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AI代理自动操作BIM的时代：基于最新研究的CAD·BIM历史与未来
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本文由日语原文自动翻译而成
前言
AI逐渐普及，在从日常到工作的许多场景中得到了应用。在建筑·土木领域，AI的应用也备受期待，其中AI设计自动化这一长期被认为具有潜力的技术正在变为现实。在此，我们将重新回顾CAD（计算机辅助设计）和BIM（建筑信息建模）等数字工具如何改变了建筑·土木行业业务的历史演变，并基于最新学术研究，整理今后的发展方向。
CAD与BIM的历史：BIM并非CAD的继承者
本章将回顾CAD和BIM的历史。作为需要理解的前提，CAD和BIM属于不同的系统，因此BIM不是CAD的继承者。特别是在重大差异方面，CAD是应用于建筑·土木领域以外的通用工具，而BIM是专门针对建筑·土木领域的工具，存在着本质的区别。
CAD的历史
1950年代 - 1960年代：概念的诞生与SKETCHPAD的问世
形状的数学定义技术：CAD 的技术根源可以追溯到 1950 年代后期军事和航空航天工业中的制造自动化需求。麻省理工学院（MIT）开发的用于数值控制（Numerical Control：NC）机床的自动编程工具 APT，成为了形状数学定义的基础。(Ball, 2013; Weisberg, 2008)
SKETCHPAD的开发：现代CAD的真正始祖是1963年由麻省理工学院的Ivan Sutherland博士在其博士论文研究中开发的Sketchpad。该系统采用阴极射线管（Cathode Ray Tube：CRT）显示器和光笔，能够以交互方式与计算机进行图形的绘制和操作，并可以施加几何约束（定义和限制点、线、面等元素之间的相对位置关系和形状关系的规则），是一个具有划时代意义的系统。(Alin & Stăncioiu, 2024; Tornincasa & Monaco, 2010; Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
大型企业的内部系统开发：在1960年代，汽车和航空工业的大型企业开始利用主机大型计算机开发自己的2D/3D系统。通用汽车（GM）的DAC-1、洛克希德公司的CADAM、雷诺的UNISURF等都是代表例。(Tornincasa & Monaco, 2010; Weisberg, 2008)
1970年代：商用交钥匙系统的崛起与基础的确立
商业市场的开启：1969年Applicon公司和Computervision公司的成立标志着CAD技术从研究室进入商业市场。随后，Auto-trol公司、Calma公司、Intergraph公司等早期主要企业纷纷兴起。(Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
交钥匙系统的供应方式：当时的CAD系统作为交钥匙系统销售，整合了小型计算机（如DEC的PDP-11）和存储管显示器、数字化仪等设备（购买后，只需转动钥匙打开电源就可以立即使用的系统）。这些系统每台价格超过15万美元，非常昂贵，因此主要仅限于大型企业使用。(Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
CAD/CAM之父与立体建模的萌动：由Patrick Hanratty氏创办的MCS公司开发了ADAM等设计·制造软件，并向众多供应商进行许可供应，为CAD的普及奠定了基础。同期，Ian Braid氏等人推进了边界表示法（Boundary Representation: B-Rep）和构造性立体几何（Constructive Solid Geometry：CSG）等立体建模（创建填充实心立体模型的方法）的基础研究。(Ball, 2013; Weisberg, 2008)
1980年代：PC的普及与AutoCAD的出现
PC CAD实现大众化：进入1980年代后，随着硬件价格的急剧下降，CAD市场的结构发生了巨大变化。1982年Autodesk公司推出了面向个人计算机（PC）的廉价AutoCAD，使得之前无法采用CAD的中小企业和个人设计师也能够使用，成为业界事实上的标准。(Tornincasa & Monaco, 2010; Weisberg, 2008)
向工作站的转变：另一方面，需要进行更高级处理的企业开始从主机向Apollo和Sun Microsystems等基于UNIX的工程工作站迁移。(Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
基于特征的参数化设计的出现：1987年，参数技术公司（Parametric Technology Corporation，PTC）发表了Pro/ENGINEER。该系统具有划时代的特点，能够将用户的设计步骤保存为历史记录，仅通过改变尺寸等参数（变量）就可以自动更新整个模型。这被称为CAD行业的第五代，是一场重大的范式转变，其影响足以使现有系统过时。(Tornincasa & Monaco, 2010; Weisberg, 2008)
1990年代 - 2000年代：中端CAD的兴起与向直接建模的演进
基于Windows的中端3D CAD：到1990年代中期，随着Windows操作系统和Intel处理器性能的提升，SolidWorks（1995年）和Solid Edge（1996年）等廉价且易操作的基于Windows的中端3D CAD（介于高端和低端之间的CAD）相继问世，逐渐蚕食了价格昂贵的UNIX工作站市场。(Tornincasa & Monaco, 2010; Wolfe, July-Sep 2025)
直接建模技术：参数化建模虽然功能强大，但当初期约束条件过于复杂时，其他人就很难修改模型，这是其弱点。因此，在2000年代后期，出现了不受历史约束、能够直观地直接操纵面和边线的直接建模（无历史记录）技术。目前，将这两者优点融合的混合型CAD系统已成为主流。(Tornincasa & Monaco, 2010)
与PLM的集成：现代CAD已超越单纯的几何建模工具，成为分析（计算机辅助工程：CAE）和制造（计算机辅助制造：CAM），以及管理产品全生命周期的PLM（产品生命周期管理）系统的核心。(Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
向BIM的发展：在建筑·建设领域，它发展成为具有属性信息的建筑信息建模（BIM），成为从设计到维护管理的全面信息基础。(Sacks et al., 2018)
BIM的历史
1960年代 - 1970年代：概念的诞生与原型的开发
参数化设计的未来预测：Douglas C. Englebart氏在论文《增强人类智力》中预测了利用基于对象的参数化要素进行建筑设计的未来。(Borkowski, 2023; Hız et al., 2023)
模板概念的提出：建筑师Christopher Alexander氏提出了用于自动化设计流程的模板概念，奠定了面向对象方法的基础（后来演变为模式语言）。(Alexander, 1977; Borkowski, 2023)
BIM之父开发的BIM原型：卡内基梅隆大学的Charles M. Eastman氏等人开发并发表了具有现代BIM逻辑的世界上第一个软件——建筑描述系统（Building Description System, BDS）。BDS具有包含材料和供应商信息等持续更新的数据库，能够从单一描述中自动且一致地生成平面图、立面图、透视图等，这是一项开创性的系统。Eastman氏在BDS之后又开发了具有相同逻辑的GLIDE，继续进行建筑生命周期信息建模的概念验证。(Hız et al., 2023)
1980年代：商业化的黎明期与"建筑建模"的出现
Radar CH（后来的ArchiCAD）的发表：匈牙利的Graphisoft公司发表了Radar CH（后来的ArchiCAD），它不依赖于昂贵的工作站，而是提供基于对象的3D方法。同一时期，英国也开发了RUCAPS和SONATA等先驱性系统。(Borkowski, 2023; C. Eastman et al., 2008)
