BIM技术是如何发展而来的?

2021年2月3日
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BIM是过去20年里,在设计和建筑领域无处不在的术语,但它从何而来?这是一个丰富而复杂的故事,源于来自美国、西欧和苏联的人们为了改变二维CAD工作流,争相开发最完美的建筑软件。

BIM技术是如何发展而来的?

随着承包商在2012年首次成为BIM技术的主要驱动者,这个与关系数据库紧密相关的建筑设计模型已被证明优点众多,价值非凡。
BIM究竟是什么?这个问题时常被提及。作为基于对象并且与数据库相关的模型,BIM软件必须能代表建筑的物理和固有特征。另外,大多数BIM软件能渲染,优化分类,创建模型组件的编程环境。在三维视图中,用户能查看与交互,也能获得模型的正交二维平面图、立面图、剖面图。随着模型的完善,所有项目内的图纸都会得到相应的调整。不严格地说,一个建筑模型能在软件中被设计出来,“参数”、所有信息和几何内容都被明确定义,这将是一件繁琐的事。
参数化建筑建模者允许用户创建约束,诸如水平面高度能与指定高度的墙壁相联系,创建动态数据库模型。这满足了建筑业对不同规模的图纸的需求,让各式各样的图表能得到一个总和。自1964年起,在美国,生产图纸的必要时间已开始稳步下降。生产力的提升与计算机技术的发展息息相关。尽管一些早期的建筑设计程序使用了BIM的概念,但由于计算机能力的限制和较差的用户界面,远不及AutoCAD和Bentley微型工作站等二维画图程序。
开端BIM系统的概念基础可以追溯到1962年。Douglas C.Englebart在他的论文《扩张人类智慧》中将未来建筑师描述得不可思议。
建筑师接下来将开始输入一系列规范和数据--6英寸的平板楼板,12英寸的混凝土墙等等。当他完成时,这些场景将出现在屏幕上,结构已初具规模。他开始检查,调整…这些数据帮助形成更具细节的,内部相连的结构,代表了实际设计背后的成熟思考。
Englebart提出了基于对象的设计,参数化操作和关系数据库;这个梦想在几年后成为了现实。一大堆设计研究者有着极大的影响力,包括Herbert Simon, Nicholas Negroponte和开发GIS并行跟踪的IanMcHarg。Christopher Alexander的工作促成了基于对象编程的计算机科学家学派的形成,影响巨大。这些系统周到且完善,要是没有能与建筑模型交互的图形界面,这样的概念框架不会被人们意识到。
可视化模型自SAGE图形界面和1963年Ivan Sutherland的画板程序起,立体建模项目开始在计算的几何表现中发展。在70和80年代出现的显示和记录信息的两个主要方法分别是体素构造表示法(CSG)和边界表示法(brep)。CSG系统使用一系列的原始形状,可以是固体颗粒或孔隙,它们的形状可以结合和相交,减去或合并创建更复杂的外观形状。填补缝隙和删减工作在设计中十分常见(窗、门),因而这种发展在建筑设计中尤为重要。
设计进程要求设计师工作的媒介有内在联系。这是另一个挑战,建筑师需要告诉电脑如何去做才能不像早期的打孔卡那么复杂。光笔、头盔显示器和早期各种人机交互(HCI)的装置都有很好的记录。从建筑的角度,我们能在Nicholas DeMonchaux的书《宇航服》中找到HCI的精确历史。书中通过太空竞赛和冷战叙述了BIM和CAD技术的先驱。
数据库建筑设计通过数据库的镜头来查看建筑,建筑被分解成了按文本分类的各类组件。最先成功建立数据库的项目之一是Building Description System(BDS),这是第一个描述人库元素的软件,这些元素能被检索和添加到模型中。这个程序使用了图形用户界面,正交视图和透视图,以及一个合适的数据库,允许用户通过材料类型和供应商等属性来检索信息。BIM之父Charles Eastman发明了这个项目。我们之前分享过Charles Eastman以第一作者的身份撰写的世界上第一篇BIM论文“An Outline of the Building Description System”,不知道大家是否有仔细阅读呢?
Eastman声称,建筑图纸效率低下,导致用不同尺度表示的同一对象产生冗余。他也批判了硬拷贝图纸不能将建筑的更新表现出来。他在论文中预言了自动化模型评审概念--“检查设计的规律性”。
Eastman认为BDS能通过提高绘图和分析效率减少多余50%的设计成本。他的项目由美国国防部高级研究计划局资助,在PC出现前就于PDP-10计算机上撰写完成。很少有建筑师能够在BDS系统上工作,是否任何项目都能通过这个软件来实现也尚不明确。BDS是一个实验,能在接下来的五十年中处理建筑设计中一些最基础的问题。在1977年,Eastman在卡耐基梅隆大学创建了下一个项目GLIDE(交互设计的图形语言),展示了现代BIM平台最主要的特征。

“通过输入左侧的代码,生成右侧可通过参数化调整的楼梯。”Charles Eastman'的GLIDE是第一个包含当今BIM软件主要特征的程序。图片来自于Charles Eastman的论文“GLIDE”。
80年代初期,英国开发了几个应用于建设项目的系统,成果颇丰,其中包括GDS, EdCAAD, Cedar, RUCAPS, Sonata和Reflex。RUCAPS于1986年由GMWComputers开发,是使用了建筑建造进程中时间定相概念的第一个程序,协助完成了Heathrow机场3号航站楼(Laiserin--BIM的历史)。1988年斯坦福大学综合设施工程中心的成立标志着BIM发展的另一个里程碑。这是在博士生和工业的合作下进一步发展的有时间属性的“四维”建筑模型的源泉,标志着BIM技术发展中的两种趋势将分离,并在未来二十年中继续壮大。一方面,服务于建筑业,能提升建造效率的针对多学科的专业工具将得到发展;另一方面,BIM模型将能用于测试和模拟建筑性能表现。
之后,在1993年,劳伦斯伯克利国家实验室开发了Building Design Advisor,是基于模型给予反馈并提出解决方案的著名模拟工具。这个软件使用建筑及其周围环境的对象模型来执行模拟,是第一个使用综合图形分析和模拟来展示建筑将如何在特定条件下(朝向,几何特征,材料特征,构件系统)表现的项目。程序中,还有一个基础优化助手,能基于储存于“解决方案”中的标准做出决策。

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