數(shù)字化推動下地下公共建筑設(shè)計方法初探

李　丹， 吳　濤， 朱栩瑩

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院, 江蘇南京 210007)

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數(shù)字化推動下地下公共建筑設(shè)計方法初探

李丹， 吳濤， 朱栩瑩

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院, 江蘇南京 210007)

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展推動著建筑設(shè)計領(lǐng)域的不斷進(jìn)步。近年來BIM、參數(shù)化等多種新興數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展為地下公共建筑設(shè)計注入了新鮮的血液。文章總結(jié)了數(shù)字技術(shù)對我國建筑設(shè)計領(lǐng)域的影響，剖析了傳統(tǒng)設(shè)計方法指導(dǎo)下我國地下公共建筑設(shè)計存在的問題，并根據(jù)不同新興技術(shù)的特點(diǎn)，探索性地提出了新技術(shù)支持下更適合地下公共建筑特點(diǎn)的設(shè)計新思路。

建筑設(shè)計；參數(shù)化；BIM；計算機(jī)輔助設(shè)計；地下公共建筑

1　研究背景

數(shù)字技術(shù)為建筑設(shè)計領(lǐng)域帶來的發(fā)展和變革一直是建筑業(yè)相關(guān)人士關(guān)注的焦點(diǎn)，不同時期的數(shù)字技術(shù)對建筑師的工作方法和思維模式有不同的影響。20世紀(jì)90年代之前，我國專業(yè)人士雖已開始研究數(shù)字技術(shù)在建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，但大部分建筑師仍采用尺規(guī)繪圖來進(jìn)行建筑設(shè)計、表達(dá)。在這種工作模式下設(shè)計思維連續(xù)性強(qiáng)，對相關(guān)問題的思考也比較細(xì)致。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，計算機(jī)輔助設(shè)計在我國建筑領(lǐng)域快速成長，在設(shè)計院所中日益普及。計算機(jī)輔助設(shè)計的應(yīng)用帶來了勞動強(qiáng)度降低、繪圖精度提高等一系列優(yōu)點(diǎn)，并推

動了建筑設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)化，使得設(shè)計思路具有一定的統(tǒng)一性。然而新技術(shù)的出現(xiàn)也帶來一系列的問題，如復(fù)制、套用的泛濫使得建筑設(shè)計具有趨同性。進(jìn)入21世紀(jì)，BIM、參數(shù)化等名詞在建筑業(yè)也不再陌生，Revit、Grasshopper、Ecotect等數(shù)字工具雨后春筍般問世，設(shè)計人員開始嘗試用這些先進(jìn)的技術(shù)對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。然而新型輔助設(shè)計軟件在設(shè)計中占的主導(dǎo)性并不強(qiáng)，建筑師對各技術(shù)的應(yīng)用是分離、割裂的，僅將這些新技術(shù)中的一種或幾種視為某項(xiàng)目設(shè)計后期補(bǔ)充、優(yōu)化的輔助手段，并未對建筑師在整個設(shè)計過程中的設(shè)計思路產(chǎn)生較大的影響。表1清晰地對比了我國建筑設(shè)計不同時期的特點(diǎn)。

表1　我國建筑設(shè)計不同時期的特點(diǎn)

2　我國地下公共建筑設(shè)計方法改進(jìn)的必要性

2.1地下公共建筑設(shè)計對新技術(shù)的需求性分析

我國地下公共建筑多位于城市重點(diǎn)區(qū)域且大部分或全部是位于地面以下的，其建設(shè)耗資較大且建成具有不可逆性，是較受人們歡迎的地下空間利用形式之一。地下公共建筑與城市環(huán)境的相互作用、人性化內(nèi)部空間的塑造以及地上地下空間的過渡以及都是建筑師在設(shè)計過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。此外，周邊的城市空間及附近已開發(fā)的地下空間等對其設(shè)計的限制也是建筑師在進(jìn)行設(shè)計時不可忽視問題。然而，長期以來由于相關(guān)研究成果和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不完善、相應(yīng)輔助設(shè)計軟件的缺乏等原因我國地下公共建筑設(shè)計多局限于其自身功能性，導(dǎo)致上述問題并未得到較好的解決。設(shè)計思維通過設(shè)計工具來表達(dá)，因此設(shè)計工具影響著設(shè)計師的設(shè)計思路和方法。自邁入21世紀(jì)，建筑計算機(jī)輔助設(shè)計軟件日益豐富，更有利于設(shè)計師靈感的表達(dá)、驗(yàn)證。面對各具特色的新技術(shù)，確立更加可行的地下公共建筑設(shè)計新思路是非常必要的。

