KM3D图形平台的未来发展方向-BIM上海会议

第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集上海.2011PAGEPKPM3D图形平台的未来发展方向张雷姜立于贵有郑国勤建研科技股份有限公司[摘要]PKPM3D图形平台是中国建筑科学研究院研发自主产权的三维图形系统，已在建筑工程设计多个领域及专业中得到应用。从国内CAD技术发展走势来看，CAD技术正向集成化、智能化、专业化、协同化的方向上发展。本文通过对CAD系统及应用现状的分析，提出了PKPM3D图形平台在今后的重点研究领域及发展方向。图形平台的发展将改变传统的设计方式，提升专业应用软件的技术水平，可极大地促进建筑工程建造过程中的协同作业及可视化程度，使建筑设计和施工过程管理达到一个革命性的新阶段。[关键词]建筑信息模型BIM图形数据库协同设计实时仿真1概述目前，建筑勘查查相关专业设设计过程已基基本实现了计计算机辅助设设计，在规划划、建筑、结结构、设备、施施工、市政、道道桥、园林等等设计领域，图图形设计软件件已成为设计计各阶段不可可或缺的主要要工具。我国的建筑设计计行业已经成成功地完成了了甩掉图板，实实现电子化设设计的任务，但但很长一段时时间以来，仍仍停留在以计计算机工具代代替手工绘图图和计算的状状况，所用软软件一般为基基于国外图形形平台的二次次开发产品。这这一过程虽简简化了部分繁繁琐的重复绘绘图工作，但但由于目前软软件的局限，大大部分设计数数据无法重复复利用与共享享，造成大量量的重复设计计过程以及在在此过程中无无法避免的图图形数据不统统一、数据不不同步以及数数据冲突现象象。而三维软软件的应用主主要局限于方方案效果图渲渲染与动画表表现，所用软软件绝大多数数为国外产品品。由于图形平台的的研究周期长长、研发成本本较高，而且且很难在短期期内产生经济济效益，因此此绝大部分国国内专业软件件开发商采用用了基于国外外图形平台进进行二次开发发的方式，使使国外图形平平台快速渗透透到建筑工程程设计的多个个领域，如建建筑工程设计计领域占据较较大市场的天天正、鸿业、浩浩辰、清华斯斯维尔、探索索者等，由此此引发的结果果是国内设计计人员对国外外图形平台的的日益熟悉与与依赖，随之之而来的是国国外图形平台台厂商在专业业领域的不断断扩张。如Autoddesk20009年销售额为23亿美元，其其中亚太区占占全球业务量量的23%。据调查，在在中国中高端端建筑设计领领域，100%的应用美国Autoddesk产品平台。

随着正版化化进程的推进进，我们用市市场换来的不不仅是国外先先进的CAD技术，还有有国外CAD产品日趋强强势的垄断地地位。2发展现状CAD技术发展展到今天，在在应用的深度度和广度上被被大大延展，CAD技术理念已已经被融入到到更大的范畴畴中，已远远远超出了当初初绘图/造型的范围围。此外，由由于CAD是企业产品品设计数据是是企业信息化化的源头，市市场前景广阔阔（2006年达到100多亿美元），国国内外有实力力的CAD厂商（PTC、UGS、I-DEAAS、AutoDDesk、SoliddWorkss）从占领技技术制高点出出发，纷纷借借助于自己在在CAD领域的优势势，为企业提提供整体解决决方案，借以以扩大其市场场份额。从国内CAD技技术发展走势势来看，CAD技术正向集集成化(设计/分析/仿真模拟/加工的有机机集成)、智能化(管理应用设设计知识、规规范)、专业化(面向行业应应用、提供行行业解决方案案)、协同化(支持异地设设计、协同管管理)的方向上发发展。BIM即建筑信信息模型（BuilddingIInformmationnModeeling），是以三三维数字技术术为基础，集集成建筑工程程项目各种相相关信息的工工程数据模型型，是对工程程项相关信息息详尽的数字字化表达。BIM通过数字信信息技术把整整个建筑进行行虚拟数字化化和智能化，是是一个完整的的、丰富的、逻逻辑的建筑信信息承载平台台。在一些发达国家家，由于对BIM技术的研究究和开发起步步很早，应用用开展也早，已已走在我国的的前面，并验验证了BIM技术的应用用潜力。从应应用领域上看看，国外已经经将BIM技术应用在在建筑工程的的设计阶段、施施工阶段以及及建成后的维维护和管理阶阶段。发达国国家基于BIM技术的软件件已经比较成成熟。