BIM助力本土設計創新
——鳳凰中心設計解析

2017-02-20 05:47:49

中國建筑金屬結構 2017年1期

圖1 鳳凰中心全景

項目概況

鳳凰中心項目位于北京朝陽公園西南角，占地面積1.8公頃，總建筑面積7.2萬平方米，建筑高度55米。除媒體辦公和演播制作功能之外，建筑安排了大量對公眾開放的互動體驗空間，以體現鳳凰傳媒獨特的開放經營理念。建筑的整體設計邏輯是用一個具有生態功能的外殼將具有獨立維護使用的空間包裹在里面，體現了樓中樓的概念，兩者之間形成許多共享形公共空間。在東西兩個共享空間內，設置了連續的臺階、景觀平臺、空中環廊和通天的自動扶梯，使得整個建筑充滿著動感和活力。此外，建筑造型取意于“莫比烏斯環”，這一造型與不規則的道路方向、轉角以及和朝陽公園形成和諧的關系。

建筑由兩座單體建筑和一個極富表現力的外殼組成，兩座單體建筑分別為媒體辦公主樓和演播樓。流線型的外殼帶給了建筑流暢動人的空間，被莫比烏斯環所環繞的鳳凰廣場是建筑體量的核心，它被巨大而飛舞的鋼結構圍合，連接著西側的城市主干路與東側的朝陽公園湖濱綠地，是一處可向公眾開放的公共空間。而一條由地面至空中，環繞貫穿于建筑內部的公眾體驗流線，真正實現了鳳凰國際傳媒中心在建筑空間上的豐富與開放。公眾可從拱橋拾級而上，到達演播樓二層的開放平臺，由開放平臺回望西中庭，它被流暢交錯的鋼結構包裹，形成了既恢弘又動感的空間氛圍，它同時緊鄰城市干道，使通透、高大、變幻的室內空間展現在城市人群面前。沿二層平臺向東，參觀1200平方米演播制作大廳之后，公眾可到達演播樓樓頂的休憩空間，巨大的平臺被鋼結構和坡起的體量環繞，創造出寬敞的休閑空間。隨后沿平臺走向緊鄰朝陽公園湖面的東中庭，它既是兩座主樓重要的交通聯系、極佳的觀景點，更是鳳凰開放的公共體驗空間中建筑藝術表現力的高潮。盤桓蜿蜒的環形坡道連接著入口大廳，而通天扶梯則直達辦公樓頂層。辦公樓頂層是建筑的制高點，也是一處風景絕佳的眺望場所，向南可遙望CBD壯闊的城市景觀，向北可俯瞰朝陽公園的開闊湖面與成蔭綠林。貫穿建筑的整條公共流線上下穿行在莫比烏斯的環狀空間中，展現了一個“創新、開放、融合”的媒體所應具有的建筑精神。

項目難點

由于獨特的創意構思，建筑具有了復雜的三維形體，這為建筑的深化設計和施工提出了嚴峻的挑戰。隨著大量前所未有技術難題的涌現，傳統的建筑設計方法與設計工具已經不足以應對復雜形體的深化控制。

圖2 鳳凰中心營造豐富的室內空間

圖3 鳳凰中心與環境協調融合

解決方案

本項目開創性的大量運用了三維數字化技術，是國內首次運用三維數字技術進行全面的、大規模建筑實踐的案例。三維技術應用在概念方案深化，建筑體型邏輯加工，結構設計，表皮構造設計等方面，同時利用建筑信息模型以及參數化編程控制技術生成了無法逐一繪制的技術信息，完成了常規技術無法實現的設計成果。三維數字技術的運用實現了設計成果的矢量化與精確化，并且進行智能化的調整和修正，優化了工程的生產、建造與運行工序。