BIM必要条件的定义： Robert Aish氏在使用RUCAPS的伦敦希思罗机场改造项目的论文中，首次用Building Modelling（建筑建模）这一术语表达了我们目前所知的BIM方法。该论文已经清晰地定义了现代BIM的必要条件，包括3D建模、参数化组件、关系型数据库和建设流程的时间分阶段。(Borkowski, 2023; C. Eastman et al., 2008; Hız et al., 2023)
1990年代："BIM"术语的诞生与互操作性的挑战
BIM术语的诞生： G.A. van Nederveen氏和F.P. Tolman氏发表了论文《Modelling multiple views on buildings》。学术文献中首次使用"Building Information Model (BIM)"这一缩写词被广泛认为是在这篇论文中。(C. Eastman et al., 2008; Hız et al., 2023)
IAI（后为buildingSMART）的成立： 各厂商独自的数据格式各自为政，不同领域间的数据交换（互操作性）成为了重大障碍。为解决这一问题，由Autodesk公司等企业联盟结成，IAI（International Alliance for Interoperability，现为buildingSMART）于1995年正式成立。(C. Eastman et al., 2008; Hız et al., 2023; Laakso & Kiviniemi, 2012; Sacks et al., 2018)
IFC的发布： IAI发布了供应商中立的开放数据标准"IFC（Industry Foundation Classes）"的第一个版本（IFC 1.0），为跨领域协作建立了技术基础。(Hız et al., 2023)
2000年代：作为行业标准的确立与普及
Revit的诞生： Charles River Software公司开发了配备强大参数化变更引擎的Revit（2006年被Autodesk公司收购）。(C. Eastman et al., 2008; Hız et al., 2023)
BIM术语的全球普及： 通过著名行业分析师Jerry Laiserin氏的活动和Autodesk公司发布的白皮书，BIM术语实现了全球突破。过去各公司用虚拟建筑等不同名称称呼的技术，被统一在BIM这一共同语言之下。(Borkowski, 2023; C. Eastman et al., 2008)
BIM成熟度模型的发表： 英国提出了BIM成熟度模型（Bew-Richards ramp），明确定义了BIM的阶段性导入水平（Level 0～Level 3）。该模型成为各国政府制定BIM推进政策的重要指标，也成为了企业测量自身BIM熟练度的标准。(Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018)
2010年代以后：国家推进与开放标准的演进
各国BIM义务化： 英国政府在2011年发表了BIM战略，从2016年起在所有公共采购项目中强制使用"Level 2 BIM"。新加坡（CORENET）、美国（GSA）、芬兰等北欧国家、韩国等也在公共项目中强力推进和义务化了BIM及IFC格式的使用。(Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018; Sacks et al., 2018)
openBIM的普及： 在Graphisoft公司和Tekla公司等的主导下，openBIM倡议得到了全面推进。通过此举，实现了从被特定软件囲困的封闭BIM的脱离，通过IFC等开放标准格式实现最优工具的无缝协作方法得到广泛普及。(Borkowski, 2023; Hız et al., 2023)
CAD的数据架构
CAD的思想体现在数据的设计指针和结构中。这里我们整理一下数据架构。
DXF的机制
在CAD的数据交换中，作为事实上的标准（事实标准）在全球广泛使用的是DXF（Drawing Interchange Format）。Autodesk公司为AutoCAD开发的DXF，设计为可将其独特的内部数据结构（DWG）的信息在其他系统中也能进行全面的读写，设计为人类也能解读的ASCII文本格式（用7位数值表示128个字符的最基本且全球通用的字符代码规范编写的文本），在业界得到广泛普及。(Autodesk, 1993)
按组代码方式进行数据描述： DXF文件最具特色的机制是被称为组代码的独特数据描述方式。文件内的数据不是无序排列，而是必然由组代码（正整数）及其值的2行1组对构成。程序在读取DXF时，仅通过查看第一行的组代码，就能严格判别第二行数值的数据类型和含义。具体来说，代码为"0～9"时为字符串，"10～59"时为X坐标或缩放等浮点数，"60～79"时为整数。特别地，"0"这一代码具有特殊作用，作为section或实体（图形）开始的标记发挥作用。(Autodesk, 1993)
整个文件的层级结构： 为防止文本数据无序地膨胀，整个文件以"0"和"SECTION"的描述开始，以"0"和"ENDSEC"结束，分成逻辑上的"section"存储。主要的section有以下4种。(Autodesk, 1993)
HEADER（标题）section：图形的版本信息（$ACADVER）和图形的限制坐标（$EXTMIN、$EXTMAX）等系统变量，按照代表变量名的"9"组代码后续保存。
TABLES（表）section：包含线型、画层（图层）、文字样式等图形内重复使用的命名设置列表。各表开始时声明元素最大数量，便于接收端有效地分配内存。
BLOCKS（块）section：存储多个图形组成的一个"块"的定义。作为图形内重复使用相同图形组的原始数据，也记录了外部参照文件的路径信息等。
ENTITIES（实体）section：描述实际在屏幕上绘制的线段、圆、文本等几何图形数据的实体。文件最后以"0"和"EOF（End of File）"标记作为结束。
形状数据的存储： ENTITIES section中存储了线（LINE）或圆（CIRCLE）等图形的坐标和属性，但采用了防止文本文件膨胀的优化方式。例如，当图形的颜色或线型等属性与"BYLAYER（按图层设置）"等默认值相同时，这些数据不会写入文件，记述本身被省略。接收端程序在数据被省略的情况下，会自动补充默认值进行解释。同时，长文本数据（MTEXT等）按255个字符的块进行分割存储，也存在这样的字符串表达约束。(Autodesk, 1993)
3D空间表示的轻量化： DXF在保存3D空间中的图形数据时，也采用了独特的压缩概念。不是将3D绝对坐标（世界坐标系：WCS）全部按原样记录，而是以"实体坐标系（ECS）"这样的本地2D平面为基准存储数据。例如圆或文本等平面图形，存储为其所在ECS上的2D坐标（X、Y）和WCS的高度（Elevation）。为了表示该平面在3D空间中指向的方向，仅需添加"Z轴方向的挤出向量"。读取数据的程序使用被称为"任意轴算法（Arbitrary Axis Algorithm）"的数学计算规则，从Z轴向量自动生成一致的X轴和Y轴，精确复原元始3D空间中图形的姿态。由此实现了数据量的大幅削减。(Autodesk, 1993)
外部数据的附加： DXF不仅保存几何图形，还具备"扩展实体数据（XDATA）"这一灵活的机制，允许第三方软件向图形附加独自的非几何数据（属性信息等）。XDATA分配有1000番台的特殊组代码（例如1000为字符串，1040为实数等），可在以注册的应用程序名为开头的前提下，将独自的信息嵌入图形中。(Autodesk, 1993)
数据读写的高速化： 作为ASCII文本格式的DXF具有人类可读的透明性，但另一方面存在文件大小变大、浮点数舍入误差和读取速度缓慢的课题。为解决这一问题，Autodesk公司提供了"二进制DXF"格式。这种格式保持与ASCII版本相同的数据结构（组代码方式），但使用二进制值（IEEE双精度浮点等）直接记述数据。由此可在完全保留数据精度的同时，将文件大小削减约25%，读写速度提高约5倍。(Autodesk, 1993)
示例代码
组代码示例
关于组代码，以下举例说明。将DXF格式比作向政府部门提交的申请表。
—
假设向政府部门提交的申请表按以下方式填写：
第1栏（姓名）：山田太郎
第2栏（出生日期）：1990年1月1日
第3栏（住址）：东京都千代田区...
