狭义的 BIM 建模涉及 BIM 软件工具、技术流程、技术方法以及与建筑设计的接口等技术，广义的 BIM 建模还要覆盖建模管理流程、方法、与项目管理和企业管理的接 口、与其它信息化工具的接口等更广泛的内容。限于篇幅，本书仅对工具层次与建模有关的功能进行基本的介绍与探讨，笔者将在《BIM 建模原理》一书中进一步探讨狭义的 BIM 建模技术，而广义的 BIM 过于复杂，而且笔者的研究也极为有限，本丛书对其不作探讨。

特征模型出现之后，虽然建模技术与计算机图形学又有很大进步，但这些进步主要集中在建模方法、数据结构与算法优化以及应用与集成等方面，在产品描述的基本理论上已经成熟与稳定。从线框模型发展到特征模型，是建模技术不断进步的结果，正如 BIM 技术的发展一样，每一进步都是对前人成就的继承与发展，而不是否定与革命， 这种继承关系是当代混合建模的技术基础。

线框模型定义了三维实体的点、线与点线的拓扑信息，表面模型在线框模型的基础上增加了环与面的信息，而实体模型在表面模型的基础上增加了面的法向信息、壳的信息（有的几何造型技术没有壳这一层）与实体的布尔运算信息（主要指构造几何法）。因此它们之间的关系可以用两个等式表达：

表面模型=线框模型+环+面

实体模型=表面模型+法向信息+壳+布尔运算

而产品特征模型则在实体模型的基础上增加了工程语义信息，因而可表述为

产品特征模型＝实体模型（亦称形状特征）＋工程语义信息

语义信息包括静态信息、规则与方法以及特征关系，是用面向对象思想对建筑产品的描述：

其中静态信息描述特征形状、位置属性数据和功能物理等属性；

规则和方法指确定特征功能和行为，比如参数化技术与变量化技术等；

特征关系则描述特征间相互约束关系，例如尺寸约束与装配约束等。

需要特别说明的是，特征模型有远比产品特征模型更为广泛的含义，在建筑技术、 项目管理、企业管理乃至于软件工程等领域都有深远影响，是人类认识客观世界方法论 层次的巨大进步。本书仅探讨 BIM 建模软件中的产品特征模型部分。

特征不仅包含基本体素所具有的定形、定位参数，也包含了参数化设计所需要的定形约束与定位约束，可以有效地支持实体造型和参数化设计。以外，由于特征还包含有效性规则，可以保证特征具有特定的语义，因此具有一定的智能性。特征所包含的公差和非几何属性则使得特征模型还可以支持形状设计以外的其它设计工作。

一般把形状特征与装配特征叫做造型特征，因为它们是实际构造出产品外形的特征，是当前 BIM 建模软件的主要技术。其它还有面向过程与面向功能等特征，这些特征并不参与产品几何形状的构造，而属于那些产品功能与施工生产环境有关的特征，是 BIM 面向施工与运维等方面应用的技术基础，当前 BIM 建模软件在这方面能力极弱，较为有效的实践一般都专门开发了相应的系统与 BIM 建模软件协作，辅助以复杂的建模技术与管理方法，取得了巨大的价值。

特征造型为建模技术带来两个革命性的进步：一是为设计人员提供了高层次抽象的人机交互语言，这种语言使设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，如墙、门洞、窗洞、窗等。特征体现了设计意图，从而使设计人员集中精力处理较高层次的设计问题，而不是如何操作几何形体或出图，使得设计更加快速、方便，设计质量因此也得以了保证。另一方面，特征是一个高层次的设计概念，内部包含了大量设计意图，这些设计意图对于设计变更管理以及后续的分析、综合等过程有着重要意义，对于提高设计自动化程度以及解决产品数据在设计、施工和运维等阶段的数据传递与交换也有很大的帮助，为建筑产品信息全生命期集成建立了技术与理论基础。

特征造型技术是新兴的研究和应用领域，目前对特征还缺少一个统一的形式化定义， 不同的应用目标对特征的定义不同。在加工角度，特征被定义为加工操作和工具有关的零部件形式以及技术特征；在形体造型角度，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素；而在工程管理角度，特征又被分为设计、分析和施工工艺等。

