◎ 本刊記者 趙 樊

北京市建筑設(shè)計研究院有限公司（簡稱“北京院”）作為業(yè)內(nèi)著名的建筑設(shè)計企業(yè)，近年來在復(fù)雜形體和綜合性建筑的專業(yè)協(xié)同、同步設(shè)計等領(lǐng)域進(jìn)行了多樣化的實(shí)踐，在鳳凰衛(wèi)視傳媒中心、CBD-Z15-中國尊、深圳機(jī)場T3航站樓等項目中均不同程度的運(yùn)用了BIM技術(shù)作為工作手段，珠海歌劇院這一項目更是將BIM技術(shù)作為核心平臺，旨在從設(shè)計到施工的各個方面為建筑的全生命周期提供最適宜的解決方案。

項目概況

珠海歌劇院地處中國南部，位于廣東省珠海市野貍島人工填海區(qū)，是野貍島新填海區(qū)的核心建筑。無論從香洲灣到野貍島，還是從珠江口到情侶路，在各個角度看歌劇院都是視線的中心。珠海歌劇院總建筑面積 59000 平方米，包括1550座的歌劇院、550座的多功能劇院、以及室外劇場預(yù)留和旅游、餐飲、服務(wù)設(shè)施等。作為我國第一座海島劇院，珠海歌劇院的定位是：高雅的文化藝術(shù)殿堂、聞名的文化旅游勝地。其意義不單是建造一座高品質(zhì)的劇院，而是為珠海這座城市創(chuàng)造一個具有原創(chuàng)性、地域性和藝術(shù)性的標(biāo)志性建筑。

圖1 珠海歌劇院室外鳥瞰效果圖

珠海歌劇院建筑方案的創(chuàng)作構(gòu)思源于大海，用地的總體布局形似從海中升起的美麗魚鰭烘托著純凈的雙貝造型，又如海潮退去浮現(xiàn)出海納百川般的日月形象，形成“珠生于貝，貝生于海”的意境，對珠海市的歷史文化底蘊(yùn)做出了恰如其分的詮釋。

歌劇院觀眾廳的色彩取意于傍晚時分，海面與天空漸漸融合深邃，星空漸起，海灘被夕陽染成一片金黃，蒼茫的海平面已經(jīng)寧靜下來，仿佛正在等待著一場華麗樂章的響起。通過這一精心設(shè)計的歌劇院色彩氛圍，巧妙地運(yùn)用了色彩的退暈和對比，既滿足了舞臺臺口區(qū)顏色較暗的原則，又將從天蓬到地面演變的景象自然地展現(xiàn)出來，這一環(huán)境空靈而震撼，與演出前的候場氛圍十分統(tǒng)一，同時也使珠海歌劇院獲得了獨(dú)一無二的室內(nèi)藝術(shù)環(huán)境。

圖2 珠海歌劇院室內(nèi)效果圖

項目難點(diǎn)

空間——劇場內(nèi)復(fù)雜的曲面空間結(jié)合了聲學(xué)、舞臺照明、空調(diào)等各個專業(yè)的不同要求，而事實(shí)上，觀眾廳內(nèi)的復(fù)雜曲面不僅是設(shè)計意圖的表達(dá)，同時也要將觀眾廳設(shè)計中的反聲板、聲擴(kuò)散體、耳光、面光橋等功能性設(shè)施結(jié)合到一起。

專業(yè)——對于這樣一個高難度的劇場設(shè)計，特聘請了荷蘭的KUNKEL公司作為劇院舞臺機(jī)械領(lǐng)域的設(shè)計顧問；澳洲的MARSHALL DAY作為劇院聲學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計顧問；SPEIR+MAJOR照明設(shè)計公司作為整體照明設(shè)計顧問；日本的GK公司作為標(biāo)識系統(tǒng)的顧問；以及承接過國家大劇院外幕墻的珠海晶藝幕墻公司作為建筑屋面及幕墻系統(tǒng)的設(shè)計顧問。如此復(fù)雜的專項設(shè)計陣容，如何在滿足工程進(jìn)度的同時與全球頂級的劇場專項設(shè)計團(tuán)隊進(jìn)行頻繁而密切的配合與協(xié)調(diào)，這是對工作平臺的一大考驗。

結(jié)構(gòu)——珠海歌劇院的主體建筑集中在海島建筑環(huán)路的內(nèi)側(cè)，建筑最高點(diǎn)達(dá)到了90米，貝殼除標(biāo)志性造型外，還為劇院提供豎向交通空間。雖然建筑自身的采光、通風(fēng)環(huán)境十分優(yōu)越，但對于珠海這一海濱城市，臺風(fēng)、潮濕空氣的腐蝕和污染是對結(jié)構(gòu)設(shè)計的重大挑戰(zhàn)。