—
如果以数字和内容交替排列的形式写出，会是这样：
—
1
山田太郎
2
1990年1月1日
3
东京都千代田区...
第1行是编号，第2行是该编号的内容。这就是DXF文件组代码方式的基本结构。
—
在DXF文件中，申请表中的编号称为组代码，内容称为值。
—
0 ← 组代码（表示实体（元素）的种类）
LINE ← 值（表示这是一条线）
8 ← 组代码（表示图层）
0 ← 值（图层名为"0"）
10 ← 组代码（起点的X坐标）
0.0 ← 值（X = 0.0）
20 ← 组代码（起点的Y坐标）
0.0 ← 值（Y = 0.0）
11 ← 组代码（终点的X坐标）
100.0 ← 值（X = 100.0）
21 ← 组代码（终点的Y坐标）
0.0 ← 值（Y = 0.0）
—
这表示从(0,0)到(100,0)绘制了一条线。
文件整体层级结构示例
关于文件整体的层级结构，以下是示例。用CAD绘制的图纸保存的文件（DXF）类似于一个有5个抽屉的文件柜。
┌─────────────────────────┐
│ ▼ DXF文件（文件柜）
│
│ ┌─ SECTION ─┐
│ │ HEADER │ ← 图纸整体的基本信息
│ └───ENDSEC──┘
│
│ ┌─ SECTION ─┐
│ │ TABLES │ ← 常用设置的登记
│ └───ENDSEC──┘
│
│ ┌─ SECTION ─┐
│ │ BLOCKS │ ← 可重复使用的部件的登记
│ └───ENDSEC──┘
│
│ ┌─ SECTION ─┐
│ │ ENTITIES │ ← 实际绘制的图形
│ └───ENDSEC──┘
│
│ EOF ← 关闭文件柜
└─────────────────────────┘
每个抽屉都有名称，抽屉的开始标记为"0 SECTION"（从此处打开抽屉），结束标记为"0 ENDSEC"（此抽屉关闭）。
HEADER（标题）示例
这里是文件整体的元信息。不是图纸本身的内容，而是对这份图纸是什么的说明。类比现实中的例子，相当于书的封面。
作者
出版社
出版年
DXF的HEADER中包含
AutoCAD版本（$ACADVER）
图纸的显示范围（$EXTMIN、$EXTMAX）
单位（毫米 / 米 / 英寸等）
当前图层设置
实际示例如下：
—
0
SECTION
2
HEADER
9
$ACADVER ← 变量名"AutoCAD的版本"
1
AC1027 ← 值"2013年版"
9
$EXTMIN ← 变量名"图纸的左下角"
10
0.0 ← X坐标
20
0.0 ← Y坐标
9
$EXTMAX ← 变量名"图纸的右上角"
10
1000.0
20
500.0
0
ENDSEC
—
这是第一次出现的组代码9，它表示变量名（系统变量）。
TABLES（表格）：常用设置的登记簿
这里是登记重复使用的有名称的设置的地方。类比现实中的例子，相当于公司的电话簿。
销售部 A：分机100
财务部 B：分机200
在文件正文中，如果想写"联系A"，每次都写"A（销售部、东京总部、1990年入职...）"会很麻烦。所以事先登记名称和详细信息。这就是TABLES的作用。
DXF的TABLES中包含
图层表：图层名称与色彩、线型的对应关系
线型表："虚线""一点链式线"等图案定义
文字样式表：字体、大小
尺寸样式表
等内容。
实际示例（仅摘取图层表）如下：
—
0
SECTION
2
TABLES
0
TABLE
2
LAYER ← 图层表开始
70
3 ← 有3个图层（最大数量声明）
0
LAYER
2
0 ← 图层名"0"
62
7 ← 色号7（白色）
6
CONTINUOUS ← 线型"实线"
0
LAYER
2
Wall ← 图层名"Wall"
62
1 ← 色号1（红色）
6
CONTINUOUS
0
LAYER
2
Door ← 图层名"Door"
62
3 ← 色号3（绿色）
6
CONTINUOUS
0
ENDTAB ← 图层表结束
0
ENDSEC
—
BLOCKS（块）示例
这里是登记多个图形合并而成的部件的地方。类比现实中的例子，相当于乐高积木的零件盒。
窗口单元（框架＋格子＋标签组成的套装）
门单元（门框＋门扇＋门把手组成的套装）
标题块（图纸右下角的图纸名称、比例、日期框）
如果事先将这些作为部件登记，就可以在图纸的各个位置反复使用。在100个位置绘制门时，无需每次从头描绘门的形状，只需指定在此处放置门单元即可。
—
实际示例：
0
SECTION
2
BLOCKS
0
BLOCK
2
DoorUnit ← 块名"DoorUnit"
10
0.0 ← 块的基准点（X）
20
0.0 ← 基准点（Y）
0
LINE ← 构成此块的线1
8
0
10
0.0
20
0.0
11
800.0
21
0.0
0
LINE ← 构成此块的线2
8
0
10
0.0
20
0.0
11
0.0
21
2100.0
0
ENDBLK ← 块"DoorUnit"结束
0
ENDSEC
—
而在正文（ENTITIES）中，这样写：
—
0
INSERT ← 插入块
2
DoorUnit ← 调用"DoorUnit"
10
1000.0 ← 放置位置X
20
0.0 ← 放置位置Y
—
只需这样写，就会在该位置绘制门。
ENTITIES（实体）的示例
这是主要的内容抽屉。屏幕上实际绘制的线、圆、文本等按顺序排列。作为身近的例子，相当于志愿理由书的正文。ENTITIES是文件的主角。
实际示例
—
0
SECTION
2
ENTITIES
0
LINE ← 第1条线
8
Wall
10
0.0
20
0.0
11
1000.0
21
0.0
0
LINE ← 第2条线
8
Wall
10
0.0
20
0.0
11
0.0
21
500.0
0
CIRCLE ← 圆
8
Door
10
500.0
20
250.0
40
50.0
0
INSERT ← 调用并放置「DoorUnit」
2
DoorUnit
10
800.0
20
0.0
0
TEXT ← 文字
8
Annotation
10
500.0
20
600.0
40
20.0
1
LIVING ROOM
0
ENDSEC
—
这是绘制了2条墙线、1个表示门的圆、1个门部件、1个文字"LIVING ROOM"的状态。这里写的内容正是CAD屏幕上显示的内容本身（线、圆、文字等）。
EOF（文件结束）的示例
最后，有一个表示文件结束的标记。
—
0
EOF
—
如果没有这个标记，CAD会认为文件"被截断了"并输出错误。这相当于书的最后一页，标记"以上、完"。
CAD中图纸被绘制并保存为DXF的过程
在CAD中，图纸被绘制，然后作为在不同类型的系统间可交换数据的DXF（Drawing Interchange Format）被保存，这个过程由一系列精密的计算和数据转换组成。
几何图形的布置（作图过程）： 设计师在CAD这个电子化的制图板上，通过组合线段、圆弧、文本等几何图形（基本要素）来绘制图纸。与BIM不同，CAD系统本身不理解所绘制的线条代表"墙"的含义，而是将其作为纯粹的图形元素（线和文本）的集合来处理。(Ball, 2013; C. M. Eastman, 1989)
文件的逻辑分割： 当开始保存（导出）为DXF格式时，数据不会被无序地写出，而是严格地分割为HEADER（系统变量）、TABLES（图层和线型设置）、BLOCKS（可重用图形组）、ENTITIES（实际图形实体）等逻辑分段，并输出到文本文件中。(Autodesk, 1993)
通过分组码方式的数据序列化：写入文件的所有数据都被序列化为分组码（正整数）和其值的两行一组对。例如，代码"10"之后是X坐标，"8"之后是图层名，这样的规则确保当其他程序读取文本数据时，能够准确解释值的数据类型和含义。(Autodesk, 1993)
