珠生于貝 貝生于海
——珠海歌劇院項(xiàng)目中的BIM技術(shù)應(yīng)用

◎ 本刊記者 趙 樊

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“北京院”）作為業(yè)內(nèi)著名的建筑設(shè)計(jì)企業(yè)，近年來(lái)在復(fù)雜形體和綜合性建筑的專(zhuān)業(yè)協(xié)同、同步設(shè)計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了多樣化的實(shí)踐，在鳳凰衛(wèi)視傳媒中心、CBD-Z15-中國(guó)尊、深圳機(jī)場(chǎng)T3航站樓等項(xiàng)目中均不同程度的運(yùn)用了BIM技術(shù)作為工作手段，珠海歌劇院這一項(xiàng)目更是將BIM技術(shù)作為核心平臺(tái)，旨在從設(shè)計(jì)到施工的各個(gè)方面為建筑的全生命周期提供最適宜的解決方案。

項(xiàng)目概況

珠海歌劇院地處中國(guó)南部，位于廣東省珠海市野貍島人工填海區(qū)，是野貍島新填海區(qū)的核心建筑。無(wú)論從香洲灣到野貍島，還是從珠江口到情侶路，在各個(gè)角度看歌劇院都是視線(xiàn)的中心。珠海歌劇院總建筑面積 59000 平方米，包括1550座的歌劇院、550座的多功能劇院、以及室外劇場(chǎng)預(yù)留和旅游、餐飲、服務(wù)設(shè)施等。作為我國(guó)第一座海島劇院，珠海歌劇院的定位是：高雅的文化藝術(shù)殿堂、聞名的文化旅游勝地。其意義不單是建造一座高品質(zhì)的劇院，而是為珠海這座城市創(chuàng)造一個(gè)具有原創(chuàng)性、地域性和藝術(shù)性的標(biāo)志性建筑。

圖1 珠海歌劇院室外鳥(niǎo)瞰效果圖

珠海歌劇院建筑方案的創(chuàng)作構(gòu)思源于大海，用地的總體布局形似從海中升起的美麗魚(yú)鰭烘托著純凈的雙貝造型，又如海潮退去浮現(xiàn)出海納百川般的日月形象，形成“珠生于貝，貝生于?！钡囊饩常瑢?duì)珠海市的歷史文化底蘊(yùn)做出了恰如其分的詮釋。

歌劇院觀眾廳的色彩取意于傍晚時(shí)分，海面與天空漸漸融合深邃，星空漸起，海灘被夕陽(yáng)染成一片金黃，蒼茫的海平面已經(jīng)寧?kù)o下來(lái)，仿佛正在等待著一場(chǎng)華麗樂(lè)章的響起。通過(guò)這一精心設(shè)計(jì)的歌劇院色彩氛圍，巧妙地運(yùn)用了色彩的退暈和對(duì)比，既滿(mǎn)足了舞臺(tái)臺(tái)口區(qū)顏色較暗的原則，又將從天蓬到地面演變的景象自然地展現(xiàn)出來(lái)，這一環(huán)境空靈而震撼，與演出前的候場(chǎng)氛圍十分統(tǒng)一，同時(shí)也使珠海歌劇院獲得了獨(dú)一無(wú)二的室內(nèi)藝術(shù)環(huán)境。

圖2 珠海歌劇院室內(nèi)效果圖

項(xiàng)目難點(diǎn)

空間——?jiǎng)?chǎng)內(nèi)復(fù)雜的曲面空間結(jié)合了聲學(xué)、舞臺(tái)照明、空調(diào)等各個(gè)專(zhuān)業(yè)的不同要求，而事實(shí)上，觀眾廳內(nèi)的復(fù)雜曲面不僅是設(shè)計(jì)意圖的表達(dá)，同時(shí)也要將觀眾廳設(shè)計(jì)中的反聲板、聲擴(kuò)散體、耳光、面光橋等功能性設(shè)施結(jié)合到一起。

