世博文化中心在BIM中飛翔

項目介紹

世博文化中心是世博核心區(qū)一軸四館的永久建筑之一，建筑總面積126000平方米，建筑主體為18000座的多功能主場館，具有電影、音樂俱樂部、真冰溜冰場、餐飲服務、特色商業(yè)和觀光等功能。主場館以每年舉辦250場演出作為使用目標，具有5000、8000、10000、12000、18000座的多種使用模式，可用于大型慶典、演唱會、各類演出乃至NBA籃球賽、國際冰球賽事及冰上表演等。場館采用了多項建筑創(chuàng)新技術(shù)，并通過了國家三星級綠色建筑認證。世博文化中心將成為凸顯文化內(nèi)涵、融多種功能于一體的現(xiàn)代文化娛樂集聚區(qū)，是永不落幕的城市舞臺。

上海案例館是本屆世博會唯一代表上海參展的獨立場館，位于世博園浦西片區(qū)城市最佳實踐區(qū)北部，是最佳城市實踐區(qū)內(nèi)16個實物案例之一。上海案例館選址于廢舊廠區(qū)空地內(nèi)，建筑以南北條狀設(shè)置，有利于夏季日照且迎合上海夏季的季風方向，有利于夏季通風。建筑占地面積1300平方米、建筑面積3050平方米，建筑總高18米，其中地上4層、地下1層。在使用功能方面，上海案例館作為永久性建筑，有功能使用上的不同需求：在世博會期間，作為具有上海特色的技術(shù)集成展館，向人們展示未來居住模式，強調(diào)生態(tài)技術(shù)與生活的密切相關(guān)性，體現(xiàn)技術(shù)對生活改善的重要意義；而在世博會后，通過對其內(nèi)部空間的二次改造，本案將作為生態(tài)辦公樓，體現(xiàn)建筑的全周期節(jié)能效果。

圖1 世博文化中心實景圖

圖2 世博會上海案例館外觀圖

解決方案

一、BIM模型概況

世博文化中心的整體造型呈飛碟狀，在不同角度與不同時間會呈現(xiàn)出不同形態(tài)，白天如“時空飛梭”、似“藝海貝殼”；夜晚則夢幻迷離，恍如“浮游都市”。這樣一個美輪美奐的造型卻在最初的時候面臨著設(shè)計上的巨大挑戰(zhàn)。針對世博文化中心復雜的殼體，設(shè)計師首先在工業(yè)設(shè)計軟件中進行初步找形，再對殼體進行編程劃分，確定蜂窩鋁板的三維坐標和尺寸，這樣既保證了整個殼體的美觀，又便于指導加工和安裝，最后導入Revit軟件形成BIM模型（如圖3所示）。

圖3 世博文化中心BIM模型

確定好殼體的模型之后，使用基于BIM技術(shù)的Revit系列軟件進行BIM模型的搭建，最終建立三維模型（如圖4、圖5、圖6所示）。

在建立以上各專業(yè)的三維模型之后，就可對世博文化中心整體進行Revit模型構(gòu)建，從而可以輔助建筑師觀察建筑內(nèi)部空間關(guān)系和中心舞臺展示（如圖7所示）。

二、BIM模型的應用與分析

通過完整的世博文化中心三維模型，設(shè)計師可以進行全方位的3D漫游展示（如圖8所示）。

圖4 世博文化中心——Revit建筑模型

圖5 世博文化中心——Revit結(jié)構(gòu)模型

圖6 世博文化中心——Revit機電模型

圖7 基于Revit模型的文化中心的空間分析和可視化設(shè)計

圖8 基于Revit模型的3D漫游展示

BIM模型借助Autodesk 3ds Max進行建筑表現(xiàn)，通過適時的渲染建筑效果，可以幫助建筑師對建筑的最終造型和外觀有更加感性和直觀的認識（如圖9所示）。

世博文化中心涉及到許多的專業(yè)計算和分析，利用建立好的三維BIM模型，設(shè)計師可以進行多方面的計算和分析，從而有針對性的進行優(yōu)化設(shè)計。