通过省略默认值进行数据优化： ASCII文本格式容易导致数据膨胀，因此在输出时进行自动优化。当图形的颜色或线型等属性与BYLAYER（按图层设置）等默认值相同时，会从文件中省略这些描述，以减小文件大小。(Autodesk, 1993)
使用ECS进行空间表示的轻量化： 保存3D空间中的图形时，不是记录所有绝对坐标，而是只记录实体坐标系（ECS）这样的局部2D平面上的坐标和Z轴的拉伸向量。读取时使用任意轴算法（Arbitrary Axis Algorithm）在数学上恢复原始的3D姿态，大幅削减数据量。(Autodesk, 1993)
这样，从CAD到DXF的保存过程是一个精密的处理过程：将绘制的几何数据通过独有的分组码和ECS等机制进行优化，转换为外部程序可读的标准化文本数据。
BIM的数据架构
BIM的思想体现在数据的设计指导方针和结构中。这里我们整理数据架构。
IFC的机制
IFC（Industry Foundation Classes）是由buildingSMART开发、经ISO 16739国际标准化的厂商中立的BIM数据交换开放格式。与传统CAD数据主要是几何图形信息集合的方式不同，IFC被设计为一个面向对象的数据模型，能够全面描述建筑物和基础设施结构的语义信息（语义学）、形状信息（几何学）以及对象间的复杂关系。
采用EXPRESS语言进行面向对象的数据定义：IFC的数据架构（数据结构定义）采用ISO 10303（STEP标准）所规定的数据建模语言EXPRESS来描述。EXPRESS采用了面向对象的概念，能够严格定义类（实体）、属性和继承关系。此外，为了以可视化方式表现IFC的架构，还使用了EXPRESS-G这种图形化的描述方法。(Ball, 2013; Borrmann et al., 2018)
通过4个层级的严格架构：为了有效管理庞大复杂的建设项目信息，并保持未来的可扩展性，IFC的架构被分为4个严格遵循依赖规则（仅允许上位层向下位层引用）的层级。(Borrmann et al., 2018)
资源层（Resource Layer）： 位于最下层，提供几何表示、拓扑、材质、数量等基础数据结构。此层数据没有自己的ID，仅以被上位层对象引用的形式存在。
核心层（Core Layer）： 是数据模型的骨架层。包含所有物理和概念要素的根源抽象类IfcRoot和IfcObject等，保持要素的全局唯一标识符（GUID）和变更历史等元数据。
共享／互操作性层（Shared/Interoperability Layer）： 定义在建筑、设备等多个专业领域中共同使用的"墙（IfcWall）"和"楼板"等一般要素。
领域层（Domain Layer）： 位于最上位，定义建筑、结构分析、空调（HVAC）等特定领域的高度专业化类群。
语义与几何形状的完全分离：IFC数据存储的一个核心特征是"对象的语义定义"与"几何表示"的完全分离。例如，某个对象是"墙"这样的语义信息（语义学）独立于其形状数据来定义。这样，对于单一语义含义的墙对象，可以同时关联多个形状表示，包括针对BIM创作工具的精细3D实心模型、针对能源分析的简化面模型或针对平面图的2D符号。(Borrmann et al., 2018)
关系性的对象化（Objectified Relationships）：IFC最具创新性的方法是"关系性的对象化"。在IFC中，不是用直接的属性指针连接要素，而是将关系性本身定义并存储为独立的对象（IfcRelationship的子类）。例如，"窗嵌入在墙中"这种状态不是直接链接墙和窗，而是通过"填充开口的关系（IfcRelFillsElement）"这样的独立关系性实体来记录。同样，"建筑物聚合多个楼层"这样的空间层级结构也被记录为表示聚合关系的"IfcRelAggregates"。这样，可以在模型中明确保存要素之间为什么相关联这样的逻辑理由。(Borrmann et al., 2018)
通过属性集（Property Set）实现动态扩展性： 如果将地域和项目各不相同的无数属性要求（特定的耐火性能值或制造商信息等）全部整合到标准架构中，数据模型会变得臃肿。为了防止这种情况，IFC采用了属性集机制。自定义的属性群被定义为IfcPropertySet，并通过关系性对象（IfcRelDefinesByProperties）动态关联到目标要素。这种机制使得无需改变架构本身，就能灵活地添加元数据。(Borrmann et al., 2018)
STEP物理文件及ifcXML的物理存储格式：IFC数据在内存中构建后，作为实际文件保存时，最标准的方法是使用基于STEP明文编码（ISO 10303-21）的ASCII文本文件（扩展名 .ifc）。该文件分为HEADER部分和DATA部分。存储在DATA部分的数据按行记录，每行都有一个唯一的实例ID，如"#123"。文件中的各个对象通过使用这些ID作为指针相互引用，在平面文本文件上重新构建复杂的数据网络。此外，为便于与Web服务等系统的集成，数据也可以以基于XML技术的"ifcXML"格式存储和交换。(Borrmann et al., 2018)
MVD（模型视图定义）按用途提取数据：在实际数据交换中，传输巨大IFC模型的全部信息效率低下。因此，使用一种名为MVD的机制，将"谁、何时、需要什么信息"这样的业务需求定义为IDM（信息交付手册），然后将其翻译为技术上可实现的IFC子集（信息过滤条件）。软件根据特定的MVD（例如Coordination View等）选择性地输出和存储数据，从而防止文件过度膨胀，同时实现准确可靠的数据交换。(Borrmann et al., 2018)
示例代码
如果CAD文件（DXF）是绘制建筑外观的图片，那么IFC就是建筑的户口本和关系图。
DXF：这里有一条线，那里有另一条线
IFC：这里有一个"墙"，另一个地方有一个"窗"，这两个之间存在"嵌入"的关系
户口本记录了"谁与谁是父子关系，谁与谁结婚了，谁住在哪里"等关系。IFC也是一样的。它表达了建筑构成要素之间的关系。在这个理解基础上，我们来梳理示例代码。
EXPRESS语言对象导向定义的示例
这类似于学校的班级划分。
—
人（基础类）
├─ 学生（继承人，添加学号属性）
│ ├─ 小学生（继承学生，添加书包属性）
│ └─ 高中生（继承学生，添加自行车通学属性）
└─ 教师（继承人，添加科目属性）
—
这里，"小学生"拥有"学生"的所有特征，并在此基础上添加自己独有的特征。
用IFC表示同样的概念如下：
—
IfcRoot（所有对象的根，具有GUID和历史记录）
├─ IfcObjectDefinition
│ └─ IfcObject
│ └─ IfcProduct（具有位置和形状）
│ ├─ IfcElement（建筑物的物理要素）
│ │ ├─ IfcWall（墙）
│ │ ├─ IfcSlab（楼板）
│ │ ├─ IfcColumn（柱）
│ │ └─ IfcWindow（窗）
│ └─ IfcSpatialElement（空间要素）
│ ├─ IfcSite（场地）
│ ├─ IfcBuilding（建筑）
│ └─ IfcBuildingStorey（楼层）
—
"墙（IfcWall）"具有"建筑物的物理要素（IfcElement）"的所有特征，并在此基础上添加了墙特有的属性。
实际IFC模式（简化版）如下：
—
ENTITY IfcWall
SUBTYPE OF (IfcBuildingElement);
PredefinedType : OPTIONAL IfcWallTypeEnum;
END_ENTITY;
—
这表示"IfcWall继承IfcBuildingElement，并添加了PredefinedType属性"。
四层架构
IFC模式结构像一栋四层建筑一样分层，遵循只能从上向下引用的规则。打比方的话，它像公司的组织结构图。
—
[上层] 领域层（建筑特定、结构特定、设备特定）
↓ 可以引用
[中层] 共享层（墙、楼板等常见建筑要素）
↓ 可以引用
[中层] 核心层（IfcRoot、IfcObject等抽象类）
