體育建筑的BIM 優(yōu)化設(shè)計(jì)與材料節(jié)約

劉孟荀 劉偉 LIU Mengxun,LIU Wei

1 賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院

2 長(zhǎng)安大學(xué)建筑學(xué)院

面對(duì)資源與能源日益貧乏的環(huán)境，人們需要將可持續(xù)設(shè)計(jì)的理念貫穿于建筑的全壽命周期中。對(duì)資源和材料的節(jié)約是世界良性發(fā)展的大勢(shì)所趨，也是建筑設(shè)計(jì)遵循建構(gòu)邏輯的理性回歸。相應(yīng)地，材料的節(jié)約不僅貫穿其整個(gè)生命歷程，還深刻地影響著建筑全壽命周期中的設(shè)計(jì)、施工、使用、維護(hù)和拆除等各個(gè)階段。

對(duì)于體育建筑設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，節(jié)約材料的目的不只是出于經(jīng)濟(jì)因素，更多的是以發(fā)揮材料最大特性和效能為宗旨，以最小的資源代價(jià)獲得體育建筑全壽命周期內(nèi)的價(jià)值體現(xiàn)。在這里，優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)材料節(jié)約的最佳方式。因?yàn)椤霸O(shè)計(jì)”一詞本身就包含“優(yōu)化”的概念，對(duì)材料的運(yùn)用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒉牧系墓?jié)約理念滲透到體育建筑的整個(gè)壽命周期。如果人們能持之以恒地將材料節(jié)約作為一種普及的價(jià)值觀，并將其作為體育建筑可持續(xù)發(fā)展的具體實(shí)施策略，那么無(wú)論是結(jié)構(gòu)體系還是圍護(hù)表皮，其優(yōu)化設(shè)計(jì)都將成為健全體育建筑全壽命周期的有力支撐。

1 體育建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于今后的體育建筑，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師需要承擔(dān)兩種責(zé)任：一是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；二是保證結(jié)構(gòu)安全。前者需要節(jié)省材料，后者傾向于消耗材料。對(duì)于這似乎矛盾的兩者，其結(jié)合點(diǎn)就是優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在體育建筑的設(shè)計(jì)與建造階段，找到實(shí)現(xiàn)建筑功能目標(biāo)和降低建造能耗間的平衡點(diǎn)。

人們?cè)诖罅康墓こ虒?shí)踐中堅(jiān)持實(shí)踐著“優(yōu)選”的設(shè)計(jì)理念，而優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式必定是材料節(jié)約化的。結(jié)構(gòu)形式由梁演變到桁架，從沉重的承重墻到先進(jìn)的仿生結(jié)構(gòu)，從石材到薄膜，人們一直在探索和尋求著重量輕、材料省、受力好的結(jié)構(gòu)體系。例如，仿生學(xué)已經(jīng)成為體育建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，圖1所示的體育場(chǎng)方案以局部變異的蜂巢六邊形結(jié)構(gòu)與薄膜材料結(jié)合，以簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定的設(shè)計(jì)塑造出體育場(chǎng)的屋頂形態(tài)，這種從大自然中獲得的力學(xué)邏輯形式減少了材料的消耗，為體育建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料的節(jié)約提供了基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)

體育建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)體現(xiàn)在各專業(yè)、工種的協(xié)調(diào)和施工等多方面。首先，體育建筑從其自身特殊的大跨特征和空間形態(tài)上，清晰地表明了結(jié)構(gòu)優(yōu)化既要符合自然規(guī)律的理性邏輯，又要?jiǎng)?chuàng)造性地運(yùn)用結(jié)構(gòu)體系與材料。在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，人們衡量大跨度空間結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)為：1）充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，在軸心受力構(gòu)件中增加拉桿，減少壓桿；2）對(duì)支座所受推力或拉力進(jìn)行合理處理，組成閉合受力環(huán)路為最優(yōu)；3）結(jié)構(gòu)體系的制造和安裝費(fèi)用少，節(jié)約成本；4）結(jié)構(gòu)材料用量相對(duì)較少，說(shuō)明結(jié)構(gòu)體系更為先進(jìn)；5）以結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的方式自然地展現(xiàn)其力學(xué)邏輯與美學(xué)價(jià)值。

從上述五點(diǎn)準(zhǔn)則可以看出，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的合理運(yùn)用是體育建筑節(jié)材的首要條件，其結(jié)構(gòu)承載材料的節(jié)省是依靠材料元素自身力學(xué)性能的有效發(fā)揮與整體結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化組織。相對(duì)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)化設(shè)計(jì)具有明確的衡量標(biāo)準(zhǔn)，如體積最小、造價(jià)最低、材料消耗最少等。對(duì)于體育建筑來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)追求最合理地利用材料的性能，使各構(gòu)件或構(gòu)件中的幾何參數(shù)得到最好的協(xié)調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可靠性與經(jīng)濟(jì)性最適宜的結(jié)合。

