李霆大师：BIM必须与时俱进（之二）——对BIM数字底座进化的思考

BIM的数字底座主要有四大块：

数据管理技术（数据架构），几何建模内核，几何约束求解器，渲染技术。影响建筑工业化的主要是前三块。

1. 桌面数据库与网络数据库简介

数据库：是长期存储在计算机硬件平台上的有组织的可共享的数据的集合。

数据库分为两大类：桌面型数据库和网络型数据库。

桌面数据库是一种小型、易于安装和使用、适用于个人或小型团队的数据库管理系统。桌面数据库的关键特点包括简单的安装和配置、用户友好的界面、适合处理较小规模的数据集。桌面数据库处理能力和存储容量较低，不适合处理大量数据。其次，由于桌面型数据库通常运行在单一台设备上，所以其并发用户数有限，不适合多用户同时操作。另外，由于桌面型数据库的数据安全性和事务处理能力较弱，所以在处理敏感数据或进行复杂事务处理时，可能无法满足需求。

网络数据库是一种计算机网络环境下的数据库管理系统，它允许多个用户在网络环境中共享和管理数据。网络数据库的关键特性包括数据共享、并发访问、数据一致性和数据安全性。这种数据库的主要优势是它允许在网络环境中的数据共享和并发访问。

数据共享是网络数据库的一个核心特性，它允许多个用户在网络环境中访问和使用同一份数据，这样可以避免数据冗余和数据不一致的问题。数据共享不仅提高了工作效率，还降低了数据管理的成本。

并发访问则可以提高数据库的使用效率，满足多用户同时访问和修改数据的需求。

数据一致性可以保证在多用户并发访问和修改数据时，数据库中的数据始终保持一致，避免数据的混乱和错误。

数据安全性则可以保护数据不被未授权的访问和修改，保护企业的信息资产。

2. 传统BIM与制造业先进三维软件在数据管理技术方面的差异

建筑业BIM的代表Revit，和制造业三维软件的代表3DE，根本差别体现在其数据管理架构上。具体表现为桌面数据库和网络数据库的差别。这种差异不仅影响数据存储和访问方式，还决定了协作模式、扩展性和整体工作流程的效率。

（1）Revit是基于桌面数据库的架构：

a. 数据存储方式：

Revit文件数据库本质上是一个桌面数据库，通常以.rvt文件形式存储在本地计算机或网络共享位置。这种数据库是文件级的，数据集中存储在一个文件中，用户通过Revit软件直接访问该文件。