↓ 可以引用
[下层] 资源层（坐标、材料、数量等零部件数据）
—
规则：上层可以使用下层，但下层不需要了解上层。这类似于"专业部门可以使用公共部门的服务，但公共部门不需要了解具体的专业业务"这样的健全组织设计。
·领域层（特定领域专业）如下所示：
—
# IfcSensor（传感器）在设备领域（HVAC、BMS）中使用
sensor = IfcSensor(global_id=\"xyz789\", name=\"TempSensor1\")
—
·共享层（多个领域使用的要素）如下所示：
—
# IfcWall（墙）在建筑、结构和设备中都使用
wall = IfcWall(global_id=\"abc123\", name=\"W1\")
—
·核心层（继承IfcRoot的抽象对象）如下所示：
—
# IfcRoot 是所有要素的祖先
class IfcRoot:
GlobalId # GUID（唯一ID）
OwnerHistory # 谁在何时创建
Name # 名称
Description # 描述
—
·资源层（最下层，无ID的零部件数据）如下所示：
—
# IfcCartesianPoint（坐标）
point = IfcCartesianPoint(coordinates=[0.0, 0.0, 0.0])
# IfcMaterial（材料）
material = IfcMaterial(name=\"Concrete\")
—
语义与几何形状的分离
在IFC中，"这是一面墙"这样的语义含义和"墙的形状是这样一个四边形"这样的形状分别记录。这类似于人物介绍。
当有一个A先生时，多张用途不同的照片与之关联的概念。
照片A：简历用的正面照
照片B：护照用的白底照
照片C：社交媒体头像用的自然笑容照
IFC也是一样。一个"这是墙"这样的单一语义存在可以关联多个用途不同的形状。
# 首先创建"这是墙"这样的语义存在
wall = IfcWall(
global_id=\"abc123\",
name=\"LivingRoomWall_W1\"
)
# 然后为这面墙关联各种形状
# 形状1：详细的3D实体（用于BIM查看器）
representation_3d = IfcShapeRepresentation(
type=\"SweptSolid\",
items=[detailed_solid_geometry]
)
# 形状2：简化的曲面（用于能源分析）
representation_simple = IfcShapeRepresentation(
type=\"Surface\",
items=[simple_surface]
)
# 形状3：平面图用符号（用于2D图纸）
representation_2d = IfcShapeRepresentation(
type=\"Annotation2D\",
items=[wall_symbol]
)
# 为一面墙关联3种表达
wall.Representation = IfcProductDefinitionShape(
representations=[representation_3d, representation_simple, representation_2d]
)
由此可以如下应用：
BIM查看器显示"3D实体"
能源分析软件使用"简化的曲面"进行计算
图纸输出工具使用"2D符号"创建平面图
由于所有表达都源自同一面墙，移动墙时所有表达都会同步更新。
关系的对象化
将"A中包含B"这样的关系不是直接连接A和B，而是将"关系本身"记录为一个独立存在。这类似于婚姻记录。
婚姻关系
├─ 当事人A
├─ 当事人B
├─ 婚姻日期：2020年10月10日
└─ 婚姻地点：XXX城市
在IFC中，"墙中包含窗"的关系写法如下：
・描述墙体、窗户、开口
pythonwall = IfcWall(global_id="wall001", name="W1")
window = IfcWindow(global_id="win001", name="WIN1")
opening = IfcOpeningElement(global_id="op001", name="OP1")
・"墙上有开口"的关系
pythonrel_voids = IfcRelVoidsElement(
global_id="rel001",
relating_building_element=wall, # 有开口的要素 = 墙
related_opening_element=opening # 该开口 = OP1
)
・"开口中安装窗户"的关系
pythonrel_fills = IfcRelFillsElement(
global_id="rel002",
relating_opening_element=opening, # 被填充的开口 = OP1
related_building_element=window # 填充开口的要素 = WIN1
)
这样"墙→开口→窗"的关系就通过3个关系对象被记录下来了。
将关系作为对象可以获得以下好处。
可以给关系本身附加属性（例："关系何时被添加"、"谁批准的"）
可以保留关系的理由（"这道墙和这根梁连接是出于结构原因"）
可以事后检索关系（"获取与此墙相关的所有关系"）
通过属性集进行动态扩展
不同地区和用途需要的属性数不胜数。如果全部包含在架构中会导致膨胀，所以系统允许事后自由添加属性。这类似于智能手机的应用商店。
本体（架构）：只包含标准功能
应用（属性集）：根据需要添加
每个用户只需安装所需的应用
如果一开始就把所有功能都放在本体中，本体会变得臃肿。
标准IfcWall具有的属性如下。
pythonwall = IfcWall(
global_id="wall001",
name="W1",
description="客厅南墙"
)
当想添加额外属性时，需要创建属性集。例如，添加关于墙体性能的属性时，代码如下：
—
fire_props = IfcPropertySet(
global_id="ps001",
name="Pset_WallCommon",
has_properties=[
IfcPropertySingleValue(name="FireRating", value="1H"),
IfcPropertySingleValue(name="ThermalTransmittance", value=0.35),
IfcPropertySingleValue(name="AcousticRating", value="D-45")
]
)
—
使用关系性对象将属性集与墙关联
—
rel_defines = IfcRelDefinesByProperties(
global_id="rel003",
related_objects=[wall], # 目标墙体
relating_property_definition=fire_props # 关联的属性集
)
—
这样就为墙添加了"耐火1小时、热传递系数0.35、隔音D-45"的信息。
这有以下好处。
可以在不修改架构本体的情况下添加属性
可以适应国家、地区、项目特定的要求
同一属性集可以在多个要素之间共享
buildingSMART定义了许多标准属性集（Pset_*），业界共通词汇不断完善
物理文件格式（.ifc / ifcXML）
内存中的IFC数据以STEP物理文件格式（STandard for the Exchange of Product model data（ISO 10303）是为了在不同3D CAD软件之间精确传递形状数据而设计的国际标准中间文件格式）保存为文本文件。使用#1、#2这样的ID相互引用。
实际的.ifc文件看起来是这样的（简化版）。
—
ISO-10303-21;
HEADER;
