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        BIM參數化設計技術在異形建筑工程中的應用

        2019-07-17 02:20:00牛一凡
        價值工程 2019年14期
        關鍵詞:BIM技術

        牛一凡

        摘要:隨著數字技術的快速發(fā)展,BIM參數化技術越來越多地被應用于異形建筑的設計和建造之中,促使二維設計向三維參數化設計轉變,使得設計流程、設計質量和效率有了顯著提高。本文首先對異形建筑工程中的BIM技術和參數化設計技術原理進行簡單的介紹,歸納BIM技術的主要特點,并對BIM參數化技術在異形建筑工程中所主要使用的設計軟件進行簡單的介紹,為BIM參數化技術在異形建筑工程領域內的應用提供一定的參考價值。

        Abstract: With the rapid development of digital technology, BIM parameterization technology is increasingly used in the design and construction of special-shaped buildings, which promotes the transformation of 2D design into 3D parametric design, making a significant improvement in design process, design quality and efficiency. This paper first introduces the principle of BIM technology and parametric design technology in special-shaped construction engineering, summarizes the main features of BIM technology, and introduces the design software mainly used in BIM parameterization technology in special-shaped construction engineering. It provides certain reference value for the application of BIM parameterization technology in the field of special-shaped construction engineering.

        關鍵詞:BIM技術;參數化技術;異形建筑

        Key words: BIM technology;parametric technology;shaped building

        中圖分類號:TU17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1006-4311(2019)14-0160-03

        0 ?引言

        隨著城市的大規(guī)模擴張,在各種建筑趨勢的碰撞下,大量的異形建筑開始出現。異形建筑曲面具有流線型特征,通常形狀不規(guī)則,因此出現了大量非標準結構和建筑構件。然而,傳統(tǒng)的計算機輔助設計方法,雖然使用計算機圖形大大提高了設計的效率,然而,面對異形建筑的設計、建造,仍然難以快速準確地表達建筑師的設計意圖。由此,參數化技術被引入異形建筑建設項目,已經深入到建筑設計的各個環(huán)節(jié)當中,將參數化設計技術運用于異形建筑設計的前處理階段,以參數方式構建表面模型具有廣泛的工程意義。

        BIM(Building Information Modeling)即建筑信息模型,以三維數字技術為基礎,集成了建設項目各個階段的相關數據信息,是項目實體的物理和功能特征的數字表示。BIM技術的出現恰好迎合了異形建筑的設計和建造,促使二維設計向三維參數化設計轉變,使得設計流程、設計質量和效率有了顯著提高,這對于建筑行業(yè)來說是一次真正的參數化、信息化革命。

        1 ?BIM技術與參數化設計概述

        1.1 BIM技術概述

        BIM技術[1]是用于建筑設計、施工及運營管理過程中的一種參數化信息工具,通過數字信息模擬建筑物所具有的真實信息,將工程項目全生命周期中各個階段的工程信息、過程信息和資源信息集成在同一個模型中,形成一個具有建筑項目全方位信息的數據庫,隨著模型的不斷改進,工程信息的所有參數都儲存在模型數據庫內,使得模型信息更加豐富完整,工程各參與方能夠對模型數據庫進行信息的插入、提取、編輯、更新等,以滿足相應的工作需要。

        BIM技術可應用于從設計到施工再到運營貫穿整個工程項目全生命周期的一體化管理,其核心就是建立一個由計算機三維模型及其屬性所構成的數據庫,通過應用軟件對數據庫的調用,完成模型信息與各專業(yè)之間數據的共享與傳遞,將同一平臺的數據共享應用于項目的各環(huán)節(jié)。

        1.2 參數化設計概述

        參數化技術是計算機輔助設計領域(Computer Aided Design,CAD)技術不斷發(fā)展過程中產生的革命性技術,在制造業(yè)對自動化和智能化程度提出更高要求的情況下,就需要更加貼合的技術支撐,由此,參數化技術應運而生。

        徐衛(wèi)國[2]對參數化設計做過如下定義:“參數化設計就是把影響建筑設計的主要因素看做參數,將這些參數通過特定的關系組織到一起,借助于計算機編程和軟件進行描述,通過計算機技術把變量數據信息轉化成參數模型?!庇捎诋愋谓ㄖ谋磉_方式有異于常規(guī),傳統(tǒng)的設計表達方式已經無法滿足其設計和生產需求,而參數化設計就作為一個很好的契機進入到建筑設計領域中來。參數化設計通過控制變量的輸入值來優(yōu)化建筑形態(tài)、空間,以及模型數據的自動生成,對其進行直觀的控制[3]。參數化設計的核心思想就是通過改變參數來控制生成結果,同時確保邏輯系統(tǒng)不變。

