BIM模型精細(xì)度與參數(shù)化幕墻設(shè)計(jì)在十二中文體樓項(xiàng)目中的應(yīng)用

楊苗苗 李 媛

(中國航天建設(shè)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，北京 100071)

BIM模型精細(xì)度與參數(shù)化幕墻設(shè)計(jì)在十二中文體樓項(xiàng)目中的應(yīng)用

楊苗苗 李 媛

(中國航天建設(shè)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，北京 100071)

本文通過十二中項(xiàng)目的BIM技術(shù)應(yīng)用，探討模型精細(xì)度等級的意義及不同模型交付模式在項(xiàng)目實(shí)施過程中的用途，并力圖展現(xiàn)參數(shù)化幕墻設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

文體建筑； 模型精細(xì)度； 參數(shù)化幕墻設(shè)計(jì)； BIM技術(shù)應(yīng)用

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.18

前言

北京市第十二中學(xué)東校區(qū)項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于北京市豐臺區(qū)萬源南里。項(xiàng)目用地東臨德賢路，北、西、南三側(cè)均與桃源里社區(qū)毗鄰。項(xiàng)目類型為學(xué)校類建筑，包括教學(xué)樓、圖書及行政樓及體育館、食堂、男女生宿舍等。根據(jù)學(xué)校未來發(fā)展需要，該項(xiàng)目為36班完全中學(xué)，初中18班，每班45人，高中18班，每班45人，學(xué)生總數(shù)1 620人。本次選擇功能造型較為復(fù)雜的圖書行政樓及體育館作為BIM應(yīng)用項(xiàng)目。圖書行政樓、體育館建筑面積14 417.50m2，其中地上部分9 927.50m2，地下部分4 490.00m2，地上主體四層、地下一層，建筑高度19.50m(檐口高度)。該項(xiàng)目BIM應(yīng)用最大的特點(diǎn)在于模型的準(zhǔn)確性和精細(xì)度高，最大的亮點(diǎn)在于幕墻的參數(shù)化設(shè)計(jì)。本文主要圍繞以上兩個(gè)方面進(jìn)行展開。

1 模型精細(xì)度研究

1.1 模型精細(xì)度的等級與意義

文體樓BIM建筑模型按照《民用建筑信息模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB11/T 1069-2014的要求在幾何信息內(nèi)容方面涵蓋了建筑主體外觀形狀，如體量、形態(tài)、定位信息； 建筑層數(shù)、高度、建筑標(biāo)高、基本功能分隔構(gòu)件； 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如面積、高度、距離、定位； 建筑構(gòu)件的幾何尺寸、定位信息，如樓地面、柱、外墻、外幕墻、屋頂、內(nèi)墻、門窗、樓梯、坡道、電梯、管井、吊頂； 主要建筑設(shè)施的幾何尺寸、定位信息，如衛(wèi)浴、部分家具、部分廚房設(shè)施； 主要建筑細(xì)節(jié)幾何尺寸、定位信息，如欄桿、扶手、裝飾構(gòu)件、功能性構(gòu)件； 建筑構(gòu)件深化幾何尺寸、定位信息，如構(gòu)造柱、過梁、基礎(chǔ)、排水溝、集水坑等方面，許多地方甚至已經(jīng)接近實(shí)際完成建筑構(gòu)件的幾何尺寸、定位信息，基本達(dá)到了信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)LOD300的模型精細(xì)度。[1]

在這樣的準(zhǔn)確性和精細(xì)度的基礎(chǔ)上，才能夠找出設(shè)計(jì)上的一些疏漏，各專業(yè)間協(xié)調(diào)出現(xiàn)的沖突從而進(jìn)行建筑細(xì)部的進(jìn)一步推敲，項(xiàng)目中所找到的具體問題都在BIM校審卡中一一列出，有效減少二維圖紙存在的“錯、漏、碰、缺”。

