BIM技術(shù)在復(fù)雜形體建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
——以某美術(shù)館為例

王 辰

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 BIM

1.1 什么是BIM？

BIM 全稱為Building Information Modeling，是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。BIM并不是單指一種軟件或者模型格式，而是一種設(shè)計(jì)理念。“創(chuàng)建并利用數(shù)字化模型對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)全過(guò)程進(jìn)行管理和優(yōu)化的過(guò)程、方法和技術(shù)?！?/p>

1.2 BIM能做什么？

美國(guó)BuildingSMART 聯(lián)盟組織發(fā)布的《BIM 項(xiàng)目實(shí)施規(guī)劃指南》（BIM Project Excution Planning Guide)中總結(jié)歸納了BIM在項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段的25種應(yīng)用。其中我們主要來(lái)看對(duì)于設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，其包含設(shè)計(jì)方案論證、設(shè)計(jì)建模、能量分析、結(jié)構(gòu)分析、日照分析、設(shè)備分析、其他分析、LEED 評(píng)估、規(guī)范驗(yàn)證等。那么BIM 為什么能做到這么多，主要因?yàn)槠浒瑑煞矫娴男畔?，即幾何信息和?shù)據(jù)信息。

1.2.1 幾何信息

但凡模型都包含幾何信息，BIM 模型也不例外。在數(shù)字虛擬的三維空間內(nèi)，模型的三維尺寸信息都得以記錄保存并且具有可視性。這些信息最后以二維圖紙的形式指導(dǎo)工人進(jìn)行定位和施工。但是相較而言BIM 模型具有更好的出圖性，對(duì)于現(xiàn)今常用的大型BIM 軟件、三維模型和二維圖紙空間被更好的結(jié)合了起來(lái)，可以進(jìn)行無(wú)縫銜接保證幾何信息的正確傳遞。

1.2.2 數(shù)據(jù)信息

BIM模型與其他傳統(tǒng)建模軟件最大的不同就是其攜帶有大量數(shù)據(jù)信息，包括項(xiàng)目信息，建筑構(gòu)建信息，設(shè)備信息等。正是這些信息使BIM模型的應(yīng)用大大的擴(kuò)展了。比如模型中的一根鋼柱，其除了帶有幾何信息以外，還附加有鋼的材料編號(hào)、強(qiáng)度等級(jí)、表面噴涂材質(zhì)甚至生產(chǎn)廠家等等信息。再比如模型中的一臺(tái)風(fēng)機(jī)，除了長(zhǎng)寬高等幾何信息外，還附加有功率、風(fēng)量、使用年限、工作電壓等等信息。正是這些信息使得BIM 模型能夠進(jìn)行分析及運(yùn)維管理。

1.2.3 幾何信息和數(shù)據(jù)信息

因?yàn)锽IM 模型同時(shí)整合了建筑物的幾何信息和數(shù)據(jù)信息，才讓其能夠進(jìn)行多樣的分析。比如一個(gè)模型具有體形系數(shù)、窗墻比等幾何信息以及空調(diào)數(shù)量、位置、功率等設(shè)備數(shù)據(jù)信息，這樣通過(guò)這個(gè)BIM 模型即可以進(jìn)行建筑物的夏季熱工及能耗分析。因此，BIM模型的應(yīng)用才可以延展到建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。

2 某美術(shù)館的應(yīng)用

為了研究BIM 技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，以一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目某美術(shù)館為例，介紹BIM技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用情況。

為了體現(xiàn)輕盈的建筑造型，建筑主要空間為平行的雙廊空間，以中間雙墻作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件懸挑，夾墻間同時(shí)也是垂直交通空間和設(shè)備空間。建筑屋面采用由半圓截面——從大到小的漸變，兩側(cè)中心對(duì)稱。端部形成不對(duì)稱的立面效果。建筑擬采用清水混凝土，直立鎖邊金屬幕墻，覆土種植屋面等材料突顯設(shè)計(jì)的“輕盈”狀態(tài)如圖1所示。

圖1 某美術(shù)館效果圖

在BIM 技術(shù)的應(yīng)用上，我們選擇了AUTODESK 的REVIT 平臺(tái)，它作為廣泛應(yīng)用的BIM類制圖軟件，有著強(qiáng)大的功能和資源整合能力。但是由于REVIT 的曲面建模及編輯功能較為局限，在建筑造型的控制上及前期的設(shè)計(jì)推敲中，采用了RHINO 建模，其優(yōu)秀的NURBS 曲面建模功能可以很好的控制建筑形體，達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，通過(guò)共享的文件格式，模型的幾何信息從RHINO 中被導(dǎo)入REVIT 進(jìn)行加工，變?yōu)榻ㄖ锏母鞣N構(gòu)件，再加入數(shù)據(jù)信息，形成了有效完備的建筑信息模型。

在設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)優(yōu)化上，我們使用了NAVISWORK，其作為AUTODESK 旗下的軟件，與REVIT 有優(yōu)秀的接口?？梢詫⒛Ｐ蛯?dǎo)入NAVISWORK 中作為輕量化的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，除了可以看到室內(nèi)室外效果，還能進(jìn)行機(jī)電管線與結(jié)構(gòu)、建筑構(gòu)件的碰撞檢驗(yàn)，保證模型的真實(shí)性與正確性。