FILE_DESCRIPTION(('ViewDefinition [CoordinationView]'),'2;1');
FILE_NAME('example.ifc','2025-05-05T10:00:00',('Author'),('Org'),'IFC4','Software','');
FILE_SCHEMA(('IFC4'));
ENDSEC;
DATA;
#1=IFCPROJECT('0YvctVUKr0kugbFTf53O9L',$,'ExampleProject',$,$,'ExampleProject',$,(#10),#5);
#2=IFCSITE('1xS3BCk291UvhgP2dvNMKI',$,'Site',$,$,#15,$,$,.ELEMENT.,$,$,$,$,$);
#3=IFCBUILDING('2YeQrjMKTBLRrCu0v9wTAF',$,'Building',$,$,#20,$,$,.ELEMENT.,$,$,$);
#4=IFCBUILDINGSTOREY('1aAabcDeFgHiJkLmNoPqRs',$,'Level 1',$,$,#25,$,$,.ELEMENT.,0.);
#10=IFCWALL('3xYzAbcDe1234567890fGh',$,'W1','LivingRoomWall',$,#30,#40,$,.STANDARD.);
#11=IFCWINDOW('4xYzAbcDe1234567890fGh',$,'WIN1','LivingRoomWindow',$,#31,#41,$,1.5,1.0,.WINDOW.);
#50=IFCRELCONTAINEDINSPATIALSTRUCTURE('5relA12345',$,$,$,(#10,#11),#4);
#60=IFCRELVOIDSELEMENT('6relB12345',$,$,$,#10,#70);
#70=IFCOPENINGELEMENT('7opA12345',$,'OP1',$,$,#32,#42,$,.OPENING.);
#80=IFCRELFILLSELEMENT('8relC12345',$,$,$,#70,#11);
ENDSEC;
END-ISO-10303-21;
—
读法
#1=IFCPROJECT(...) → ID #1是项目
#2=IFCSITE(...) → ID #2是场地
#10=IFCWALL(...) → ID #10是墙W1
#11=IFCWINDOW(...) → ID #11是窗WIN1
#50=IFCRELCONTAINEDINSPATIALSTRUCTURE(...,(#10,#11),#4) → "要素#10和#11被包含在#4（Level 1）中"的关系
#60=IFCRELVOIDSELEMENT(...,#10,#70) → "#10（墙）上有#70（开口）"的关系
#80=IFCRELFILLSELEMENT(...,#70,#11) → "#70（开口）内有#11（窗）"的关系
所有要素都作为平面行排列，通过ID相互引用。这样就能表现网络结构（设计、结构、设备等各数据不独立，墙、柱、管道等要素具有属性（尺寸、材料、成本等），它们彼此相互关联的状态）。
通过MVD（模型视图定义）进行用途别数据提取
IFC文件的信息量庞大，所以有一套机制（MVD）可以根据用途只提取所需部分。这类似于简历和职务经历书的区别。
简历：基本信息、学历、工作经历概要（人事部门向）
职务经历书：项目详情、技术栈、业绩数值（技术面试官向）
纳税人编号登记表：法律个人识别信息（行政向）
也就是说，都是同一个"人"的信息，但根据对方不同，提供的信息集合也不同。
IFC有若干标准MVD。以下是常用的MVD。
—
CoordinationView 2.0
目的：设计者间协调·碰撞检查
包含信息：几何、空间结构、要素关系
不包含：详细参数、制造信息
ReferenceView
目的：参考查看（轻量化）
包含信息：简化几何、识别信息
不包含：详细属性
DesignTransferView
目的：设计数据双向交换
包含信息：几乎全部
不包含：有限的
BasicFMHandoverView
目的：设施管理交付
包含信息：设备、空间、运维信息
不包含：详细几何
—
实际Revit的"导出到IFC"对话框中有这样的选项：
—
[导出设置]
IFC版本：[IFC4 ▼]
MVD：[Reference View ▼]
选项：
- Coordination View 2.0
- Reference View
- Design Transfer View
- Basic FM Handover
- GSA Concept Design BIM 2010
—
根据选择的MVD，生成的IFC文件内容会有所不同。选Reference View则文件轻量，选Design Transfer View则信息量大，存在权衡，可根据用途灵活选择。
上述全部特性在一个代码示例中的表现
以下是总结了所有上述特性的最小化IFC模型创建代码。（Python的ifcopenshell库）
—
pythonimport ifcopenshell
from ifcopenshell.api import run
# 创建新的IFC文件
model = ifcopenshell.file(schema="IFC4")
# 创建项目 → 敷地 → 建物 → 楼层的层级结构
project = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcProject", name="ExampleProject")
site = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcSite", name="Site")
building = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcBuilding", name="Building")
storey = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcBuildingStorey", name="Level 1")
# 将层级关系记录为"聚合关系"
run("aggregate.assign_object", model, relating_object=project, product=site)
run("aggregate.assign_object", model, relating_object=site, product=building)
run("aggregate.assign_object", model, relating_object=building, product=storey)
# 创建墙
wall = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcWall", name="W1")
# 将墙包含在楼层中（将关系对象化）
run("spatial.assign_container", model, product=wall, relating_structure=storey)
# 为墙添加耐火性能等属性
pset = run("pset.add_pset", model, product=wall, name="Pset_WallCommon")
run("pset.edit_pset", model, pset=pset, properties={
"FireRating": "1H",
"ThermalTransmittance": 0.35
})
# 保存为.ifc文件
model.write("example.ifc")
—
上述代码一行代表了迄今为止所述的所有特性。
面向对象：IfcWall从IfcRoot继承
