BIM技术在PKPM建筑工程软件系统中的应用

1、第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集 上海.2011PAGE BIM技术在PKPM建筑工程软件系统中的应用杨志勇 张志远 姜立 张雷中国建筑科学研究院【摘 要】随着计算机运算速度、图形处理能力及图形学理论的发展，CAD软件已经有了质的飞跃，CAD技术正在从原来简单的辅助绘图（Drafting）向成为真正能够辅助设计（Design）的工具发展，网络化、集成化、智能化和标准化已成为新一代CAD软件的重要特征，而三维建筑信息模型（BIM）正是实现以上目标的基础。PKPM通过核心三维数据模型，将建筑项目的各个环节连接起来，率先实现了信息数据化、数据模型化、模型通用化的BIM理念，进而实现了建筑模型数

2、据在全寿命周期的充分利用。PKPM系统涵盖了规划、建筑、结构、设备以及算量造价、施工管理、乃至企业管理各个方面。在建筑全生命周期内，实现了建筑各个专业之间的信息充分互用，提高建筑信息的复用率，从而达到降低建筑成本，提高生产效率的目的。【关键词】 BIM技术 PKPM软件系统 全寿命期 协同设计引言住建部2011-2015年建筑业信息化发展纲要中提出：加快推广BIM、协同设计、虚拟现实、4D项目管理等技术在勘察设计、施工和工程项目管理中的应用，改进传统的生产与管理模式，提升企业的生产效率和管理水平。重点研究与应用智能化、可视化、模型设计、协同等技术，集成主要工程设计软件，创建工程设计协同工作平台

3、；积极推进协同设计技术的普及应用，通过协同设计技术改变工程设计的沟通方式，减少“错、漏、碰、缺”等错误的发生，提高设计产品质量。BIM即建筑信息模型（Building Information Modeling），是以三维数字技术为基础，集成建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项相关信息详尽的数字化表达。BIM是整个团队共同工作的对象，可供不同参与方从不同角度反复利用，提升各参与方在各个阶段的工作效率和数据一致性（图1）。因此，BIM的本质是实现建筑行业的各个专业之间的信息充分互用，提高建筑信息的复用率，从而达到降低建筑成本，提高生产效率的目的。图1 建筑信息模型（BIM）架构图BI

4、M技术的优势体现在以下方面：（1）全面完整的建筑信息（2）打通建筑的全生命周期（3）数据共享，所有信息协调、一致、联动（4）实现各专业协同设计（5）可持续设计（6）三维可视化（7）自动生成工程图纸和统计报表（8）各专业碰撞检查（9）精确统计，造价管控2 BIM技术在PKPM建筑工程软件系统中的应用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部是我国建筑行业计算机技术开发应用的最早单位之一，自1988年创立以来，业务范围已涵盖规划、建筑、结构、设备、概预算、施工管理等多个专业领域，拥有PKPM、ABD等知名全国的软件品牌，自主知识产权图形平台，50多个专业软件。在国内设计单位拥有上万家用户，市场占有率达

5、到95%，开发的英文版软件已在东南亚国家（新加坡、马来西亚、越南）和香港、台湾等地区推广使用。PKPM建筑工程软件系统从诞生的那天起，就已按照BIM的方式进行设计，经历了20多年的发展，形成了具有自主知识产权的全系列BIM系统PKPM系统涵盖了建筑设计、结构设计、设备设计以及算量造价、施工管理、乃至企业管理各个方面。所有各专业模型数据全部通过统一的建模模块生成，一次建模，各专业通用，一模多算。模型数据完全是三维的、面向对象的、参数化的，非常便于修改查询，任何对于对象的修改，视图均可实时刷新。PKPM通过核心三维数据模型，将建筑项目的概念设计、建筑设计、结构设计、设备设计、施工图设计、工程量计算

6、与造价报表、施工管理等环节连接起来，率先实现了信息数据化、数据模型化、模型通用化的BIM理念，进而实现了建筑模型数据在全寿命周期的充分利用（图2）。图2 PKPM建筑工程软件系统在建筑项目全全寿命周期的应用情况PKPM各专业软件的BIM技术应用PKPM的各专业模块在数据核心与数据驱动、三维设计可视化、参数化设计、模型与施工图双向链接、数据可扩展、智能化统计、碰撞检查、虚拟漫游等BIM技术的方面均进行了广泛的研究和应用。BIM技术应用涵盖多个领域的专业软件。 规划设计PKPM中的三维居住规划设计软件可用于居住区规划设计、城市规划设计、城市景观分析以及房地产前期方案评估等方面。它采用三维建模技术以