        和傳統(tǒng)CAD設計相比,參數化設計不是針對某一幾何形體進行設計,而是設計了一類擁有共同特征參數的幾何形體,通過對特征參數修改,可以得到相似但不相同的幾何形體。用參數和程序控制三維模型,使模糊調整比手工建模更精確、更合理,提高模型生成和修改速度,快速實現建筑、結構模型的有效互動,大大提高設計效率。

        2 ?BIM參數化建筑設計的主要特點

        基于BIM的參數化建筑設計具有較強的聯動性,通過構建三維模型以獲得建筑工程的各種信息數據,在項目策劃、運行和維護的全過程中進行數據共享和傳遞,主要具備以下一些特點:

        2.1 模型信息的集成性和聯動性

        BIM模型是一個數字化的整體文件,綜合了各專業(yè)的設計信息。在基于BIM的協同設計過程中,各專業(yè)的設計信息最終通過協同設計平臺收集在模型當中,任何設計信息的變更都只需要在次模型基礎上進行修改,使修改的關聯性大大加強。如果出現設計變更,所有的數據信息都會自動的在模型中進行修改,隨之各種平面圖、立面圖、結構圖也會關聯更新,省去了大量校正檢核所需要的時間,也減少錯誤和遺漏的可能性。

        其次,實體模型不同于表面模型或線框模型。它不僅具有直觀的可視化信息,如2D或3D幾何體,建筑構件單元的其他屬性信息,如成本、用料、重量也會附加到其上。在整體層面上,BIM包含了工程的完整信息,包括設計信息、加工制造信息、施工信息和維護信息等,這些屬性信息都是與模型復合關聯的。

        2.2 模型信息的一致性和協調性

        BIM技術不僅可通過3D協同平臺進行設計和建模,還可以輕松獲取準確的技術經濟指標、工程量等指標。模型對象可以在不同階段可以進行修改和擴展,無需重新創(chuàng)建,且項目各相關方可以隨時共享信息,有利于信息的傳遞與更新。避免各階段信息傳遞過程中出現錯誤,幫助各方參與者更有效的處理形體和構件的設計與表達。

        協調性是BIM技術的主要特點之一。在項目建設過程中,無論是施工單位,還是業(yè)主或設計單位,都需要協調及配合工作。比如在設計時,往往會由于各專業(yè)設計時溝通不到位,管道與結構沖突,各房間冷熱不均,預留洞口尺寸不對等等情況。這些矛盾沖突只有在問題出現后在進行解決,不但影響施工質量,還會影響施工進度。BIM技術可以在建造前期對各專業(yè)的布置問題進行協調綜合,減少不合理的變更方案,并提出合理有效的解決對策。

        2.3 模型信息的模擬性和可視化

        為了能夠以視覺方式表達專業(yè)設計流程,BIM無疑是最佳選擇。由于BIM模型空間在視覺上可見,因此建筑建模與結構建模同時進行,可視化可以幫助和確定專業(yè)項目的工作范圍,促進專業(yè)的性能分析和審查,平衡合理性與造價,快速準確的完成異形構件的加工建造,并保證質量與速度。同時,能夠提高不同工種交叉作業(yè)時的空間、時間利用,所有過程都在可視化的狀態(tài)下進行,有助于減少工作流程的沖突。

        BIM對異形建筑可視化的需求主要是復雜節(jié)點研究和施工模擬,利用BIM可視化特性將復雜構造節(jié)點全方位呈現,通過對重難點部分進行可建性模擬,進行施工方案分析優(yōu)化,所見即所得,信息相互關聯,聯動修改,極大地節(jié)省了人力與時間成本。

        3 ?參數化設計軟件對比

        目前市面上應用于異形建筑實際工程中的軟件主要有Dassault 公司的CATIA、McNeel公司的Rhino、以及Autodesk公司的Revit。

        3.1 CATIA

        世界著名飛機制造商Dassault公司研發(fā)的CATIA是全球最高端的機械設計軟件,在航空航天、機械制造、汽車制造等領域具有幾乎壟斷市場的地位,是世界范圍內主流的CAD/CAE/CAM軟件,應用該軟件在復雜形體、超大規(guī)模建筑時有著出色的建模能力、三維表現力以及信息管理能力。

        Digital Project是Gery Technology公司開發(fā)的基于CATIA的工程建筑行業(yè)應用軟件(二次開發(fā)軟件)。同時,它具有穩(wěn)定的參數化建模環(huán)境和幾何造型能力,可以輕松勝出圖紙和提起模型數據。

