復(fù)雜公共建筑的數(shù)字化應(yīng)用
——以深圳某服裝公司總部基地為例

張文杰（深圳中電藍(lán)海控股有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

近年在國(guó)家政策引導(dǎo)及調(diào)控下，建筑行業(yè)高速增長(zhǎng)階段已經(jīng)成為過(guò)去時(shí)，粗放式建設(shè)發(fā)展也已成為歷史[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)建筑行業(yè)的弊端也逐一顯現(xiàn)，需要對(duì)當(dāng)下建筑行業(yè)的發(fā)展與未來(lái)重新進(jìn)行思考。從國(guó)家政策及社會(huì)發(fā)展規(guī)律方面，智能化和數(shù)字化、綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展、智慧城市建設(shè)、創(chuàng)新和科技發(fā)展將會(huì)成為建筑行業(yè)的發(fā)展方向[2–4]。2011年，建設(shè)部（現(xiàn)為“住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部”）發(fā)布《建筑信息模型（BIM）技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》，明確了建筑信息模型（Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱“BIM”）技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用范圍、原則和要求，鼓勵(lì)在重點(diǎn)工程和示范項(xiàng)目中推廣應(yīng)用BIM技術(shù)，推動(dòng)建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。2019年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《城市與建筑數(shù)字孿生：引導(dǎo)意見(jiàn)》，提出要發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市與建筑數(shù)字孿生，促進(jìn)數(shù)字技術(shù)與建筑、城市的深度融合，推動(dòng)建筑行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用的發(fā)展。建筑本身從“遮風(fēng)擋雨”的基本功能到“舒適、綠色、智能、智慧”，從“橫平豎直”的基本造型到“折線曲面”，在此趨勢(shì)下，對(duì)建筑建設(shè)過(guò)程中的數(shù)字化應(yīng)用已成為當(dāng)下建筑行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)[5]。

數(shù)字化應(yīng)用是指將建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等各個(gè)階段的信息集成和數(shù)字化管理，以數(shù)字化的形式交付給建筑項(xiàng)目的各參與方[6]。它是通過(guò)信息技術(shù)和數(shù)字化工具將建筑項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息共享、協(xié)同工作和數(shù)據(jù)傳遞的過(guò)程。數(shù)字化應(yīng)用使得建筑項(xiàng)目的生命周期得以數(shù)字化呈現(xiàn)，從而提高了項(xiàng)目的效率、質(zhì)量和可持續(xù)性。

從國(guó)家政策及實(shí)際應(yīng)用結(jié)合方面來(lái)看，數(shù)字化已經(jīng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，而實(shí)際國(guó)內(nèi)大部分?jǐn)?shù)字化應(yīng)用基本屬于BIM的應(yīng)用，而絕大部分BIM應(yīng)用停留在翻模應(yīng)用水平，僅僅主要解決基本管線碰撞的問(wèn)題[7]。然而，對(duì)于復(fù)雜建筑、曲面建筑，BIM模型輔助設(shè)計(jì)則無(wú)法完成設(shè)計(jì)、建造要求，必須通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)方式才能實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)意義上的建筑BIM模型已不足以滿足項(xiàng)目的實(shí)際需要，建設(shè)過(guò)程中各參建方圍繞核心數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)字化相互交付、數(shù)字化深入分析方能解決如此復(fù)雜的項(xiàng)目。當(dāng)前，已有一些復(fù)雜公共建筑在整個(gè)建設(shè)過(guò)程中采用了數(shù)字化技術(shù)、正向BIM的運(yùn)用，建設(shè)過(guò)程中通過(guò)數(shù)字化技術(shù)協(xié)同了各參建單位，達(dá)成了較高的建筑完成度及建設(shè)品質(zhì)[8-9]。因此，數(shù)字化技術(shù)在公共建筑中的應(yīng)用有望成為未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。本研究首先介紹了數(shù)字化應(yīng)用的基本特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)，并以深圳某服裝公司總部基地為例，分析數(shù)字化應(yīng)用在公共建筑建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮的價(jià)值與效益。本研究成果為促進(jìn)數(shù)字化技術(shù)在公共建筑中的應(yīng)用與實(shí)踐提供有效的參考。

1 數(shù)字化應(yīng)用的基本特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)字化應(yīng)用的基本特點(diǎn)

