超越参数化的形体

在本文中，我们会更深入的探讨基于BIM系统之参数式建模的特征,以超越单纯参数化几何建模的议题为主。

一、关联式结构

当我们在一栋建筑物的参数化模型中放置了一道墙时，可与墙关联的包括其曲面边界、底座平面、终端紧邻的、任何对接的墙和修建其高度的天花板曲面，它还界限其两侧的空间。这些都是参数化结构中，用于管理更新的所有关系。当我们在墙上置放窗户或门时，我们在定义窗户与墙的另外一种形态的关系（以及两侧的空间）。同样地，在管路布线时，定义接头是否为螺纹穿过、对接焊接或有无凸缘和螺栓是重要的。数学中的关系成为拓扑并不同于几何。关系对于建筑模型的表示形式是重要的，它是嵌入参数式建模的其中一种基础定义。

其他种类的关系对参数化配置也是基本的。由混凝土包覆的钢筋是混凝土的一部分，骨架是墙的一部分，家具是包含于一个空间物件中。聚合是【属于（part of）】关系的一般说法，他是一种广义的关系，用于取得物件，并在所有BIM设计系统中，能以自动或手动的方式管理。聚合被用于将空间组合成为部门、零件组合成为构件、单件组合成为单件订单、多个单件组合成为组立顺序。规则可以与聚合所有关联；例如构件物属性如何从零件属性导入而来。

关系具有三种重要咨询：什么可以被连接或是聚合物的一部分；某些关系具有一个或多个特征，例如一个关系如何修改与它连接的物件；最后是关系的属性。

关系是BIM模型规格重要的一部分，可决定零件之间定义的规则类型。作为设计物件，他们也很重要，通常需要规范或详细说明。没有一个BIM设计工具清楚地定义允许和不允许的关系，他们可能被嵌入在文档中，以特定的方式被定义，因此使用者必须自己理清。在建筑BIM设计应用程式中，他们几乎总是明确的元素。据我们所知，BIM应用程式中，仍尚未有支援的拓扑关系的详细研究。

二、性质和属性处理

以物件为基础参数式模型解决了几何学和拓扑学上的问题，但他们若要被其他装置解读、分析、估价和采购的话，他必须要带有各式各样的属性。

性质会在建筑物生命周期的不同阶段发挥作用，例如设计性质满足空间和区域名称，空间性质，如入住、使用、活动和能源分析所需的设备。区域（空间的聚合）由处理控制恒温和荷重的性质来定义。不同的系统元素有自己的性质，用于结构、隔热、机械、电气和管道等行为。之后，性质还能满足材料和采购的品质规格。工程的最后阶段，属性提供咨询和连接，以传达操作和维护的资料用于操作和维护。

BIM提供了在专案生命周期中，管理和整合这些性质的环境。然而，用以创建和管理他们的工具才刚开始被发展及整合到BIM环境中。

性质很少被单一使用，一个照明应用程式需要材料颜色、反射系数、镜面反射指数和可能文理和凹凸的贴图。准确的能源分析中，一道墙需要一组不同的性质，因此性质被适当的组织成群组，并与某些功能象关联。不同物件与材料的性质库是发展完善的BIM环境整合下的一部分。产品供应商并不会总是提供性质集，使用者或使用者的公司常常得大约设定，或从American Society of Tseting and Materials data（ASTM）（美国测试和材料资料社会）取得。虽然如施工规范工会的组织正在解决这些问题，模拟和分析工具的性质集支援广泛范围的发展，尚未被适当地以标准适用方式被组织，目前他们完全由使用者来设定。

即使看似简单的性质，也可以是复杂的，例如空间名称，它们被适用于空间规划评估、性能分析和偶尔使用于早期成本估算、分配能源负荷和使用时间表。空间名称依建筑的特定类型而不同，一些组织已尝试发展空间名称标准以便加速自动化。对法院的房子，GSA有三套不同的空间名称分类：一套用于建筑类型空间验证、一套用于计算租约、另一套用于U.S.Courts Design Guide（美国法院设计指南）中。在部门和个人空间级别，Georgia Tech（乔治亚理工学院）估计约有445种不同的有效空间名称。