專(zhuān)業(yè)——對(duì)于這樣一個(gè)高難度的劇場(chǎng)設(shè)計(jì)，特聘請(qǐng)了荷蘭的KUNKEL公司作為劇院舞臺(tái)機(jī)械領(lǐng)域的設(shè)計(jì)顧問(wèn)；澳洲的MARSHALL DAY作為劇院聲學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)顧問(wèn)；SPEIR+MAJOR照明設(shè)計(jì)公司作為整體照明設(shè)計(jì)顧問(wèn)；日本的GK公司作為標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的顧問(wèn)；以及承接過(guò)國(guó)家大劇院外幕墻的珠海晶藝幕墻公司作為建筑屋面及幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顧問(wèn)。如此復(fù)雜的專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)陣容，如何在滿(mǎn)足工程進(jìn)度的同時(shí)與全球頂級(jí)的劇場(chǎng)專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行頻繁而密切的配合與協(xié)調(diào)，這是對(duì)工作平臺(tái)的一大考驗(yàn)。

結(jié)構(gòu)——珠海歌劇院的主體建筑集中在海島建筑環(huán)路的內(nèi)側(cè)，建筑最高點(diǎn)達(dá)到了90米，貝殼除標(biāo)志性造型外，還為劇院提供豎向交通空間。雖然建筑自身的采光、通風(fēng)環(huán)境十分優(yōu)越，但對(duì)于珠海這一海濱城市，臺(tái)風(fēng)、潮濕空氣的腐蝕和污染是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重大挑戰(zhàn)。

BIM在建筑設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用如下：

在劇場(chǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用BIM軟件幫助實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的座位排布及視線(xiàn)分析，借助這一系統(tǒng)，可以切實(shí)的了解劇場(chǎng)內(nèi)每個(gè)座位的視線(xiàn)效果，并做出合理、迅速的調(diào)整。根據(jù)座椅的設(shè)計(jì)尺寸，以單元的形式整合到模型中，可對(duì)每一個(gè)座椅的間距、尺寸等進(jìn)行即時(shí)的調(diào)整，并結(jié)合通用人體模型模擬視線(xiàn)。BIM軟件可以根據(jù)建筑師的要求自動(dòng)生成各個(gè)角度的模擬視線(xiàn)分析，通過(guò)視線(xiàn)分析模擬，建筑師可以直觀的看到觀眾視點(diǎn)的狀況，從而逐點(diǎn)核查座椅高度和角度，進(jìn)而決定是否修改設(shè)計(jì)。根據(jù)參數(shù)化模型可直接生成視線(xiàn)分析表格，在參數(shù)化的輔助下，高達(dá)1550座的視線(xiàn)分析，這幾乎不可想象的工作量，都可交由參數(shù)化軟件模擬，不僅提高了效率，也降低了錯(cuò)誤率。

圖3 視線(xiàn)分析模擬

圖4 視線(xiàn)模型分析結(jié)果

圖5 劇場(chǎng)綜合專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)圖

在BIM技術(shù)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái)幫助下，各階段都可以與各專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)緊密的同步并共享設(shè)計(jì)成果。這一模式大大加快了設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)避免了各團(tuán)隊(duì)之間由于溝通問(wèn)題而產(chǎn)生的失誤與返工。在劇場(chǎng)專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，BIM技術(shù)可以對(duì)舞臺(tái)設(shè)計(jì)中的面光、耳光、追光的角度和投射面進(jìn)行即時(shí)的模擬，即減少了工作量也提高了工作效率。

對(duì)于觀眾廳來(lái)說(shuō)，吊頂板聲學(xué)設(shè)計(jì)非常重要，要滿(mǎn)足一次反射聲的要求，并能夠最大限度的擴(kuò)展觀眾廳內(nèi)的混響時(shí)間。針對(duì)劇場(chǎng)內(nèi)表皮模型的復(fù)雜性，借助軟件搭建的BIM平臺(tái)和Odeon聲學(xué)軟件，可以在很短的時(shí)間里建立完整的聲學(xué)模型，模擬并糾正模型的問(wèn)題，并反饋到設(shè)計(jì)師手中。

