珠生于貝 貝生于海
——珠海歌劇院項目中的BIM技術應用

◎ 本刊記者 趙 樊

北京市建筑設計研究院有限公司（簡稱“北京院”）作為業內著名的建筑設計企業，近年來在復雜形體和綜合性建筑的專業協同、同步設計等領域進行了多樣化的實踐，在鳳凰衛視傳媒中心、CBD-Z15-中國尊、深圳機場T3航站樓等項目中均不同程度的運用了BIM技術作為工作手段，珠海歌劇院這一項目更是將BIM技術作為核心平臺，旨在從設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，是野貍島新填海區的核心建筑。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、以及室外劇場預留和旅游、餐飲、服務設施等。作為我國第一座海島劇院，珠海歌劇院的定位是：高雅的文化藝術殿堂、聞名的文化旅游勝地。其意義不單是建造一座高品質的劇院，而是為珠海這座城市創造一個具有原創性、地域性和藝術性的標志性建筑。

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作構思源于大海，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。通過這一精心設計的歌劇院色彩氛圍，巧妙地運用了色彩的退暈和對比，既滿足了舞臺臺口區顏色較暗的原則，又將從天蓬到地面演變的景象自然地展現出來，這一環境空靈而震撼，與演出前的候場氛圍十分統一，同時也使珠海歌劇院獲得了獨一無二的室內藝術環境。

圖2 珠海歌劇院室內效果圖

項目難點

空間——劇場內復雜的曲面空間結合了聲學、舞臺照明、空調等各個專業的不同要求，而事實上，觀眾廳內的復雜曲面不僅是設計意圖的表達，同時也要將觀眾廳設計中的反聲板、聲擴散體、耳光、面光橋等功能性設施結合到一起。

專業——對于這樣一個高難度的劇場設計，特聘請了荷蘭的KUNKEL公司作為劇院舞臺機械領域的設計顧問；澳洲的MARSHALL DAY作為劇院聲學領域的設計顧問；SPEIR+MAJOR照明設計公司作為整體照明設計顧問；日本的GK公司作為標識系統的顧問；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的設計顧問。如此復雜的專項設計陣容，如何在滿足工程進度的同時與全球頂級的劇場專項設計團隊進行頻繁而密切的配合與協調，這是對工作平臺的一大考驗。

結構——珠海歌劇院的主體建筑集中在海島建筑環路的內側，建筑最高點達到了90米，貝殼除標志性造型外，還為劇院提供豎向交通空間。雖然建筑自身的采光、通風環境十分優越，但對于珠海這一海濱城市，臺風、潮濕空氣的腐蝕和污染是對結構設計的重大挑戰。

BIM在建筑設計中的典型應用如下：

在劇場的設計過程中，運用BIM軟件幫助實現參數化的座位排布及視線分析，借助這一系統，可以切實的了解劇場內每個座位的視線效果，并做出合理、迅速的調整。根據座椅的設計尺寸，以單元的形式整合到模型中，可對每一個座椅的間距、尺寸等進行即時的調整，并結合通用人體模型模擬視線。BIM軟件可以根據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的狀況，從而逐點核查座椅高度和角度，進而決定是否修改設計。根據參數化模型可直接生成視線分析表格，在參數化的輔助下，高達1550座的視線分析，這幾乎不可想象的工作量，都可交由參數化軟件模擬，不僅提高了效率，也降低了錯誤率。

圖3 視線分析模擬

圖4 視線模型分析結果

圖5 劇場綜合專業設計圖

在BIM技術的統一設計平臺幫助下，各階段都可以與各專項設計團隊緊密的同步并共享設計成果。這一模式大大加快了設計的效率，同時避免了各團隊之間由于溝通問題而產生的失誤與返工。在劇場專項設計過程中，BIM技術可以對舞臺設計中的面光、耳光、追光的角度和投射面進行即時的模擬，即減少了工作量也提高了工作效率。

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

構建聲學模型的意義是什么？

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

圖6顯示了頻率為1000Hz 時觀眾廳內混響時間的分布，混響時間的變化范圍是0.8s 到1.8s。在一個聲擴散空間內，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重要的區域。在池座的中央位置顏色很深，表明該區域的聲音具有較低的清晰度，這也表明該區域接收到的早期反射聲較少，而較多地暴露在混響聲場中。根據這些建議，通過不斷的修改室內模型的造型，以便更好的滿足觀演的需求。