7、及专业分析手段，提供三维地形模拟和改造、道路及地块设计、建筑布局、建筑信息处理、绿化设计、动态设计数据统计计算、日照评估、设计分析结果真实感模拟表现等功能。软件采用三维建模技术、数字地形模型构建技术、建筑信息模型技术、指标动态监控技术、返回光线计算、动态阴影模拟技术以及瞬时渲染技术等众多关键技术，实现了高效的设计数据管理与直观的三维效果展示（图3）。图3 规划设计软件建筑设计PKPM的建筑设计软件APM是基于BIM技术开发的建筑软件。它从模型输入入手建立建筑模型核心数据，各个功能模块均以核心数据为基础，以数据为核心驱动，各类施工图均是由核心数据自动产生的成果。APM的建模方式采用数据核心驱动，

8、图形为数据的表象，二维施工图仅仅是三维模型的二维表达。APM核心数据和图形紧密结合，数据一旦改变，图形随即改变。图面上的所有图素均是参数化的专业构件对象，可以修改、查询、删除、创建。对构件的任何操作都是面向建筑构件的直接操作。核心数据模型的建立是在布置构件的同时进行的，图面显示的构件也同时计入了核心数据库。图4 建筑设计软件构件定义完全参数化，对异形构件的定义采用了用户交互绘制截面的方式，并以参数化方式存入核心数据库，以最少的数据实现了异形截面构件（如异形门窗、梁、柱、挑檐、楼板等）的存储。对同一构件对象，三维和平面采用不同的显示方式，三维下显示立体模型，平面下显示更接近平面施工图的表达方式。

9、通过建筑信息模型随时切换到各个标准层观察，也可以随时看到全楼建筑模型，实现了设计过程的三维可视化，并可以随时制作渲染图和动画片（图4）。APM中各施工图均围绕核心数据自动产生，用户建立模型后，施工图中大部分标注基本可以自动完成。模型与施工图实现了双向链接，从模型和施工图均可修改核心数据，模型与施工图同步调整（图5）。图5 三维模型与施工图双向链接、同步修改APM建立的建筑信息模型不仅可以自动生成各种建筑施工图，还可以即时进行各类统计和计算，如门窗表、构件表、房间面积、墙面积、混凝土量、窗墙比、体形系数等。结构设计与建筑软件相同，PKPM的结构设计软件PMCAD也基于BIM技术开发，并采用与建筑

10、软件相同的核心数据架构。从上部结构到基础的各个功能模块均以核心数据为基础，并以数据为核心驱动。结构设计各模块中大量采用参数化三维设计方式，设计过程中随时可以看到模型的三维效果。PKPM既提供了适应量大面广的建筑形式的按标准层输入方式的建模工具，也提供了快速搭建复杂结构形式的复杂空间模型软件（图6）。根据用户需要随时切换到各个标准层观察，也可以随时查看全楼建筑模型。构件定义完全参数化，构件参数的修改可即时反映在全楼模型中。对结构设计中广泛使用的斜支撑、层间梁、楼梯、斜板、错层等均可直观表达实际的空间关系，避免了设计方案的错误发生，为结构空间分析提供了准确的计算模型。图6 复杂结构空间建模和分析根

11、据实际工程的需要，结构分析可以采用二维框架模型或三维分析模型；三维分析的核心是通用有限元程序，可适应任意结构形式，对多塔、错层、转换层、楼板局部开洞以及体育场馆、大跨结构等复杂空间结构形式作了着重考虑（图6）。可以进行弹性分析、弹塑性静力和动力分析；可以进行整体结构分析，也可进行结构局部细化分析。可考虑三向地震波的弹性时程分析，并可完成整体建筑在不同地震波作用下的三维动态模拟。钢结构软件可以完成钢结构三维参数化建模，截面优化，结构分析和构件验算，节点三维设计与施工图绘制，适用于门式刚架、多高层框架、桁架、支架、空间杆系钢结构等结构类型（图7）。重型工业厂房三维设计软件达到国际领先水平。钢结构详