（1）集成性。數(shù)字化應(yīng)用將建筑項(xiàng)目的各參與方連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息的集成和共享。通過(guò)數(shù)字化手段的應(yīng)用，方案、設(shè)計(jì)和施工等不同維度的信息可以在同一個(gè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)上進(jìn)行管理和交流，從而實(shí)現(xiàn)建筑建設(shè)全過(guò)程的協(xié)同工作。

（2）數(shù)字化。數(shù)字化應(yīng)用是基于信息技術(shù)和數(shù)字化工具的管理方式。區(qū)別于BIM模型輔助，數(shù)字化應(yīng)用是通過(guò)數(shù)字化的手段協(xié)同工作，并將建筑項(xiàng)目的各種信息、數(shù)據(jù)和文檔轉(zhuǎn)換為以數(shù)字的形式進(jìn)行交互、傳遞、處理及存儲(chǔ)。

（3）實(shí)時(shí)性。數(shù)字化應(yīng)用能夠使項(xiàng)目信息實(shí)時(shí)更新和傳遞。各參與方、參與個(gè)人可以及時(shí)獲取到最新的項(xiàng)目信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，從而減少信息傳遞的延遲和錯(cuò)誤。

（4）可視化。數(shù)字化應(yīng)用通過(guò)圖形化和可視化的方式呈現(xiàn)項(xiàng)目信息。通過(guò)三維模型、圖表和圖像等形式，將復(fù)雜的項(xiàng)目信息直觀地展現(xiàn)出來(lái)，方便項(xiàng)目各參與方理解和決策。

（5）可持續(xù)性。數(shù)字化應(yīng)用將建筑項(xiàng)目的全過(guò)程信息數(shù)字化存檔，并可根據(jù)使用者的需求持續(xù)地錄入數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和追溯。這有助于建筑項(xiàng)目的決策管理與運(yùn)營(yíng)。

1.2 數(shù)字化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

（1）建模技術(shù)。建模技術(shù)是數(shù)字化應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括BIM、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，簡(jiǎn)稱“CAD”）等技術(shù)。BIM是數(shù)字化應(yīng)用的核心技術(shù)及載體，它通過(guò)將建筑項(xiàng)目的信息集成在一個(gè)三維模型中，實(shí)現(xiàn)信息的統(tǒng)一管理和共享。

（2）數(shù)據(jù)分析與分類技術(shù)。數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對(duì)項(xiàng)目信息進(jìn)行深入挖掘和分析，幫助參與方發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、類型和類別等關(guān)鍵信息。通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)建筑數(shù)字信息進(jìn)行分類，為信息編譯奠定好基礎(chǔ)。

（3）數(shù)據(jù)語(yǔ)義化技術(shù)。語(yǔ)義化技術(shù)旨在賦予數(shù)字化信息更多的含義和語(yǔ)義，使信息更加智能化和易于理解。語(yǔ)義化技術(shù)主要涉及對(duì)數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)的語(yǔ)義表示和處理，從而實(shí)現(xiàn)信息的結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化和語(yǔ)義化。語(yǔ)義化技術(shù)在數(shù)字化應(yīng)用中的應(yīng)用，可以提高信息的可理解性、可搜索性和可利用性，促進(jìn)信息的共享和交流，支持項(xiàng)目的智能化管理和決策。該技術(shù)后續(xù)也能為數(shù)字孿生的運(yùn)維軟件應(yīng)用做好堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)底座。

2 復(fù)雜公共建筑的數(shù)字化應(yīng)用案例

2.1 項(xiàng)目概況

本文以深圳某服裝公司總部基地為案例，該項(xiàng)目占地約4.98萬(wàn)m2，建筑面積約11.5萬(wàn)m2，建筑功能集辦公、展覽、休閑、商業(yè)和酒店為一體，項(xiàng)目目前投資約10億元。

負(fù)責(zé)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)的為境外設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，施工圖設(shè)計(jì)單位、施工單位均為國(guó)內(nèi)公司。項(xiàng)目設(shè)計(jì)特點(diǎn)為仿生態(tài)式建筑，建筑方案大量采用雙曲面造型，建筑風(fēng)格類似西班牙建筑大師高迪的作品。

2.2 項(xiàng)目建設(shè)重難點(diǎn)