圖9 Revit模型導入Autodesk 3ds Max渲染

首先，利用Revit軟件制作文化中心的結(jié)構(gòu)模型并搜集BIM信息，并將模型導入結(jié)構(gòu)分析軟件進行計算（如圖10所示）。

圖10 將模型導入結(jié)構(gòu)分析軟件進行計算

其次，利用Rhino SP4+AutoCAD對入口大跨度鋼結(jié)構(gòu)雨棚進行坐標定位和建模，然后導入Revit軟件形成BIM模型，再結(jié)合收集的Revit模型信息，利用x-steel專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)軟件進行鋼結(jié)構(gòu)的分析，最后直接交付廠家進行鋼結(jié)構(gòu)制作（如圖11所示）。

圖11 入口大跨度鋼結(jié)構(gòu)雨棚的Revit建模和鋼結(jié)構(gòu)分析

第三，利用Revit軟件可以直接進行空調(diào)負荷計算、空調(diào)通風系統(tǒng)水力計算、水系統(tǒng)水力計算、電氣負荷以及電氣負荷平衡計算等（如圖12-16所示）。

第四，設(shè)備材料統(tǒng)計。由于BIM模型包含了建筑物所有結(jié)構(gòu)和設(shè)備的全部信息，因此能夠準確、便捷地統(tǒng)計出建筑物的設(shè)備材料數(shù)據(jù)（如圖17所示）。設(shè)計材料統(tǒng)計方面，世博文化中心利用Revit軟件本身的明細表進行了很多研究和探索，在設(shè)計材料方面做了一個模板，通過該模板可以直接統(tǒng)計出建立施工方案的人想要的材料數(shù)據(jù)，同時，這些模板也可以直接應用。此外，Revit軟件的明細表還可以直接導入Excel表，幫助相關(guān)人員進行信息模塊的梳理。

圖12 Revit軟件進行空調(diào)負荷計算

圖13 Revit軟件進行空調(diào)通風系統(tǒng)水力計算

圖14 Revit軟件進行水系統(tǒng)水力計算

圖15 Revit軟件進行電氣負荷計算

圖16 Revit軟件進行電氣負荷平衡計算

BIM技術(shù)大大提升了計算效率。傳統(tǒng)的設(shè)計依靠人工進行數(shù)據(jù)輸入，比如空調(diào)的計算，設(shè)計師畫好圖紙以后，需要把維護結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)、窗墻面積等數(shù)據(jù)手動輸入到軟件中，這個過程難免會產(chǎn)生一些誤差和偏差，同時也會簡化很多信息。而在BIM模型中，由于是借助建筑師已經(jīng)搭建好的模型進行空調(diào)的計算，所以就會非常迅速和精準，而且即使模型有所調(diào)整，對應的信息也會實時更新，這對于暖通空調(diào)的計算來說是一項非常便利的技術(shù)。另外，BIM技術(shù)在水力計算方面也給設(shè)計師帶來了很大的方便。

第五，項目施工進度與工期。BIM是擁有全部信息的數(shù)字模型，可以將施工模擬成為一個真正可見的現(xiàn)實，并給每個構(gòu)件加上時間、信息，按照施工方案進行模擬，這樣的模擬會發(fā)現(xiàn)很多問題，例如某些構(gòu)件先施工或者安裝會導致后面的構(gòu)件無法進行施工或安裝等。通過BIM應用，設(shè)計方可以在施工模擬中發(fā)現(xiàn)問題并加以解決。

圖17 Revit軟件進行建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備材料的統(tǒng)計

在技術(shù)優(yōu)化方面，運用BIM能夠很容易地統(tǒng)計出施工瓶頸，因此業(yè)主和總包方就可以據(jù)此對施工的工作進度進行合理的安排。雖然這樣可能會減緩某一個分包的施工進度，但從全局來看，卻不會影響整個建筑的完成周期，相反，還會使整個施工進度的安排更加合理。

世博文化中心項目利用BIM技術(shù)進行了一系列施工進度模擬與安裝模擬，例如Revit模擬與MS Project和Visio軟件結(jié)合而進行的施工模擬等，能夠達到優(yōu)化進度、縮短工期的效果（如圖18和圖19所示）。

