王斌 解立婕

王斌 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司BIM 工程師。

解立婕 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司設(shè)計總監(jiān)，高級工程師。

數(shù)字化設(shè)計工具在建筑設(shè)計領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，在諸多超大型、超復(fù)雜三維空間體系工程的建設(shè)中，正占據(jù)著越來越不可或缺的位置。

北京CBD核心區(qū)遠(yuǎn)洋集團(tuán)及匯豐銀行總部大廈（以下簡稱“Z6”）由于復(fù)雜的建筑功能，以及異形曲面的幕墻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)體系，決定了數(shù)字化設(shè)計必須貫穿整個正向設(shè)計過程，否則將無法按時、保質(zhì)、成本可控地完成任務(wù)。

在設(shè)計過程中，我們總結(jié)出了一套具有實踐意義的數(shù)字化設(shè)計方法，高效地完成了項目的整體設(shè)計。該方法已成為團(tuán)隊解決復(fù)雜項目的通用方案，在超高層、機(jī)場、科研辦公、文化建筑等各類項目中，都得到了廣泛的應(yīng)用實踐。

1 建造挑戰(zhàn)

在人類所能夠建造的建筑類型中，超高層建筑可以被稱為最復(fù)雜的工程類型，其外立面幕墻工程量巨大，建造難度高，對設(shè)計精度和設(shè)計效率有著更嚴(yán)格的要求。

Z6項目位于北京市朝陽區(qū)CBD東擴(kuò)區(qū)的西南位置，是集辦公、高檔酒店、商業(yè)、地下車庫為一體的大型綜合建筑。建筑占地面積11 007m，總建筑面積23.88萬m，其中地上建筑面積19萬m，地下建筑面積4.88萬m，地上68層，地下5層，高度405m。塔樓內(nèi)包含約14萬m的國際甲級寫字樓和一個超五星級酒店，同時在地下及裙房配備少量高端商業(yè)（圖1）。

Z6建筑的體型幾何是在一個標(biāo)準(zhǔn)圓弧面上進(jìn)行傾斜的網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格單元都是雙曲面，導(dǎo)致實際建造中的幕墻玻璃板塊、橫豎框、傾斜交叉的結(jié)構(gòu)體系及相應(yīng)的外包鋁板都需要進(jìn)行平板化優(yōu)化，并帶來錯縫對位等一系列問題。因此，需要在綜合考慮視覺效果、工程可建造性的前提下，以極高的精度開展結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計工作。數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)，使設(shè)計師有條件解決如此復(fù)雜的設(shè)計問題。

2 技術(shù)策略

2.1 幾何規(guī)則的建立

設(shè)計復(fù)雜建筑的關(guān)鍵是建立一個完整、精確的三維幾何定位系統(tǒng)，必須為所有建筑構(gòu)件定義簡明的幾何生成規(guī)則，用于澄清各個元素之間的定位關(guān)系、尺寸大小等。在初始設(shè)計階段，這些幾何體系并不代表任何實體構(gòu)件，而類似于對整個幕墻體系的“骨架”進(jìn)行定義，后續(xù)所有的深化設(shè)計都將在這個骨架體系上展開——從某種意義上說，這是整個建筑的DNA（圖2）。

2.2 規(guī)則的程序化表達(dá)

這些簡潔明確的幾何規(guī)則天然地適合計算機(jī)參數(shù)化生成。我們把幾何規(guī)則“翻譯”為Rhino平臺上的數(shù)萬行代碼，精確描述完整的建筑幕墻體系，甚至連詳細(xì)的幕墻型材構(gòu)造三維模型都全部由代碼生成。雖然這種方式在初期編程階段花費的時間并不比傳統(tǒng)手工建模少，但其擁有精確、完整、邏輯性強(qiáng)的優(yōu)勢，在形成完整的參數(shù)化體系后，可以有效提升后期的工作效率。

