李學(xué)鋒 李超

（沈陽建筑大學(xué) 管理學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)，BIM技術(shù)在國內(nèi)外建筑行業(yè)得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。非線性建筑設(shè)計正由邊緣狀態(tài)逐漸走上主流設(shè)計舞臺，國內(nèi)外出現(xiàn)許多外形構(gòu)造奇特的建筑，建筑曲線、曲面的非線性和不規(guī)則性的特點日益突出。

一、概述

（一）Revit平臺概述。BIM技術(shù)是建筑師在施工前更好地預(yù)測竣工后建筑的一種新型工作方式，使設(shè)計者們保持競爭優(yōu)勢，Revit平臺專為建筑信息模型 (BIM)而構(gòu)建。Revit是Autodesk收購的軟件，用戶體驗和細節(jié)功能還不完善，Revit善于建筑設(shè)計推敲和MEP優(yōu)化。單純畫建筑模型和圖紙速度是Sketch up&CAD3倍以上。其中Dynamo可以飛速處理相關(guān)數(shù)據(jù)，前景很好。

（二）曲線和曲面參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用。BIM技術(shù)的發(fā)展，非線性建筑逐漸誕生，賦予了建筑新一代美學(xué)，但也給設(shè)計、施工、加工各方帶來了不少的挑戰(zhàn)與難題。借助參數(shù)化平臺進行優(yōu)化設(shè)計，可獲得復(fù)雜曲線、曲面的最佳模數(shù)，在項目的可變參數(shù)控制下，快速構(gòu)建高精度的復(fù)雜曲線曲面模型，并為參與方提供有利的數(shù)據(jù)信息配合項目落地。

1.曲線、曲面優(yōu)化設(shè)計。非線性建筑外表皮，在建造施工過程中，會產(chǎn)生復(fù)雜曲線、曲面幾何體，這些幾何體雖然可以通過合理數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)，但仍存在加工難度大、成本高、施工安裝難度大等特點。為滿足施工要求和項目成本控制等問題，應(yīng)對項目外表皮進行合理分析優(yōu)化。參數(shù)化設(shè)計為復(fù)雜曲線、曲面的施工落地帶來了可能，在設(shè)計階段基于原始外表皮進行合理優(yōu)化處理，將優(yōu)化后的表皮模型按照所需合理角度進行設(shè)計，為建筑的落地提供有利基礎(chǔ)。

2.輸出加工數(shù)據(jù)。完成相關(guān)參數(shù)化設(shè)計后，設(shè)計可利用參數(shù)化平臺進行圖紙、加工單等相關(guān)數(shù)據(jù)的匹配導(dǎo)出，提高復(fù)雜曲線、曲面的加工精度和現(xiàn)場安裝精度。利用參數(shù)化設(shè)計，可以很好提升設(shè)計效率和加工速度，進而保障數(shù)據(jù)傳遞準確性。

二、工程實例

（一）工程概況。2019年4月28日，成功舉辦了北京世界園藝博覽會（以下簡稱“世園會”）開幕式的媯汭劇場匯聚了全球的目光。媯汭劇場位于世園會國際館北側(cè)，是此次世園會“四館一心”中主場館中的“心”，總建筑面積6335m2，建筑高度20m，主體鋼結(jié)構(gòu)屋面翼展跨度120m×155m，演藝廣場主體鋼結(jié)構(gòu)由26榀鋼桁架構(gòu)成，主體懸挑最大達到47m。

（二）項目難點。傳統(tǒng)的二維設(shè)計方式已不能表達項目的設(shè)計數(shù)據(jù)和信息，基于BIM技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計方式在其中為項目落地提供有力依據(jù)。

1.建筑內(nèi)部異形排水天溝在設(shè)計階段需要考慮內(nèi)部非線性曲線的擬合程度，還需考慮鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制連接方式和施工誤差調(diào)節(jié)方式。