三、BIM協(xié)同設(shè)計方法與模式

無論是世博文化中心項目還是世博上海案例館項目都存在很多的內(nèi)外協(xié)作，這就面臨來自各方的挑戰(zhàn)。設(shè)計方和各種顧問咨詢方組成一支非常龐大的設(shè)計隊伍，而每一方都會有不同的信息需求，通過BIM技術(shù)，各方可以將其需求都反映到一個信息平臺上，從而高效完成溝通與協(xié)調(diào)。

圖18 施工現(xiàn)場利用Revit模型指導施工和鋼結(jié)構(gòu)裝配

在設(shè)計階段，如果采用傳統(tǒng)軟件進行協(xié)作是非常困難的，尤其是在各種管線交叉問題的處理上，但BIM技術(shù)為此提供了極大的方便，明顯地提高了工作效率。此外，BIM技術(shù)還使得設(shè)計方與施工方、業(yè)主的溝通變得更加直觀與快捷。

與外部協(xié)調(diào)的實例：由于世博文化中心是貝殼狀的造型，頂部的鋼制桁架需要隨其變化和展開，同時因為整體空間很大就需要較大的排風管、排煙管，為避免可能發(fā)生的各種情況，現(xiàn)代設(shè)計集團華東院與制造廠商根據(jù)BIM模型溝通了風管在桁架中間的穿行情況。如果按傳統(tǒng)的方式進行探討，制造廠商在實現(xiàn)三維表現(xiàn)之前是很難想象出如何實施安裝的，而且制造出來的風管很可能在現(xiàn)場無法使用。因此，利用三維模型可使設(shè)計根據(jù)形狀進行深化，進而設(shè)計出合理的管道支架。

與內(nèi)部協(xié)調(diào)的實例：項目中的管線布局非常復雜，一旦某專業(yè)想做一個調(diào)整，就會帶動一系列的調(diào)整。如何減少錯漏、碰撞情況的出現(xiàn)？傳統(tǒng)二維CAD圖紙很難解決這個問題。建筑師設(shè)計了屋頂，結(jié)構(gòu)設(shè)計師根據(jù)屋頂?shù)脑煨?，通過計算分析采用何種桁架，但是這些都無法直接反映給機電設(shè)計師，他們通常因無法在傳統(tǒng)圖紙上顯示管線的安裝位置而束手無策。通過基于BIM的Revit三維軟件可以非常直觀的反映管線安裝的位置。Revit軟件所反映出來的三維模型逼真、直觀，即使遇到管線不能按原設(shè)計進行安裝的情況，也可以非常便利地對結(jié)構(gòu)重新進行調(diào)整。如果沒有BIM模型，項目就只能靠現(xiàn)場試驗，在結(jié)構(gòu)裝好后再進行機電管線的安裝，但因為結(jié)構(gòu)施工完畢不易做改動，所以就可能會導致機電管線的安裝不合理。Revit三維設(shè)計軟件的應用大大提高了工程機電管線和結(jié)構(gòu)之間配合的合理性。

圖19 施工現(xiàn)場利用BIM模型指導施工和鋼結(jié)構(gòu)裝配

圖20 世博上海案例館一體化BIM信息模型

四、碰撞檢測與管線綜合

圖21 Revit模型導入Navisworks進行碰撞檢測和管線綜合 (世博文化中心)

圖22 碰撞檢測報告范例

世博文化中心項目在機電管線方面遇到了前所未有的困難：由于空間的限制，使得機電管線之間錯漏碰缺的現(xiàn)象非常嚴重。機電模型在該項目中主要有兩處比較復雜：一是屋架內(nèi)各種管線的安裝；二是機房內(nèi)管線密集，設(shè)備管線難以協(xié)調(diào)。利用三維軟件Autodesk NavisWorks軟件進行碰撞檢測，使得進行管線綜合的效率大大提升，并且能夠直接用于指導施工。

碰撞檢測與管線綜合的目標是避免碰撞、解決吊頂沖突、明確管線位置標高以及輔助確定施工工藝等。從傳統(tǒng)意義上講，現(xiàn)場出現(xiàn)問題最多的地方，也是拆改比較多的地方，會給業(yè)主造成額外的拆改成本，包括工期延誤所帶來的損失。以前管線綜合的過程往往是在頭腦中想象，再通過畫圖表示，現(xiàn)在利用BIM能夠更直觀的反映這些問題，提高此過程的效率。

