BIM模型精細度與參數化幕墻設計在十二中文體樓項目中的應用

楊苗苗 李 媛

(中國航天建設集團有限公司技術中心，北京 100071)

BIM模型精細度與參數化幕墻設計在十二中文體樓項目中的應用

楊苗苗 李 媛

(中國航天建設集團有限公司技術中心，北京 100071)

本文通過十二中項目的BIM技術應用，探討模型精細度等級的意義及不同模型交付模式在項目實施過程中的用途，并力圖展現參數化幕墻設計的優勢。

文體建筑； 模型精細度； 參數化幕墻設計； BIM技術應用

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.18

前言

北京市第十二中學東校區項目建設地點位于北京市豐臺區萬源南里。項目用地東臨德賢路，北、西、南三側均與桃源里社區毗鄰。項目類型為學校類建筑，包括教學樓、圖書及行政樓及體育館、食堂、男女生宿舍等。根據學校未來發展需要，該項目為36班完全中學，初中18班，每班45人，高中18班，每班45人，學生總數1 620人。本次選擇功能造型較為復雜的圖書行政樓及體育館作為BIM應用項目。圖書行政樓、體育館建筑面積14 417.50m2，其中地上部分9 927.50m2，地下部分4 490.00m2，地上主體四層、地下一層，建筑高度19.50m(檐口高度)。該項目BIM應用最大的特點在于模型的準確性和精細度高，最大的亮點在于幕墻的參數化設計。本文主要圍繞以上兩個方面進行展開。

1 模型精細度研究

1.1 模型精細度的等級與意義

文體樓BIM建筑模型按照《民用建筑信息模型設計標準》DB11/T 1069-2014的要求在幾何信息內容方面涵蓋了建筑主體外觀形狀，如體量、形態、定位信息； 建筑層數、高度、建筑標高、基本功能分隔構件； 主要技術經濟指標的基礎數據，如面積、高度、距離、定位； 建筑構件的幾何尺寸、定位信息，如樓地面、柱、外墻、外幕墻、屋頂、內墻、門窗、樓梯、坡道、電梯、管井、吊頂； 主要建筑設施的幾何尺寸、定位信息，如衛浴、部分家具、部分廚房設施； 主要建筑細節幾何尺寸、定位信息，如欄桿、扶手、裝飾構件、功能性構件； 建筑構件深化幾何尺寸、定位信息，如構造柱、過梁、基礎、排水溝、集水坑等方面，許多地方甚至已經接近實際完成建筑構件的幾何尺寸、定位信息，基本達到了信息模型交付標準LOD300的模型精細度。[1]

在這樣的準確性和精細度的基礎上，才能夠找出設計上的一些疏漏，各專業間協調出現的沖突從而進行建筑細部的進一步推敲，項目中所找到的具體問題都在BIM校審卡中一一列出，有效減少二維圖紙存在的“錯、漏、碰、缺”。

例如，地下一層游泳館上部管線布置本身并無重大問題，但造成上部空間凌亂，視覺效果較差，且對建筑幕墻有所遮擋，因此對管線設計進行優化，盡可能將管線布置于泳池一側小跨度內，從而使整體空間效果更好，也避免了較大面積吊頂造成的空間壓抑之感。這樣的問題并不僅僅是管線碰撞或者是間距不夠的問題，而是進一步優化設計，從而提高建筑設計品質。古希伯來諺語說過，“God is in the detail。”傳統二維制圖由于自身缺陷以及各專業間相對隔離的繪圖模式，使得細部控制很難真正落到實處。往往建筑專業的設計效果圖與實際的建成效果相差甚遠，究其根本就在于細部控制的不到位。精細的BIM模型由于其三維可視化的直觀性和各專業之間鏈接在同一中心模型的緊密聯系，在細部控制上存在著先天的巨大優勢(圖1)。

