重慶國際馬戲城
——基于Revit平臺的復(fù)雜建筑BIM應(yīng)用

◎ 本刊記者 王 景

圖1 重慶國際馬戲城沿江效果圖

重慶國際馬戲城位于重慶市主城區(qū)彈子石組團(tuán)A標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)，總用地面積3.333公頃，總建筑面積3.72萬平方米。建筑功能包括主表演館、配套服務(wù)設(shè)施、動物馴養(yǎng)用房、辦公公寓等四個部分，是重慶十大文化建筑之一。

方案設(shè)計理念來源于馬戲表演動靜和諧、亦真亦幻的效果呈現(xiàn)。造型中兩條扭動流轉(zhuǎn)的曲線契合了重慶山環(huán)水繞的城市景觀與自然肌理，隱喻連綿起伏的群山與曲轉(zhuǎn)流長的長江，以其獨特的外觀效果成就了建筑自身的標(biāo)志性。

鑒于重慶國際馬戲城項目的復(fù)雜性和重要性，在設(shè)計合同簽定時業(yè)主明確提出：要求設(shè)計單位交付BIM成果模型，標(biāo)準(zhǔn)是要求模型能進(jìn)行施工指導(dǎo)和定位。北京市建筑設(shè)計研究院有限公司（簡稱“北京院”）在該項目中實現(xiàn)了由方案設(shè)計到施工圖全過程全專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用，目前已完成施工圖設(shè)計。

重慶國際馬戲城項目的技術(shù)挑戰(zhàn)包括：

1、以Revit軟件為基礎(chǔ)，建立建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電氣全專業(yè)三維模型；

2、將CATIA軟件建立的參數(shù)化外幕墻模型與Revit軟件建立的室內(nèi)模型整合為一體，形成完整的建筑信息模型；

3、利用三維信息模型輔助設(shè)計，進(jìn)行各專業(yè)定性分析與定量計算；

4、利用三維信息模型與相關(guān)分包設(shè)計單位進(jìn)行技術(shù)配合。

圖2 重慶國際馬戲城主表演館效果圖

基于以上挑戰(zhàn)，重慶國際馬戲城項目組建立了專門的BIM設(shè)計小組，在初步設(shè)計和施工圖設(shè)計階段，完成了模型建立、復(fù)雜空間分析、功能優(yōu)化設(shè)計、幕墻優(yōu)化設(shè)計、管線綜合設(shè)計等一系列工作。

全專業(yè)BIM模型

在方案設(shè)計階段，應(yīng)用Rhinoceros軟件將手工工作模型快速轉(zhuǎn)化為計算機(jī)模型，并借助計算機(jī)模型對方案進(jìn)行造型推敲、曲面優(yōu)化、視線分析、面積控制，完成由感性創(chuàng)意到理性設(shè)計的回歸。

圖3 方案階段模型

圖4 重慶國際馬戲城主表演館Revit模型

在初步設(shè)計和施工圖階段，將CAD圖紙導(dǎo)入Revit軟件中，建立重慶國際馬戲城項目的全專業(yè)模型。整個項目模型分為建筑結(jié)構(gòu)模型、設(shè)備模型（暖通空調(diào)、給排水、消防系統(tǒng)）、電氣模型（強(qiáng)弱電橋架）、場地模型等4個模型文件，通過Revit軟件的“復(fù)制、監(jiān)視”功能實現(xiàn)各模型之間的實時信息更新。通過三維模型的建立，設(shè)計師能夠直觀準(zhǔn)確地理解復(fù)雜的建筑空間，最大限度地彌補(bǔ)了二維 設(shè)計的缺陷和不足，直接指導(dǎo)施工，準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計意圖。

馬戲城主表演館外幕墻是復(fù)雜的雙軌曲線曲面，在方案深化設(shè)計中，使用CATIA軟件建立外幕墻模型，包括幕墻金屬板、幕墻龍骨、結(jié)構(gòu)圈梁、弧形結(jié)構(gòu)柱等與幕墻曲面相關(guān)的各項內(nèi)容，通過Rhinoceros軟件將其導(dǎo)入Autodesk Revit模型，整合為一個整體。

幕墻模型建立后，對曲面平滑度進(jìn)行分析，通過不斷優(yōu)化生成曲線，最終獲得無曲率突變、光滑度較高的外幕墻曲面，并對曲面曲率進(jìn)行分區(qū)間統(tǒng)計，為幕墻深化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)建筑外觀效果，通過斜向菱形網(wǎng)格對外幕墻曲面進(jìn)行劃分，并通過控制曲面面板的最小尺寸和最大尺寸，由軟件自動完成曲面劃分，建筑師對多次劃分后的外觀效果進(jìn)行比選，確定最終劃分方式。