Z6項目使用VB.NET語言，利用Rhino強(qiáng)大的幾何處理能力和Grasshopper便捷的可視化操作，完成了整個項目的編程工作。

2.3 建立完整的數(shù)據(jù)庫

所有建筑構(gòu)件元素都有著明確的幾何生成規(guī)則，并用程序代碼表達(dá)，最終形成一個完整的項目“數(shù)據(jù)庫”。數(shù)據(jù)模型的深度需要用一個標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范，雖然在現(xiàn)有的BIM標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)于模型細(xì)致程度的標(biāo)準(zhǔn)，即LOD等級（Level of Development），但在實際設(shè)計過程中還是過于籠統(tǒng)，尤其是針對幕墻設(shè)計。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，模型的深度標(biāo)準(zhǔn)能夠隨著設(shè)計的進(jìn)行逐漸深化，并完整描述各階段、各參與方的設(shè)計需要及成果（圖3）。

一套優(yōu)化的幾何定位系統(tǒng)，應(yīng)以最簡明的邏輯體系簡化所有空間定位點和相互的制約關(guān)系。在以往的工作流程中，幾何體系只能簡單地通過“固定”的三維模型來控制，但在漫長的設(shè)計過程中，由于沒有關(guān)聯(lián)的幾何邏輯組織，伴隨不斷深化、修改中的每一次誤差都會傳遞、積累，直到施工建造，設(shè)計師的控制力也由此被逐層削弱。并且，維護(hù)分散繁雜的模型也給設(shè)計師帶來大量的重復(fù)工作。面對超復(fù)雜的幾何形體、精細(xì)化的設(shè)計要求和頻繁修改優(yōu)化的設(shè)計過程，只有建立動態(tài)的、可調(diào)整參數(shù)和邏輯的數(shù)據(jù)模型信息庫，才是適應(yīng)當(dāng)下設(shè)計需求的新手段?？此茝?fù)雜的模型實際上是對簡單計算邏輯的表達(dá)，包含所有設(shè)計成果，使修改、優(yōu)化、控制變得更加便捷有效，極大地解放設(shè)計師的生產(chǎn)力（圖4）。

在傳統(tǒng)項目設(shè)計中，經(jīng)常碰到一個項目僅有一個模型的情況。模型僅能承載部分尺寸信息，在使用時往往難以提取，并且大部分模型的深度、精度、完整性都有很大的缺失，這將導(dǎo)致設(shè)計師無法掌控整個項目。無論下游的深化單位用幾倍的時間、精力去拼湊還原，項目的完成品質(zhì)依舊會大打折扣，并增加設(shè)計成本。

由邏輯規(guī)則生成的建筑“數(shù)據(jù)庫”，比僅用模型提取信息更方便、準(zhǔn)確。模型只是一個可視化的表現(xiàn)，而組織和管理數(shù)據(jù)庫需要強(qiáng)有力的邏輯。精確完整的模型使設(shè)計師可以精確控制項目的每一個細(xì)節(jié)，優(yōu)化每一種可能。

2.4 信息的提取和傳遞

對于包含所有設(shè)計信息的“數(shù)據(jù)庫”，如何提取與傳遞數(shù)據(jù)信息是最大化利用數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵。Z6項目參與方多、設(shè)計周期長，怎樣共享、傳遞、整合各方設(shè)計信息，提供一個統(tǒng)一、便捷、精確的模型平臺，是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。

為此，我們從最基本的描述幾何體型的坐標(biāo)點、弧線、標(biāo)準(zhǔn)面，到結(jié)構(gòu)中心線、玻璃單元、外包構(gòu)件等，都設(shè)計了完整清晰的命名體系，連同文字示意圖、數(shù)據(jù)表、公式坐標(biāo)點，共同形成幾何說明文本（圖5），使體系內(nèi)所有幾何元素信息都能被保存、檢索、傳遞。它不依賴于任何一個平臺，各方團(tuán)隊在各自的軟件上都能制作出完整、唯一的幾何形態(tài)。在Z6這一超高層項目中，業(yè)主、咨詢方、顧問、外方設(shè)計團(tuán)隊、本地設(shè)計院之間有著大量模型文檔數(shù)據(jù)需要交互、共享、管理、協(xié)作，只有采取這種方式，才能使項目設(shè)計準(zhǔn)確、高效、有序地開展。