        但是,CATIA軟件由于其導出文件格式有限,并不能直接導入其他平臺進行二次編輯,若把文件轉化成Stp/Igs/Stl格式,雖然適用于其他軟件,但會出現數據丟失的現象。除此之外,CATIA軟件操作比較復雜、購買成本高,且目前更多的應用于工業(yè)制造行業(yè),國內能夠參照的典型應用案例極少,這也是前該軟件不能被廣泛應用于建筑行業(yè)的主要原因。

        3.2 Rhino+Grasshopper

        Rhino是一種基于NURBS算法的三維造型軟件,是由Robert McNeel & Associates于1998年于美國引入,可以廣泛的用于工業(yè)制造、三維動畫制作、建筑設計等領域。通過Rhino可以實現許多不規(guī)則形體的創(chuàng)建、編輯和分析,而且在復雜度、精度、尺寸方面都沒有限制。

        Rhino的特點在于強大的曲面建模能力和準確的數據輸出功能,有利于異形建筑曲面的建立,是實現參數化設計的手段之一。通過Rhino建立的模型能夠直接與其它BIM軟件之間互相轉換,用以分析模型信息。

        Grasshopper是一款在Rhino環(huán)境下采用編程語言來建模的插件,使設計人員能夠參數化的模擬復雜幾何形體,其最主要的特點就是可視化節(jié)點式編程,即通過特定的參數邏輯生成模型,通過調整參數來改變模型的幾何屬性,并且可以通過隨時優(yōu)化程序使模型效果達到最優(yōu)。使用Grasshopper運算器進行模型創(chuàng)建的過程中,建模的過程以及生成的模型都被運算器以數據的形式保存,并且Grasshopper中內置了.NET框架的C#編程運算器,可以通過計算機語言來編輯自定義插件,用以自行開發(fā)數據包。

        采用Rhino和Grasshopper軟件建立的模型,從本質上來說只包含了模型的幾何信息,但不包含模型的非幾何信息,如物理、功能信息,軟件自身并沒有創(chuàng)建和管理信息的功能,需要將模型導入其他的BIM軟件進行后續(xù)的完善和管理,其本質并不是真正意義上的BIM模型。通常情況下,Rhino和BIM軟件結合使用才能發(fā)揮其最大的優(yōu)勢,最常用的是同Revit相結合。通過在Rhino平臺導出SAT格式的文件,將其再導入到Revit中進行后續(xù)完善,添加相關的構件屬性和數據信息。但是Rhino模型導入Revit軟件后只包含曲面、線框等幾何信息,在后期對接加工軟件的過程中可能會丟失大量的信息。因此,這種交互方法只能用于設計前期進行造型推敲,這也是Rhino作為幾何造型軟件的局限性。

        3.3 Revit+Dynamo

        Revit是Autodesk公司專門面向BIM設計的產品,通過床架三維模型和應用數據庫來管理工程項目數據。Revit中的自適應構件是一種基于鑲嵌理論的構件化工具,通過定義嵌板單元,通過自動調整嵌板尺寸使其適應鑲嵌網格,在體量環(huán)境下,當建筑模型改變形狀后,自適應構件就可以自動調整后重新附著在新的體量上,可以快速的生成構件并改變尺寸,自動便捷的完成網格和嵌板的重構過程。

        但是,利用Revit對復雜異形建筑建模的過程十分困難,難以實現參數化設計的概念,因此Autodesk公司推出了Revit的擴展插件Dynamo。Dynamo是在Autodesk Revit的開源附加模塊,可以直接在Revit環(huán)境下運行,用來進行更復雜的邏輯計算。Dynamo最大的特色計算式設計和可視化邏輯編程語言,可以實現對復雜形體的建模,同時通過構件自定義系統(tǒng)來控制族參數,在Revit中完成體量和自適應構件的創(chuàng)建,進而完成整個建筑的構建過程。

        作為Revit平臺下的插件,Dynamo有區(qū)別于Rhino的插件Grasshopper,借助Revit強大的數據信息管理能力,Dynamo能獲得傳統(tǒng)BIM建模界面無法提供的幾何控制及信息管理功能,靈活獲取建筑信息。此外,Dynamo內置的Python語言編輯器可以實現更加復雜的邏輯操作,能夠更加自由和靈活的控制形體,進行設計。

        4 ?BIM參數化設計在異形建筑中的應用

        BIM技術和參數化設計對異形建筑表皮創(chuàng)建的驅動效果是毋庸置疑的。從概念初期根據NURBS曲線原理生成異形形體、幕墻嵌板的劃分,到后期加工階段節(jié)點模型生成、定位詳圖輸出,BIM參數化技術都具有較高的數據流動性和整體控制性。

