建筑数字孪生的基本要素

来源: 朱小羽

本系列的“BIM随笔”,写到这里应该要做一个简单的总结。在系列的首篇文章里面谈到,比较不同软件的能力差距不能仅看某一具体招式,而要看隐藏在招式后面的内力。那么,针对建筑领域的数字孪生建模,CATIA的内力究竟如何体现?从本质上说,这个问题的含意在于:我们如何才能以数字模型来准确描绘一个建筑物?

        在前面的文章里,我们谈到了模型中可以包含以下几方面的信息:
(1)3D几何:这是最直观易见的要素。如果不能精确描述建筑的几何形体,那么与几何相关的数学计算(例如面积、体积、重量)就很难做到准确,用于制造加工等场合也会存在问题。传统BIM软件常常受限于图形引擎的能力,在描述简单几何时表现尚可,遇到复杂曲面时就力不从心,在大坝、桥梁等空间结构中更是如此。与之相比,CATIA提供了基于NURBS的图形引擎和混合建模技术,因此常常在复杂项目中成为设计师的首选。(2)语义信息:即对象的类型、属性等非几何信息。现实世界中的对象种类是千变万化的,而传统BIM软件往往缺乏规范的信息管理机制。它们或是不能自定义信息标准,或是将语义信息和几何信息人为割裂。与之相比,CATIA提供了科学的信息管理机制,允许用户方便的自定义对象类型和属性标准,还可根据表达式来自动计算和更新相关属性,因此能够更全面的管理建筑信息。

        ——如果我们有了(1)和(2),就可以准确描述单个对象的信息,但建筑是由诸多对象组成的整体,对象之间存在着层次逻辑,因此这就引出新的要素:

(3)结构体系:即对象之间的组合装配逻辑。例如一个建筑结构可以分解成多个楼层,一个楼层可分解为梁、柱和楼板,预制梁又包含混凝土和主筋、箍筋、套筒等对象。传统BIM软件往往缺乏这样的层次逻辑,因此无法创建具有复杂内部结构的装配体(例如Revit中的钢筋是建在楼层平面上而不是构件内部,也不能在门族内部创建一个门锁对象)。与之相比,CATIA通过逻辑结构树来管理不同层级对象的相互关系,创建产品装配时更加得心应手。(4)参数关联:即不同对象之间的参数传递。建筑的不同对象之间往往存在参数关联,例如管道穿墙时,我们希望在孔洞与管道之间进行关联,因此当管道直径变化时可以自动调整孔径,但传统BIM软件未必都能实现这一点。例如在Revit中,通常情况下不能将一个对象的设计参数传递给另一个对象,只能通过Dynamo等工具或者二次开发来间接实现。与之相比,CATIA具有极为强大的参数化建模能力,能够轻松实现不同对象之间的参数关联,从而为设计模型赋予智能。

——有了(1)~(4)的要素,就可以创建一个高质量的数字模型,但现实的设计往往不是一个人一挥而就的,而是团队反复修改的成果,因此还需要在建模软件内部支持多人协作、不断演进的设计流程:

        (5)设计流程:在设计过程中实现对象的访问控制、版本管理、任务分配和设计校审等一系列功能。传统BIM软件往往不具备这些能力,因此用户往往发现,根据已有图纸的建模过程相对顺畅,但如果要在设计过程中反复修改就非常困难,也难以实现团队协作,最终使BIM软件沦为翻模工具,而不能进行正向设计。与之相比,最新的CATIA软件是基于达索的3DEXPERIENCE平台,具有与生俱来的、构件级别的协同能力,并通过基于模板的设计(Component-Based Design)技术支持从概念到深化的设计演进过程。因此,它不仅是对建筑实体进行数字化建模,同时对整个设计流程进行数字化建模,从而使正向设计成为可能。
最后,我们可以用下面的图表对这5个要素进行总结:

建筑数字孪生的基本要素-BIMBANK
建筑数字孪生的基本要素-BIMBANK

为了以数字孪生的方式对建筑进行完整的建模,仅从设计阶段考虑,就需要考虑上述至少5个方面的不同要素。如果将这个数字孪生继续应用于施工、运维阶段,还会涉及更多的内容,例如施工阶段会需要将施工的工艺工法、造价成本等信息纳入模型,而运维阶段需要通过现场采集的真实数据来更新模型,使模型随着真实建筑的演变而不断更新。限于时间和精力,本文不再讨论施工和运维阶段的数字孪生应用。这个简短的BIM随笔系列到此告一段落。

最后声明:本文内容基于本人长年与各种BIM软件接触下来的一些思考,个人观点未必全都正确,欢迎有识之士的批评讨论。希望这些思考能帮助行业更好的评估各种BIM软件的能力和定位,也希望能为BIM软件未来的发展起到些许促进和参考作用。

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