圖1 模型縱向剖切

二維圖紙在很大程度上依靠設計人員的空間想象力和對各專業圖紙信息及其他圖表信息的綜合能力來進行各環節的信息傳遞。在這個過程中存在著大量的信息流失、信息重復以及信息理解偏差，從而使最終的施工效果與原設計出現差距。而精確的BIM模型與實際建筑實體之間是一對一的三維對應關系，信息表達明確直觀，不容易產生偏差，而且同時可將其他非幾何信息進行添加，從而實現高效的信息集成。文體樓BIM建筑模型也盡量在非幾何信息深度上予以完善，希望將設計信息，準確清晰地傳遞到下游的施工環節，如有可能再進一步傳遞到運維環節。雖然管線綜合、碰撞檢測并不是非常前沿的BIM應用技術，但是它是對整個建筑設計的一次“預演”，建模的過程同時也是一次全面的“三維校審”過程。在此過程中可發現大量隱藏在設計中的問題。因此在真實建造施工之前理論上能100%消除管線碰撞，減少返工及損失。

美國建筑行業研究院研究表明工程建設行業的浪費高達57%，而因圖紙錯誤導致的設計變更或者返工造成的進度與成本的浪費與損失也是司空見慣。2010年《中國商業地產BIM應用研究報告》通過調查問卷發現， 77%的設計企業遭遇因圖紙不清或混亂而造成項目或投資損失，其中有10%的企業認為該損失可達項目建造投資的10%以上， 43%的施工企業遭遇過招標圖紙中存在重大錯誤，改正成本超過100萬元。[2]因此，這項簡單的BIM技術應用，事實上有難以估量的實際經濟效益。

1.2 模型精細度的挑戰與應對

這樣準確性和精細度高的信息模型固然有非常多的好處，但是在實際操作中也遇到了一些問題與挑戰。雖然設計人員力求完美，但是信息模型信息非常集中而且信息量大，難免出現紕漏。例如，大多數BIM軟件都具有關聯功能，即“一處改、處處改”，這一功能固然能避免重復勞動，保證圖紙的同一性，不會出現類似于平面與大樣不統一這樣的傳統錯誤，但由于建筑是一個統一的整體，關聯性千絲萬縷，且各關聯之間也沒有明確的列表，就會出現在某一視圖中將某一參數進行修改，而在另外一個視圖中，由于關聯，一些本不應該修改的地方也進行了修改，而且這種錯誤非常隱蔽，設計人員往往自身很難發現，并且模型的精細度越高，可能出錯的幾率就越大。

為避免以上的錯誤發生，除了要求設計人員更加細心以外，更主要的是要建立一套完善的企業BIM規范體系，包括與模型精細度相符的企業BIM模板，整個企業設計人員都要遵循的制圖流程和制圖規范以及嚴格的校審制度，從而從根本上避免模型信息的混亂與疏漏。

1.3 BIM模型的交付模式與用途

文體樓BIM模型主要采取三種交付模式，全專業模型剖切、輕量化模型互動漫游以及多媒體動畫。全專業模型剖切主要是針對專業的設計人員提供的，由于設計是一個“自上而下”的過程，設計師尤其是建筑師很多時候要用“上帝模式”統觀全局，控制建筑的整體性。所以，全專業模型剖切可以系統而全面地進行整體展示，滿足設計師的這一需求。輕量化模型互動漫游主要是在細節的控制和與甲方的交流中起到很大的作用。輕量化模型集成了信息模型所涵蓋的必要信息，但文件本身非常小，并且是可執行文件，幾乎在任何一臺計算機上無需安裝任何軟件便可以打開，在與各方信息傳遞過程中非常方便。輕量化模型可以實現身臨其境的效果，使設計師和甲方通過在虛擬的建筑模型中的漫游仔細推敲建筑的空間尺度、空間感覺及建筑細部，同時他的三維可視化效果也使設計師在與甲方的溝通過程非常高效便利。多媒體動畫則更多的偏重與展示之用，通過逼真的光感及質感的渲染，角度的選擇甚至一些情節的加入，使觀者能夠充分體會到設計者的理念及建筑的意境(圖2～圖3)。