例如，地下一層游泳館上部管線布置本身并無重大問題，但造成上部空間凌亂，視覺效果較差，且對建筑幕墻有所遮擋，因此對管線設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能將管線布置于泳池一側(cè)小跨度內(nèi)，從而使整體空間效果更好，也避免了較大面積吊頂造成的空間壓抑之感。這樣的問題并不僅僅是管線碰撞或者是間距不夠的問題，而是進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高建筑設(shè)計(jì)品質(zhì)。古希伯來諺語說過，“God is in the detail?！眰鹘y(tǒng)二維制圖由于自身缺陷以及各專業(yè)間相對隔離的繪圖模式，使得細(xì)部控制很難真正落到實(shí)處。往往建筑專業(yè)的設(shè)計(jì)效果圖與實(shí)際的建成效果相差甚遠(yuǎn)，究其根本就在于細(xì)部控制的不到位。精細(xì)的BIM模型由于其三維可視化的直觀性和各專業(yè)之間鏈接在同一中心模型的緊密聯(lián)系，在細(xì)部控制上存在著先天的巨大優(yōu)勢(圖1)。

圖1 模型縱向剖切

二維圖紙?jiān)诤艽蟪潭壬弦揽吭O(shè)計(jì)人員的空間想象力和對各專業(yè)圖紙信息及其他圖表信息的綜合能力來進(jìn)行各環(huán)節(jié)的信息傳遞。在這個(gè)過程中存在著大量的信息流失、信息重復(fù)以及信息理解偏差，從而使最終的施工效果與原設(shè)計(jì)出現(xiàn)差距。而精確的BIM模型與實(shí)際建筑實(shí)體之間是一對一的三維對應(yīng)關(guān)系，信息表達(dá)明確直觀，不容易產(chǎn)生偏差，而且同時(shí)可將其他非幾何信息進(jìn)行添加，從而實(shí)現(xiàn)高效的信息集成。文體樓BIM建筑模型也盡量在非幾何信息深度上予以完善，希望將設(shè)計(jì)信息，準(zhǔn)確清晰地傳遞到下游的施工環(huán)節(jié)，如有可能再進(jìn)一步傳遞到運(yùn)維環(huán)節(jié)。雖然管線綜合、碰撞檢測并不是非常前沿的BIM應(yīng)用技術(shù)，但是它是對整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的一次“預(yù)演”，建模的過程同時(shí)也是一次全面的“三維校審”過程。在此過程中可發(fā)現(xiàn)大量隱藏在設(shè)計(jì)中的問題。因此在真實(shí)建造施工之前理論上能100%消除管線碰撞，減少返工及損失。

美國建筑行業(yè)研究院研究表明工程建設(shè)行業(yè)的浪費(fèi)高達(dá)57%，而因圖紙錯誤導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更或者返工造成的進(jìn)度與成本的浪費(fèi)與損失也是司空見慣。2010年《中國商業(yè)地產(chǎn)BIM應(yīng)用研究報(bào)告》通過調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)， 77%的設(shè)計(jì)企業(yè)遭遇因圖紙不清或混亂而造成項(xiàng)目或投資損失，其中有10%的企業(yè)認(rèn)為該損失可達(dá)項(xiàng)目建造投資的10%以上， 43%的施工企業(yè)遭遇過招標(biāo)圖紙中存在重大錯誤，改正成本超過100萬元。[2]因此，這項(xiàng)簡單的BIM技術(shù)應(yīng)用，事實(shí)上有難以估量的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 模型精細(xì)度的挑戰(zhàn)與應(yīng)對

