BIM 技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)勢,目前已在建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用,其可輔助建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過構(gòu)建3D 建筑信息模型幫助設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確掌握、處理建筑設(shè)計(jì)信息。 本文以文體場館優(yōu)化設(shè)計(jì)為例對參數(shù)化BIM 建筑技術(shù)應(yīng)用展開分析,其中包括設(shè)計(jì)路徑、設(shè)計(jì)管理和數(shù)字化協(xié)同3 部分內(nèi)容。
建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)屬于新型設(shè)計(jì)方法, 其主要將建筑設(shè)計(jì)要素轉(zhuǎn)換為函數(shù)變量, 基于函數(shù)算量和改變算法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建,進(jìn)而快速獲得建筑設(shè)計(jì)方案,在此基礎(chǔ)上研究建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案的可實(shí)施性。 建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)在于轉(zhuǎn)變工程設(shè)計(jì)問題為邏輯問題,利用理性思維進(jìn)行分析,保證建筑設(shè)計(jì)的合理性,通過轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)要素、明確邏輯關(guān)系,對建筑結(jié)構(gòu)的多樣化組合方式予以計(jì)算。
建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅可提供多種空間組合方式, 還能呈現(xiàn)復(fù)雜的建筑形體。 但也具有兩大應(yīng)用難點(diǎn),一是需要處理的數(shù)據(jù)量較大,二是所有曲線位于同一曲面。 應(yīng)用BIM 技術(shù)可對上述問題予以解決,通過生成曲線、分析曲率、研究均勻性、二次生成曲線等設(shè)計(jì)工作, 解決因所有曲線處于同一曲面所導(dǎo)致的建筑幾何空間適用性較差問題, 從而滿足參數(shù)化設(shè)計(jì)工作要求。 應(yīng)用BIM 技術(shù)可助力設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)任務(wù),包括數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、程序編程等,并為設(shè)計(jì)人員提供基礎(chǔ)控制面,實(shí)現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系建立。 同時(shí),基于建筑設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)各種虛擬環(huán)境的創(chuàng)設(shè), 還可對虛擬環(huán)境中的建設(shè)和使用情況進(jìn)行模擬。
文體場館連廊項(xiàng)目基于BIM 技術(shù)、 參數(shù)化技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì),以盡量不改變建筑造型、降低造價(jià)及施工難度為原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),保證工程具有較高的可實(shí)施性。
項(xiàng)目主要應(yīng)用Rhino 軟件實(shí)現(xiàn)建筑造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),涉及造型調(diào)整、幕墻劃分、優(yōu)化雙曲板等內(nèi)容;應(yīng)用Revit軟件進(jìn)行模型整合、 設(shè)備定位、 凈高分析、 碰撞檢查; 應(yīng)用Navisworks 軟件構(gòu)建瀏覽檢查模型。
設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包括4 部分內(nèi)容。 (1)幕墻外表皮優(yōu)化。 包括幕墻劃分;優(yōu)化控制面并降低曲率;優(yōu)化立面傾斜度;檢查凈高;選擇立面材料;分析優(yōu)化前后造型。 (2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。包括主體結(jié)構(gòu)、樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);評估結(jié)構(gòu)和表皮距離;檢查凈高。 (3)外表皮深度優(yōu)化。 包括消防排煙設(shè)計(jì);設(shè)備定位;屋面排水設(shè)計(jì);幕墻調(diào)整;構(gòu)建幕墻模型。 (4)BIM 設(shè)計(jì)。 包括構(gòu)建模型;定位機(jī)電設(shè)備;整合建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、幕墻模型和機(jī)電模型;開展碰撞試驗(yàn)[1]。