機電管線種類較多，設(shè)計專業(yè)多，施工工種多。一般包含通風空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等。BIM模型可以反映所有管線和設(shè)備在建筑內(nèi)的信息和情況。例如，在關(guān)鍵的大廳、路口，利用BIM不僅僅可以進行碰撞檢測，還可以實現(xiàn)空間優(yōu)化。

一般情況下，項目都會發(fā)生無數(shù)的碰撞，但對于有經(jīng)驗的BIM工程師來說，不僅僅是要找到碰撞，而且還要對碰撞進行分析，以為設(shè)計師提供解決方案。如圖23所示的案例，左邊為世博上海案例館四層多媒體放映廳的一部分，通過碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)下行臺階與暖通風管相沖突，協(xié)調(diào)后將其置于板底吊頂中；右邊是在世博上海案例館二層中，發(fā)現(xiàn)暖通管道設(shè)計標高低于天花板設(shè)計標高（建筑標高5.100米），兩者存在300mm差距，在其后的設(shè)計修改中降低了吊頂高度。

六、BIM在綠色與低碳方面的應用

圖23 建筑與設(shè)備沖突案例 (世博上海案例館)

一個項目要體現(xiàn)“低碳、綠色、環(huán)?！钡脑O(shè)計理念，需要設(shè)計師們做哪些方面的工作呢？世博文化中心項目設(shè)計按照3R原則（減量化Reduce、再利用Reuse、再循環(huán)Recycle）對新能源利用、節(jié)能、節(jié)水、資源回收和再利用進行了統(tǒng)籌安排，同時采用了江水源熱泵系統(tǒng)、冰蓄冷技術(shù)、氣動垃圾回收系統(tǒng)、空調(diào)凝結(jié)水與屋面雨水收集系統(tǒng)、程控性綠地節(jié)水灌溉系統(tǒng)等多種有效的技術(shù)手段。通過對能源、水消耗、室內(nèi)空氣品質(zhì)和可再生材料的使用等多方面進行控制，使世博文化中心成為了真正意義上的綠色建筑，并被評為中國“三星級綠色建筑”。BIM技術(shù)的應用使得上述各種綠色技術(shù)手段得以在項目中更加高效、順暢的實施。世博文化中心項目使用Autodesk Ecotect軟件進行日照分析、采光分析、熱環(huán)境模擬等分析，具體應用如圖24-31所示。

圖24 模型導入到Autodesk Ecotect軟件中進行日照分析

圖25 模型導出到Autodesk Ecotect軟件中進行采光分析

圖26 模型導出到Autodesk Ecotect軟件中進行熱環(huán)境模擬

圖28 Revit模型導入專業(yè)燈光分析軟件Dulax，對入口燈光進行真實模擬

圖29 Revit模型導入Gambit軟件進行室外風環(huán)境模擬

圖30 Revit模型導入CATT軟件進行大廳聲學分析

圖31 模擬導出到CATT軟件中進行聲學分析

未來展望

BIM是為建筑的全生命周期而設(shè)計，就現(xiàn)階段的情況來看，BIM會在設(shè)計和施工兩個方面全面展開應用，這也是全生命周期中非常重要的兩部分。實現(xiàn)全生命周期的應用是一個長期的戰(zhàn)略目標，還需要一段時間的發(fā)展。

現(xiàn)代設(shè)計集團華東院于2008年開始探索BIM技術(shù)，2009年初技術(shù)中心組建了BIM工作組，力求在BIM設(shè)計和BIM咨詢方面提升自身能力并拓展相關(guān)業(yè)務，為客戶提供更高效、更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計產(chǎn)品和服務。隨著現(xiàn)代設(shè)計集團華東院BIM技術(shù)應用范圍的不斷擴大，并借助于諸如世博文化中心和世博上海案例館等精品項目所積累的豐富經(jīng)驗，現(xiàn)代設(shè)計集團華東院一定能夠搭建好BIM技術(shù)這樣一個平臺，實現(xiàn)在設(shè)計、施工以及運營維護過程中全面應用BIM解決方案的愿景。