设计

From 2D to 3D —BIM in Building Design
傅筱提要：本文首先简述了建筑设计从二维走向三维的发展历程，随后重点探讨了建筑信息模型设计的一些基本概念，并结合笔者的实践分析了在方案设计阶段如何运用Revit 建筑信息模型进行设计。关键词：三维设计、参数化、建筑信息模型、Revit Abstract: This paper firstly summarizes the history of the architectue design from 2D to 3D, secondly, it discusses the basic ideals of Building Information Modeling, and in the end the author introduces some projects design by Revit parameter modeling. Key words: 3D-design, parameter, Building Information Modeling, Revit
在今天的设计行业，“信息化”二字已经不再是什么新鲜的语汇，在飞机、汽车等制造领域，信息化设计和制造已经是十分普及的事情。然而，对建筑设计行业来说，虽然在上世纪末期计算机已基本在全世界普及，但却仍然是处于低端的辅助绘图和制作表现图状态，二维CAD绘图加上3DMAX渲染成为一种标准的建筑设计流程，这在我国尤为明显。信息的含量在这种设计模式中所占有的比例十分有限，“信息化”仿佛是姗姗来迟！事实上，早在十几年前信息化的建筑设计已经悄然出现，目前已经逐渐汇集成了一股潮流，席卷世界的同时，也影响了中国。
一、从二维走向三维的设计和建造
千百年来，人类一直在探索一个问题，那就是如何表达他们的设计。在遥远的古埃及时期，二维图像就已经成为人们表达建筑的方式。由于当时人类还没发明纸张，埃及人将他们的住宅剖面生动地表达在壁画之中（图1）。公元105 年，蔡伦发明造纸技术，并于12 世纪前后传入欧洲。从此，人们步入了用二维图纸来表达设计和指导实际建造的时代，这一方法从产生至今已有近千年的历史。在这漫长的岁月中，二维图纸一直肩负着信息传递的作用，成为设计交流和实际建造过程中的物质中介。
然而，现实中的物体基本都是三维的，二维图纸实际上是人们在缺乏技术手段的情况下，将三维信息简化为二维信息，从而实现表达和交流的技术方法。随着计算机技术的迅速发展，上世纪60 年代初，人们开始能够直接用三维的工程语言进行表达和交流，但当时的模型是十分简单的线框模型。迄今为止，世界上的三维建模软件已十分众多，与建筑行业有关联的主要是机械制造软件和工业造型设计软件。机械制造类的常用软件有Catia 、Autodesk Inventor 、SolidWorks 、Pro/Engineer 等；工业造型设计类的常用软件有犀牛（Rhino）、Alias、玛雅（Maya）、3Dmax 、等。目前世界上一些先锋建筑师正在探索如何用借鉴工业造型设计软件进行三维设计，
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例如格雷格•林（Greg Lynn）、本纳赫•弗兰肯（Bernhard Franken）、纽约CAP 设计小组（Contemporary Architecture Practice ）以及dECOi 设计小组等等。他们不仅探索如何直接利用算机软件进行三维设计，而且进一步探索了如何进行三维数字化建造。在数字化建筑师的工作中，传统的二维设计方法已经被抛弃，换言之，传统的二维图纸表达设计的方式不复存在，取而代之的是无纸化的设计和建造过程。（图2、3）所谓无纸化是指在整个设计制造过程中，信息传递不再是依靠传统的二维图纸，而是直接通过计算机数字信息传递完成加工、装配和检测过程，实现最后的产品。[2]这一方法早在1990 前后就开始在工业设计领域运用，而最早在建筑领域引进无纸化建造模式的无疑是数字化建筑师的先驱人物弗兰克•盖里（Frank Gehry）（图4），1994 年，在哥伦比亚大学建筑系系主任屈米领导的无纸化工作室的进一步推动下，至今已蔚然形成一股新的潮流，改变了我们的设计模式，并在建筑设计领域掀起了一场新的数字化革命。
一方面，数字化建筑师们抛弃了传统的二维图纸，甚至抛弃了建筑师的看家本领—草图，他们利用犀牛、玛雅等三维软件生成变化无穷的形态和空间，这是传统的图纸设计或者实体模型设计所无法比拟的。电脑程序为建筑师探索新的空间形态提供了新的方法和更多的可能性；另一方面，当建造转化为工厂数字化信息传递过程时，传统的对建造过程的安排和组织方式将发生改变，“建造”转换为“制造”，而制造完全是在“数字”信息控制之下。这就改变了建筑师受制于设计与建造之间的3D－2D 转换过程，也即是说，建筑师可以不再苦于如何用传统的二维施工图来表达一个空间的三维复杂形态，从而极大地拓展了建筑师对建筑形态探索的可实施性，自由形态不再是电脑屏幕上的乌托邦想象。数字化建筑师的探索，让建筑设计从二维走向了三维，并走向了数字化建造，这是建筑设计方法的一次重大转型。
二、建筑信息模型的出现
虽然，数字化建筑师们实现了三维设计和无纸化建造，但是他们的三维电脑模型所包含的信息量仍然是有限的。在他们那令人眩目的各种建筑电脑模型中，所传达的信息是唯一的，那就是“视觉信息”，犀牛等工业造型软件实际上只是为建筑师提供了一个强大的形态研究工具，可以帮助建筑师虚拟出各种各样的空间形态（图5），但这些软件建立的模型在容纳更多信息量（如面积、材料、重量、受力等等）上却无能为力。然而，在信息时代，事物的发展总是呈现出瞬息万变的特征，一种新的三维建筑模型概念很快解决了这一问题，那就是方兴未艾的“建筑信息模型”。所谓建筑信息模型（BIM），英文全称是 Building Information Modeling ，目前还没有一个完整而精练的定义，我们可以这样简要地描述它：通过数字信息仿真模