Z6項目屬于全過程數(shù)字化設(shè)計，每一個構(gòu)件的生成方式和原始定義數(shù)據(jù)都被記錄在代碼中，能夠借助Rhino的Grasshopper插件進(jìn)行可視化，便于隨時查看、提取數(shù)據(jù)。例如，一塊玻璃單元的原始板塊由上下兩層的層間控制線上截取的四個頂點定義，但并不代表玻璃板塊的實際尺寸；還需考慮橫豎框的設(shè)計尺寸，但設(shè)計中會經(jīng)常調(diào)整，只有最終的幕墻深化廠家才能確定；最原始的四個點的定位參數(shù)才是玻璃單元板塊定義的源頭，而這又與其所在高度的基礎(chǔ)層間弧線關(guān)聯(lián)，隨高度變化有規(guī)律地收分（圖6）。因此在設(shè)計過程中，我們需要編寫腳本，迅速有效地提取任一單元板塊的數(shù)據(jù)信息，而哪怕是在最精細(xì)的手工建模中，數(shù)據(jù)信息的保留與迅速提取都是不可能實現(xiàn)的。

1 外立面模型

2 帶有設(shè)計信息的參數(shù)化模型

3 滿足設(shè)計深度要求的BIM 模型

4 數(shù)字聯(lián)動的設(shè)計運算

5 幾何說明圖紙摘選

6 玻璃單元板塊的定義規(guī)則

所有定義環(huán)環(huán)相扣，通過相應(yīng)的邏輯規(guī)則，由代碼形成統(tǒng)一的參數(shù)化模型完整地存儲定位、尺寸，并在需要的時候迅速提取相應(yīng)數(shù)據(jù)?；谶@一完整的數(shù)據(jù)庫，面對不同工程參與方的需要，不光能傳遞模型，還能方便高效地提供完整的數(shù)據(jù)表格、相關(guān)設(shè)計條件、生成邏輯（圖7）。

2.5 軟件之間的數(shù)據(jù)交換

在實際操作中，需要在不同軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各專業(yè)、各階段應(yīng)用的軟件平臺有所區(qū)別，關(guān)注的模型對象、深度不同，軟件支持格式也存在差異，即便可以成功交換模型，也有可能丟失大量附帶信息，行業(yè)中IFC（Industry Foundation Classes）這樣的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的實際使用情況也不盡如人意。

但另一方面，數(shù)字化設(shè)計的所有信息都通過代碼生成、存儲，而軟件就是各種不同的程序集，純代碼的實現(xiàn)方式非常適合不同軟件之間的信息交換，不會在過程中丟失信息，越來越方便的API接口也能夠讓用戶自定義功能。

具有強(qiáng)大幾何能力的Rhino平臺內(nèi)置了成熟的Grasshopper可視化編程平臺，能夠輕松地進(jìn)行幾何形體的參數(shù)化設(shè)計；BIM軟件Revit也推出了自己的開源可視化編程工具，可幫助設(shè)計師創(chuàng)建并使用外部庫或任何具有 API 的 Autodesk 產(chǎn)品（圖8）。并且這兩款常用軟件都支持簡潔的Python語言，使非編程專業(yè)的設(shè)計師也能開發(fā)出適合項目使用的腳本程序。Z6項目也充分利用了這些開發(fā)工具，為高完成度的設(shè)計提供了可能（圖9）。

近幾年，除了軟件平臺自身提供的開發(fā)工具越來越開放外，跨平臺、開源的開發(fā)項目也日益成為新的趨勢。如由Robert McNeel &Associates贊助的Rhino.Inside項目，使Revit、Rhino和Grasshopper幾乎無縫銜接，其未來的支持茩標(biāo)更是包括了AutoCAD、ArcGIS、Unity、BricsCAD等眾多不同功能的軟件。這些跨平臺的開發(fā)項目，使超大建筑項目中各專業(yè)工程團(tuán)隊的BIM協(xié)同變得越來越高效流暢。

3 設(shè)計流程中的應(yīng)用

在Z6項目的設(shè)計過程中，這套數(shù)字化設(shè)計策略被運用到了設(shè)計的各個階段。下面通過其在不同專業(yè)設(shè)計過程中的幾個典型應(yīng)用點，來說明數(shù)字化策略給設(shè)計工作帶來的巨大幫助。