設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)主要包括3 處:外表皮,涉及造型設(shè)計(jì)、幕墻劃分、幕墻平面化;針對空間曲面情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);難以把控幕墻系統(tǒng)下的空間關(guān)系。
應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)解決異形曲面定位較難的問題, 提取各幕墻系統(tǒng)平面控制線,優(yōu)化Nurbs 曲線使其成圓弧狀,進(jìn)而開展3D 投射,定位幕墻圓心、半徑、角度和高度,在明確幕墻劃分原則基礎(chǔ)上,利用遺傳算法對曲面平板率進(jìn)行計(jì)算,以獲得最佳方案(具體如圖1 所示,圖1a 為優(yōu)化前的連廊方案,主要為自由曲面,定位難以實(shí)現(xiàn);圖1b 為優(yōu)化后的方案,主要為基礎(chǔ)控制面;圖1c 對幕墻扭曲度進(jìn)行核實(shí),明確控制面板最佳設(shè)計(jì),其中,青色區(qū)域?yàn)椴AО鍓K,綠色區(qū)域?yàn)槠桨謇鋸濅X板,藍(lán)色區(qū)域?yàn)閱吻X板,紅色區(qū)域?yàn)殡p曲鋁板;圖1d 為幕墻切割方式) 并對其可行性予以核實(shí), 確保外表皮具備較高穩(wěn)定性。 此階段應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的在于直觀展示不同建筑設(shè)計(jì)參數(shù), 明確體現(xiàn)工程信息相關(guān)系數(shù), 在調(diào)整建筑設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),3D 模型會(huì)自動(dòng)調(diào)整與設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)聯(lián)的其他參數(shù)。
圖1 外表皮優(yōu)化
應(yīng)用BIM 技術(shù)控制幕墻界面,明確結(jié)構(gòu)位置,優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì),從建筑美觀、技術(shù)可操作性和工程造價(jià)角度綜合分析設(shè)計(jì)方案(如表1 所示,考慮單面板和平板價(jià)格相差無異,選擇雙曲板比例小、凈高寬度達(dá)標(biāo)、造價(jià)最低的序號3 方案),進(jìn)而利用Revit 軟件開展碰撞試驗(yàn),確保各構(gòu)件滿足安全距離。 事實(shí)上,BIM 技術(shù)具有較高的功能完善程度,可滿足參數(shù)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求,便于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)多樣化設(shè)計(jì),包括深化設(shè)計(jì)、碰撞試驗(yàn)等。
表1 設(shè)計(jì)方案
在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,建筑表皮設(shè)計(jì)和優(yōu)化屬于關(guān)鍵內(nèi)容,其流程包括4 個(gè)環(huán)節(jié)。
1)實(shí)現(xiàn)條件協(xié)調(diào)。 主要為協(xié)調(diào)方案造型要求、幕墻劃分要求、立面材料要求、凈高控制要求以及排水、消防排煙要求等;結(jié)合考慮立面傾斜度、玻璃尺寸、幕墻結(jié)構(gòu)、幕墻板塊曲率和翹曲度等。
2)實(shí)現(xiàn)模型可視化。 利用BIM 技術(shù)構(gòu)建不同專業(yè)的3D模型, 并在其中導(dǎo)入工程項(xiàng)目有關(guān)幕墻、 結(jié)構(gòu)等部位構(gòu)件參數(shù),形成可視化立體模型,為模型優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
3)實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化。 主要為參數(shù)化優(yōu)化,包括幕墻和結(jié)構(gòu)控制面、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、幕墻構(gòu)件、幕墻表皮及造價(jià)計(jì)算等;利用BIM技術(shù)協(xié)同,整合不同專業(yè)模型、檢查凈高、開展碰撞試驗(yàn)、導(dǎo)出2D 圖形等。
4)設(shè)計(jì)交底。包括BIM 模型和參數(shù)化模型、整合模型、2D圖紙及各種表格報(bào)告等[2]。 在參數(shù)化設(shè)計(jì)中,利用3D 建筑模型呈現(xiàn)立體建筑實(shí)物圖形,并對建筑結(jié)構(gòu)的幾何、狀態(tài)信息進(jìn)行真實(shí)模擬。通過觀察3D 模型可快速了解建筑設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)和設(shè)計(jì)質(zhì)量,及時(shí)解決存在的問題。