構(gòu)建聲學(xué)模型的意義是什么？

在整個(gè)觀眾席區(qū)域所有網(wǎng)格點(diǎn)(1m x 1m 的網(wǎng)格)的計(jì)算結(jié)果顯示了聲學(xué)參數(shù)隨空間位置的變化，用彩色圖來(lái)顯示這些計(jì)算值可以清楚地表示聲學(xué)參數(shù)在座位區(qū)域的分布。

圖6顯示了頻率為1000Hz 時(shí)觀眾廳內(nèi)混響時(shí)間的分布，混響時(shí)間的變化范圍是0.8s 到1.8s。在一個(gè)聲擴(kuò)散空間內(nèi)，混響時(shí)間的分布是均勻的，圖7顯示了頻率為1000Hz 時(shí)EDT（早期衰減時(shí)間即人們對(duì)一個(gè)房間混響時(shí)間的感受）的分布。EDT的變化范圍為0.8s 到1.8s。可以看出池座后部和樓座看臺(tái)的觀眾席處具有較低的EDT值（圖中的深色部分），這一結(jié)果表明這些觀眾席處的聲音將具有較低的豐滿(mǎn)度和混響感。圖8顯示了模型中兩個(gè)對(duì)清晰度來(lái)說(shuō)至關(guān)重要的區(qū)域。在池座的中央位置顏色很深，表明該區(qū)域的聲音具有較低的清晰度，這也表明該區(qū)域接收到的早期反射聲較少，而較多地暴露在混響聲場(chǎng)中。根據(jù)這些建議，通過(guò)不斷的修改室內(nèi)模型的造型，以便更好的滿(mǎn)足觀演的需求。

在BIM模型內(nèi)建立一套反饋機(jī)制，生成從聲源到反聲板再到觀眾區(qū)的一套計(jì)算模型。在這套反射模型中，通過(guò)調(diào)整反聲板的角度、大小、高度等數(shù)據(jù)，確保來(lái)自聲源的聲音能夠準(zhǔn)確的落在觀眾席上，最終將反聲板整合到觀眾廳內(nèi)表面模型中，并由Odeon聲學(xué)軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

同樣的，BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)形體的塑造上也體現(xiàn)了不可替代的作用。

圖9 觀眾廳內(nèi)表皮調(diào)整前

圖10 觀眾廳內(nèi)表皮調(diào)整后

圖11 室外人視圖

圖12 歌劇院交通廳

建筑造型的緣起，選擇了寓意珠海歷史與文化的雙貝形象。歌劇院的觀眾廳和主舞臺(tái)、后舞臺(tái)都涵括其間，建筑造型純凈而自然，通向歌劇院上部樓層的交通系統(tǒng)完全設(shè)計(jì)在貝殼區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)之間，走在樓梯上觀眾既可以通過(guò)玻璃和細(xì)目金屬穿孔板欣賞室外的陽(yáng)光、大海、景觀綠化屋面，又可以透過(guò)室內(nèi)的細(xì)目金屬穿孔百葉，欣賞觀眾廳球體及貝殼的優(yōu)美造型。

BIM在造形設(shè)計(jì)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

珠海歌劇院位于風(fēng)景雋秀的野貍島上，她的形象不但要承載藝術(shù)殿堂的底蘊(yùn)，也要融合海洋、山林的自然之美，成為珠海人民引以為豪的城市標(biāo)志。由于基地為人工填海而成，并且歌劇院為海島的核心建筑，因此建筑的用地規(guī)劃較為統(tǒng)一。工程總用地面積為57670平方米，主體建筑集中在海島建筑環(huán)路的內(nèi)側(cè)，建筑限高小于100米，建筑自身的采光、通風(fēng)環(huán)境十分優(yōu)越，但必須特別注意臺(tái)風(fēng)、海邊潮濕空氣的腐蝕和污染。

在結(jié)構(gòu)上，最大的挑戰(zhàn)在于大劇場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為90米，水平投影長(zhǎng)約130米，寬約60米。如此高聳的結(jié)構(gòu)體系矗立在填海區(qū)的沿海小島上，可想而知其面臨的困難。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，初步將鋼架模型導(dǎo)入到Autodesk Revit軟件中，并與建筑、混凝土結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電氣模型進(jìn)行合模，由形成貝殼的空腹桁架和屋頂面的平面桁架形成巨型框架為主要結(jié)構(gòu)體系。