目前主流的定义认为特征首先是由一定拓扑关系的一组实体元素构成的特定形状，也包括附加在形状之上的工程信息，这些信息对应于构（零）件上的一个或多个功能，从而能够被固定的方法加工成型。

特征是构成构件的基本元素，而不是构件的属性，构件是由特征组成的，每个特征都是一个完整的对象，拥有自己的属性、方法和行为。完整的构件模型由产品模型、过程模型（例如包含属性与行为的工艺模型、进度模型等）与控制模型（包含建模者的属 性与行为的主体模型等）等组成的嵌套模型，让 BIM 模型超出了带信息的三维模型的框架，是面向对象思想在建模信息模型领域的应用。由于 BIM 建模软件尚处于起步阶段，功能较弱，目前仅产品几何模型较为成熟，给很多用户造成了 BIM 就是带信息的三维模型的错觉，但 BIM 建模软件仅在几何特征方面也远远超出了三维模型的范畴，包含了大量的方法与行为，其中最具代表性的是参数化建模方法。

特征模型具有鲜明的工程性和层次性，在参数化技术的支持下，可以方便地编辑模 型，在建筑模型的控制和更改方面拥有广泛的潜力。

1) 特征的层次结构

特征产品造型可划分为草图、特征、构件和产品四个层次（如图 4-28 所示）

图 4-28 特征产品造型的层次结构

在特征层次中，特征之间的关系十分复杂，既包括各种尺寸约束和几何约束，还包 括特征之间的父子关系和时序关系等。一系列的特征经过组合、剪裁、阵列、镜向等操作形成构件模型，构件模型中需要体现设计意图，反映建筑物的基本特性。构件按照空间逻辑与功能关系生成建筑物的整体模型，BIM 建模软件目前仅支持静态装配，能在建筑产品总体层次体现设计意图，如构件的相互空间位置等。机械制造业 CAD 还可以处理产品中零件的相互运动等关系，具有更强大的功能。

2) 特征关系

在特征之间主要是几何与尺寸关系、拓扑关系和时序关系。

特征之间的几何和尺寸关系主要在特征草图中设定，几何关系包括特征草图实体之间的相切、等距等几何关联方式（有的文献称之为元素间的空间关系）。尺寸关系设定特征草图实体之间的距离和角度关联（有的文献称之为度量关系）。

拓扑关系指的是几何实体在空间中的相互位置关系。例如孔对于实体模型的贯穿关系，面之间的相切或者等距关系等。这种拓扑关系不因特征草图尺寸的变化而发生改变。

特征建立的次序成为非常重要，后期的特征需要借用前面特征的有关要素，例如定 义草图时借用已有特征的轮廓建立几何和尺寸关系等，而特征的拓扑关系是在已有特征的环境下设定的，而不会影响到其后的特征。、

时序关系中最重要的是父子关系，父子特征关系主要有基准关系、派生关系、数学 关系等类型，其技术思想来源于面向对象技术的对象构成关系与接口方法。如果一个特 征的建立参照了其他特征的元素，则被参照特征称为该特征的父特征，而参照特征称为父特征的子特征。父特征与子特征之间形成父子关系，当某些特征生成于其他特征之上时，则以前生成特征的存在决定了它们的存在。此新的特征称为子特征。例如，一个实体上有一个孔，孔便是这个实体的子特征。父特征是其他特征所依赖的现有特征。例如，墙是门洞特征的父特征。

特征建模时，删除父特征会同时删除子特征，而删除子特征不会影响父特征。同样两个特征的父子关系互换或改变时序关系往往会生成两个不同的实体，机械制造业的 PRO/E（现为 CROE）与 SOLIDWORKS 等软件提供了特征树功能，让用户可以自由操作与改变特征关系，具有较大的设计自由度，但这种技术对约束求解器提出了很高的要求，软件开发难度很大，因而 revit 等 BIM 建模软件的开发者虽然借鉴了 PRO/E 等系统的技术，几何造型能力并不弱于 solidworks 等中端 CAD，但没有引入特征关系编辑的功能，难以按工程逻辑自由修改实体特征关系，也很难输出特征树，因而设计自由度大为不及，与管理软件集成的的难度也高的多。