b. 数据访问与协作模式：

Revit的协作模式依赖工作共享（Worksharing），即通过中心文件（Central File）和本地文件（Local File）的机制实现多人协作。

多个用户可以通过同步本地修改到中心文件的方式协作，但本质上仍然是文件级别的数据交换。

这种模式受限于文件的大小和网络传输效率，容易出现性能瓶颈。

c. 局限性：

数据冗余：每个用户需要维护一个本地文件副本，可能导致数据冗余和版本不一致。

扩展性有限：文件级数据库难以支持大规模团队协作或复杂项目。文件体积增长（尤其是大型项目如机场）会导致性能下降（加载、保存慢），甚至打不开。

依赖本地资源：性能受限于本地计算机的硬件配置和网络带宽。

并发访问：多用户并发编辑时易冲突（难以实现三维实时协同）。

（2）3DE是基于网络数据库的架构：

a. 数据存储方式：

3DE使用网络数据库，数据存储在服务器端，支持分布式布置。

数据库采用关系型或对象型数据库管理系统（如 PostgreSQL 或其他企业级数据库），数据以结构化的方式存储。

b. 数据访问与协作模式：

3DE 的数据库以服务方式运行，支持多用户并发访问，用户通过网络连接到服务器进行数据操作。

数据共享性高：所有用户访问的是同一份数据源，避免了数据冗余和版本冲突。

协作模式更加高效：支持实时数据更新和全局一致性。

c. 优势：

高共享性：所有用户访问同一数据源，确保数据一致性和实时性。

易扩展性：网络数据库可以轻松扩展以支持更多用户或更大规模的项目。

集中管理：数据存储在服务器端，便于备份、维护和安全管理。

支持云原生架构：3DE可以部署在云端，支持全球分布式团队协作。

（3）小结

a. 传统BIM的桌面数据库架构适合中小型项目，其协作模式依赖于文件交换，存在一定的局限性。

b. 制造业先进三维软件的网络数据库架构更适合大型项目和分布式团队，提供更高的数据共享性、扩展性和协作效率。

随着建筑行业对协同工作和数据管理需求的提升，网络数据库架构正在成为未来发展的趋势，而传统BIM的桌面数据库架构则逐渐面临挑战。

3. 传统BIM与制造业先进三维软件在关联设计方面的差异

制造业先进三维软件的代表3DE（含CATIA），和建筑业BIM软件的代表Revit，在设计理念和技术架构上存在显著差异，导致它们在关联设计能力上有所不同。

（1）数据管理架构：

a. 3DE：

基于单一数据源（Single Source of Truth），所有设计数据集中存储，确保各模块间的实时关联和更新。这种架构支持跨专业的协同设计，任何修改都会自动同步到相关部分。

b. Revit：

采用以文件为基础的数据管理，依赖独立的RVT文件。虽然支持内部关联设计，但在跨文件或跨专业的协同中，实时关联和更新能力较弱。

（2）设计理念：

a. 3DE：

强调系统工程的全局设计，支持从概念到制造的完整流程，关联设计是其核心功能，必须确保各环节数据一致。

b. Revit：

专注于建筑信息建模（BIM），主要服务于建筑、结构和机电设计，关联设计更多体现在单个项目文件内，跨项目或跨专业的关联能力有限。

（3）平台开放性：

a. 3DE：

具有高度开放性，支持多种数据格式和第三方工具集成，便于实现复杂项目的关联设计。

b. Revit：

虽然支持API和插件扩展，但其开放性不如3DE，尤其在跨平台和跨专业集成方面存在局限。

（4）应用场景：

a. 3DE：

面向复杂工业设计，需要高度协同和关联设计，支持多专业、多阶段的复杂项目。

b. Revit：

主要针对建筑行业，复杂度和协同需求相对较低，关联设计更多体现在专业内部。

（5）技术实现：

a. 3DE：

采用先进的参数化设计和拓扑优化技术，支持复杂的关联设计逻辑，确保设计变更自动传递。

b. Revit：

参数化设计能力较强，但主要服务于建筑领域，复杂关联设计能力不如3DE。

（6）小结：

制造业先进三维软件在数据管理、设计理念和平台开放性上更支持复杂的关联设计，而传统BIM则更专注于建筑领域的BIM应用，关联设计能力主要体现在单个项目文件内。因此，3DE在复杂工业设计和复杂项目中的关联设计能力更强。

1. 几何建模内核简介

几何建模内核就是使用各种不同的几何表示形式来表示真实对象。

几何建模内核主要包括：

数学、几何和拓扑对象的数据结构及相应算法；以及文件导入/导出功能。

几何建模内核是CAD软件的核心组件，负责处理几何形状的创建、编辑和分析。ACIS（达索）和Parasolid（西门子）是当前市场上最常见的商业三维几何内核，它们的历史和发展对CAD行业产生了深远影响。

（1）ACIS 内核：

ACIS是由美国Spatial Corporation开发的几何建模内核，最早在1980年代推出。Spatial公司成立于1986年，ACIS是其核心产品，广泛应用于多个CAD软件中。ACIS提供了强大的几何建模功能，包括实体建模、曲面建模和布尔运算等。

2000年，法国达索系统收购了Spatial公司，但并未将ACIS用于其旗舰产品 CATIA。CATIA使用的是达索自己开发的CGM（Convergence Geometric Modeler）引擎，CGM在曲面建模能力方面远胜其它几何建模内核。尽管如此，达索继续将ACIS作为商业产品授权给第三方公司使用。

Autodesk后来获得了ACIS的源代码，并在其基础上开发了自己的Shape Manager内核。Shape Manager 用于AutoCAD和Inventor等软件中。因此，AutoCAD和Inventor的三维引擎可以追溯到ACIS。

（2）Revit 的几何引擎：

Revit最初由Revit Technology Corporation开发，其几何引擎在被Autodesk收购之前就已存在。Autodesk在2002年收购Revit后，并未用ACIS或 Shape Manager改写其几何引擎。因此，Revit的三维功能与AutoCAD和Inventor不同，且相对较弱。

（3）Parasolid 内核：

Parasolid是由Unigraphics Solutions（现为 Siemens Digital Industries Software）开发的几何建模内核，广泛应用于多个CAD软件中，如 SolidWorks、Solid Edge和NX。Parasolid提供了强大的几何建模功能，包括实体建模、曲面建模和布尔运算等。