BIM平台目前极少为多数物件提供预设属性，但有提供扩充属性设定的能力，使用者或应用程式必须添加性质至每个相关物件，以产生某种类型的模拟、成本估计或分析。并且也必须管理他们用于各项任务的适合性。因不同应用程式对相同功能需要的属性和单位可能稍有不同，使管理性质集变得有问题，如能源和照明。

一组应用程式至少有三种不同的方式管理性质：

·在物件库中预先定义他们，因此当物件个体被建立时，它们也会随之添加到设计模型中。

·使用者在需要时，从储存的性质库中，添加到应用程式。

·当性质从一个程式酷被输出到一个分析或模拟的应用程式时，根据索引或编码自动分配性质。

对于生产工作设计一套标准的施工类型，第一种方法是好的，但自订物件需要周密的使用者定义。每一个物件携带可扩充的性质资料，提供所有相关的应用程式，实际上可能只有其中一些用在给定专案上。额外的定义可能会降低应用程式的效能和加大专案模型的尺度。第二种方法允许使用者选择一组类似的物件或属性集，输出到一组应用程式中，造成非常耗时的输出程序。模拟工具的反复运算使用，在每次执行应用程式时，可能要额外的性质，例如因能源效率，检视替代窗户和墙系统时，就会需要。第三种方法保持设计应用程式的简便，但需要开发可理解的材料标识系统，让所有输出翻译器关联到每一物件的性质集。作者认为第三种选项是大众期盼的性质处理长期的解决方案，这种方法所需的全域物件分类和名称标示，目前必须开发多种物件标签，每一个物件标签对应一个应用程式。

支援不同类型应用程式的物件性质集和适当的物件分类库之发展，在北美施工规范公会（Construction Specification Institute of North America）和其他国家规范组织的考量下，是一个广泛的议题。

代表特定商业专注产品的物件和性质的建筑物件模型（Building Object Model，BOM）资料库，是隐藏在BIM环境中管理物件属性背后的一个重要部分。

三、图纸生成

即使建筑模型具有建筑的完整几何配置及系统，物件具体性质和潜在的规格，并且可以比图纸带有更多的资讯，但在未来一段时间内，仍将继续需要图纸，用于从中提取报告及模型的特定视图。现有的合同流程和工作文化，即便更改，仍以图纸为主，无论是纸张或电子档。如果BIM工具不支援有效的图纸提取，使用者都得从横切剖面大量人工编辑以产生没套图纸，那么BIM的好处会显著的减少。

在建筑资讯建模中，每个建筑物件个体只被表示一次，物件个体如形状、属性、和模型中的位置。根据建筑物件个体的排列，所有图纸、报表和资料集都可被提取。由于这种非重复的建筑表现法，如果是从统一版本的建筑模型取得，所有的图纸、报告和分析资料集都会一致，次功能可以解决重大的错误来源。正常的2D建筑图，任何更改或编辑必须由设计师手动转换到多个绘图视图，造成因为未正确更新所有绘图的潜在人为错误。在预制混凝土施工，此种2D做法已被证实所造成的错误支出，会占大约1%的建设成本。

建筑绘图使用的并不是正交投影图，而是建筑平面、剖面、立面和纸张上用在不同系统用复杂的图例集，以图形方式记录设计咨询。者包括某些实体物件的符号描绘，平面上在剖面线背后的几何物件以虚线表示，及除了线条粗细和批注外，特别选的虚线来表示的隐藏物件在剖面线前。机械、电气和管道系统（MEP）经常在设计的不同阶段，以不同的方式呈现，这些不同的转换需要BIM设计应用程式在图纸提取能力上，嵌入一套强大的格式规则。此外，个别公司往往有本身的绘图规则，需要被添加到内建工具规则中，这些问题会影响在模型工具中如何被定义，以及图纸提取时工具如何设定。