圖2 全專業二層剖切

2 幕墻的參數化設計

原方案幕墻的開窗方式為建筑師手工繪制，由三種尺寸的窗洞組成，略顯僵硬(圖4)，BIM介入后采取Grasshopper參數化設計，對幕墻的開窗形式進行了設計優化，主要采用了三種算法，即隨機算法、吸引點算法和吸引線算法。

圖4 優化前幕墻效果

在隨機算法中，為了便于制造選擇了0.2、0.4、0.6和0.8四個窗洞比例的隨機排布(圖6)； 在吸引點算法中，為了豐富立面效果，三個吸引點附近的開窗尺寸沿從左到右的方向遞減，開窗大小既受到該窗口與三個吸引點的距離的控制，同時與最近吸引點的距離成正比(圖7)； 在吸引線的算法中，開窗大小與該窗口到吸引線的距離成反比。吸引線采用手動控制和函數系數控制兩種生成方式，開窗大小最后被分為四類以便制作，編程和效果見圖8、圖9。

圖5 優化后幕墻效果

圖6 隨機開窗編程及效果

圖7 吸引點開窗編程及效果

圖8 手動吸引線開窗編程及效果

最終甲方在這些算法生成的二十余種開窗形式的布置方案中，選擇了最滿意的一種，優化后的幕墻機理更加自然流暢(圖5)。這樣的設計方式近年來在國際上已廣泛使用，如世博會的很多建筑都采用了參數化的幕墻表皮，效果頗佳。

參數化幕墻設計的優勢在于，一旦程序完成可重復用于不同項目，且僅通過參數調整便可快速、方便地實現多方案比較。劣勢在于前期時間和精力投入較多，且編程本身也是一門專業，很少有建筑專業的設計師能夠輕松駕馭。所以，還需要進行大量的學習和培訓。

3 結語

十二中東校區文體樓項目在BIM應用的可視化、協調性、優化性、模擬性、可交付性等方面都取得了不錯的成果，并且在模型的準確性和精細度以及參數化幕墻設計這兩個方面進行了深入研究，力求為BIM技術應用的進一步推進積累經驗教訓，為今后其他項目的BIM技術應用提供一個可供參考的案例。同時也將努力使BIM模型傳遞到下游的施工環節，如有可能再進一步傳遞到運維環節，從而實現目前所倡導的全壽命周期的BIM應用。

雖然項目本身規模和影響力并不是十分突出，但該項目以“創新亮點”出奇制勝，在作品中充分發揮了參數化編程在BIM應用中的優勢，將目前國內采用的Grasshopper、Dynamo、Visual Lisp等各種參數化編程語言融合到項目中來，以設計師的思維將BIM模型一鍵生成、參數化設計等創新亮點發揮得淋漓盡致，對提高設計師的工作效率，加快項目的BIM應用進程以及BIM軟件的二次開發都做出大膽嘗試，并獲得了由中國勘察設計協會和歐特克軟件(中國)有限公司聯合主辦的“創新杯”全國BIM大賽最佳BIM普及應用獎以及由中國圖學學會舉辦“龍圖杯”全國BIM(建筑信息模型)大賽優秀獎。

[1]DB11/T 1069-2014民用建筑信息模型設計標準[S].2014.

[2]中國BIM門戶網站.http：//www.chinabim.com/.

Application of BIM Model Level of Details and Parametric Curtain Wall Design in Cultural and Sports Building in Beijing No.12 Middle School

Yang Miaomiao， Li Yuan

(TechnologyCenter,ChinaAerospaceConstructionGroupCo.，Ltd.，Beijing100071,China)

By case studying of BIM technology application in Beijing No.12 middle school，this paper discusses the significance of level of detail and the application of different delivery models in this project implementation processes，and shows the advantage of parametric curtain wall design.

Cultural and Sports Building； Level of Detail； Parametric Curtain Wall Design； Application of BIM Technology

楊苗苗(1982-)，女，高級工程師,主要研究方向：建筑方案設計及BIM技術應用研究。

TU17

A

1674-7461(2016)06-0096-04