高精度數字軟件支持

數字技術的價值在建筑設計創作中的體現，是提供一個探討有效的、設計控制方法的平臺，將復雜形體建筑超越形式的高品質和高精度在實際的工程階段得以實施。

本案利用多種高精度三維設計軟件將所有的可視元素在BIM模型中進行了表達和驗證，虛擬化的建筑元件在幾何尺寸和形式上具有與真實建筑構件1∶1的足尺比例關系，并且包含了建筑材料、重量等非幾何信息。從深度上講，建筑的構件得到了完整的表達并達到了航空、汽車制造業的數據精度。

多層次數字團隊建構

在數字團隊構建上，其人員主要來自兩個方面：一方面是能夠掌握數字化軟件，能夠勝任復雜形體處理工作的建筑、結構、機電設計師。通過建立一套“三維協同”設計規則，使大家可以在同一個平臺上共同工作。另一方面，對于一些十分專業化的數字化工作，如計算機編程則由專業化的顧問公司提供專項咨詢服務。此外，鳳凰項目數字化設計團隊中還包括后續深化設計階段、數十個國內頂級生產廠商及設備廠商。

全新的工作模式

“三維協同”是數字化帶來的全新工作模式，他的實現依賴于BIM技術的運用。在三維協同狀態下，建筑師、結構、機電工程師可以基于同一個全信息建筑模型完成設計成果的交流與傳遞。各類配合問題可以在第一時間被發現，并在直觀可視的狀態下完成團隊內部的溝通、討論、決策，及時保證設計成果的高度整合性。

更為重要的是，基于“建筑系統”劃分構建的“三維協同”工作方式的原則，有效建立起了一個完整的、劃分和整合工作邊界的依據。不僅可以滿足各個設計人員的工作成果被高效的拆分和組裝，而且可以保障所有需要嚴格控制的建筑系統均達到足夠的設計深度。這種方式使鳳凰中心項目真正實現了虛擬建造，使工程后續的生產、建造與運行工序大大受益，甚至帶動了整個建筑產業鏈的升級和發展。

基于參數化技術的幾何控制系統

參數化技術為幾何控制系統的建構提供了靈活的控制途徑。通過預設參數、調試參數的方式建構參數模型，在動態調整中穩定建筑信息模型理想的幾何控制關系。

鳳凰中心南側包裹的辦公主樓從一個順滑的“主樓基面”發展為包含多層次建筑構件信息的實體，經過了嚴密的、多層級參數調控過程。我們由建筑“基礎控制面”推導出“主樓基面”，再由“主樓基面”定義完整的主樓梁、板、柱結構幾何控制線，最后以結構幾何控制線為基礎加入建筑裝修幾何控制系統。通過多層級的幾何定義和參數調控得到的設計成果，為高精度的工程實施奠定了堅實的控制基礎。

圖4 由“基礎控制面”推導出“主樓基面”

圖5 由“主樓基面”得到主樓結構幾何控制線、結構控制模型和建筑控制模型

圖6 主樓建筑裝飾系統的參數化預設和調控過程

高精度的數據信息

圖7 主樓結構板邊的優化及描述數據的輸出

圖8 建筑專業為結構專業提供鋼結構梁中心線

圖9 結構專業用建筑控制作為結構計算模型的基礎，極大提高了計算模型的精度

鳳凰項目利用的BIM技術，是在虛擬環境中對建筑進行信息模擬的數字化模型，包含了具體而精確的建筑信息，因此建筑師可以不再通過二維圖紙的信息轉換，而直接在三維數字平臺中進行復雜形體建筑的創建和調整。對于復雜形體建筑中存在的、眾多二維表達所不能描述的復雜空間、復雜幾何信息，利用BIM三維可視的特點，可以對其效果進行先期驗證。因此，鳳凰項目的BIM模型是與鳳凰項目的設計、甚至建筑構件的建造、生產同步更新的，使得所有建筑構件的完成效果與模型控制效果一致，這也是BIM技術應用的真正價值所在。