内建图纸的定义局部可能来自于物件的定义。物件具有关联的名称、注释，并在某些情况下，如线条粗细等是由物件库中携带的视图属性来定义。物件的位置也有含义，如果该物件放置在相对于网格交点或墙端，这就会是尺寸的位置会被标注在绘图中的原因；如果物件是相对于其他物件被参数化控制，如梁的长度跨越于可变的支撑端上，那么图纸生成程式将不会自动标示尺寸长度，除非系统制定要在图纸生成时出现该梁长度。某些系统储存与物件剖面相关的注释，虽然这些注释通常需要调整，以达到较佳的配置。其他的注释视细节为一个整体，如名称、比例和其他一般附注，他们都必须与整体细部相关联。图纸集还包含基地位置图，其显示这座建筑物在地面上相对于地理空间坐标的放置点。一些BIM设计应用程式有较强大的基地规划能力，有些则没有。下表显示那些BIM设计应用程式包括基地物件。当前BIM设计工具的功能几近达到自动化图纸提取，但不太可能100%自动化。

图1为可生成包含曲折形状的规则之一系列功能

大多数建筑物涉及数以千计的物件，从大梁和地基填料到踢脚板和钉子。人们通常认为某些类型的物件，不值得建模，不过它们仍然必须在画面上被描述，才能被正确的施作。BIM设计工具提供了3D模型中定义的细节程度（有选择性地关闭某些物件），来提取剖面视图的方法。剖面的位置在平面或立面上以剖面符号，被自动记录下来做交互引用，如果需要的话，可以移动其位置。然后在次剖面图以人工详细地绘制所需的木块、挤压件和防水条等；为绘制该详细剖面图提供相关文字说明。如下图为此案例，左侧显示提取的剖面图，右侧显示详细剖面及手写文字说明。在大多数系统上，这个细节与基于此切断的剖面有关联。当剖面中的3D元素更改时，它们会自动更新剖面图，但必须以手动更新手写的详细资讯。

图2显示刚开始从建筑模型中提取出来的剖面（左）以及用人工细化的详图对剖面做说明（右）。

基于上述规则，每个平面、剖面和立面分别以3D提取的画面和对其的2D绘制剖面之组合来生产画面。然后他们被放置到图纸上，带有正常边框和标题。图纸配置将维持于所有时期，并为整体专案资料的一部分。

从详细的3D模型来生产图纸，经理了一系列的改善，才使它变得有效率和容易。下面是现在技术上支援的品质等级，以顺序排列，虽然大多数系统还未实现最顶级的图纸生成能力。我们从最薄弱的水准开始：

1、一个弱的图纸生产提供从3D模型生成正交剖面部分，然后使用者手动编辑线的格式，并添加尺寸、详细资讯和皮质。这些细节是相关的，就是只要模型中存在该剖面部分，此注释配置会被维持于不同绘图版本中。这类关联能力，对于多个设计版本的有效再生图纸是必要的，在此情况下，图纸为从模型生成的详细报告，图纸生成可以在外部绘图系统或BIM工具内完成。

2、此级别的改进，为投影类型（平面、剖面、立面）的元素相关联的样板档的设定和使用，样板档自动生成元素的标注尺寸、指定线条粗细，并从属性定义生成注释。虽然对物件群组做先行设定是一件很乏味的事，但这样可以大幅加快了初始绘图设置，并提高了生产效率。样板档的布局的设定可以被复写，并且可以添加自订批注。模型界面无法被编辑，必须要在模型视窗的状态下才能编辑。这两种所说的前例，会有报表的管理功能，用以通知使用者模型已经被更改，但图纸直到它们被重新生成之前，是不会自动更新来反应更改。

3、当前顶级绘图功能实在模型和图纸之间能支援双向编辑，更改模型注释与上述相同，然而视图中支援模型编辑，并传达到模型中。如果也同时在视窗中显示3D模型，任何视图的更新可以立即引用在其它视图中。双向视图和强大的样板生成功能，进一步减少图纸生成所需的时间和精力。

门、窗和五金零件列表以类似上述三个的方法定义，也就是它们可能会被生成为列表，仅在列表上进行编辑。列表也可被视为模型视图，并在某些系统中可以直接更新，修改建筑模型。静态列表的生成方法是最弱的；强大的双向编辑是最强的。这种双向性提供了又用的益处，包括可以把使用在一扇门上的零件项目与列表上所推荐的做交换的能力，而非从模型上。然而，需要小心从零件列表对模型做编辑，这种模型上的编辑常导致模型损毁当机。