2.現(xiàn)場施工階段是對前兩個階段即設(shè)計和加工階段質(zhì)量的檢驗，媯汭劇場優(yōu)雅而復(fù)雜的形態(tài)最終是由施工結(jié)果加以體現(xiàn)。為保證鋁合金網(wǎng)模擬出方案中蝴蝶優(yōu)美曲面，與鋼結(jié)構(gòu)進行連接的骨架優(yōu)化成為了項目落地中難點。

3.對于骨架優(yōu)化需要考慮到鋼結(jié)構(gòu)本身的安裝誤差，還需要考慮方案中非線性曲線的曲率平滑度，也要考慮后期鋁合金網(wǎng)通過骨架延展開后與設(shè)計表皮的匹配程度。

（三）解決方案

1.讀取鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計階段坐標數(shù)據(jù)，按照不同鋼結(jié)構(gòu)管徑進行類型劃分，并應(yīng)用參數(shù)化構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)模型，獲取相關(guān)參照空間數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計需求進行空間模擬定位和參數(shù)化構(gòu)建最終形成天溝模型。最終基于天溝模型進行連接件設(shè)計，并應(yīng)用腰孔進行誤差調(diào)節(jié)控制，基于參數(shù)化方式合理定位擺放連接件，并提供相關(guān)連接點位進行結(jié)構(gòu)校核。

2.為擬合蝴蝶周身曲面的平滑性，模擬蝴蝶優(yōu)美體態(tài)，鋁合金鋼絲網(wǎng)鋼管骨架優(yōu)化成為重中之重，本次工程優(yōu)化采用三次參數(shù)曲線（Hermite曲線）擬合表皮與鋼構(gòu)向量方向相交的樣條曲線，曲線通過兩個點控制曲線段的兩個端頭定位，通過調(diào)整兩個方向向量控制曲線曲率。根據(jù)不同區(qū)段按照曲率的連續(xù)性進行圓弧擬合，由兩點控制弧段的曲線定位，用一個方向向量控制弧形曲率和半徑，為后期加工提供方便加工單曲彎弧半徑。

3.所有外皮骨架優(yōu)化完畢后，根據(jù)優(yōu)化后的半徑進行模數(shù)化劃分、模數(shù)化歸類擬合，通過最終擬合后的圓管為參照，建立鋁合金絲勾花網(wǎng)模型。鋁合金絲勾花網(wǎng)有延展性，項目通過Kangaroo2的力學(xué)模塊進行模擬分析，形成匹配設(shè)計表皮曲率的鋁合金絲勾花網(wǎng)模型。最終提取相關(guān)數(shù)據(jù)形成Excel數(shù)據(jù)文件、CAD圖紙、編號圖等提供給加工廠和施工單位作為材料加工和現(xiàn)場施工的合理數(shù)據(jù)。

三、結(jié)論

針對本文所面臨的異形結(jié)構(gòu)擬合優(yōu)化問題，結(jié)合工程實例分析得出如下結(jié)論：

（一）Rhino.Inside.Revit插件為Revit軟件提高設(shè)計精度，為LOD的模型深度提供良好基礎(chǔ)。Grasshopper模塊的計算速度、開源程度、基于Python的程序運行速度、開源資料要優(yōu)于其他參數(shù)化軟件，并減少對軟件二次開發(fā)依賴程度，靈活的為項目提供設(shè)計需求。

（二）在Revit平臺中可為每個構(gòu)件植入設(shè)計所需參數(shù)信息，為后期加工、施工、運維等提供良好的數(shù)據(jù)接口，進而各專業(yè)之間的協(xié)作接口更加靈活。

（三）通過Grasshopper模塊程序優(yōu)化了傳統(tǒng)設(shè)計方式不能完成的設(shè)計任務(wù)，提高了設(shè)計效率，為BIM技術(shù)和非線性建筑設(shè)計發(fā)展提供了契機。