另一方面，建筑BIM模型中所有建筑系統及其所包含的建筑構件的數據信息均嚴格依據一套復雜的幾何定義規則建立，使得這些數據信息具有可描述、可調控、可傳遞的特征，為后續設計優化調控和設計信息的準確傳達奠定了基礎。

可描述的數據，即自由曲線和不規則形體在三維空間中通過矢量化方式得到定義，保證組成圖形的每個幾何元素都具有精確的數據信息，這些信息能夠通過條件預設得到有計劃的輸出。

可控制的數據，即在幾何圖形以矢量化得到描述后，通過參數預設進行人工控制，以達到理想的設計狀體。鳳凰中心幾何控制系統本身的建構就是基于可調整的參數化技術完成的。

可傳遞的數據，指物體被描述的、矢量化幾何信息能夠轉化成為某種通用的格式，成為信息傳遞的前提。在設計過程中，建筑專業為結構專業提供外殼鋼結構梁的幾何中心線，作為結構計算模型的基礎，極大的提高了結構計算的精準度。

BIM協助設計控制與優化

高質量的建筑信息模型使建筑師不必再憑借抽象思考進行設計，建筑模型中的復雜關系，尤其是不規則曲面構件之間的位置關系、比例尺度，都與現實建造保持一致，建筑師可以在虛擬環境下真實解決建造問題，進行美學推敲和空間體驗。這一技術手段大大提高了復雜形體的設計效率，同時保障了最終設計成果的精度。

圖10 鋼結構落地支座的優化

例如，有著同樣幾何生成邏輯的100根彎扭的主、次鋼梁，其落地狀態無一相同，優化設計中，將支座分成上、下兩部分，通過統一規則的曲線轉直線切變處理，將連接銷軸控制成2-3類標準的樣式，以便于統一開模鑄造。環形坡道的找形和優化工作也是技術難度較大的工作之一。全長252米的環形坡道從7米標高爬升到19.6米高的裙房四層。在爬升過程中，先后與外殼鋼結構、主樓及裙房混凝土結構產生搭接關系，同時還要保證環坡的外型優美流暢。裙房內幕墻初始的控制面由復雜的雙曲面構成，為在造價允許范圍內高質量的完成此部分設計控制，建筑師依靠BIM模型的高精準性，對原始的雙曲面進行了板片優化的數據分析。結合數據分析的結果確定了板片優化的模數設置，板片平面外偏差的消納規則，并最終建立起完整的干掛SRC板材幕墻體系模型，用以直接指導后續的生產加工和安裝工作。

綠色設計理念

鳳凰中心的復雜形態并非一蹴而就，這是基于設計師利用數字技術手段，對場地條件、規劃要求、周邊環境充分分析的結果。利用AutodeskEcotect Analysis軟件中的仿真和分析功能，輔助綠色設計理念的推進。基于GIS數據、衛星圖片和地圖，提取場地和地形信息，一鍵式快速建立完整的周邊城市區域模型。將模型應用于規劃設計、體量推敲等方面的工作。建筑的室外風環境模擬為本項目在形態修正和總平面設計中避免不利街道風，適應場地微生態環境提供了支持。利用Autodesk V asari-Wind Tunnel軟件建立三維模型，根據北京地區氣象參數，結合建筑周邊建筑及狀況，對鳳凰中心的室外風環境進行模擬計算和分析。

改變建造模式的數字化信息傳遞與對接

1.設計控制模型的傳遞

作為設計研究工具的BIM模型攜帶最新的建筑數據信息，以鳳凰中心項目的外幕墻系統為例，建筑師向加工企業提供完整的外幕墻系統模型。該模型包含所有與幕墻系統相關的幾何控制系統信息以及以這些幾何控制系統信息作為參數條件的、完整的幕墻折板單元控制面實體模型。

這個幕墻設計控制模型包含著每個幕墻折板單元與周邊控制信息的衍生關系，控制幕墻折板單元的位置及輪廓，提供每個幕墻折板單元唯一的坐標、尺寸。這些信息為后續幕墻企業的深化設計提供了基礎。