        4.1 應用于設計復雜的建筑形體

        在設計之初,參數化技術強大的表面建模能力為項目的概念體量提供靈活且嚴格的形體控制算法,便利的修改、調整功能使其成解決異形建筑設計和施工問題的有效手段。通過算法來嘗試不同的參數組合以便獲得最佳解決方案,并在視覺誤差允許的情況下,盡可能地用單曲面代替雙曲面板。通過分析板塊搭建是否合理,對不光滑平順的部分進行擬合以滿足加工安裝需求,并調整整個設計階段所存在的問題,利用計算機算法來處理繁瑣耗時的機械邏輯運算,降低造價。同時,參數化BIM建立的模型具有設計效果可視化、模型效果可檢驗、模型數據可指導施工的優(yōu)點,如圖1,可展現2D設計圖紙無法提供的認知角度和視覺效果[4]。

        4.2 曲面構件的參數化統(tǒng)計

        異形表皮的幾何形狀需要轉化為具有實際屬性的建筑構件[6],然后再進行加工和生產。異形表皮構造及形狀復雜,型材的長短不一,面板具有非標準餓幾何形狀,并且板塊尺寸大、采用傳統(tǒng)的方法對異形構件的加工數據進行處理,工作量大、效率低,難以對數據進行檢查,準確度也存在很大的問題,嚴重影響施工進度。

        通過BIM模型提取和管理成千上萬構件的設計數據,包括面板、龍骨及連接件的幾何、材料和結構信息,依據數據規(guī)劃進行歸類編碼,通過編號下放材料加工、管理材料堆放,快速批量提取相應的加工、裝配數指導生產過程中使用的材料,通過設計、生產、施工、運維各個方面的信息,避免返工的可能性,提高材料下單速度及安裝精度,加快工程進度,實時分析和調整項目中各種因素影響的材料數量,以優(yōu)化加工計劃和方案。

        4.3 對建筑構件信息進行數字化模擬

        在設計更復雜的建筑形體時,通過BIM參數化設計方法可以實現更加理想的設計效果。BIM技術可以對異形建筑的各種數據進行整合并加以驗證分析,以實現多維曲線的建筑設計,并且可以立體展示設計結果。

        利用BIM技術預測異形建筑工程的施工條件和安裝要求,并進行估算,規(guī)劃和模擬相應的數據,為下一步規(guī)劃提供基礎,并對整個施工進度進行安排,理清楚各個專業(yè)施工階段工作的交互關系,基于此作出合理的場地使用方案,包括工程所需物料的進場時間、堆放時間和取料路線,保證各個階段的規(guī)劃都有效、有序地進行,使得整個工程的施工現場井井有條、始終高效有序地進行。

        5 ?BIM參數化設計應用于異形建筑中的意義

        參數化設計通過驅動參數模型進行設計,BIM技術基于數據集成承載項目生命周期的各種應用。從過程上來看,BIM技術不僅承接參數化設計模型及參數,同時傳遞設計,并將更多貢獻集中在如何根據新的建造條件、材料供應等情況調整模型數據。通過在建筑設計過程中應用BIM技術,通過建立具有時效性的建筑信息模型實現不同專業(yè)的協同設計,避免傳統(tǒng)二維建筑設計過程中信息不對等的問題,實現二維到三維的轉變,優(yōu)化設計流程,提高設計的合理性。BIM模型中包括建筑項目整個生命周期的基礎數據及核心內容,因此,應用BIM技術進行參數化設計尤為重要。

        總之,BIM技術強調各建筑構件的屬性信息管理及信息數據自動傳遞,而參數化技術更側重控制幾何形體和邏輯算法關系,兩者的結合已經成為建筑行業(yè)發(fā)展的必然選擇。

        參考文獻:

        [1]Autodesk Asia Pte Ltd. AUTODESK REVIT二次開發(fā)基礎教程[M].同濟大學出版社,2016.

        [2]王松.可視化編程語言下的計算式設計插件——Dynamo初探[J].福建建筑,2015(11):105-110.

        [3]徐衛(wèi)國.褶子思想,游牧空間——關于非線性建筑參數化設計的訪談[J].世界建筑,2009(08):16-17.

        [4]許蓁,白雪海,巴婧.基于BIM的建筑模型構件化研究[J].城市建筑,2017(04):19-22.

        [5]王斌.復雜幕墻系統(tǒng)的BIM實踐[J].建筑技藝,2014(05):32-43.

        [6]丁汝丹.BIM、參數化設計在表皮建構中的應用[J].城市住宅,2016(08).

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