3.1 建筑外立面的參數(shù)化幾何生成

為解決Z6項目中構(gòu)件平板化優(yōu)化所帶來的接縫視覺對位問題，設(shè)計中為每個構(gòu)件都制定了一套嚴(yán)格的生成邏輯。

以傾斜的巨撐、密撐的標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)外包鋁板為例，其幾何生成邏輯為：1）提取上下結(jié)構(gòu)定位線、柱中心定位線、層間高度、柱層間上下截面大小、巨撐外豎梃的連接框定位、柱保溫層厚度、構(gòu)造預(yù)留距離等一系列參數(shù)；2）計算最小外包；3）進(jìn)行6個外包面的平板化優(yōu)化；4）如果巨撐和密撐在相鄰板塊交界處不對縫，還需要調(diào)整每個面所在平面的法向偏移距離；5）將6個側(cè)面板平面與地板、天花板高度的平面結(jié)合（圖10）。經(jīng)過這一計算步驟可以得到區(qū)域節(jié)點的外包幾何，而全樓類似的相交節(jié)點有40多個，在設(shè)計中相關(guān)參數(shù)又在不斷地調(diào)整，這一系列復(fù)雜而又重復(fù)的生成過程僅依靠手工建模是無法想象的。但它有明確的規(guī)則，非常適合參數(shù)化生成，通過編寫代碼得到精確的結(jié)果，并能實時跟隨設(shè)計過程高效地調(diào)整參數(shù)。

7 參數(shù)化生成的模型局部細(xì)節(jié)

8 Revit 平臺上整合全專業(yè)BIM 模型

9 建筑結(jié)構(gòu)模型整合

10 巨撐、密撐的外包生成過程

3.2 建筑結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計過程

Z6項目體系復(fù)雜，因此需要對結(jié)構(gòu)和幕墻進(jìn)行一體化設(shè)計，保證視覺效果和結(jié)構(gòu)的合理性。復(fù)雜項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程有別于傳統(tǒng)方式，在設(shè)計初期建筑專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)一起討論出基本的結(jié)構(gòu)概念形式，再由建筑師結(jié)合造型幾何生成結(jié)構(gòu)定位模型，以便結(jié)構(gòu)工程師在專業(yè)軟件中進(jìn)行計算模擬，得到反饋結(jié)構(gòu)，再調(diào)整定位模型。通過這個反復(fù)相交的過程，才能得到既滿足結(jié)構(gòu)需要，又能很好展現(xiàn)建筑造型的結(jié)構(gòu)體系。

Z6項目的結(jié)構(gòu)顧問方是ARUP奧雅納工程咨詢有限公司，其團(tuán)隊同樣具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計能力。在配合過程中，數(shù)字化設(shè)計方式成為了共通的設(shè)計語言，給工作帶來極大便利。例如，Z6的結(jié)構(gòu)巨撐，若從建筑美學(xué)上要求應(yīng)是一條流暢緩和的樣條曲線，以得到統(tǒng)一平衡的力量感，但從結(jié)構(gòu)受力上要求，巨撐、密撐的交匯點應(yīng)落在樓層梁上，避免在樓層中部交匯，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)角度不利且阻擋視野。為了滿足設(shè)計要求，我們利用參數(shù)化手段比較不同位置參數(shù)的組合并進(jìn)行受力分析，最終實現(xiàn)了主要連接點的100%對位（圖11）。

在這個過程中，參數(shù)化設(shè)計手段使得設(shè)計師能夠快速生成解決方案的所有可能排列，并從每次迭代中評估效果，從而得到最優(yōu)解。Autodesk公司推廣的衍生式設(shè)計工具、Rhino平臺中成熟的遺傳算法插件Galapagos都為這種設(shè)計方式提供了簡單易用的工具算法，在實際工作中解決了大量傳統(tǒng)求解方式無法應(yīng)對的難題。

3.3 幕墻深化階段無縫銜接的數(shù)據(jù)傳遞

數(shù)字化技術(shù)的精準(zhǔn)可控使工程的生產(chǎn)、建造環(huán)節(jié)也大大獲益。Z6屬于復(fù)雜項目幕墻設(shè)計，在設(shè)計的初始階段就和幕墻顧問、廠家反復(fù)協(xié)商，確定設(shè)計方案，創(chuàng)造出良好的室內(nèi)外視覺感受，同時滿足熱工、光學(xué)、安全性能以及造價控制的要求。