2. 传统BIM与制造业先进三维软件几何建模内核差异

（1）Revit的几何建模内核：

a. 内核引擎：Revit的几何建模侧重于参数化构件建模，而非纯几何操作。

b. 几何操作相对简化，适合快速生成规则建筑形态，但对复杂曲面（如NURBS）支持较弱。

c. 依赖族（Family）系统实现参数化，逻辑更贴近传统建筑行业需求，而非工业化要求。

（2）Revit的建模逻辑：

a. 构件驱动：以建筑构件为中心，强调空间关系和功能属性。

b. 规则优先：通过参数化规则约束几何形态（如楼层高度），灵活性较低，但符合建筑规范。

c. 协作导向：通过中心模型（Central Model）实现多专业协同，几何修改需考虑对其它专业的影响。

（3）3DE的几何建模内核：

a. 内核引擎：3DE的几何建模内核是CGM（Covergence Geometric Modeler）。

b. 支持混合建模（参数化、直接建模、曲面建模），可适用于高精度工业设计。

c. 强大的NURBS曲面处理能力和拓扑优化功能，适合复杂有机形态。

d. 与达索PLM（产品全生命周期管理）深度集成，支持从概念设计到制造（建造）的全程数据关联。

（4）3DE的建模逻辑：

a. 几何驱动：以数学精度为核心，支持自由曲面、拓扑优化和仿真驱动的设计迭代。

b. 混合建模：结合参数化（基于历史）和直接建模（无历史特征），适应复杂工程变更。

c. 系统级设计：支持多专业集成（机械、电子、流体等），几何模型可满足严格的生产公差和物理仿真要求。

（5）3DE的装配结构树的模型组织：

3DE不仅可以准确描述对象本身的信息，还可以通过装配结构树来描述模型对象之间的相互关系和逻辑结构。这是传统BIM软件力所不足的。

传统BIM软件的设计目标是帮助建筑师把现有的对象组合起来，而不是去增加新的对象类型，也不能深入设计这些对象本身的内部结构，因此它的功能比起CATIA这样的数字孪生建模软件进行了大幅度简化，并针对建筑行业的特点进行了改造。这种做法使其更容易被建筑业用户接受，但也牺牲了设计的灵活性。对于LOD300级别（传统施工图设计，可以理解为“建筑师眼中的建筑”）的BIM建模来说，这套机制或许够用，但如果要深入到LOD400级别（制造和安装工艺，可以理解为“工人眼中的建筑”），就会出现问题。

3. BIM几何建模内核的发展方向

传统BIM软件主要是面向常规建筑，解决出图而不是制造问题，因此往往使用相对简单的算法，创建简化的三维模型。这对于传统BIM应用足够了，但对于面向制造与安装的建筑工业化和智能建造来说，是远远不够的，因此必须具有更加强大的三维几何内核。

发展方向：向制造业先进三维软件的几何建模内核看齐。

（1）模型精度应可以直接用于加工制造，打通CAD和CAM。

（2）模型可逐级细化，也就是具有装备结构树的模型组织，以实现“一模到底”的演进式设计，实现产品设计和工艺设计一体化。

（3）云端分布式布置，满足工业化大规模高效并行协同的要求。

1. 几何约束求解器的概念

（1）几何约束的定义和概念：

几何约束是指在设计或建模过程中，对对象之间位置关系的限制或规定。这包括了平行、垂直、重合、同心、相切等多种关系。几何约束的核心在于控制对象相对于彼此的位置关系，这对于确保设计的准确性和一致性至关重要。

（2）几何约束求解技术和方法：

几何约束求解技术涉及到了图论、网络技术、自由度分析、矩阵理论等多个数学分支。

（3）应用与困难：

几何约束求解器是三维CAD软件中的草图、装配、运动仿真等核心模块的基础，同时也是三维CAD参数化设计的关键技术。

研发几何约束求解器的困难主要体现在：几何欠约束系统的优化匹配，几何约束冗余性判定，以及大规模约束方程组求解。

2. 传统BIM与制造业先进三维软件几何约束求解器的差异

（1）参数化设计的核心逻辑：

a. CATIA：  

其参数化设计基于知识工程（Knowledgeware）模块，通过参数、公式、知识阵列和模型适应性行为实现智能约束。

用户可定义全局参数并关联多个几何元素，支持复杂逻辑（如条件语句、循环）的动态调整。例如，在航空航天领域，CATIA可通过参数驱动复杂曲面的生成，确保模型随设计需求自动更新。  

b. Revit： 

参数化设计基于“族”（Family）的概念，通过尺寸标注和类型属性约束参数。其约束逻辑相对简单，主要依赖线性关联，对复杂非线性关系的支持较弱。异型结构建模常需借助Dynamo等插件扩展功能。