2.2我國地下公共建筑設(shè)計常見問題剖析

2.2.1地下公共建筑與城市的關(guān)系

與地面建筑不同，地下公共建筑的外部形象主要由出入口、采光通風(fēng)設(shè)施等外露要素支配，受其外輪廓的影響較小。因此，對地下公共建筑外露要素與地面環(huán)境的融合是建筑師設(shè)計前期需重點(diǎn)考慮問題之一。然而我國地上、地下空間的規(guī)劃設(shè)計存在嚴(yán)重的脫節(jié)現(xiàn)象，設(shè)計師僅依靠大腦難以充分考慮待建地下公共建筑與城市環(huán)境間的相互影響，因此在二者的融合問題上往往存在許多遺憾。如風(fēng)井的不合理定位、出入口的不合理設(shè)計等都會對城市風(fēng)貌產(chǎn)生消極影響。

2.2.2內(nèi)部空間存在的問題

地下公共建筑的具有封閉性、高人流量等特點(diǎn)，這決定了其自身空間的人性化塑造、交通的合理組織以及內(nèi)部防災(zāi)問題是設(shè)計師應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。我們一直希望地下公共建筑內(nèi)多一些自然要素，少一些能耗，交通組織更加優(yōu)化，災(zāi)害發(fā)生時疏散更合理。長期以來，設(shè)計師一直嘗試用不同的設(shè)計方案來改善地下共建筑的內(nèi)部空間，但效果總不是那么盡如人意。

2.2.3地上地下空間的過渡問題

談到地下空間，人們腦海中大多浮現(xiàn)出封閉、黑暗、壓抑等帶有消極色彩的詞語。過于生硬的空間轉(zhuǎn)換必然會引起人們的抵觸心理，從而導(dǎo)致地下公共建筑的公共性受損。因此，通過出入口的合理設(shè)計來滿足地下公共建筑與城市空間的溝通與交融、實(shí)現(xiàn)地上地下一體化是設(shè)計師需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一。目前我國一些比較好的做法大多是通過口部與下沉式廣場、下沉式庭院等要素的結(jié)合設(shè)計來達(dá)到過渡的目的。然而具體采用何種做法能夠?qū)崿F(xiàn)待建地下公共建筑與地上空間環(huán)境的自然過渡，全憑設(shè)計師的經(jīng)驗(yàn)來確定，缺少客觀的檢測手法。

3　基于數(shù)字技術(shù)的設(shè)計方法探索

3.1設(shè)計方法具有多樣性

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展刺激了設(shè)計思維的變化。對于設(shè)計工具和設(shè)計流程的選擇會因設(shè)計師、設(shè)計項(xiàng)目不同而不同。例如著名的扎哈設(shè)計事務(wù)所和蓋里設(shè)計事務(wù)所的設(shè)計流程就各有特色，扎哈事務(wù)所的設(shè)計流程可以歸納為以下步驟：設(shè)計草圖→三維數(shù)字模型→建筑信息模型→生成二維圖紙→由數(shù)控施工技術(shù)完成作品；而蓋里事務(wù)所的設(shè)計流程較哈扎事務(wù)所更為復(fù)雜，手工模型和三維數(shù)字化掃描儀等應(yīng)用都是哈扎事務(wù)所設(shè)計流程中沒有。筆者分析我國地下公共建筑的特點(diǎn)，根據(jù)目前的設(shè)計工作所面臨的問題和需求，從總體到局部探索了一套具有普遍適用性的地下公共建筑設(shè)計方法。

3.2總體設(shè)計思路

在傳統(tǒng)設(shè)計方法的指導(dǎo)下，建筑性能評價、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)等許多應(yīng)在設(shè)計前期解決的問題被置后，甚至在整個設(shè)計過程中難以得到較好的解決。如今我國地下公共建筑朝大型化、綜合化方向發(fā)展，多工種、專業(yè)、空間交叉容錯，這令地下公共建筑的合理設(shè)計變得更加困難。數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展為我們帶來了支撐和幫助，為問題的合理解決帶來了充分的可能性。以全局的視角來看，在前期設(shè)計通過BIM技術(shù)與其他分析軟件的結(jié)合運(yùn)用，能夠客觀地對設(shè)計方案的相關(guān)性能進(jìn)行分析、評價、反饋并及時地調(diào)整方案，如地下公共建筑的自然采光、通風(fēng)問題。這有利于減少甚至避免了在設(shè)計后期及施工階段解決、協(xié)調(diào)方案設(shè)計階段的遺留問題，確保最終成果與方案階段的效果相吻合?？傮w設(shè)計思路如圖1所示。