四层结构：IfcWall（共享层）继承自IfcRoot（核心层），并使用IfcCartesianPoint（资源层）
语义与形状分离：墙的语义已创建，形状可单独添加
关系的对象化：aggregate.assign_object、spatial.assign_container在后台创建关系对象
属性集：pset.add_pset可动态添加属性
物理文件：model.write("example.ifc")将其保存为STEP格式
BIM中从图纸绘制到保存为IFC的流程
在BIM中，从创建（绘制）图纸到保存为国际标准数据交换格式IFC的过程，与传统CAD中"绘制线条"的工作方式完全不同，而是基于高度先进的数据库处理机制。
集成数据库的构建与图纸的"提取"
参数化建模构建虚拟建筑： 在BIM环境中，设计者不是在画布上绘制图形，而是在虚拟空间中放置具有语义信息（诸如"墙"或"门"）和几何信息的智能对象，构建建筑的集成数据库。(Azhar, 2011; C. M. Eastman, 1991)
作为报告的图纸生成： 如Eastman等人所指出的那样，BIM中的平面图、剖面图、立面图等图纸，是针对单一3D模型设置虚拟切割面，从中动态提取的"特殊格式化的报告"。(C. M. Eastman, 1991)
双向更新与一致性保证： 由于图纸仅是模型的特定视图，因此当3D模型中的一部分被修改时，所有相关的图纸和数量表都会自动更新，确保设计信息的完全一致性。(C. Eastman et al., 2008)
导出为IFC与MVD的筛选
数据交换需求的定义（IDM）： 当将BIM模型传输到其他系统时，如果导出所有数据，文件会变得过于庞大。因此，基于ISO 29481（IDM：信息交付手册）的概念，定义了"在哪些业务流程中需要哪些信息"。(Borrmann et al., 2018; Sacks et al., 2018)
通过MVD的信息提取： 这一需求被转化为软件可以处理的技术规范，称为MVD（模型视图定义）。系统根据指定的MVD，从庞大的BIM数据库中筛选和提取仅对目标用途所需的对象和属性的子集。(Borrmann et al., 2018; Sacks et al., 2018)
语义与形状的分离及数据结构的映射
转换为面向对象模式： 提取的数据被映射到由ISO-STEP的EXPRESS语言定义的IFC严格数据模式。在这个过程中，对象"是一面墙"的"语义信息"与"其3D形状"的"几何表示"在数据结构上被完全分离，然后相互关联。此外，元素之间的连接也被定义为独立的"关系对象"。(Borrmann et al., 2018)
序列化为STEP物理文件（保存）
序列化为文本文件： 内存中构成的复杂信息网络最终被保存（序列化）为基于"STEP清晰文本编码（ISO 10303-21）"的ASCII文本文件（扩展名.ifc）。(Borrmann et al., 2018; Laakso & Kiviniemi, 2012)
通过实例ID重建网络： 文件大致分为HEADER和DATA两个部分。在DATA部分中写入的所有对象（物理元素、关系、形状数据等）均被赋予一个唯一的实例ID，例如"#124"。每行数据通过使用这些ID的指针引用相互连接，从而在平面文本文件上精确记录原始的复杂网络结构。(Borrmann et al., 2018)
这样，从BIM到IFC的保存过程不是绘制和保存图形的工作，而是从智能虚拟模型中根据用途动态提取信息，并将其翻译和记录为国际标准格式文本的高度精密的数据工程过程。
CAD与BIM区别的整理
CAD和BIM一直是推动建筑、工程和施工（AEC）行业数字化的两大驱动力，但它们在"图纸绘制过程"和"文件结构保存"方面采取了完全不同的方法。
基本概念与数据结构的差异
CAD（图形的集合）： 作为将传统绘图板数字化的"电子绘图板"而发展的。CAD数据表示为线段、圆弧、曲面等几何图形（原语）的集合，系统本身不理解这条线是"墙"或"管道"等语义信息。(Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018)
BIM（具有语义的集成数据库）： 目的是构建包含不仅是几何信息，而且包含非几何属性和语义信息的智能数字虚拟模型。建筑被构建为一个统一数据库上具有尺寸、材质、性能等参数的对象集合。(Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018; Deng et al., 2021; C. Eastman et al., 2008; Liu et al., 2019)
图纸创建过程的差异
CAD（手工绘图）： 设计师在2D或3D画布上一条条地明确放置线条和图形来绘制图纸。当图纸之间发生设计变更时，需要手动分别修改所有相关图纸。(Borrmann et al., 2018)
BIM（从模型提取）： 在BIM环境中，平面图和剖面图等图纸不是手工绘制的。而是对单一的集成3D模型设置虚拟切割面，从中动态提取生成的报告。修改模型的一部分时，所有图纸和数量表都会自动更新，确保信息的完全一致性。(Borrmann et al., 2018; C. Eastman et al., 2008)
数据保存与交换格式的差异
CAD（DXF）： 事实标准格式DXF专门用于精确高效地传达几何形状，使用平面列表结构来保存图形数据。(Autodesk, 1993)
BIM（IFC）： 国际标准IFC是用于交换建筑信息的面向对象数据模型。它严格分离对象的语义定义和几何表示进行保存，元素之间的关系（例如："窗户位于墙上的孔洞中"）本身也被存储为独立数据，形成复杂的网络结构。(Borrmann et al., 2018; Laakso & Kiviniemi, 2012)
在项目中的角色差异
CAD（设计辅助工具）：主要用作被动工具，旨在实现设计阶段的图纸绘制自动化和几何建模工作的效率提升。(Ball, 2013; C. Eastman et al., 2008)
BIM（协作基础平台）：在建筑的全生命周期（从设计、施工、维护管理（FM）到拆除）中，承担"信息资产化"的角色，并作为主动平台推进项目参与者间的协作。(Borkowski, 2023; Deng et al., 2021; C. Eastman et al., 2008; Olawumi et al., 2017)
总而言之，CAD是专门用于"几何图形的数字化和绘图效率提升"的技术，而BIM则是基于完全不同的认识论的信息平台，其目的是"整合建筑的语义信息和关系性，在全生命周期内进行管理和共享"。
CAD和BIM的未来
CAD和BIM从不同的发展系统演进而来，近年在建筑设计领域相交汇。本节阐述CAD和BIM的未来发展前景。
CAD和BIM如何发展
建筑与土木（AEC）行业的计算机辅助设计（CAD）和建筑信息建模（BIM）迄今为止都是朝着如何高效准确地创建图纸和模型这一目标发展的。但当下，这些技术正在与人工智能（AI）、物联网（IoT）、扩展现实和虚拟现实（XR）等新兴技术融合，进化成为自主且智能化的信息平台。
要点如下：
云计算与协作强化：传统上依赖个人高性能工作站的CAD软件正在向基于云的平台转变。随着硬件技术的进步，云上可以高速处理大规模模型，执行密集的分析和仿真，使全球项目团队能够实时访问单一数据源，并轻松进行同步协作。(Alin & Stăncioiu, 2024)
BIM对CAD的包含与范式转变：在AEC行业中，就如CAD曾经取代纸张和铅笔一样，如今BIM正在取代CAD的角色。传统的绘制简单线条和面（2D/3D）的CAD系统正在被整合到具有语义信息的基于对象的BIM环境中，CAD将从单独的发展转变为BIM平台中的几何建模引擎的角色。(Borrmann et al., 2018; Hız et al., 2023)