12、图设计软件为钢结构制造加工、施工、设计单位提供了三维设计辅助工具。图7 钢结构三维设计软件基础三维设计软件适应多种类型基础的设计，可自动或交互完成工程实践中常用诸多类基础设计，可设计的各类基础中包含多种基础形式（图8）。基础定位参照上部结构BIM模型的轴网、柱、墙等，并可接力上部结构计算生成的荷载，以及考虑上部结构刚度的计算，实现基础与上部结构共同作用。图8 基础三维设计软件由于结构分析与设计是基于建筑物的整体结构模型的，所以上述结构分析与设计模块必然以BIM技术为依托，并成为BIM技术发展的重要一环。PKPM结构设计软件自动根据BIM模型抽象出结构分析模型，其技术水平为广大设计人员认可，也得

13、到海外用户的首肯。设备设计PKPM设备系列软件由采暖、通风空调、建筑电气，建筑室内给排水、室外给排水、室外热网等设计软件组成。各软件数据共享，均采用三维参数化设计，可以在PKPM建筑软件和结构软件的BIM模型上直接进行设备设计，交互完成管线及插件布置，并实现计算绘图一体化（图9）。图9 设备三维设计软件管道综合碰撞检查软件为工程设计的各专业协同工作提供辅助手段。根据BIM模型可检查管道与管道、管道与设备、管道与结构构件之间的关系，确定碰撞位置，实现单专业或多专业间的碰撞检查。在三维图上显示碰撞位置和碰撞实体，三维漫游各专业的综合实体，以动画的形式显示安装效果，建有设备图形数据库（图10）。图1

14、0 管道综合碰撞检查节能与绿色建筑设计基于BIM模型数据的PKPM节能与绿色建筑系列软件由建筑节能、日照分析、室外风环境、室内通风、节水设计、环境噪声、自然采光、土石方工程、环境绿化等众多模块组成，均采用统一的建筑模型数据进行各类建筑性能分析（图11）。图11 室外风环境与室内自然通风分析PKPM节能软件按照最新国家和地方标准编制，适应公共建筑、住宅建筑、各类气候分区，同时提供民用建筑能效测评及居住建筑节能检测计算。PKPM日照分析软件作为绿色建筑设计中的重要环节，与规划设计和建筑设计数据相结合，特点是计算速度快，计算结果准确可靠，并具有坡地日照分析（图12）、遮阳板优化设计、拟建区域极限容积

15、计算等扩展功能。图12 香港九龙新区坡地日照分析概预算PKPM建筑设计环节的建筑信息模型可以在造价（概预算）分析环节复用。在设计环节中输入的建筑信息模型包含了建筑物的基本信息，这些信息也是造价师所关心的。因此，建筑信息模型的复用可以大大节省造价师的工作量。当然，这些信息并不完整，需要进一步补充。PKPM概预算软件在建筑结构设计模型基础上补充概预算所需的信息，如补充各房间以及外墙的装修做法，选择定额库，输入脚手架信息等。程序自动套取相应的定额或清单编码，完成各楼层、各构件的工程量和钢筋量的计算，进行工料分析，生成造价师需要各种表格和数据（图13）。图13 钢筋量自动统计考虑到一些造价工程师拿到设

16、计数据比较困难，程序还提供了转图功能。程序可以根据DWG或T格式的施工图文件分析出建筑模型、钢筋数据以及管线和设备，从而完成BIM数据的建立。程序同时具备模型输入的功能，由造价师完成建筑信息模型的录入工作。施工设计阶段的建筑模型数据以及概预算阶段统计的工程量和钢筋量是施工项目管理软件的基础数据。PKPM的设计数据和概预算数据可以施工项目软件中复用。施工项目管理软件可以根据设计软件和概预算软件提供的数据进行工料分析，施工进度安排，为施工项目管理中的进度控制可成本控制提供重要的依据。 PKPM施工项目管理软件可以读取工程概预算数据，自动生成带有工程量和资源分配的施工工序 ，并完成工作信息表和单、双

17、代号图（图14）。根据工程量、工作面和资源计划安排及实施情况自动计算各工序的工期、资源消耗、成本状况，换算日历时间，找出关键路径。 图14 施工项目进度管理PKPM系列软件中的协同设计技术协同设计是以三维数字技术为基础，以三维CAD设计软件为载体，不同专业人员组成的设计团队，为了实现或完成一个共同的设计目标或项目在一起展开工作，是一个知识共享和集成的过程，共同设计某一目标的专家们必须共享数据、信息和知识。采用该种设计方式，不同专业的设计师在同一平台下做同一个项目，任何一方有修改，由此产生的所有结果都会在整个项目中自动协调，信息模型提供的自动协调更改功能可以消除协调错误，减少“错、漏、碰、缺”等