现代设计理念对对设计过程中中的信息及数数据管理有着着更高的要求求，在建筑信息息模型数据库库的构架与管管理，集成化化系统设计、数数据分析与仿仿真以及专业业化设计解决决方案方面的的研究与技术术发展，将为为大型复杂工工程高质量、高高水平的设计计施工提供了了一条有效的的技术保障途途径。在过去的20年年中，计算机机辅助绘图（CAD）技术的普普及及推广使使建筑师、工工程师们从手手工绘图走向向电子绘图，这这是工程设计计领域的第一一次革命。建建筑信息模型型（BIM）将为工程程设计领域带带来第二次革革命，是从二二维图纸到三三维设计和建建造的革命，也也是一次真正正的信息革命命，它将彻底底改变工程设设计、建造和和运维方式。3系统简介当前的计算机图图形图像技术术以及硬件设设备已有了长长足发展，近近年来在建筑筑工程领域，中国建筑科学研究院开发的PKPM3D图形平台系统研究在国家科技项目的支持下，跟踪国外先进技术，在三维CAD核心系统开发、集成技术和算法研究等方面取得了较大进展，在应用过程中不断进行技术积累并逐步达到了实用化。PKPM3D图图形平台系统统是完全基于于自主版权的的三维图形平平台，在面向向BIM应用的一体体化建模、优优化和管理技技术，多维结结构信息模型型的管理技术术，三维可视视化仿真技术术，面向设计计过程的管理理技术，基于于行业知识的的智能设计技技术以及面向向应用的核心心系统多元化化集成技术等等方面进行了了深入研究，提提出了大容量量数据的有效效存储、快速速检索与显示示技术，图形形数据与设计计专业数据的的关联与协同同技术，图形形数据管理技技术，基于多多专业协同的的数据共享技技术，针对专专业设计的三三维参数化几几何造型、渲渲染、动画仿仿真等方面的的解决方案。针针对建筑工程程领域的行业业应用特点，实实现了大容量量专业数据的的组织管理构构架及显示方方法，在大规规模场景组织织、复杂专业业构建三维造造型、专业设设计数据处理理及实时渲染染技术等方面面进行了探讨讨与研究。PKPM3D图图形平台可以以完成一般通通用CAD系统具有的的绝大部分功功能，还具有有强大的三维维造型和真实实感表现能力力。由于平台台系统数据架架构设计的合合理性和开放放性，针对行行业设计特点点进行的数据据结构、存储储方式以及优优化的显示交交互处理模式式，非常便于于进行建筑专专业应用程序序的二次开发发。截至现阶阶段，已在该该三维图形平平台系统上进进行了多项专专业软件的开开发，包括居居住区规划设设计软件、装装修设计软件件、日照计算算分析软件、中中国古典建筑筑设计软件、园园林设计软件件、场地设计计与土石方计计算软件、噪噪声分析及隔隔声设计软件件、道桥设计计软件等。图1专业软件件应用4发展方向建设部《20111-20115年建筑业信信息化发展纲纲要》中提出出：加快推广广BIM、协同设计计、虚拟现实实、4D项目管理等等技术在勘察察设计、施工工和工程项目目管理中的应应用，改进传传统的生产与与管理模式，提提升企业的生生产效率和管管理水平。PKPM3D图图形平台将重重点研究与应应用智能化、可可视化、模型型设计、协同同等技术，在在提升各设计计专业软件和和普及应用新新型智能二维维和三维设计计系统的基础础上，逐步建建立工程设计计集成系统和和工程数据库库，集成主要要工程设计软软件，创建工工程设计协同同工作平台；；积极推进协协同设计技术术的普及应用用，通过协同同设计技术改改变工程设计计的沟通方式式，减少“错、漏、碰碰、缺”等错误的发发生，提高设设计产品质量量。PKPM3D图图形平台针对对的是行业设设计系统，其其开发思路与与发展方向应应切合产品设设计应用的需需求，重点发发展方向也以以行业应用领领域需求为主主，主要针对对工程类设计计特点，涵盖盖建筑数据交交互、管理、造造型、及动态态仿真模拟技技术，复杂三三维建筑构件件的参数化编编辑与修改技技术；专业数数据的管理与与建筑设计各各专业的数据据共享与复用用技术；大容容量建筑数据据的快速检索索技术；建筑筑专业数据信信息与专业实实体信息的数数据逻辑关联联技术，真实实感模拟与结结果仿真技术术，数据分析析与计算结果果可视化方式式技术等，并并将以上相关关技术的开发发与研究，嵌嵌入到行业三三维设计系统统产品中，将将大幅提升国国内三维CAD系统开发与与研究和行业业企业的设计计竞争能力。