（1）境內(nèi)外團(tuán)隊(duì)的實(shí)時(shí)溝通存在問(wèn)題。負(fù)責(zé)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)的為境外設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，而施工圖設(shè)計(jì)單位、施工單位為國(guó)內(nèi)單位。由于方案創(chuàng)作在境外，而設(shè)計(jì)深化實(shí)施在國(guó)內(nèi)，因此在實(shí)時(shí)溝通上存在地域、理念和規(guī)范落地等多方面的問(wèn)題。

（2）項(xiàng)目建設(shè)單位要求高。項(xiàng)目的建設(shè)單位對(duì)于項(xiàng)目方案落地還原度尤為關(guān)注，在對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)質(zhì)量要求、設(shè)計(jì)可實(shí)施性、施工質(zhì)量和項(xiàng)目還原度等方面的要求均非常重視。

（3）項(xiàng)目建設(shè)難度大。項(xiàng)目建設(shè)難度比較大，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案中大量運(yùn)用了雙曲面，而雙曲面的設(shè)計(jì)、施工并無(wú)類似的工程先例及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)方案的還原度要求很高。

（4）項(xiàng)目外立面及裝飾設(shè)計(jì)一體化要求高。項(xiàng)目外立面做法及室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)方案均由境外設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)把控，對(duì)于建筑主體與立面、室內(nèi)裝飾的銜接及相關(guān)機(jī)電服從室內(nèi)裝飾的要求很高，需要給予系統(tǒng)性考慮。

3 數(shù)字化應(yīng)用在項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮的價(jià)值

項(xiàng)目建設(shè)的核心關(guān)鍵在于各參建方對(duì)建筑方案的認(rèn)知統(tǒng)一，信息及相關(guān)要求的傳遞準(zhǔn)確。項(xiàng)目在方案創(chuàng)作初期到建設(shè)完成均采用統(tǒng)一的建筑數(shù)字化模型，項(xiàng)目建設(shè)期間的設(shè)計(jì)與施工工作均是以BIM模型作為檢驗(yàn)、實(shí)施的唯一依據(jù)。

3.1 設(shè)計(jì)階段的數(shù)字化應(yīng)用

3.1.1 基于模型的協(xié)同設(shè)計(jì)

鑒于項(xiàng)目各團(tuán)隊(duì)與各專業(yè)較為分散，存在溝通不便的問(wèn)題。因此，在整體項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中，建設(shè)單位與方案設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持以一個(gè)模型為核心，所有涉及方案修改、結(jié)構(gòu)修改、機(jī)電修改的問(wèn)題均在同一個(gè)模型調(diào)整，修改完成，設(shè)計(jì)圖紙閉合后，再向施工單位提交模型及施工圖對(duì)照施工。

本項(xiàng)目BIM數(shù)字模型的工作邏輯圖，如圖1所示。模型最初由境外方案團(tuán)隊(duì)進(jìn)行初步模型的創(chuàng)作，提交業(yè)主基本方案（包括數(shù)字模型與三維打印模型）確認(rèn)后由施工圖設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、顧問(wèn)團(tuán)隊(duì)和施工團(tuán)隊(duì)對(duì)模型進(jìn)行技術(shù)性評(píng)估（包括消防設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)計(jì)和可實(shí)施性現(xiàn)場(chǎng)樣板驗(yàn)證等），在進(jìn)行充分交流及初步深化設(shè)計(jì)后向境外方案團(tuán)隊(duì)提交修改意見(jiàn)，商定后由境外方案團(tuán)隊(duì)完成最終實(shí)施模型并提交業(yè)主。

圖1 項(xiàng)目BIM數(shù)字模型工作邏輯圖

以建筑、結(jié)構(gòu)為例，建筑模型中使用了大量直紋雙曲面（圖2為項(xiàng)目直紋雙曲面數(shù)字模型圖）。雙曲面的構(gòu)成原理、直母線的空間定位及曲率的定義均在數(shù)字化模型中，通過(guò)其基本原理可以實(shí)現(xiàn)方案模型→數(shù)字模型→計(jì)算模型的搭建。在結(jié)構(gòu)試算后可將模型調(diào)整要求及基本結(jié)構(gòu)構(gòu)建尺寸反提方案調(diào)整，從建筑模型到計(jì)算模型的過(guò)程示意圖如圖3所示。通過(guò)模型的不斷迭代修正，最終完成模型的構(gòu)建。