在成果表達(dá)上，由于施工單位接受的還是二維圖紙，所以由REVIT 建立圖紙出圖。在REVIT 中，圖紙是直接從三維模型中剖切所得，是三維模型的二維表達(dá)，可以保證各部分尺寸及信息的正確及相互對(duì)應(yīng)。

3 BIM的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)某美術(shù)館的BIM實(shí)踐，對(duì)比以往的CAD制圖工作模式，總結(jié)出了以下一些BIM的優(yōu)勢(shì)。

3.1 復(fù)雜三維曲面體型的精確定位

對(duì)于復(fù)雜形體的建筑項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)中最大的難點(diǎn)就是形體的定位。不同于簡(jiǎn)單的矩形等線性形體，異形形體很難用簡(jiǎn)單的幾個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)描繪。這時(shí)就需要建筑師的空間想象能力以及建模輔助設(shè)計(jì)。由于BIM 模型中包含了建筑物完整的幾何信息，所以其能夠幫助建筑師精確定位。在美術(shù)館項(xiàng)目的應(yīng)用中，利用BIM技術(shù)精確控制建筑形體體現(xiàn)在設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中。

在建筑設(shè)計(jì)初期，利用RHINO 完成對(duì)自由曲面的構(gòu)件，結(jié)合GRASSHOPPER控制形體變化，亦即參數(shù)化，從而得到滿意的空間形態(tài)。而后將生成的基準(zhǔn)形體模型導(dǎo)入REVIT，作為建筑和結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)模型，進(jìn)而控制鋼結(jié)構(gòu)形態(tài)定位。

3.2 優(yōu)化細(xì)部設(shè)計(jì)

（1）土建模型定位準(zhǔn)確性。美術(shù)館由基準(zhǔn)模型放樣偏移精確定位結(jié)構(gòu)梁、板、剪力墻的位置。在異形的結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵點(diǎn)定位使建筑專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的準(zhǔn)確性得到很好的保障，以保證設(shè)計(jì)的完成度與完整度。

（2）建筑構(gòu)件的定位準(zhǔn)確性。建筑模型中的各種構(gòu)件，因?yàn)樵煨碗S著整體建筑形式變化而變化，定位較為復(fù)雜。而通過(guò)REVIT模型，可以精確的直接標(biāo)注出各類構(gòu)件的位置。

（3）形體數(shù)據(jù)的進(jìn)一步利用。變截面筒形結(jié)構(gòu)體系在軟件中建立模型后，施工圖繪制中通過(guò)剖切REVIT模型的不同位置，形成特定位置的橫縱剖面，在詳圖中進(jìn)行設(shè)計(jì)細(xì)化。

地下覆土位置結(jié)合防水保溫處理，墻身與屋頂詳圖設(shè)計(jì)結(jié)合直立鎖邊鈦鋅板的構(gòu)造特點(diǎn)，并與廠家緊密配合，使建筑表達(dá)與施工圖設(shè)計(jì)完整統(tǒng)一。

3.3 與結(jié)構(gòu)及機(jī)電專業(yè)的配合以追求整體性和純粹性

建筑作為一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)及設(shè)備的布置需要遵循建筑的形式。形體較為復(fù)雜的建筑，需要在有限且較復(fù)雜的空間內(nèi)完成設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)保證完成效果及使用效率。在美術(shù)館的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用的夾壁墻的概念，將設(shè)備系統(tǒng)整合在建筑墻體之中。這時(shí)BIM模型便能有效的協(xié)調(diào)各專業(yè)，使設(shè)計(jì)更加完善。

另外為了驗(yàn)證設(shè)備模型的正確性，機(jī)電各專業(yè)管道和主路由NAVISWORK 與三維異形土建模型進(jìn)行合并模擬，在施工圖繪制中完成碰撞檢驗(yàn)和調(diào)整，以保證工程的完成度和各專業(yè)的設(shè)計(jì)精度。同時(shí)還可以避免碰撞、解決吊頂沖突、明確管線位置和標(biāo)高，輔助確定施工工藝等。以二層電梯廳吊頂為例，吊頂空間縱向高度受限，常規(guī)縱向分布的機(jī)電管線按平面布置。

3.4 三維圖配合施工

BIM 模型生成的三維圖紙使建筑形式一目了然，可以幫助施工方理解建筑構(gòu)造，避免建筑師與施工方交流過(guò)程中的誤解。另外細(xì)部的三維圖紙也能輔助工廠的預(yù)制加工。

3.5 后期運(yùn)維管理

因?yàn)槊佬g(shù)館正在施工還未建成，BIM 模型對(duì)于建筑物建成后的運(yùn)維管理有多大的作用還需以后考證。但擁有建筑物各項(xiàng)數(shù)據(jù)的模型，對(duì)于建筑物的日常運(yùn)營(yíng)、管理、維護(hù)甚至日后的改造、拆除，都是非常有價(jià)值的依據(jù)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)于BIM 技術(shù)的了解、研究，以及在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，得出了其相較于傳統(tǒng)二維制圖方式的優(yōu)勢(shì)。特別是在體型復(fù)雜的建筑項(xiàng)目中，除了可以幫助建筑師精確定位模型，還可以協(xié)助各方溝通，輔助施工，同時(shí)還能為業(yè)主提供數(shù)據(jù)及依據(jù)。而且未來(lái)其功能及應(yīng)用還將被進(jìn)一步擴(kuò)展。