不同的应用角度有不同的特征定义，也有不同的特征分类标准。按项目生命周期可分为设计特征、分析特征、施工与加工特征、质量（公差及检测）特征等；按建筑产品功能可分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征与装配特征等；从复杂程度上可分为基本特征、组合特征与复合特征。

在 BIM 与 CAD 相关的各个领域中都引用了特征这个概念，即使特征技术应用远比建筑业更为广泛与发达的机械制造领域，特征所包含的信息和内容也还在不断地增加与发展变化。本书基于当前 BIM 建模软件的实际发展水平，基于功能把特征分为六大类：

1) 形状特征

用于描述有工程意义的几何形状信息，是产品信息模型中最主要的特征信息，非几何信息作为属性、对象或约束附加在产品模型上，属性方式处理信息远比特征方式处理信息更简单，功能大为不及，但软件开发难度较低，是目前非几何信息最主要的加载方式。

2) 装配特征

用于表达构件的装配关系，以及在构件装配成为项目模型过程中所需的信息，包括 位置关系、功能关系、工程逻辑关系等，装配特征让工程师可以在电脑里象搭积木一样把房子在电脑里装一次，进行各种模拟分析与计算，是虚拟样机技术在建筑业的应用。这是 BIM 建模软件与制造业 CAD 最大的技术差异，BIM 建模软件根据建筑业特点建立了一套基于标高、轴网的定位与人机交互机制，主要空间功能也蕴含于这套机制之中，是 BIM 建模软件的独有技术。

3) 精度特征

用于描述几何形状和尺寸的许可变动量或误差，如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。这种技术在机械制造业已经相当成熟，是计算机辅助工艺设计的技术基础，但在建筑业还未得到有效应用，也不被所有 BIM 建模软件支持，仅有 CATIA 与 bentley 的 microstation 等少量 BIM 建模软件具备精度特征处理能力。

建筑产品生产中主要有标志尺寸、构造尺寸和实际尺寸三种尺寸，目前在同一个模型中实现三种尺寸管理最佳技术仍然是精度特征，由于多数 BIM 建模软件尚不支持精度特征，主要支持标志尺寸建模，给施工工艺设计与质量管理带来很大困难。国外实践中主要有两种处理方式，一种是开发独立的工艺软件或质量软件，读取 BIM 模型中信 息加工处理；另一种是对 BIM 建模软件二次开发，通过标志尺寸模型生成其它两种模型和三种对比模型，实质上实现精度特征的功能。

关于三种尺寸的介绍：

标志尺寸是用以标注建筑物定位线之间的距离（跨度、柱距、层高等）以及建筑制品、建筑构配件、组合件、有关设备位置界限之间的尺寸。

构造尺寸是生产、制造建筑构配件、建筑组合件、建筑制品等的设计尺寸，一般情况下，构造尺寸为标志尺寸减去缝隙或加上支承尺寸。

实际尺寸是建筑构配件、建筑组合件、建筑制品等生产制作后的实有尺寸，实际尺 寸与构造尺寸之间的差数应符合建筑公差的规定。

4) 材料特征

用于描述材料的类型、性能和热处理等信息，如强度、刚度和延展性等力学特性、光反射、导热性和导电性等物理化学特性、以及材料处理方式与条件（例如钢筋预应力 处理、混凝土养护等）。

5) 分析特征

用于表达构件在性能分析时所使用的信息，如有限元网格划分、梁特征和板特征等，有的文献称之为技术特征。

6) 补充特征

用于表达一些与上述特征无关的产品信息，用于描述构件设计的 omniclass 或 masterformat 编码等管理信息的特征，也称为管理特征。

由于造型特征是 BIM 建模软件直接提供的功能，其它特征目前依靠实施技术处理， 因而本书只介绍造型特征，有关面向过程的特征的技术、原理与方法将在《建筑信息建 模原理》一书中详细探讨。