這樣準(zhǔn)確性和精細(xì)度高的信息模型固然有非常多的好處，但是在實(shí)際操作中也遇到了一些問題與挑戰(zhàn)。雖然設(shè)計(jì)人員力求完美，但是信息模型信息非常集中而且信息量大，難免出現(xiàn)紕漏。例如，大多數(shù)BIM軟件都具有關(guān)聯(lián)功能，即“一處改、處處改”，這一功能固然能避免重復(fù)勞動，保證圖紙的同一性，不會出現(xiàn)類似于平面與大樣不統(tǒng)一這樣的傳統(tǒng)錯誤，但由于建筑是一個(gè)統(tǒng)一的整體，關(guān)聯(lián)性千絲萬縷，且各關(guān)聯(lián)之間也沒有明確的列表，就會出現(xiàn)在某一視圖中將某一參數(shù)進(jìn)行修改，而在另外一個(gè)視圖中，由于關(guān)聯(lián)，一些本不應(yīng)該修改的地方也進(jìn)行了修改，而且這種錯誤非常隱蔽，設(shè)計(jì)人員往往自身很難發(fā)現(xiàn)，并且模型的精細(xì)度越高，可能出錯的幾率就越大。

為避免以上的錯誤發(fā)生，除了要求設(shè)計(jì)人員更加細(xì)心以外，更主要的是要建立一套完善的企業(yè)BIM規(guī)范體系，包括與模型精細(xì)度相符的企業(yè)BIM模板，整個(gè)企業(yè)設(shè)計(jì)人員都要遵循的制圖流程和制圖規(guī)范以及嚴(yán)格的校審制度，從而從根本上避免模型信息的混亂與疏漏。

1.3 BIM模型的交付模式與用途

文體樓BIM模型主要采取三種交付模式，全專業(yè)模型剖切、輕量化模型互動漫游以及多媒體動畫。全專業(yè)模型剖切主要是針對專業(yè)的設(shè)計(jì)人員提供的，由于設(shè)計(jì)是一個(gè)“自上而下”的過程，設(shè)計(jì)師尤其是建筑師很多時(shí)候要用“上帝模式”統(tǒng)觀全局，控制建筑的整體性。所以，全專業(yè)模型剖切可以系統(tǒng)而全面地進(jìn)行整體展示，滿足設(shè)計(jì)師的這一需求。輕量化模型互動漫游主要是在細(xì)節(jié)的控制和與甲方的交流中起到很大的作用。輕量化模型集成了信息模型所涵蓋的必要信息，但文件本身非常小，并且是可執(zhí)行文件，幾乎在任何一臺計(jì)算機(jī)上無需安裝任何軟件便可以打開，在與各方信息傳遞過程中非常方便。輕量化模型可以實(shí)現(xiàn)身臨其境的效果，使設(shè)計(jì)師和甲方通過在虛擬的建筑模型中的漫游仔細(xì)推敲建筑的空間尺度、空間感覺及建筑細(xì)部，同時(shí)他的三維可視化效果也使設(shè)計(jì)師在與甲方的溝通過程非常高效便利。多媒體動畫則更多的偏重與展示之用，通過逼真的光感及質(zhì)感的渲染，角度的選擇甚至一些情節(jié)的加入，使觀者能夠充分體會到設(shè)計(jì)者的理念及建筑的意境(圖2～圖3)。

圖2 全專業(yè)二層剖切

2 幕墻的參數(shù)化設(shè)計(jì)

原方案幕墻的開窗方式為建筑師手工繪制，由三種尺寸的窗洞組成，略顯僵硬(圖4)，BIM介入后采取Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)，對幕墻的開窗形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要采用了三種算法，即隨機(jī)算法、吸引點(diǎn)算法和吸引線算法。

圖4 優(yōu)化前幕墻效果

在隨機(jī)算法中，為了便于制造選擇了0.2、0.4、0.6和0.8四個(gè)窗洞比例的隨機(jī)排布(圖6)； 在吸引點(diǎn)算法中，為了豐富立面效果，三個(gè)吸引點(diǎn)附近的開窗尺寸沿從左到右的方向遞減，開窗大小既受到該窗口與三個(gè)吸引點(diǎn)的距離的控制，同時(shí)與最近吸引點(diǎn)的距離成正比(圖7)； 在吸引線的算法中，開窗大小與該窗口到吸引線的距離成反比。吸引線采用手動控制和函數(shù)系數(shù)控制兩種生成方式，開窗大小最后被分為四類以便制作，編程和效果見圖8、圖9。