(2) 复杂几何约束的处理能力:

a. CATIA：

曲面与异型结构：起源于航空设计的CATIA，其几何约束求解器擅长处理复杂曲面和异型结构（如蜗壳、流道等），支持高精度约束条件下的动态调整，生成的曲面光滑且参数关联性强。

b. Revit： 

建筑规整结构：Revit在规整的几何体（如建筑墙体、梁柱）中表现优异，内置的约束系统可快速实现对齐、等距等操作，但对复杂曲线曲面的参数化控制效率较低。 

依赖插件：需通过Dynamo实现更复杂的参数化逻辑（如自适应构件生成），原生约束求解器功能有限。

(3) 约束求解的灵活性与扩展性：

a. CATIA： 

知识工程模板：支持用户创建可复用的设计模板，通过约束关系库实现快速建模，减少重复设计。

多领域协同：约束求解器支持跨模块协同（如机械、电气、管路设计），确保不同专业模型间的几何与参数一致性。

b. Revit：  

族库管理：通过“族”的积累实现标准化设计，但族之间的约束关系较为静态，难以动态响应全局参数变化。例如，建筑族的水机或电气功能需通过Revit MEP或Inventor补充实现。  

（4）行业应用场景差异：

a. CATIA：

更适用于需要高精度复杂约束的领域（如复杂产品与复杂项目）。其约束求解器支持多专业集成设计，适合处理大型项目中的异型结构和动态参数优化。  

b. Revit：

专注于建筑信息模型（BIM），在建筑、厂房等规整结构设计中效率更高，但对复杂工程需依赖外部工具链配合。

（5）技术架构与底层算法：

a. CATIA：

基于达索系统的PLM平台，其几何约束求解器采用高级算法（如基于点簇归约的约束网络优化），支持快速重构几何模型并保证求解可靠性。例如，在草图阶段，CATIA可通过固定约束、镜像、修剪等操作实现参数化草图的动态更新。  

b. Revit：

约束求解器更侧重建筑领域的简化需求，算法复杂度较低，对非线性约束的适应性较弱。

（6）小结

制造业先进三维软件的几何约束求解器在复杂性、灵活性和跨专业协同方面优势显著，尤其适合需要高精度参数化设计的工程领域；而传统BIM的约束系统更偏向建筑标准化与易用性，适合快速生成规整模型，但在复杂几何处理上依赖插件支持。

以上对比仅仅是为了找出传统BIM软件与制造业先进三维软件的差异，并非要评判优劣。不同的软件有不同的定位，都有适合自己的应用场景。

小马拉小车 ，大马拉大车。大马拉小车浪费了，小马拉大车则拉不动。单纯的普通建筑工程设计是“小车”，而复杂工程设计和建筑业化、智能建造则属于“大车”。目前，建筑行业的传统BIM属于“小马” ，要想拉“大车”，就必须成长为“大马”。

建筑工业化，就是要将手工生产方式转化为社会化大生产方式。工业化要求一体化大规模并行协同工作。显然，传统BIM是适配手工生产方式的产物，要适应建筑工业化时代的要求，其底层技术必须进化。

传统BIM的数字底座（底层技术）已不能适应建筑工业化和智能建造的要求，必须对标制造业的先进三维软件，对数字底座进行“脱胎换骨”。

传统BIM数字底座（底层技术）发展方向：一体化，云端化，智能化。

在“三化发展”中，“一体化”是工业化的根本要求；包括横向一体化“多专业集成协同”，和纵向一体化 “设计、制造、安装集成协同”。“云端化”是工业化的基本要求，社会化大生产必然要求基于云平台和高速互联网进行协同并行工作，必然要求采用网络数据库和关联设计。“智能化”是实现智能建造的关键所在，智能建造包含智能设计，必然要求与AI深度融合。

BIM的数字底座是“皮”，BIM应用功能是“毛”，皮之不存，毛将焉附？数字底座（底层技术）的差距，根源于数学（包括计算几何）方面的差距。BIM的发展必须解决数字底座的“卡脖子”问题，最终实现“一模到底 、无图建造、智能驱动”的伟大目标。

致谢：

本文在几何内核方面，参考了《朱小羽：从BIM迈向数字孪生——3D建模的核心技术》一文；在装配结构树模型组织方面，引用了《朱小羽：数字孪生的对象信息管理和装配机制》一文的资料，在此表示感谢。