圖1　總體設(shè)計思路

3.3前期設(shè)計

前期設(shè)計重點(diǎn)考慮以下幾個問題。場地條件等有關(guān)設(shè)計資料的收集、整理；概念的表達(dá)及方案的形成；設(shè)計方案相關(guān)性能的評測。參數(shù)化技術(shù)有利于對多種設(shè)計影響因素的整合，是設(shè)計師思維的延伸，通過約束性條件控制地下公共建筑形體的生成。三維動態(tài)可視化設(shè)計保證設(shè)計“所想即所得”，減少了設(shè)計與表達(dá)間的二維、三維轉(zhuǎn)換，便于及時發(fā)現(xiàn)問題，隨時調(diào)整。性能分析軟件，保證對設(shè)計方案進(jìn)行及時的評測及修改。多種數(shù)字技術(shù)在設(shè)計前期的綜合應(yīng)用有助于保證地上地下空間的合理過渡、地面人流的引入、外露要素與環(huán)境的協(xié)調(diào)、滿足身心健康的物理環(huán)境設(shè)計等問題的合理解決。前期具體的設(shè)計方法如圖2 所示。

圖2　前期設(shè)計方法

3.4后期設(shè)計

前期設(shè)計工作的合理進(jìn)行為后期設(shè)計減少了不少工作量。在后期設(shè)計過程中重點(diǎn)考慮專業(yè)間的綜合協(xié)調(diào)、信息共享、成本及能耗的精確分析、工藝做法的詳細(xì)表達(dá)等問題。BIM等新技術(shù)能夠滿足精細(xì)化表達(dá)、實(shí)現(xiàn)了實(shí)時信息共享，并能實(shí)現(xiàn)較精確的能耗分析及成本分析等。這能有效改善信息無法及時傳遞、設(shè)計成果不能精確表達(dá)、能耗不能客觀定量判斷等現(xiàn)象。后期具體的設(shè)計方法如圖3所示。

圖3　后期設(shè)計方法

4　兩種設(shè)計方法的對比——以出入口為例

4.1傳統(tǒng)設(shè)計方法指導(dǎo)下出入口的設(shè)計

地下公共建筑的出入口是聯(lián)系地上地下空間的“中介”，在空間過渡、引導(dǎo)視線以及確立外部形象等多個方面都起著不可替代的作用。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計者多根據(jù)固有的理論、設(shè)計經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計限制條件選擇出入口的形式，缺少計算機(jī)輔助設(shè)計工具對出入口進(jìn)行自然采光模擬、自然通風(fēng)模擬等客觀評測工作。如，普遍認(rèn)為穿過下沉式廣場的出入口有助于地下建筑采光、解決外部形象及空間問題；開敞式出入口不利于外部形象的確立、辨識度低；設(shè)置口部的出入口，較開敞式入口而言更易提供清晰的外部形象、受天氣影響較小，并能將通風(fēng)等設(shè)備融入其中。

4.2基于數(shù)字技術(shù)的出入口設(shè)計

在新的設(shè)計方法指導(dǎo)下，設(shè)計條件控制出入口生成后，應(yīng)用性能分析軟件對出入口進(jìn)行相關(guān)模擬分析，這有助于對出入口的性能進(jìn)行客觀評測和即時調(diào)參。因此，設(shè)計師在方案階段便可直觀、精確地了解出入口的自然采光、通風(fēng)、視線可達(dá)性等相關(guān)性能，便于方案的調(diào)整和比選 ，確定綜合最優(yōu)方案。圖4、圖5是將Revit中生成的兩種不同出入口模型導(dǎo)入到Ecotect中進(jìn)行自然采光模擬的結(jié)果，其中圖4為開敞式出入口，圖5為穿過下沉式廣場的出入口。這樣的設(shè)計方

法令設(shè)計師在方案階段便能客觀的分析出入口的性能，而不僅是憑借經(jīng)驗(yàn)做決定，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

圖4　開敞式出入口自然采光模擬

圖5　穿過下沉式廣場出入口自然采光模擬

5　結(jié)束語

地下公共建筑的開發(fā)是不可逆的，其方案設(shè)計應(yīng)符合可持續(xù)發(fā)展的要求。本文對場地分析軟件、參數(shù)化建模軟件、性能分析軟件等建筑領(lǐng)域新性數(shù)字技術(shù)在地下公共建筑設(shè)計不同階段的合理應(yīng)用進(jìn)行了初步探索，提出了一條符合地下共建筑特點(diǎn)的新的設(shè)計思路。該設(shè)計思路有助于解決地下公共建筑設(shè)計中常見的多種問題，在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高建筑空間環(huán)境品質(zhì)等方面都具有十分積極的意義。隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字技術(shù)會給地下公共建筑設(shè)計帶來更多可能。

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李丹(1990～)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榈叵驴臻g開發(fā)利用。

吳濤(1971～)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榈叵陆ㄖ叭朔拦こ淘O(shè)計、地下空間開發(fā)利用。

TU201.4

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[定稿日期]2016-03-29