在制作级别的BIM建模系统中，3D方面剖面配置图的混合系统及2D详细说明大量减少，并假定设计主要是从3D物件模型生成。在这些情况下，托梁、墙筋、横木、木头窗台和其他物件，如上图所示，会于3D中制定。

一个当前显著的目标，是要尽可能自动化地生成图纸，因为多数初始设计生产力的益处（和成本）会取决于自动生成的程度。未来将与建筑物交付过程的参与方们有关，将会使他们的作法顺应于BIM技术，便不再需要图纸，并且可以直接用模型档案作业；我们会渐渐转移到一个无纸的世界。图纸仍将会被继续在建设小组或其他使用者使用，但可能是以随手可扔及便签的方式存在。随着这些改变，建筑图纸的使用习惯可能会变化，允许在特定任务中订用使用方式。

BIM技术允许设计人员可以在使用时选择3D建模级别，并用2D绘图剖面填补缺少的详细资讯。BIM好处如资料交换、材料清单、详细成本估算与其他遗失的部分，则是那些仅在2D剖面图中所做定义的元素。虽然有辨称完整3D物件建模是不被保证的，然BIM进阶的使用者是走向100%建模。对于各种运用不同层次的BIM的公司而言，混合技术是好的；初学者可以使用剖面绘制，以渐增BIM的应用于专案上，高阶使用者可以用循序渐进的方式发展新的应用，为在建模上得到好处上所需要的详细级别的资讯。

四、档案大小的弹性

许多使用者遇到的问题是迟钝大小控制，当专案模型在实务使用来说太大时，会遇到规模尺度的问题。操作变得迟缓，这样即使简单的操作都会费力。建筑模型花费了大量的电脑记忆体空间，大型建筑物可以包含数百万个物件，每个都有不同的形状，尺度大小的弹性因建筑物大小，如地板面积及模型详细程度而又影响。如果都建立在每个钉子和螺钉的模型，那么甚至简单的建筑物也可能会遇到尺度大小的弹性问题。

参数式建模包括了将一个物件的几何或其他参数关联到另一个的几何或参数之设计规则。这些规则形成了一种关系层次：之内（within）物件的参数关系，对等（peer）物件的关系，调整一个物件的形状来回应另一个物件的变化，及层次（hierarchical）关系，对于控制网格和曲面之间，其决定形状的参数和一组相关物件的位置。之内物件和对等物件关系的局部更新，而层次结构规则的传达则可能会造成整个建筑物的更新。局部的参数化规则传达只对模型做出合理的要求，而一些系统建筑会限制能力来管理一大套层次结构规则的传达。此外，很难把一个专案分区为独立发展的部分，却仍然管理大型组合的层次结构规则。

问题在记忆体的大小；物件形状上的所有操作必须在记忆体中进行，管理参数化更新的简单办法，是在记忆体执行该专案。这挑战了尺度大小的弹性，并使可有效进行编辑的专案大小，有了实际的界限。但是如果规则可以跨越档案传达，更新一个档案中的物件，可以使自动更新传达到其他档案，那么专案大小极限就消失了。只有几个BIM设计应用程式开发尤其是建筑方面，具有跨多个档案管理参数化变化传达的方法。我们将那些必定能在记忆体中同时携带所有已更新的物件之系统成为记忆体为基础（memory-based），当模型变得太大，以至于记忆体无法执行时，会启动虚拟记忆体置换装置，导致大量的等候时间。其他有跨档案传达关系及更新方法的系统，可以开启、更新，然后在编辑操作期间关闭多个档案，这些称为档案为主的系统（file-based）。档案为主的系统通常对小型专案来说，速度有点慢，但当专案规模增大时，它们的速度不会慢很多。

使用者将专案分割为模组（module），是一种有时间验证（time-tested）的分享工作方法，并且限制自动更新的规模。当参考档案通常被使用来限制编辑的功能，这些可以表现的很好，如果专案的层次关系不会导致专案全域性的更改。一些BIM工具会加上这些限制。

记忆体和处理的问题自然会因电脑效能更高而减少，64位元处理器和作业系统也会提供显著帮助，然后更详细的建筑模型和较庞大的参数化规则集，会有平行处理的需求，档案大的问题还需一段时间解决。