18、错误的发生，提高工作整体质量。PKPM是国内最先强调建筑、结构、设备一体化设计的软件系统，各专业采用统一的核心数据架构，数据共享，数据互传，由于采用统一的核心数据架构，实现了专业内和专业间的协同设计（图15）。 图15 建筑专业与结构专业协同设计使用PKPM软件，建筑、结构、机电、暖通等专业在同一个BIM数据模型下的协同工作，在做自己工作的同时，可以看到项目团队其他人员对方案的修改，及时调整自己的设计。建筑软件建立的BIM 模型相关信息可以导入到结构软件进行结构分析计算，结构设计后调整的构件可以自动反映在建筑软件中；在BIM模型上可以完成水、电、暖通、空调等设计，模拟设备的安装，进行机电设备之

19、间、管道之间、管道与建筑结构之间的碰撞检查；在BIM模型上可以进行日照、能耗、采光、人流疏散等分析建筑性能计算，完成绿色建筑设计；从BIM 模型还可以生成建筑、结构、设备等专业的施工图。支持BIM技术的PKPM三维图形平台PKPM长期依托的自主版权图形平台CFG成熟稳定，在它上面已开发出PKPM各专业软件，拥有广大的用户基础。历经二十多年，积累了大量实用技术，特别是GDI模式下的显示、交互技术已可以和任何国外软件抗衡。十一五期间，PKPM在三维图形平台领域进行了全面深入研究，已建立起成熟的系统架构（图16），在面向对象技术、三维几何造型核心系统、图形显示技术、并行计算技术、图形交互技术、三维实

20、体、专业实体造型技术及相关数据管理、软件交互界面、三维场景真实感渲染技术、路径动画和关键帧动画技术等方面拥有深厚的技术积累。DbDatabase 数据库容器DbTableObj容器对象DbDatabaseReactor数据库反应器decDbObject实体对象decBuilder实体构造类decDbEnyity实体数据类decDbDictionary数据字典类decModifier实体修改器类decDbEntity2d二维实体类decObject数据对象CmdMgr命令管理器decObjectMgr对象ID管理器decDbEntity3d三维实体类二维建筑构件实体二维建筑构件实体建筑轴网施工网

21、格专业标注等高线建筑墙体建筑门窗梁、柱场地模型规划建筑用地地块二次开发模块图16 PKPM三维图形平台架构图PKPM在BIM领域展开的科研课题研究国家在“十五”科技攻关计划中开始了对BIM技术相关研究的支持，中国建筑科学研究院承担的科研课题“基于IFC国际标准的建筑工程应用软件研究”，重点放在对BIM数据标准IFC和应用软件的研究上。通过该研究，将IFC标准的平台部分等同采用为行业标准和国家标准，开发了基于 IFC的结构设计和施工管理软件，从而积累了对BIM技术的认识，为进一步开展研究奠定了基础。中国建筑科学研究院和清华大学承担的国家科技攻关计划课题“基于国际标准IFC的建筑设计及施工管理系统

22、研究”，对IFC标准的应用进行了研究和探索，并基于IFC标准开发了建筑结构设计系统和4D施工管理系统。“十一五”科技支撑计划中，国家对BIM技术研究给予了进一步的支持，其中在“建筑设计与施工一体化信息共享技术研究”的课题中对BIM的基本信息模型和相应的信息集成平台等基础性内容进行了研究，与“十五”科技攻关计划相比，从研究的广度和深度上都有了进一步的拓展。此外，我院承担的国家高技术研究发展计划（863计划）“基于国产三维核心的工程建设行业系列三维设计系统开发与应用”于2007年立项，主要研究内容包括：分析工程设计行业三维CAD应用系统的需求，研究行业三维CAD系统应用集成技术，建立工程设计行业三维CAD应用系统的整体框架；在国家863计划CIMS主题支持的三维数字化设计核心系统或通用平台的基础上，开发面向建筑业的三维CAD软件工具集，形成具有完全自主知识产权的，满足建筑设计需要的三维CAD应用系统，带动PKPM多