圖5 主表演館外幕墻模型

對幕墻曲面劃分后獲得的每一塊面板都是雙曲板，并且沒有兩塊面板是完全一樣的曲面，若按照劃分結(jié)果直接進(jìn)行面板施工，將會使幕墻造價異常高昂。建筑師通過軟件統(tǒng)計每一塊曲面板最高點及角點到平面的距離，確定合理的優(yōu)化程度，將60%的雙曲板優(yōu)化為平板，其余全部優(yōu)化為單曲板，在保證建筑整體效果的前提下，大大降低了工程造價。

圖6 曲面曲率分析

圖7 對外幕墻曲面進(jìn)行分格

圖8 將滿足條件的雙曲面板優(yōu)化為平板

利用強(qiáng)大的信息統(tǒng)計功能，對每一塊幕墻面板進(jìn)行編號，并對其定位坐標(biāo)、顏色、材質(zhì)、開洞數(shù)量、開洞尺寸和開洞位置等信息進(jìn)行統(tǒng)計梳理，為指導(dǎo)施工提供了可靠的數(shù)據(jù)信息。

圖9 幕墻面板信息統(tǒng)計表

BIM模型輔助復(fù)雜空間設(shè)計

劇場類建筑在觀眾席下部、前廳、舞臺等部位會形成一些復(fù)雜的異型空間，此類空間的合理性和可利用性需要借助三維模型分析得出結(jié)論。

圖10 主表演館前廳弧墻模型

馬戲城主表演館的前廳與觀眾廳之間通過一道弧形墻進(jìn)行分隔，它既是結(jié)構(gòu)構(gòu)件也是造型元素，同時還是主表演館前廳的設(shè)計亮點。這道弧形墻的定位受到多個條件的制約：首先，弧形墻在一層平面的位置要保證售票、存衣、零售空間的合理寬度；其次，弧形墻在二層空間的曲線要滿足觀眾走廊的有效通行寬度與高度，避免產(chǎn)生壓抑感；再次，弧形墻與外幕墻的交點要位于屋面結(jié)構(gòu)之下。借助Revit模型能夠同時生成多個平面與剖面的特點，建筑師能夠快速準(zhǔn)確地獲得滿意的曲面定位，保證前廳最終的空間效果。

圖11 主表演館前廳弧墻限制條件

在方案深化過程中，結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電氣等專業(yè)需要應(yīng)用各自專業(yè)的分析軟件對建筑方案進(jìn)行定性分析與定量計算，BIM模型能夠與其他專業(yè)軟件進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換，模型中所攜帶的大量信息數(shù)據(jù)也能夠與其他軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，避免了傳統(tǒng)設(shè)計過程中各專業(yè)要多次建立各種文件格式建筑模型的重復(fù)性工作，提高了設(shè)計師的工作效率。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中借助CAD將 Revit模型導(dǎo)入Fluent軟件，對建筑進(jìn)行風(fēng)荷載數(shù)值模擬，確定實際風(fēng)壓分布，為結(jié)構(gòu)和幕墻設(shè)計提供準(zhǔn)確依據(jù)。同時應(yīng)用SAP2000、Midas等結(jié)構(gòu)計算軟件，對建筑主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形分析，根據(jù)計算結(jié)果修正Revit模型，為建筑和機(jī)電專業(yè)的深化設(shè)計提供條件。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)節(jié)點采用CATIA建模，將CATIA模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 14進(jìn)行節(jié)點分析，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行節(jié)點三維放樣，對二維設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。以屋架鋼架節(jié)點為例，在三維放樣模型中進(jìn)行了五項內(nèi)容的優(yōu)化：一是將原設(shè)計的一個支座修改為兩個支座，方便鋼結(jié)構(gòu)加工，同時傳力更清晰；二是優(yōu)化灌漿孔位置和尺寸；三是修改埋件角鋼形狀和數(shù)量以利穿筋；四是修改穿筋形式，將整段箍筋分成2段，方便施工；五是優(yōu)化鋼筋彎折形式并調(diào)整鋼筋排布和規(guī)格。

圖12 0°風(fēng)向角風(fēng)荷載數(shù)值模擬

圖13 屋面鋼架節(jié)點三維放樣模型

消防設(shè)計中利用Revit模型模擬多個標(biāo)高的消防水炮保護(hù)范圍，校核水炮放置位置，利用最少數(shù)量的消防水炮實現(xiàn)最大范圍的保護(hù)。主表演館觀眾廳與舞臺之間無物理分隔，需要借助舞臺馬道的構(gòu)造布置照明燈具。 借助Revit模型準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)信息，采用CalcuLux Area照明設(shè)計軟件對觀眾廳進(jìn)行分析，得出合理的燈具布置及燈具設(shè)計參數(shù)。