五、物件管理和连接

物件管理

BIM模型变得相当庞大和复杂，数十亿位元祖（Giga Bytes,GB）的模型越来越常见，这种情况下，资料协调与管理将成为一个大型资料管理的任务和议题。传统的方法用档案去更新专案的版本，会导致两种问题：

1、档案变得很大，并且专案必须以某种方式被切割，以允许继续设计下去；每个档案都很大，速度慢且繁琐。

2、档案更改的确认仍然是靠人的管理，被取代的部分以红色的标记标识在画面上，并用3D PDF或其他类似的检视档来做注释。传统上，由于对施工阶段的资料进行重大变更会产生庞大的费用，因此是不允许这样做的。BIM和模型管理应该消除或大量减少此类问题，虽然参数化更新解决绝不更改的问题，不同模型的协调管理，以及他们所衍生的资料用于调度，分析和报告仍然是一个重要切日益增加的议题。

长期被注意但知道最近才了解的功能，是当交换性的、修改过的或删除过的物件，与消除未修正物件中的多余资料（chaff）时，在现在生成画面的环境下，才被提出次问题，特别是ArchiCAD的Delta BIM伺服器。只传输有更改的物件，并且输入他们，称为增量更新，大幅减少了档案资讯交换的大小，并能及时地，将可辨识别的及目标性的更改作处理。该功能需要在物件层次中，通常有时间戳记来提供物件识别和版本控制。这种功能随着BIM模型的趋势成长，将越来越重要，他将成为在未来系统所有版本中，『必须』有的功能，以供多个BIM应用程式之间的协调。

外部参数管理

许多创新专案所探讨的功能，是根据控制参数（经常为3D网格）来定义的几何配置的设计方案，及设定试算表格式。

对于某些类型的专案，读取和写入到试算表的能力，提供不同的设计工具之间能有资料交换性的级别层次。假设有相同的参数模型若建造于两种不同建模环境中，例如Rhino和Bentley，若使用相同的参数控制其几何形体，可以在Rhino中进行设计探索，一般而言Rhino是较友善但资讯有限的设计工具；然在Benltey Architecture中更新参数，使其允许将更新资讯整合到具有成本和能源分析功能的BIM工具中，可作成本或能源分析的运算。试算表是提供几何交换性的一个重要级别。

外部参数清单的试算表的另外一种方式，是以参照方式来交换参数物件，而非直接地，最为人熟悉的例子是钢铁结构。钢铁手册，现在已有数位形式，带有不同标准的钢铁结构资讯，如W18X35或L4X4等。这些资讯名称可以从钢铁指南中，提取剖面图、重量和主体属性。一些预制混凝土制品、钢筋和一些窗户制造商目录也有类似的资讯。如果发送者和接收者都有相同的目录在手，那么他们可能透过参考资讯（名称）的方式发送和存取相关资讯，交流为存取对应的目录资讯并且载入到适当部分的参数化模型。这是量产领域中的重要功能。

外部图库档的连接

另一项重要的功能是提供外部档的连接，现金这种功能的主要用途是连接产品和它们相关的手册，以供设备维护和操作，及日后关联设施操作和维护（O&M）。一些BIM工具提供此功能，并将他们加强为一个可以提供0&M阶段支援的工具。

本节概述的所有功能对评估和选择BIM平台是很重要的。

六、一些常见的问题

有很多关于BIM与被认为是BIM设计应用程式的电脑辅助设计系统的相关问题，本节尝试回答最普遍的问题。

物件参数式建模之优点和限制

一个参数式建模主要的优点是物件的智慧化设计行为。自动的低阶编辑是内建的，几乎像本身的设计助理。然而这种智慧，是要付出代价的，每种类型的系统无见有起自己的行为和关联性，因此BIM设计应用程式本身相当复杂。每种类型的建筑系统由具有不同建立和编辑方式的物件来组成，虽然是用类似的使用者界面样式。有效利用BIM设计应用程式通常需要数个月来上手。