對(duì)于大跨度的體育場(chǎng)館，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求在可行域內(nèi)用優(yōu)化方法搜索所有可能的設(shè)計(jì)方案，并從中找出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。然而在我國(guó)傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)流程中，一般首先由建筑師提出功能和造型方案，得到甲方初步認(rèn)可后，再由結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再配合水暖、電氣、設(shè)備等專業(yè)設(shè)計(jì)。這樣的做法在工種復(fù)雜的大型體育建筑中，往往會(huì)出現(xiàn)建筑造型與結(jié)構(gòu)體系之間的矛盾、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備布置之間的沖突等問(wèn)題。而基于建筑信息模型（BIM）的設(shè)計(jì)可以利用其自身可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)勢(shì)化解這些矛盾，為體育建筑設(shè)計(jì)提供最為有利的優(yōu)化工具[1]。

例如，強(qiáng)大的建筑信息模型可以一目了然地展示各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺度、位置及交接關(guān)系，使不同結(jié)構(gòu)與設(shè)備不再產(chǎn)生碰撞問(wèn)題（圖2）。同時(shí)，建立建筑信息模型會(huì)涉及整個(gè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程，這實(shí)際上是一個(gè)不斷優(yōu)化的過(guò)程。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要受到建筑信息和復(fù)雜程度的制約，而BIM模型提供了建筑物大量的實(shí)際存在信息，包括幾何信息、物理信息、規(guī)則信息，甚至還能夠提供建筑經(jīng)歷變化、拆除、分解以后的信息。大型體育建筑的復(fù)雜程度往往超過(guò)了參與人員個(gè)人的能力范圍，需要一個(gè)整合的設(shè)計(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，因此，BIM及其配套的各種優(yōu)化工具就成了體育建筑等復(fù)雜項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化的前提。

1 仿生學(xué)已成為體育建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合適切入點(diǎn)

2 BIM 為建筑提供細(xì)致、詳盡的三維虛擬模型

3 新西蘭威靈頓ASB 體育中心成功運(yùn)用了建筑信息模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

4 ASB 體育中心根據(jù)地方氣候特征，運(yùn)用了簡(jiǎn)約、適宜的圍護(hù)材料

5 BIM 模型對(duì)幕墻系統(tǒng)的參數(shù)分析

位于新西蘭惠靈頓的ASB社區(qū)體育中心是運(yùn)用BIM技術(shù)的絕佳實(shí)例。為了給當(dāng)?shù)鼐用窈蛯W(xué)生提供適合多種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的場(chǎng)所，體育中心希望將12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)地聚集在一個(gè)大跨屋面下，同時(shí)避免過(guò)高的造價(jià)和材料消耗，可謂面臨著功能整合、結(jié)構(gòu)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本等多方面要求。設(shè)計(jì)者首先通過(guò)Revit軟件建立建筑信息模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算、比較及優(yōu)化，得出了既穩(wěn)固又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。然后，近似橢圓形的大跨屋面一分為二，在兩側(cè)各用了8個(gè)大型的魚腹鋼桁架作為屋面的主要支撐體系（整體結(jié)構(gòu)類似動(dòng)物的脊柱），其構(gòu)件形式也恰好為屋頂天窗留出了合適的位置；場(chǎng)館中間還運(yùn)用了Y形的豎向支撐結(jié)構(gòu)，并以鋼拉索加以固定。這種簡(jiǎn)潔的魚腹桁架與豎向支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合比起網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)形式，不僅節(jié)約了大量材料，還簡(jiǎn)化了張弦梁等混合結(jié)構(gòu)所需施加的預(yù)應(yīng)力技術(shù)。通過(guò)建筑信息模型的建立，ASB社區(qū)體育中心的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)建單元、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造都得到了成功實(shí)現(xiàn)，最終以較低的成本和材料消耗塑造出平緩柔和的建筑形態(tài)，以完善的功能沉靜于美麗的湖光山色之中（圖3）。

3 圍護(hù)體系的材料節(jié)約

顯而易見，對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證安全可靠的基礎(chǔ)上，挖掘結(jié)構(gòu)材料的最大效能。從體育建筑的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，人們已經(jīng)開始反思以往追求超大跨度所帶來(lái)的空間浪費(fèi)和耗能嚴(yán)重等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，并且希望體育建筑的“骨骼”與“皮膚”都達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)，所以優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)體系必須能使建筑形體更為緊湊，建筑空間更為高效，而體育建筑的形態(tài)特征與表皮形式又決定了其圍護(hù)材料是否節(jié)約。相應(yīng)地，依附在優(yōu)化結(jié)構(gòu)之上的圍護(hù)系統(tǒng)也可以結(jié)合地方材料而承載更多的表現(xiàn)意義，不會(huì)因材料節(jié)約而使外觀變得簡(jiǎn)陋粗制。這種對(duì)建筑圍護(hù)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能以材料的節(jié)約化減輕圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自重，進(jìn)而減少建造成本和能源消耗，符合體育建筑全壽命周期的設(shè)計(jì)理念。