图3全新交互互界面PKPM3D图图形平台将在在以下几个方方面进行技术术提升与发展展：基于BIM的三三维核心及集集成技术探索研究基于BBIM技术的三维维设计技术，提提高参数化、可可视化和性能能化设计能力力，并为设计计施工一体化化提供技术支支撑。积极探探索项目全生生命期管理(PLM)技术的研究究和应用，实实现工程全生生命期信息的的有效管理和和共享。根据建筑信息模模型的特点，研研究面向工程程应用的一体体化建模、优优化和管理集集成技术，三三维建筑信息息模型的数据据管理技术，三三维可视化仿仿真技术，基基于行业应用用的智能设计计技术，大容容量数据的高高速存储、检检索与快速显显示技术，图图形数据与专专业数据的关关联与协同技技术，数据库库关联的图形形编辑与图形形数据管理技技术等，为行行业应用提供供嵌入式三维维CAD内核。图4基于BIIM的设计系系统架构研究相关建筑信信息模型标准准体系的基础础数据、信息息的定义方法法、定义规则则、扩展方法法以及及时性性响应方法，基基于建筑信息息模型数据建建立底层核心心标准数据信信息库、基础础数学库、二二维及三维几几何核心造型型库，应用于于建筑信息模模型建立、建建筑信息数据据存储与访问问、实体造型型及数据记录录、数据访问问与交换等，构构架基于建筑筑信息模型的的核心数据平平台框架。图4基于BIIM的核心系统统数据体系建筑数据信息分分析及处理技技术基于三维图形平平台，对建筑筑在方案设计计、结构体系系、材料使用用、能源消耗耗等方面的数数据进行提取取、计算与分分析。依据建建立的BIMM模型，并在在其中集成各各专业相关数数据，研究数数据交互、处处理与分析方方法；研究对对建筑总体布布局、规划方方案、设计方方案、结构体体系、建筑材材料、供热制制冷、温室效效应、人工照照明、室内通通风、建筑声声环境及日照照质量等因素素进行数据统统计与分析。依依据分析结果果对建筑设计计方案进行量量化分析，并并对相应各专专业设计进行行协同优化调调整。大容量图形数据据管理技术研研究研究大容量图形形数据及建筑筑信息数据的的管理模式及及方法，有效效管理模型数数据、专业数数据和几何显显示数据，研研究数据的存存储、查找、定定位和更新以以及数据交换换的效率问题题，为场景管管理及模型大大容量图形显显示加速奠定定基础，使编编辑海量图形形对象具有灵灵活性和高效效性。建立模模型表达的层层次结构，建建立复杂特征征的近似简化化表示方法，探探求在复杂特特征及其简化化模型并存条条件下的建模模方法和数据据处理方法。大容量图形显示示技术及智能能化交互技术术研究跟踪世界先进的的图形平台技技术，通过对对其他相关系系统的剖析，找找到影响图形形显示速度的的根本原因。研研究底层显示示函数，设计计辅助快速显显示的文件格格式，优化和和增强各种显显示精度下的的输出控制。增增加交互、捕捕捉索引文件件，使得图形形平台的显示示速度和捕捉捉速度得到显显著提高。研研究直观便利利的空间坐标标建模手段及及建筑构件间间约束控制方方法，优化设设计过程。基于建筑信息模模型的专业实实体造型及相相关数据管理理技术研究根据不同专业需需求，研究建建筑模型专业业数据信息的的设计、管理理、存储及交交换原则，针针对相关数据据标准对专业业实体的数据据记录及其特特定编辑方式式进行管理，建建立可在二次次开发阶段自自定义多种专专业实体类型型的方案，并并以满足特定定的专业要求求，提高进行行专业设计的的效率与智能能化操作程度度。建筑信息模型的的可扩展数据据交换技术研研究基于建筑信息模模型数据标准准，研究建筑筑信息交换环环境，研究可可扩展的数据据交换技术，基基于三维核心心系统构建建建筑信息数据据交换平台，实实现灵活的全全集或子集数数据交换，实实现对不同标标准、不同版版本的数据交交换支持。建筑信息数据协协同技术研究究研究集中式和复复制式同步协协同建模技术术及其在 建筑信息数数据设计、修修改和观察中中的应用；研研究数据交互互的并发控制制方法；研究究建筑信息数数据模型流式式、增量传输输及分层次细细节模型传输输技术。研究究解决异步协协同中共享数数据管理、协协作信息管理理、协作过程程中的数据流流和工作流管管理等问题的的解决办法。基于建筑信息模模型的建筑设设计过程实时时仿真技术研研究根据建筑设计需需求解决可视视化设计过程程中的材质、光光影以及环境境状况模拟，考考虑到设计数数据对设计结结果的影响，以以动态仿真方方式表现建筑筑结构力学、日日照、场地、环环境数据等计计算分析结果果，以直观方方式提供辅助助设计和分析析手段。5