BIM在建筑設(shè)計中的典型應(yīng)用如下：

在劇場的設(shè)計過程中，運(yùn)用BIM軟件幫助實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的座位排布及視線分析，借助這一系統(tǒng)，可以切實(shí)的了解劇場內(nèi)每個座位的視線效果，并做出合理、迅速的調(diào)整。根據(jù)座椅的設(shè)計尺寸，以單元的形式整合到模型中，可對每一個座椅的間距、尺寸等進(jìn)行即時的調(diào)整，并結(jié)合通用人體模型模擬視線。BIM軟件可以根據(jù)建筑師的要求自動生成各個角度的模擬視線分析，通過視線分析模擬，建筑師可以直觀的看到觀眾視點(diǎn)的狀況，從而逐點(diǎn)核查座椅高度和角度，進(jìn)而決定是否修改設(shè)計。根據(jù)參數(shù)化模型可直接生成視線分析表格，在參數(shù)化的輔助下，高達(dá)1550座的視線分析，這幾乎不可想象的工作量，都可交由參數(shù)化軟件模擬，不僅提高了效率，也降低了錯誤率。

圖3 視線分析模擬

圖4 視線模型分析結(jié)果

圖5 劇場綜合專業(yè)設(shè)計圖

在BIM技術(shù)的統(tǒng)一設(shè)計平臺幫助下，各階段都可以與各專項設(shè)計團(tuán)隊緊密的同步并共享設(shè)計成果。這一模式大大加快了設(shè)計的效率，同時避免了各團(tuán)隊之間由于溝通問題而產(chǎn)生的失誤與返工。在劇場專項設(shè)計過程中，BIM技術(shù)可以對舞臺設(shè)計中的面光、耳光、追光的角度和投射面進(jìn)行即時的模擬，即減少了工作量也提高了工作效率。

對于觀眾廳來說，吊頂板聲學(xué)設(shè)計非常重要，要滿足一次反射聲的要求，并能夠最大限度的擴(kuò)展觀眾廳內(nèi)的混響時間。針對劇場內(nèi)表皮模型的復(fù)雜性，借助軟件搭建的BIM平臺和Odeon聲學(xué)軟件，可以在很短的時間里建立完整的聲學(xué)模型，模擬并糾正模型的問題，并反饋到設(shè)計師手中。

構(gòu)建聲學(xué)模型的意義是什么？

在整個觀眾席區(qū)域所有網(wǎng)格點(diǎn)(1m x 1m 的網(wǎng)格)的計算結(jié)果顯示了聲學(xué)參數(shù)隨空間位置的變化，用彩色圖來顯示這些計算值可以清楚地表示聲學(xué)參數(shù)在座位區(qū)域的分布。

圖6顯示了頻率為1000Hz 時觀眾廳內(nèi)混響時間的分布，混響時間的變化范圍是0.8s 到1.8s。在一個聲擴(kuò)散空間內(nèi)，混響時間的分布是均勻的，圖7顯示了頻率為1000Hz 時EDT（早期衰減時間即人們對一個房間混響時間的感受）的分布。EDT的變化范圍為0.8s 到1.8s。可以看出池座后部和樓座看臺的觀眾席處具有較低的EDT值（圖中的深色部分），這一結(jié)果表明這些觀眾席處的聲音將具有較低的豐滿度和混響感。圖8顯示了模型中兩個對清晰度來說至關(guān)重要的區(qū)域。在池座的中央位置顏色很深，表明該區(qū)域的聲音具有較低的清晰度，這也表明該區(qū)域接收到的早期反射聲較少，而較多地暴露在混響聲場中。根據(jù)這些建議，通過不斷的修改室內(nèi)模型的造型，以便更好的滿足觀演的需求。

在BIM模型內(nèi)建立一套反饋機(jī)制，生成從聲源到反聲板再到觀眾區(qū)的一套計算模型。在這套反射模型中，通過調(diào)整反聲板的角度、大小、高度等數(shù)據(jù)，確保來自聲源的聲音能夠準(zhǔn)確的落在觀眾席上，最終將反聲板整合到觀眾廳內(nèi)表面模型中，并由Odeon聲學(xué)軟件進(jìn)行驗證。

同樣的，BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)形體的塑造上也體現(xiàn)了不可替代的作用。

圖9 觀眾廳內(nèi)表皮調(diào)整前

圖10 觀眾廳內(nèi)表皮調(diào)整后

圖11 室外人視圖

圖12 歌劇院交通廳

建筑造型的緣起，選擇了寓意珠海歷史與文化的雙貝形象。歌劇院的觀眾廳和主舞臺、后舞臺都涵括其間，建筑造型純凈而自然，通向歌劇院上部樓層的交通系統(tǒng)完全設(shè)計在貝殼區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)之間，走在樓梯上觀眾既可以通過玻璃和細(xì)目金屬穿孔板欣賞室外的陽光、大海、景觀綠化屋面，又可以透過室內(nèi)的細(xì)目金屬穿孔百葉，欣賞觀眾廳球體及貝殼的優(yōu)美造型。