Z6項目的玻璃單元橫豎框節(jié)點設(shè)計，通過有限的設(shè)計容差來消化上下傾斜角度和左右平板化造成的錯位；幕墻的節(jié)點深化，利用參數(shù)化手段在全樓范圍內(nèi)進(jìn)行驗算，考察其是否超出設(shè)計容差，最終歸納為6種節(jié)點類型，滿足設(shè)計需要；幕墻的單元板塊類型達(dá)到446種（除去四面對稱的重復(fù)類型），然而尺寸類型數(shù)量會影響造價，經(jīng)數(shù)字化設(shè)計得到精確的板塊尺寸數(shù)據(jù)后，再通過計算機(jī)專業(yè)中廣泛采用的聚類算法（Clustering Algorithm），利用節(jié)點設(shè)計提供的15mm容差歸類相似尺寸的板塊，最終將板塊類型減至73種（圖12）。

11 巨撐、密撐的連接點對位

12 板塊種類優(yōu)化

13 通過規(guī)則和數(shù)據(jù)傳遞設(shè)計信息

14 建筑物理環(huán)境分析

建筑設(shè)計階段形成的完整、精確、有序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模型，可以順暢地傳遞給幕墻顧問、建造單位，為節(jié)點優(yōu)化設(shè)計提供完整的模型數(shù)據(jù)支撐，不僅能讓建筑師對外立面的控制更深入地到達(dá)幕墻設(shè)計階段，也讓幕墻設(shè)計師可以用參數(shù)化工具更高效地開展深化設(shè)計（圖13）。

3.4 基于BIM模型的建筑性能化分析

Z6項目建立了完整的數(shù)字化體系，能夠給不同的設(shè)計需求提供相應(yīng)的模型。一般來說，不同專業(yè)所需的模型格式不同，需要的模型深度、范圍也各不相同。比如在建筑物理分析中，僅包含關(guān)鍵幾何信息的簡化模型更便于軟件運算。Z6項目可以從幾何“數(shù)據(jù)庫”中快速提取必要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)生成模型，進(jìn)行各種建筑物理分析。在Grasshopper平臺上有著更方便的Ladybug插件，能夠動態(tài)調(diào)用各種建筑物理分析核心引擎，進(jìn)行聲、光、熱物理環(huán)境分析（圖14）。

4 結(jié)語

Z6項目在中國勘察設(shè)計協(xié)會舉辦的第九屆“創(chuàng)新杯”建筑信息模型（BIM）應(yīng)用大賽中，獲得了科研辦公類BIM應(yīng)用第一名，在2018全球工程建設(shè)業(yè)卓越BIM大賽中獲得最佳應(yīng)用實踐獎第一名。

全過程數(shù)字化設(shè)計改變了傳統(tǒng)的設(shè)計模式，借助數(shù)字化技術(shù)，超復(fù)雜的Z6項目才能實現(xiàn)高完成度。文中提出的數(shù)字化設(shè)計策略是我們在過去的項目中總結(jié)的經(jīng)驗，未來復(fù)雜建筑的設(shè)計實踐都可以用這種工作模式來進(jìn)行。另外，這種工作模式也使得設(shè)計團(tuán)隊的技術(shù)人員架構(gòu)呈現(xiàn)出全新的特點。對于類似的復(fù)雜項目，設(shè)計部門要求項目建筑師都應(yīng)掌握基本的三維數(shù)字技術(shù)能力，并配備專人在設(shè)計全過程提供更專業(yè)的數(shù)字技術(shù)支持，如幾何邏輯構(gòu)建、數(shù)字編程、全信息三維數(shù)字建模、虛擬建造及調(diào)試、全信息數(shù)字表現(xiàn)等。

1-5 作者自繪

7-10,12,13 作者自繪

6 吳凡繪制

11 ARUP 奧雅納工程咨詢有限公司提供

14 Foster+Partners 提供

業(yè)主：北京天江通睿置業(yè)有限公司

建設(shè)地點:北京市朝陽區(qū)CBD 核心區(qū)建筑設(shè)計：Foster+Partners、北京市建筑設(shè)計研究院有限公司高層建筑研究中心

項目負(fù)責(zé)人：馬瀧、解立婕

BIM 負(fù)責(zé)人：粀斌

設(shè)計團(tuán)隊：褚以平、粀歡歡、杜月、吳凡、椂柳青、劉小飛、 黃婧、張碩、粀舸、鄒曉周、曹夢然

總建筑面積：23.88 萬m

設(shè)計時間：2011

項目狀態(tài)：在建