譬如：處理原始參照曲面存在的種種問(wèn)題，圖14所示可見(jiàn)在紅圈內(nèi)的關(guān)鍵點(diǎn)存在連續(xù)性的問(wèn)題，這就需要調(diào)整曲面上的控制點(diǎn)生成連續(xù)的曲線(xiàn)，才能最終生成可用來(lái)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算的雙曲面構(gòu)件。

從圖15可以看到曲線(xiàn)表面的不規(guī)則法線(xiàn)，這就會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力不合理，也需要進(jìn)一步的優(yōu)化。遵循建筑及結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的意見(jiàn)，利用偏心圓和三度線(xiàn)在曲面布置鋼結(jié)構(gòu)定位線(xiàn)。根據(jù)布線(xiàn)生成結(jié)構(gòu)桿件，綜合美觀，造價(jià)及可施工性的考慮，選擇合理的生成原則。

圖13 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

圖14 表面分析-1

圖15 表面分析-2

圖16 數(shù)據(jù)化模型

在整體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于合理的成型原理，采用參數(shù)化腳本程序完成控制曲面到桿件布置，為結(jié)構(gòu)計(jì)算生成規(guī)律的計(jì)算模型。如此，不僅能夠針對(duì)當(dāng)前階段設(shè)計(jì)輔助，將模型進(jìn)行數(shù)據(jù)化，并且能夠建立符合各設(shè)計(jì)階段要求的數(shù)字化模型。

同時(shí)，通過(guò)Autodesk Revit軟件的碰撞檢查，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型中輕松發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不合理的部分，為整個(gè)工程爭(zhēng)取更多的協(xié)調(diào)時(shí)間，并且在早期控制成本、解決問(wèn)題。

圖17 珠海歌劇院風(fēng)洞測(cè)壓實(shí)驗(yàn)報(bào)告

圖18 風(fēng)向角系數(shù)

圖19 通用有限元分析

圖20 管線(xiàn)綜合流程-1

圖21 管線(xiàn)綜合流程-2

此外，基于BIM技術(shù)提供的精確風(fēng)洞模型，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可針對(duì)珠海的氣候特征，輔助設(shè)計(jì)師優(yōu)化造型，使其更有利于適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。

針對(duì)在鋼結(jié)構(gòu)施工圖繪制的最后階段出現(xiàn)的焊接和倒角問(wèn)題，采用優(yōu)化后的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)由網(wǎng)格計(jì)算得出。主要目的是為了解決3段截面空間旋轉(zhuǎn)后無(wú)法相接的問(wèn)題，這種問(wèn)題在后期修改很頻繁，所以采取自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的策略——由三段接口的位置程序生成節(jié)點(diǎn)。

關(guān)于管線(xiàn)綜合方面，依靠BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可以將Autodesk Revit文件導(dǎo)成MWC文件，在Autodesk Navisworks中選擇需要碰撞的構(gòu)件并生成THML格式的碰撞報(bào)告，直接索引到Autodesk Revit總模型中打開(kāi)生成的局部三維模型，在其中找到相應(yīng)的構(gòu)件調(diào)整管線(xiàn)。

總結(jié)

珠海歌劇院項(xiàng)目具有較高的復(fù)雜性，包含了幕墻、鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，觀眾廳部分，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)、管線(xiàn)綜合等各個(gè)方面，基于Autodesk Revit軟件的通用性以及便捷性，確保了在各個(gè)設(shè)計(jì)階段良好的實(shí)用性，同時(shí)保持與各專(zhuān)業(yè)之間緊密的聯(lián)系及反饋機(jī)制。項(xiàng)目組希望能夠在建筑設(shè)計(jì)的全生命周期里運(yùn)用BIM技術(shù)為各專(zhuān)業(yè)提供精準(zhǔn)的可視化模型，在同一個(gè)平臺(tái)下構(gòu)建綜合信息模型，這是在BIM技術(shù)平臺(tái)上對(duì)大型復(fù)雜建筑的一次初步嘗試。