現(xiàn)階段,BIM 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)和建筑管理中,其中包括建筑進(jìn)度管理、現(xiàn)場規(guī)劃管理及建筑造價(jià)管理等。 應(yīng)用BIM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)和管理的動(dòng)態(tài)集成,緊密銜接建筑工程各階段,集建筑設(shè)計(jì)、建筑建設(shè)和建筑管理等于一體。由于本項(xiàng)目BIM 模型管理較為復(fù)雜,故需注重設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)管理的關(guān)系。
1) 建立負(fù)責(zé)人制度。 安排建筑BIM 負(fù)責(zé)人針對方案修改、合并等問題與各工程單位、業(yè)主溝通,提高協(xié)調(diào)效率。 BIM建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)基于BIM 技術(shù)收集有關(guān)建筑工程建設(shè)的數(shù)據(jù)信息,并在配套數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入,以直觀展現(xiàn)建筑工程幾何、狀態(tài)信息,同時(shí)對各專業(yè)設(shè)計(jì)予以協(xié)調(diào)和統(tǒng)一,嚴(yán)格依照標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模型。
2)實(shí)現(xiàn)整體化管理。BIM 技術(shù)和參數(shù)化技術(shù)側(cè)重不同,但需統(tǒng)一管理設(shè)計(jì)流程。 為避免BIM 管理部門和設(shè)計(jì)部門出現(xiàn)脫節(jié),應(yīng)由兩部門共同參與BIM 平臺搭建。 所以,需要構(gòu)建清晰的BIM 構(gòu)架(見圖2),充分結(jié)合設(shè)計(jì)優(yōu)化和BIM 設(shè)計(jì)內(nèi)容,以防止風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)。
圖2 BIM團(tuán)隊(duì)架構(gòu)
3)實(shí)現(xiàn)各方工作協(xié)調(diào)。 BIM 團(tuán)隊(duì)不僅承擔(dān)技術(shù)輸出和模型搭建的職責(zé), 還要對各方建設(shè)意見和各部門設(shè)計(jì)進(jìn)度予以協(xié)調(diào),積極解決其中存在的問題,以優(yōu)化設(shè)計(jì)管理。
BIM 不僅是以構(gòu)建模型為主的技術(shù)平臺, 更能協(xié)同項(xiàng)目全生命周期,包括設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段、招投標(biāo)階段及運(yùn)行維護(hù)階段。 通常,建筑設(shè)計(jì)涉及較多專業(yè)領(lǐng)域,而不同專業(yè)領(lǐng)域之間可能存在碰撞問題。 為保障建筑設(shè)計(jì)方案的可行性,需要基于BIM 技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)各專業(yè)領(lǐng)域的協(xié)調(diào), 在3D 建筑模型中將各專業(yè)碰撞問題直觀展現(xiàn), 以便設(shè)計(jì)人員利用協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)解決碰撞問題。
本項(xiàng)目以優(yōu)化設(shè)計(jì)為目的,工作中涉及業(yè)主、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同,BIM 技術(shù)和參數(shù)化模型的協(xié)同,以及建筑幕墻、建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)、空間分析、碰撞試驗(yàn)等不同專業(yè)間的協(xié)同[3]。
本項(xiàng)目模型具有復(fù)雜性,基于Revit 軟件應(yīng)用對曲面造型進(jìn)行修改并傳遞模型信息, 避免轉(zhuǎn)換不同軟件模型過程中可能導(dǎo)致的構(gòu)件丟失問題, 在Revit 軟件調(diào)整處理部分曲面,保證所有構(gòu)件成功轉(zhuǎn)換。
利于Navisworks 軟件整合模型,進(jìn)而量化開展碰撞試驗(yàn),針對發(fā)現(xiàn)的問題,通過一鍵導(dǎo)出方式生成表單,清晰呈現(xiàn)存在碰撞的部位信息。
項(xiàng)目利用數(shù)字化手段轉(zhuǎn)換方案模型,使之成為工程模型,并通過Autodesk 軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)同, 從而優(yōu)化工程量和造價(jià),以提高項(xiàng)目推進(jìn)效率。