圖2 項(xiàng)目直紋雙曲面數(shù)字模型圖

圖3 從建筑模型到計(jì)算模型的過(guò)程示意圖

通過(guò)局部構(gòu)建計(jì)算模型可搭建整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，用于驗(yàn)證建筑、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求。整體計(jì)算模型與方案模型通過(guò)數(shù)字化三維通用格式進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1.2 外立面的協(xié)同設(shè)計(jì)

項(xiàng)目外立面裝飾參照高迪風(fēng)格，而高迪風(fēng)格的裝飾要求難度大，且對(duì)一些施工人員素質(zhì)要求極高。因此，在項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中，采用了數(shù)字化模擬的方法，在數(shù)字模型中進(jìn)行三維推算，同時(shí)在施工過(guò)程中對(duì)工人進(jìn)行數(shù)字化專項(xiàng)交底。反打貼磚技術(shù)工序圖如圖4所示。

圖4 反打貼磚技術(shù)工序圖

3.2 施工階段的數(shù)字化應(yīng)用

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)模結(jié)合施工

方案設(shè)計(jì)雙曲面為混凝土材質(zhì)，采用傳統(tǒng)支模綁扎鋼筋難度極大。施工團(tuán)隊(duì)直接采用設(shè)計(jì)數(shù)字三維模型，按數(shù)字模型直紋雙曲面的直母線邏輯放置控制鋼管，同時(shí)計(jì)算模板各層搭設(shè)措施要求，模板搭設(shè)完成再進(jìn)一步用數(shù)字模型網(wǎng)格法驗(yàn)證，最終完成方案設(shè)計(jì)效果。模板數(shù)字化搭設(shè)示意圖如圖5所示。

圖5 模板數(shù)字化搭設(shè)示意圖

3.2.2 施工模擬

施工過(guò)程的數(shù)字模擬技術(shù)要求在符合建筑效果前提下，完成設(shè)計(jì)要求的施工工序。項(xiàng)目屋面采用拱形結(jié)構(gòu)形式，受建筑構(gòu)造所限，兩側(cè)柱需承擔(dān)較大的水平推力，施工過(guò)程中采取數(shù)字模擬方式全過(guò)程分析評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

與此同時(shí)，施工模擬模型以方案模型為基礎(chǔ)，通過(guò)在模型中增加臨時(shí)構(gòu)件的方式進(jìn)行。從施工措施搭設(shè)到施工措施拆除的各階段均進(jìn)行模擬，一方面驗(yàn)證設(shè)計(jì)要求，一方面驗(yàn)證施工工藝。施工模擬工序圖如圖6所示，施工模擬數(shù)字模型與施工現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖6 施工模擬工序圖

圖7 施工模擬數(shù)字模型與施工現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)發(fā)展，數(shù)字化已與各行各業(yè)形成交融，在信息技術(shù)的加持下，很多行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與變化。建筑行業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)感受到了信息化、數(shù)字化和智能化帶來(lái)的沖擊，數(shù)字化技術(shù)、人工智能技術(shù)等已對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)思路和建設(shè)流程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，建造本身不再是傳統(tǒng)的方式，數(shù)字化應(yīng)用已經(jīng)是新的發(fā)展方向[10-11]。近年國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出一批通過(guò)數(shù)字化方式完成的建筑，如北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)、鳳凰傳媒大廈等，這些建筑方案從設(shè)計(jì)初期就通過(guò)數(shù)字化方式設(shè)計(jì)曲面、布置建筑平面，在建設(shè)全過(guò)程通過(guò)數(shù)字化應(yīng)用輔助完成項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高效率的目標(biāo)[12]。本文以深圳某服裝公司總部基地為例，針對(duì)存在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工難度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和境外合作等問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，確保了設(shè)計(jì)方案的還原度，最大程度地滿足建筑追求的風(fēng)格和效果，取得了良好的項(xiàng)目效益。研究結(jié)果可為復(fù)雜公共建筑的數(shù)字化應(yīng)用提供可復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)和做法，為今后類似項(xiàng)目的實(shí)施提供借鑒與參考，同時(shí)對(duì)推進(jìn)數(shù)字化應(yīng)用在建筑業(yè)的發(fā)展也具有一定的促進(jìn)意義。