例如上文提及的ABS體育中心，不僅利用建筑信息模型創(chuàng)建了精煉、高效的結(jié)構(gòu)體系，還結(jié)合主觀意向與客觀環(huán)境，在屋頂和墻體運(yùn)用了簡(jiǎn)約、適宜的圍護(hù)材料。新西蘭是海洋性溫帶氣候，日照充足、日夜溫差大。所以，設(shè)計(jì)者在其頂棚大量運(yùn)用了能夠過(guò)濾紫外線的透光板材，為室內(nèi)空間引入了明亮的自然光線；在屋面的局部起伏處設(shè)置了自然通風(fēng)口；大部分建筑立面則采用了隔熱能力好、易于施工、成本低廉的混凝土材料，并根據(jù)日照角度將預(yù)制混凝土板錯(cuò)列布置，形成了尺度巨大的遮陽(yáng)百葉，達(dá)到了體育中心的采光及隔熱要求（圖4）。可以說(shuō)，這種對(duì)圍護(hù)材料的“簡(jiǎn)易”運(yùn)用同樣體現(xiàn)了可持續(xù)理念下的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

體育建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化，還可以充分精簡(jiǎn)體形，使圍護(hù)界面及表皮材料更為精煉。例如，對(duì)大量幕墻系統(tǒng)進(jìn)行單元種類及尺寸的擇優(yōu)選用，通過(guò)更為實(shí)用的外觀來(lái)塑造形體，而不是“包裹”其內(nèi)部空間，從而使得圍護(hù)材料的運(yùn)用更為有理有據(jù)。圖5的體育館設(shè)計(jì)在曲面的墻體及屋面上都利用了BIM系統(tǒng)對(duì)幕墻進(jìn)行模擬觀察，通過(guò)幕墻的光輻射、遮陽(yáng)、氣流、色彩等參數(shù)變量的調(diào)整，優(yōu)選出一種最為簡(jiǎn)潔合理的方案。此時(shí)，幕墻單元經(jīng)過(guò)一系列的邏輯判斷，能夠擬合優(yōu)化出幾種固定規(guī)格的表皮面板，達(dá)到了節(jié)省幕墻造價(jià)、提升建造效率的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

與一般民用建筑相比，體育建筑充分體現(xiàn)了大跨度結(jié)構(gòu)與材料的運(yùn)用特征，而體育建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須脫離本體的夸張外形和虛假結(jié)構(gòu)才能避免材料的浪費(fèi)。一些體育建筑為了滿足造型要求，生硬和扭曲地在場(chǎng)館建筑的外表面籠罩上巨大構(gòu)件或裝飾表皮，在浪費(fèi)空間和耗費(fèi)材料的同時(shí)，也貶低了結(jié)構(gòu)體系的價(jià)值。如果將材料節(jié)約化與BIM等設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)充分結(jié)合，將會(huì)促進(jìn)體育建筑以面向全壽命周期的可持續(xù)態(tài)度，回歸于“真實(shí)建造”的理性邏輯。

在先進(jìn)和集成的設(shè)計(jì)方法與管理方式下，體育建筑全壽命周期理念與材料運(yùn)用的節(jié)約化宗旨將更為充分結(jié)合，前者作為材料運(yùn)用的構(gòu)思基礎(chǔ)，后者成為體育建筑可持續(xù)發(fā)展的實(shí)際體現(xiàn)。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同類型與規(guī)模的體育建筑的功能需求，在其創(chuàng)造及建設(shè)過(guò)程中，以面向全壽命周期的理念進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。這種方式將促進(jìn)更加系統(tǒng)化和規(guī)范化的材料運(yùn)用，并能結(jié)合結(jié)構(gòu)、圍護(hù)、節(jié)能等多種功效來(lái)滿足體育建筑的綜合要求。同時(shí)將節(jié)約能源與資源作為材料運(yùn)用的宗旨之一，能以優(yōu)化的全面設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)可行的全階段掌控來(lái)發(fā)揮體育建筑中材料的效能和特色。

全壽命周期理念不僅要求體育建筑在建立初始就具有健康的“身軀”和良性的“成長(zhǎng)”發(fā)展模式。對(duì)于龐大的體育建筑來(lái)說(shuō)，如果人們能在設(shè)計(jì)初始和建造過(guò)程中就對(duì)材料與資源進(jìn)行最有效的節(jié)約化運(yùn)用，無(wú)疑會(huì)比在其使用過(guò)程中的任何節(jié)能措施更為有效。這種設(shè)計(jì)理念將可持續(xù)設(shè)計(jì)的理念從建造初始就滲透進(jìn)了體育建筑的本體性格之中，為體育建筑“真實(shí)的建造”打造了堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。綜上所述，材料的節(jié)約化可以成為體育建筑設(shè)計(jì)的宗旨之一，使節(jié)能、生態(tài)、綠色等理想最終在表里如一、精煉得體、節(jié)約高效的體育建筑中得以實(shí)現(xiàn)。

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