特征建模系统是 BIM 建模软件的子系统，其框架结构如图 4-29 所示：

图 4-29 特征建模系统的基本架构

形状特征、精度特征、材料特征分别对应各自的特征库，从中获取特征描述信息。产品数据库建立在这些特征库的基础上，系统与数据库之间实现双向交流，建模之后的产品信息送入产品数据库，并随着造型的过程而不断修改，而造型过程所需的参数从库中查询调取。

构件的特征不仅包含属性，还包括方法与行为，这导致 BIM 模型的创建十分复杂， 如果逐一创建，将导致建模成本远远高于模型的价值，从而让模型创建失去经济意义。BIM 建模软件采用参数化定义的形状特征，设计人员只需输入少数几何参数，就可自动生成大量几何信息，还可以方便地修改形状、尺寸与材质等信息，满足人们的设计需要。参数化技术简化了建模工作，提升了模型创建的效率与价值，是各种特征造型系统 的核心技术。

大多数构件对象的结构形状比较固定，可以用一组参数来约定尺寸关系，利用参数控制构件的尺寸，驱动构件生成，即尺寸驱动，本质上是面向对象思想在几何造型上的应用，可分为设计对象的参数化建模和参数化模型的实例化。参数化设计允许人们基于构件样板（例如 revit 的族库）与项目样板，通过变动尺寸值生成新的设计。参数化设 计可以分为二维参数化设计和三维参数化设计两类，为设计和修改构件提供了方便，不仅让设计成本大大降低，还可以近于零成本的实现设计变更，具有巨大的工程价值。

尺寸驱动的几何模型由几何元素、尺寸约束和拓扑约束三部分组成。当修改某一尺寸时，系统自动检索该尺寸在尺寸链中的位置，找到它的起始几何元素和终止几何元素，使它们按照新尺寸值调整，得到新的几何模型。图 4-30 中图 a 是驱动前的图形，尺寸 参数为 A、B、C，图 b 所示是修改尺寸 C 为 C’后的图形，图形修改前后的拓扑关系保持不变，从 a 到 b 的变更仅需修改一个参数，大大提升设计效率。

图 4-30 尺寸驱动的几何模型示意图

1) 特征表示的数据结构

特征的表示主要有两方面的内容：一是几何形状信息，二是属性或非几何信息。根据几何形状信息和属性在数据结构中的关系，可分为集成表示和分离表示两种模式。集成表示模式是将属性信息与几何形状信息集成地表示在同一内部数据结构中，而分离表示模式则将属性信息表示在与几何形状信息相分离的外部结构中。

分离模式在传统的实体模型数据结构的基础上附加非几何信息，易于实现，更接近三维 GIS 的信息处理方式，易于与三维 GIS 集成，但效率不高，极少在 BIM 建模软件与 CAD 软件中应用。

由于传统的实体模型不能很好地满足特征模型表达的要求，集成模式的 BIM 模型软件开发者需要从头开始设计开发全新的基于特征的表达方案，工作量大，软件开发成 本极高。但由于集成模式可以避免内部实体模型数据与外部数据的不一致和冗余、便于同时对几何模型和非几何模型进行多种操作、用户界面友好以及便于对多种抽象层次的数据进行存取和通讯等优点，是主流的数据结构。

2) 特征的表示方法形状特征有隐式表示和显示表示两种方法，隐式表示用特征生成过程描述形体，显式表示描述确定的几何、拓扑信息。对于外圆柱体，显式表示用有圆柱面、两底面及边 界细节表达，而隐式表示则用中心线、高度和直径来描述（如图 4-31 所示）。

图 4-31 外圆柱体特征的隐式表示和显示表示方法

显然，所谓的显式或隐式是针对计算机而言的，显示表示法更接近形体在计算内部的表达方式，计算机容易加工处理，因而称之为显式的；而隐式则更接近设计师的思维 方式，但计算难以理解处理，大量占用 CPU 与内存资源，软件开销大。无论是显式表 示还是隐式表示，单一的表示方式都不能很好地适应特征信息表示的要求，因此，目前主流建模软件采用显式与隐式结合的混合表示模式，从而综合发挥两种方式优点。

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