管線綜合設(shè)計與碰撞檢查的目的是避免碰撞，解決各專業(yè)間的沖突，明確管線標(biāo)高以及輔助確定施工順序等。傳統(tǒng)二維設(shè)計中的管線綜合設(shè)計是通過繪制關(guān)鍵點剖面圖進(jìn)行各專業(yè)間的協(xié)調(diào)，而在三維設(shè)計中則可以利用BIM模型直接反映各專業(yè)條件，利用Navisworks軟件進(jìn)行碰撞檢查，使得進(jìn)行管線綜合設(shè)計的效率大大提升。

圖14-1 地下一層結(jié)構(gòu)梁與空調(diào)風(fēng)管碰撞

圖14-2 地下一層空調(diào)風(fēng)管與電氣橋架碰撞

馬戲城主表演館的機(jī)電用房主要集中在地下一層與地下二層，涉及到的機(jī)電管線包括通風(fēng)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)、強(qiáng)弱電系統(tǒng)等。利用三維模型進(jìn)行碰撞檢查時會產(chǎn)生大量碰撞錯誤，為使碰撞檢查結(jié)果清晰明確，對土建結(jié)構(gòu)與機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)之間分別進(jìn)行碰撞檢查。“硬碰撞”即時進(jìn)行調(diào)整和修改，對結(jié)構(gòu)管道所進(jìn)行的列表說明無需在圖紙中表示出來，便于下一步指導(dǎo)施工。

應(yīng)用BIM模型進(jìn)行外部配合

作為大型綜合性劇場項目，重慶國際馬戲城在施工圖完成過程中需要進(jìn)行消防性能化設(shè)計、節(jié)能審查、舞臺機(jī)械設(shè)計、園林設(shè)計、內(nèi)部精裝修設(shè)計等專項設(shè)計，這些專項設(shè)計由專業(yè)設(shè)計公司配合完成，而設(shè)計單位提供的BIM模型能夠為專項深化設(shè)計提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)條件，使專項設(shè)計能夠快速展開，并與設(shè)計單位密切配合。

由于主表演館的觀眾區(qū)與舞臺區(qū)無法進(jìn)行分隔，設(shè)計單位委托公安部四川消防研究所（“川消所”）進(jìn)行消防性能化設(shè)計。川消所使用火災(zāi)情況模擬軟件DFS和疏散模擬軟件STEPS對主表演館進(jìn)行火災(zāi)模擬和疏散分析，需要設(shè)計方提供準(zhǔn)確的建筑三維模型。設(shè)計方將Revit模型導(dǎo)出為.dxf文件，利用Pyrosim軟件與DFS軟件實現(xiàn)無縫對接，配合川消所完成了消防性能化設(shè)計。

圖15 .dxf文件直接導(dǎo)入Pyrosim工具

馬戲劇場中舞臺機(jī)械較普通劇場更為復(fù)雜，舞臺區(qū)上方除常規(guī)馬道外還需要設(shè)置與表演區(qū)和觀眾區(qū)大小相同的多層?xùn)彭敚约氨硌菪枰亩嗵庯w行器設(shè)施。這些舞臺機(jī)械設(shè)計與建筑主體結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，而馬戲城主表演館內(nèi)部空間和屋頂鋼結(jié)構(gòu)體又較為復(fù)雜，舞臺機(jī)械設(shè)計方需要多個非樓層標(biāo)高平面和多個位置的剖面才能將舞臺機(jī)械的設(shè)計內(nèi)容表達(dá)清楚。設(shè)計單位利用Revit模型可以隨時剖切出不同標(biāo)高的平面和不同位置的剖面，滿足舞臺機(jī)械設(shè)計需求，并提供相應(yīng)角度的剖透視幫助舞臺機(jī)械設(shè)計方理解空間關(guān)系。

項目初始，基于重慶國際馬戲城項目的復(fù)雜性和業(yè)主的需求，選擇使用BIM技術(shù)。隨著設(shè)計方案的不斷深入，BIM在項目管理、專業(yè)協(xié)同、數(shù)據(jù)提取上的優(yōu)勢逐漸顯露出來。BIM技術(shù)為整個建筑行業(yè)提供了一個應(yīng)用平臺，讓業(yè)主、設(shè)計方、施工方、運營方、城市管理方能夠在同一平臺上獲取信息展開工作，并且能夠通過二次開發(fā)拓展模型的應(yīng)用。隨著BIM相關(guān)軟件的不斷完善和豐富，BIM技術(shù)必將推動建筑設(shè)計乃至建筑工程全行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

圖16-1 提供給舞臺機(jī)械設(shè)計方的剖面圖

圖16-2 提供給舞臺機(jī)械設(shè)計方的剖透視圖