有些使用者比较喜欢的建筑软件，尤其是针对初期概念设计，如SketchUp、Rhino和FormZ的Bonzai等，都是非参数式建模为主的工具。相反的，他们有固定的几何编辑物件方式，而仅限于使用表面物（suiface）的类型不同而有异。此功能应用于所有的物件类型，使它们在使用上简单得多。以及应用在墙和板上的编辑动作将会是一样的。在这些系统中，属性定义了物件类型和其功能取向，使用者可在选择物件时添加属性，而不能在物件已建立时新增。所有这些系统允许表面物加以群组，并命名及添加属性。假如小心操作，并且有匹配的界面，物件可以被输出并可用在其他地方，例如太阳能热吸收研究。这方法相似于人们在3DAutoCAD中使用的，但人们不会采取这种建模方式于设计发展，因为在物件间不可连接，且在空间上独立管理。然而，对初期概念设计阶段是否可以使用此种建模软件是可讨论的，然而带有单一物件行为的BIM技术是不可靠的。

为什么不同参数建模软件不能交换他们的模型？

将常被问到为什么公司不能直接交换Revit和Bentley Architecture的模型，或交换ArchiCAD和Digital Project。从前面的讨论过的概述，很明显这种交换性的缺乏原因是，由于不同BIM设计应用程式依赖于他们不同定义的基本物件和行为，Bentley墙的行为会不同于Vectorworks墙或Tekla墙。这些是不同功能设计BIM工具中规则类型以及应用于定义特定物件群组的规则之结果。此问题只发生在参数化物件，而非那些固定几何。如果接受其现有形式为固定形状，则它们的行为规则会被删除，那么ArchiCAD物件可以用于Digital Project；Bentley物件可以用于Revit。这种交换的问题可以被解决。问题是交换物件的行为（虽不常需要）。行为也可以被交换，如果当产业组织之间达成一种用建筑物件定义的标准，其不仅包括几何也包括行为。在此之前，对于某些的物件交换是被限制或不可行的。然这会慢慢的被改善，因为实践上的需求解决这些问题是值得，同时其他多种文体也会被理清。相同的问题也存在于制造业，但目前也尚未被解决。

施工、制作和建筑BIM设计应用程式上有哪些本质上的差异？

同一BIM平台可以支援设计与制作细部吗？因为所有这些系统的基本技术有很大的共同之处，没有任何技术上的理由说明，建筑设计和制作BIM设计应用程式不能在彼此的领域提供产品。在某种程度上，这种情况发生在Revit Structure和Bentley Structure，他们开发一些制作级别BIM设计应用程式所提供的功能。另一方面，在少数情况下，Tekla已被用于设计和建造房屋。双方都满足了工程市场，或较小程度来说，承包商市场；但使用在这些资讯丰富的领域中的专业知识里，用来支援完整生产所需之部分是取决于必要物件行为中的主要前端内嵌内容，而物件行为在不同的建筑系统和其生命周期上需求是有明显的差异。特定建筑系统物件行为的专业知识若已被规范就会较容易地嵌入其中，例如在结构体系统设计中。界面、报告和其他系统的问题可能不同，但当每个产品尝试扩大其市场领域时，我们很可能会在好长一段时间看到中间立场的小规模冲突。

制造导向的参数建模工具和BIM设计应用程式之间的显著差异？

机械设计参数式建模系统能改编成BIM吗？机械参数式建模工具已经已改编于AEC市场。基于CATIA的Digital Project是一个显著的例子，此外，Structureworks是使用Soildworks平台于预制混凝土细部与制作的产品。这些改良建立于目标系统领域需要的物件及行为中。建筑系统为自上向下设计系统，而制造业参数化工具是自下而上组织的。制造系统的架构为不同零件原本是来自于不同的『专案』，但由于它们已解决跨档案传达更改的挑战，使他们往往更可扩充。在其他领域，如管道、帷幕墙制造和风管设计，我们预期看到机械参数建模工具和建筑及制作等级BIM设计应用程式在这些市场的争夺。提供给每个市场的功能范围仍正被理清。市场就如战场般。

七、小结

在本文中，我们试图阐明几个不同的议题：

·以前的CAD系统和BIM设计应用程式之间的差异

·BIM设计应用程式和其他行业所使用的物件参数式建模系统之间的异同

·建筑设计使用的BIM设计应用程式，和制造使用的之间的差异