BIM在造形設(shè)計及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

珠海歌劇院位于風(fēng)景雋秀的野貍島上，她的形象不但要承載藝術(shù)殿堂的底蘊(yùn)，也要融合海洋、山林的自然之美，成為珠海人民引以為豪的城市標(biāo)志。由于基地為人工填海而成，并且歌劇院為海島的核心建筑，因此建筑的用地規(guī)劃較為統(tǒng)一。工程總用地面積為57670平方米，主體建筑集中在海島建筑環(huán)路的內(nèi)側(cè)，建筑限高小于100米，建筑自身的采光、通風(fēng)環(huán)境十分優(yōu)越，但必須特別注意臺風(fēng)、海邊潮濕空氣的腐蝕和污染。

在結(jié)構(gòu)上，最大的挑戰(zhàn)在于大劇場鋼結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為90米，水平投影長約130米，寬約60米。如此高聳的結(jié)構(gòu)體系矗立在填海區(qū)的沿海小島上，可想而知其面臨的困難。在設(shè)計過程中，初步將鋼架模型導(dǎo)入到Autodesk Revit軟件中，并與建筑、混凝土結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電氣模型進(jìn)行合模，由形成貝殼的空腹桁架和屋頂面的平面桁架形成巨型框架為主要結(jié)構(gòu)體系。

譬如：處理原始參照曲面存在的種種問題，圖14所示可見在紅圈內(nèi)的關(guān)鍵點(diǎn)存在連續(xù)性的問題，這就需要調(diào)整曲面上的控制點(diǎn)生成連續(xù)的曲線，才能最終生成可用來進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)計算的雙曲面構(gòu)件。

從圖15可以看到曲線表面的不規(guī)則法線，這就會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力不合理，也需要進(jìn)一步的優(yōu)化。遵循建筑及結(jié)構(gòu)專業(yè)的意見，利用偏心圓和三度線在曲面布置鋼結(jié)構(gòu)定位線。根據(jù)布線生成結(jié)構(gòu)桿件，綜合美觀，造價及可施工性的考慮，選擇合理的生成原則。

圖13 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

圖14 表面分析-1

圖15 表面分析-2

圖16 數(shù)據(jù)化模型

在整體的設(shè)計過程中，基于合理的成型原理，采用參數(shù)化腳本程序完成控制曲面到桿件布置，為結(jié)構(gòu)計算生成規(guī)律的計算模型。如此，不僅能夠針對當(dāng)前階段設(shè)計輔助，將模型進(jìn)行數(shù)據(jù)化，并且能夠建立符合各設(shè)計階段要求的數(shù)字化模型。

同時，通過Autodesk Revit軟件的碰撞檢查，設(shè)計團(tuán)隊能夠在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型中輕松發(fā)現(xiàn)設(shè)計中不合理的部分，為整個工程爭取更多的協(xié)調(diào)時間，并且在早期控制成本、解決問題。

圖17 珠海歌劇院風(fēng)洞測壓實(shí)驗報告

圖18 風(fēng)向角系數(shù)

圖19 通用有限元分析

圖20 管線綜合流程-1

圖21 管線綜合流程-2

此外，基于BIM技術(shù)提供的精確風(fēng)洞模型，風(fēng)洞實(shí)驗可針對珠海的氣候特征，輔助設(shè)計師優(yōu)化造型，使其更有利于適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。

針對在鋼結(jié)構(gòu)施工圖繪制的最后階段出現(xiàn)的焊接和倒角問題，采用優(yōu)化后的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)由網(wǎng)格計算得出。主要目的是為了解決3段截面空間旋轉(zhuǎn)后無法相接的問題，這種問題在后期修改很頻繁，所以采取自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的策略——由三段接口的位置程序生成節(jié)點(diǎn)。

關(guān)于管線綜合方面，依靠BIM技術(shù)的優(yōu)勢可以將Autodesk Revit文件導(dǎo)成MWC文件，在Autodesk Navisworks中選擇需要碰撞的構(gòu)件并生成THML格式的碰撞報告，直接索引到Autodesk Revit總模型中打開生成的局部三維模型，在其中找到相應(yīng)的構(gòu)件調(diào)整管線。

總結(jié)

珠海歌劇院項目具有較高的復(fù)雜性，包含了幕墻、鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，觀眾廳部分，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)、管線綜合等各個方面，基于Autodesk Revit軟件的通用性以及便捷性，確保了在各個設(shè)計階段良好的實(shí)用性，同時保持與各專業(yè)之間緊密的聯(lián)系及反饋機(jī)制。項目組希望能夠在建筑設(shè)計的全生命周期里運(yùn)用BIM技術(shù)為各專業(yè)提供精準(zhǔn)的可視化模型，在同一個平臺下構(gòu)建綜合信息模型，這是在BIM技術(shù)平臺上對大型復(fù)雜建筑的一次初步嘗試。