通过IoT集成实现数字孪生：BIM最重要的发展之一是通过与IoT传感器的集成来构建数字孪生。安装在现实建筑和基础设施上的传感器实时反馈温度、湿度、能耗和设备运行状态等数据至BIM模型。这样，BIM从单纯的静态设计数据库演变为实时反映建筑状态、能够进行自主维护管理和异常预测的活态模型。(Borrmann et al., 2018; Deng et al., 2021; Izbash & Babayev, 2024)
AI与机器学习驱动的AI BIM与自动化推进：预计在2030年代，BIM将进入深度融合人工智能（AI）和机器学习（ML）的"AI BIM"时代。AI可以学习大量历史数据，自主提出能效高的设计方案，也能够实时自动检查建筑法规的复杂要求（自动合规检查），使设计人员从繁琐的法规确认和重复工作中解放出来，专注于更具创意的工作。(Borrmann et al., 2018; Deng et al., 2021; Sacks et al., 2018)
机器人和无人航空器（UAV）的协作：在建筑工地，BIM数据将被直接用作机器人和无人机的控制基础。装备有摄像头或激光扫描仪的无人机（UAV）将自主巡视现场，将获取的3D点云数据与BIM模型进行对比，从而在无人工干预的情况下自动评估施工进度和质量。此外，读取BIM数据的建筑机器人和大型3D打印机在现场或工厂自主组装建筑的技术也在朝实用化方向发展。(Borrmann et al., 2018; Izbash & Babayev, 2024)
通过XR（VR、AR、MR）技术构建直观环境：BIM模型将与虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）等扩展现实（XR）技术相集成。在设计阶段，客户和设计师可以佩戴头戴显示器，在虚拟空间中体验建筑，做出直观决策。在施工和维护管理现场，作业人员可以通过AR眼镜将隐藏的管道路线和工作流程叠加在眼前的空间上，从而获得精准和安全的施工支持。(Izbash & Babayev, 2024; Sacks et al., 2018)
预制和模块化建筑的高级化：以BIM提供的精确无误的3D数据为基础，建筑行业正在快速转向接近制造业的预制（工厂预生产）和模块化建筑。当CNC（计算机数值控制）机床与BIM直接联动时，即使是复杂形状的部件也能在工厂以高精度进行大规模定制生产（大规模个性化定制），从而实现现场工作时间的大幅减少和质量的统一。(Sacks et al., 2018)
通过GIS集成向智慧城市扩展：BIM的应用范围正在超越单个建筑的框架，扩展到城市层面。地理信息系统（GIS）与BIM的集成使得能够进行与周围基础设施和自然环境大数据相关联的仿真。由此，"智慧城市（CIM：城市信息建模）"将成为能够模拟和优化地区社区或整个城市能耗和交通流动的核心信息基础设施。(Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018; Deng et al., 2021)
CAD和BIM与AI相关人员如何协作
特别是关于AI的部分，详细内容在此处说明。分别从设计阶段、施工阶段和运营维护管理阶段进行整理。
设计阶段
与生成式AI的融合（AIBIM）：今后，BIM将与生成式AI融合，进化为"AIBIM（AI驱动的BIM）"的概念。设计人员只需输入需求，AI相关人员就可使用GAN（生成对抗网络）等技术自动生成数千个设计方案，并实时提出满足客户需求和环保要求的最优化设计。(Izbash & Babayev, 2024)
自动法规合规性检查和持续的适应性管理：通过将建筑基准等复杂规则转换为机器可读的格式，AI算法可以分析BIM模型，自动持续检查是否存在法规违规。这样，从设计初期阶段开始就能保证符合规制的设计，AI相关人员可以预测违规并自主提出解决方案。(Izbash & Babayev, 2024)
语义充实化（自动添加语义信息）：AI相关人员利用机器学习和神经网络来解读来自CAD的单纯几何数据或激光扫描的点云数据，自动（或半自动）推断出"这是一堵墙"等语义信息和关系性，并将其添加到BIM模型中。(Sacks et al., 2018)
施工阶段
AI驱动型机器的项目参与：传统上，建筑项目主要依靠人与人之间的协作，但今后，搭载AI的机器、机器人和无人机将作为项目的"利益相关方"参与其中，基于BIM数据提供洞察、做出决策并执行任务。(Izbash & Babayev, 2024)
自主进度和质量管理：配备计算机视觉的无人机将自主巡视建筑工地，将获取的数据直接与BIM模型进行对比，从而在无人工干预的情况下自动生成竣工（施工后）模型，进行施工进度和质量评估。(Borrmann et al., 2018; Izbash & Babayev, 2024)
施工计划的自动优化：诸如ALICE（人工智能建筑工程）这样的AI工具已经出现，它们基于BIM模型自动生成大量考虑各种施工方法和人员规模的施工计划，AI能够识别并提出最优的进度计划。(Sacks et al., 2018)
运营维护管理阶段
下一代数字孪生的建筑自主控制：在BIM与IoT传感器相集成的数字孪生的最终阶段（第5级），AI相关人员不仅分析现实数据，而且基于优化策略自动实时反馈控制空调和照明等建筑系统。(Deng et al., 2021)
机器学习驱动的预测性维护：AI相关人员通过学习IoT传感器数据和过去的维护记录，预测设备（MEP部件）的未来劣化状况和生命周期成本（LCC），并自主制定最优的维护计划。(Deng et al., 2021)
历史建筑的AI诊断（HBIM）： 在管理历史建筑的HBIM（Heritage BIM）领域，AI代理解析无人机图像和3D模型，自动快速检测和诊断建筑物的裂缝、材料劣化和结构性损伤的技术正在逐步投入实用。(Zhang & Zou, 2022)
总结
回顾CAD和BIM的历史，两者以不同的系统和理念发展至今，但在建筑和土木工程结构数据协作的背景下，两者正逐步靠近并实现整合。随着各类数据的整合，近年来进展迅速的AI代理将如何与之协作，其可能性也逐渐显现。对许多企业来说，为了利用AI代理进行自动化设计，长期以来普及度不高的BIM可能会迎来快速推广的契机。
参考文献
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Azhar, S. (2011). Building information modeling (BIM): Trends, benefits, risks, and challenges for the AEC industry. Leadership and Management in Engineering, 11(3), 241–252.
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Borrmann, A., König, M., Koch, C., & Beetz, J. (2018). Building information modeling: Why? What? How? In Building Information Modeling (pp. 1–24). Springer International Publishing.
Deng, M., Menassa, C. C., & Kamat, V. R. (2021). From BIM to digital twins: a systematic review of the evolution of intelligent building representations in the AEC-FM industry. Journal of Information Technology in Construction, 26, 58–83.
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