圖5 優(yōu)化后幕墻效果

圖6 隨機(jī)開窗編程及效果

圖7 吸引點(diǎn)開窗編程及效果

圖8 手動吸引線開窗編程及效果

最終甲方在這些算法生成的二十余種開窗形式的布置方案中，選擇了最滿意的一種，優(yōu)化后的幕墻機(jī)理更加自然流暢(圖5)。這樣的設(shè)計(jì)方式近年來在國際上已廣泛使用，如世博會的很多建筑都采用了參數(shù)化的幕墻表皮，效果頗佳。

參數(shù)化幕墻設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于，一旦程序完成可重復(fù)用于不同項(xiàng)目，且僅通過參數(shù)調(diào)整便可快速、方便地實(shí)現(xiàn)多方案比較。劣勢在于前期時(shí)間和精力投入較多，且編程本身也是一門專業(yè)，很少有建筑專業(yè)的設(shè)計(jì)師能夠輕松駕馭。所以，還需要進(jìn)行大量的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。

3 結(jié)語

十二中東校區(qū)文體樓項(xiàng)目在BIM應(yīng)用的可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、模擬性、可交付性等方面都取得了不錯的成果，并且在模型的準(zhǔn)確性和精細(xì)度以及參數(shù)化幕墻設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，力求為BIM技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步推進(jìn)積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為今后其他項(xiàng)目的BIM技術(shù)應(yīng)用提供一個(gè)可供參考的案例。同時(shí)也將努力使BIM模型傳遞到下游的施工環(huán)節(jié)，如有可能再進(jìn)一步傳遞到運(yùn)維環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)目前所倡導(dǎo)的全壽命周期的BIM應(yīng)用。

雖然項(xiàng)目本身規(guī)模和影響力并不是十分突出，但該項(xiàng)目以“創(chuàng)新亮點(diǎn)”出奇制勝，在作品中充分發(fā)揮了參數(shù)化編程在BIM應(yīng)用中的優(yōu)勢，將目前國內(nèi)采用的Grasshopper、Dynamo、Visual Lisp等各種參數(shù)化編程語言融合到項(xiàng)目中來，以設(shè)計(jì)師的思維將BIM模型一鍵生成、參數(shù)化設(shè)計(jì)等創(chuàng)新亮點(diǎn)發(fā)揮得淋漓盡致，對提高設(shè)計(jì)師的工作效率，加快項(xiàng)目的BIM應(yīng)用進(jìn)程以及BIM軟件的二次開發(fā)都做出大膽嘗試，并獲得了由中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會和歐特克軟件(中國)有限公司聯(lián)合主辦的“創(chuàng)新杯”全國BIM大賽最佳BIM普及應(yīng)用獎以及由中國圖學(xué)學(xué)會舉辦“龍圖杯”全國BIM(建筑信息模型)大賽優(yōu)秀獎。

[1]DB11/T 1069-2014民用建筑信息模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].2014.

[2]中國BIM門戶網(wǎng)站.http：//www.chinabim.com/.

Application of BIM Model Level of Details and Parametric Curtain Wall Design in Cultural and Sports Building in Beijing No.12 Middle School

Yang Miaomiao， Li Yuan

(TechnologyCenter,ChinaAerospaceConstructionGroupCo.，Ltd.，Beijing100071,China)

By case studying of BIM technology application in Beijing No.12 middle school，this paper discusses the significance of level of detail and the application of different delivery models in this project implementation processes，and shows the advantage of parametric curtain wall design.

Cultural and Sports Building； Level of Detail； Parametric Curtain Wall Design； Application of BIM Technology

楊苗苗(1982-)，女，高級工程師,主要研究方向：建筑方案設(shè)計(jì)及BIM技術(shù)應(yīng)用研究。

TU17

A

1674-7461(2016)06-0096-04