2. 模型數據的擴展與加工對接

幕墻加工企業在設計控制模型的基礎上進行深化設計，需要為每個幕墻折板單元增加鋼框架、鋁龍骨、外側裝飾鋁板、裝飾百葉、玻璃、裝飾扣蓋、內側裝飾鋁板、開啟等構件信息。所有幕墻折板單元的構件總數達數十萬，均為異形構件，且各不相同，其加工數據量達到百萬數量級。如此多的構件及數據量，無法靠手工加工完成。加工企業自主研發、編寫了一套二級程序系統——鳳凰中心數據信息生成系統。一方面，該程序系統通過控制單元板塊各個構件之間的構造邏輯關系，自動完成所有折板幕墻單元的生成功能，實現從設計控制模型到深化設計模型的升級。另一方面，加工企業通過該程序系統，自動完成從模型中提取幕墻工程加工、安裝數據信息的工作，為數控加工創造了條件。

圖11 由設計團隊提供給加工企業的完整幕墻控制模型作為深化設計依據，該模型包括每一個折板玻璃幕墻單元的控制框架邊界

總結

圖12 從設計控制模型數據到加工深化模型數據的傳遞

鳳凰中心項目幕墻分項工程真正實現了數字化設計與數字化加工的無縫對接，將建筑設計業與制造業完美結合，成為信息時代下，建筑產業發展過程中的重要示范。

數字技術使得高復雜度的鳳凰中心得以精美的呈現，但是該建筑的精彩絕不止于新興技術本身的光芒，而是如何運用科技更高品質的實現日趨多樣化和復雜化的建筑創作構想，同時以科技感的建筑空間高精致度地回應設計師對于當下建筑人性化設計的思考。隨著鳳凰中心項目投入使用，將會有更多的親歷者在鳳凰之旅的體驗中感受到人、環境、建筑與科技創新的交融與混響。

（來源：北緯華元）

華業鋼構有限公司是中國能源建設集團浙江火電建設有限公司的全資子公司，是一家集鋼結構、核島模塊、鋼制管道、電纜橋架制造的專業化生產企業。擁有住建部“鋼結構工程專業承包壹級”資質、中鋼協“鋼結構制造企業壹級”資質、“鍋爐鋼結構制造能力認證（一級）”資質、“輕型鋼結構工程設計”乙級資質，通過美國鋼結構協會（AISC）建筑、簡單橋梁、復雜油漆認證、歐盟EN1090（EXC3）認證。是中國鋼結構協會常務理事單位和鍋爐鋼結構分會副理事長單位。

華業鋼構擁有鎮海和海鹽兩個生產基地，占地16萬平方米，車間最大單件起重量200噸，年生產各類鋼結構10萬余噸，生產設備先進，工藝技術優良，質量服務優秀，是國家標準——NB/T 47043-2014《鍋爐鋼結構制造技術規范》的主要參編制造企業。截至目前，公司已累計完成大型電站鍋爐鋼結構項目100余臺。其中，百萬千瓦以上機組鍋爐鋼結構20余臺，還先后完成了國內首臺1000MW機組鍋爐冷噴鋅防腐鋼結構、國內首臺1240MW機組鍋爐鋼結構。

華業鋼構產品質量優異、深得用戶信賴。公司長期與通用電氣（GE）、美國巴威、阿爾斯通、東方鍋爐、北京巴威、上海鍋爐、哈爾濱鍋爐、三星工程及其他國內外知名公司良好合作，具有按GB、AISC、EN1090、AS、DIN等標準生產的豐富經驗。公司產品覆蓋火電、核電、風電、化工、建筑、環保、機場等領域，先后進入美國、澳大利亞、墨西哥、土耳其、印度、印尼、越南、緬甸、柬埔寨等國際市場。2015年出口產品占比80%。