在BIM模型內建立一套反饋機制，生成從聲源到反聲板再到觀眾區的一套計算模型。在這套反射模型中，通過調整反聲板的角度、大小、高度等數據，確保來自聲源的聲音能夠準確的落在觀眾席上，最終將反聲板整合到觀眾廳內表面模型中，并由Odeon聲學軟件進行驗證。

同樣的，BIM技術在建筑結構形體的塑造上也體現了不可替代的作用。

圖9 觀眾廳內表皮調整前

圖10 觀眾廳內表皮調整后

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完全設計在貝殼區的鋼結構之間，走在樓梯上觀眾既可以通過玻璃和細目金屬穿孔板欣賞室外的陽光、大海、景觀綠化屋面，又可以透過室內的細目金屬穿孔百葉，欣賞觀眾廳球體及貝殼的優美造型。

BIM在造形設計及鋼結構設計中的應用

珠海歌劇院位于風景雋秀的野貍島上，她的形象不但要承載藝術殿堂的底蘊，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，因此建筑的用地規劃較為統一。工程總用地面積為57670平方米，主體建筑集中在海島建筑環路的內側，建筑限高小于100米，建筑自身的采光、通風環境十分優越，但必須特別注意臺風、海邊潮濕空氣的腐蝕和污染。

在結構上，最大的挑戰在于大劇場鋼結構頂標高為90米，水平投影長約130米，寬約60米。如此高聳的結構體系矗立在填海區的沿海小島上，可想而知其面臨的困難。在設計過程中，初步將鋼架模型導入到Autodesk Revit軟件中，并與建筑、混凝土結構、設備、電氣模型進行合模，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構體系。

譬如：處理原始參照曲面存在的種種問題，圖14所示可見在紅圈內的關鍵點存在連續性的問題，這就需要調整曲面上的控制點生成連續的曲線，才能最終生成可用來進行鋼結構計算的雙曲面構件。

從圖15可以看到曲線表面的不規則法線，這就會導致鋼結構構件的受力不合理，也需要進一步的優化。遵循建筑及結構專業的意見，利用偏心圓和三度線在曲面布置鋼結構定位線。根據布線生成結構桿件，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 鋼結構設計流程

圖14 表面分析-1

圖15 表面分析-2

圖16 數據化模型

在整體的設計過程中，基于合理的成型原理，采用參數化腳本程序完成控制曲面到桿件布置，為結構計算生成規律的計算模型。如此，不僅能夠針對當前階段設計輔助，將模型進行數據化，并且能夠建立符合各設計階段要求的數字化模型。

同時，通過Autodesk Revit軟件的碰撞檢查，設計團隊能夠在復雜的結構模型中輕松發現設計中不合理的部分，為整個工程爭取更多的協調時間，并且在早期控制成本、解決問題。

圖17 珠海歌劇院風洞測壓實驗報告

圖18 風向角系數

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技術提供的精確風洞模型，風洞實驗可針對珠海的氣候特征，輔助設計師優化造型，使其更有利于適應當地環境。

針對在鋼結構施工圖繪制的最后階段出現的焊接和倒角問題，采用優化后的自適應節點，節點的幾何數據由網格計算得出。主要目的是為了解決3段截面空間旋轉后無法相接的問題，這種問題在后期修改很頻繁，所以采取自適應節點的策略——由三段接口的位置程序生成節點。

關于管線綜合方面，依靠BIM技術的優勢可以將Autodesk Revit文件導成MWC文件，在Autodesk Navisworks中選擇需要碰撞的構件并生成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，在其中找到相應的構件調整管線。

總結

珠海歌劇院項目具有較高的復雜性，包含了幕墻、鋼結構系統，觀眾廳部分，內部支撐結構、管線綜合等各個方面，基于Autodesk Revit軟件的通用性以及便捷性，確保了在各個設計階段良好的實用性，同時保持與各專業之間緊密的聯系及反饋機制。項目組希望能夠在建筑設計的全生命周期里運用BIM技術為各專業提供精準的可視化模型，在同一個平臺下構建綜合信息模型，這是在BIM技術平臺上對大型復雜建筑的一次初步嘗試。