參數(shù)化BIM建筑設(shè)計(jì)技術(shù)及其運(yùn)用研究

1 引言

BIM 技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)勢(shì)，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(guò)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(chǎng)館優(yōu)化設(shè)計(jì)為例對(duì)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。

2 參數(shù)化BIM建筑設(shè)計(jì)概述

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

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(wèn)題為邏輯問(wèn)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(guò)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)要素、明確邏輯關(guān)系，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的多樣化組合方式予以計(jì)算。

2.2 BIM技術(shù)應(yīng)用意義

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(duì)上述問(wèn)題予以解決，通過(guò)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(wèn)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(duì)虛擬環(huán)境中的建設(shè)和使用情況進(jìn)行模擬。

3 參數(shù)化BIM建筑設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究

文體場(chǎng)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。

3.1 參數(shù)化BIM技術(shù)設(shè)計(jì)路徑

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(píng)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(duì)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(wèn)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(duì)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(duì)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(duì)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(wú)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(hào)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(duì)建筑結(jié)構(gòu)的幾何、狀態(tài)信息進(jìn)行真實(shí)模擬。通過(guò)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(wèn)題。

3.2 參數(shù)化BIM技術(shù)設(shè)計(jì)管理

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(chǎng)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(duì)方案修改、合并等問(wèn)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(kù)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(duì)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(tái)搭建。 所以，需要構(gòu)建清晰的BIM 構(gòu)架（見(jiàn)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(duì)各方建設(shè)意見(jiàn)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(wèn)題，以優(yōu)化設(shè)計(jì)管理。

3.3 數(shù)字化協(xié)同

BIM 不僅是以構(gòu)建模型為主的技術(shù)平臺(tái)， 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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(duì)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(guò)程中可能導(dǎo)致的構(gòu)件丟失問(wèn)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(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)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(guò)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。

4 結(jié)語(yǔ)