BIM技術(shù)在上海天文館設(shè)計階段的應(yīng)用

陳家遠　郜　江　劉　婧　鄭　威

(1.上?？萍拣^，上?！?00127； 2.上海市建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，上?！?00080；

3.同濟大學經(jīng)濟與管理學院，上海　200092)

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BIM技術(shù)在上海天文館設(shè)計階段的應(yīng)用

陳家遠1郜江1劉婧2鄭威3

(1.上?？萍拣^，上海200127； 2.上海市建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，上海200080；

3.同濟大學經(jīng)濟與管理學院，上海200092)

在上海天文館(上海科技館分館)建筑的設(shè)計過程中，大量應(yīng)用了BIM技術(shù)，為項目的方案決策、設(shè)計優(yōu)化、品質(zhì)提高等方面做出了積極的貢獻。特別是在建筑性能分析方面，BIM更是起到了不可替代的作用。本文將重點介紹BIM技術(shù)在設(shè)計協(xié)調(diào)工作中的作用以及建筑性能分析成果。

BIM； 設(shè)計階段； 設(shè)計協(xié)調(diào)； 建筑性能模擬

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.02

1　引言

隨著我國城市化進程的加快，建筑設(shè)計難度不斷提升，城市綜合體、大型公共建筑的設(shè)計越來越復(fù)雜，異型構(gòu)造越來越多。然而傳統(tǒng)設(shè)計依靠的是設(shè)計人員的經(jīng)驗，對于具有獨創(chuàng)性、新穎性的建設(shè)項目，傳統(tǒng)設(shè)計工作面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，需要轉(zhuǎn)變設(shè)計思路，通過應(yīng)用BIM技術(shù)，提升設(shè)計品質(zhì)，降低設(shè)計風險，按時優(yōu)質(zhì)完成項目目標。

2　BIM技術(shù)的應(yīng)用背景

BIM是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它是一個建設(shè)項目物理和功能特性的數(shù)字表達，是由計算機三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫[1]。

BIM技術(shù)于80年代中期出現(xiàn)在美國，隨后逐步應(yīng)用在歐洲、亞洲等國家。近幾年，BIM技術(shù)在中國迅速發(fā)展。2011年，住建部發(fā)布了《2011～2015建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》[2]，將建筑信息模型(BIM)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作等新技術(shù)列為“十二五”中國建筑業(yè)重點推廣技術(shù)； 隨后在2015年發(fā)布了《關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》[3]，明確指出“到2020年末，新立項目勘察、設(shè)計、施工、運營維護中，集成應(yīng)用BIM項目比率達到90%”。2014年10月，上海市政府正式發(fā)布《關(guān)于本市推進建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，要求到2016年底，基本形成滿足BIM技術(shù)應(yīng)用的配套政策、標準和市場環(huán)境，本市主要設(shè)計、施工、咨詢服務(wù)和物業(yè)管理等單位普遍具備BIM技術(shù)應(yīng)用能力。2015年6月，上海市建委正式發(fā)布了《上海市建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用指南》[4]，對建設(shè)項目設(shè)計、施工、運營全生命期的23 項 BIM 技術(shù)基本應(yīng)用進行了描述，包括每項應(yīng)用的目的、意義、數(shù)據(jù)準備、操作流程以及成果等內(nèi)容等，為上海市建設(shè)領(lǐng)域BIM技術(shù)的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

上海天文館(上?？萍拣^分館)項目作為上海市重大公共建筑項目，順應(yīng)國家和上海市對BIM技術(shù)的推廣政策，應(yīng)用BIM技術(shù)進行項目建設(shè)和管理。

3　工程概況

上海天文館建筑位于浦東新區(qū)臨港新城，項目總用地面積5.8萬m2，總建筑面積3.8萬m2，項目包括一個建筑面積3.5萬m2、高24m的主體場館建筑和魔力太陽塔、青少年觀測基地、大眾天文臺等附屬建筑組成。項目是由上海市政府投資建設(shè)的科普教育基地，目標是建設(shè)世界一流的大型天文科普場館。

鑒于天文館的建筑的復(fù)雜性、項目定位及實現(xiàn)的重大意義，本項目應(yīng)用模式為全生命期應(yīng)用，BIM實施主體是建設(shè)單位，即在建設(shè)單位主導(dǎo)下，委托有能力的設(shè)計、施工和管理單位在項目全生命期協(xié)同應(yīng)用BIM技術(shù)，實現(xiàn)項目建設(shè)目標。

4　基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計及優(yōu)化

在建筑設(shè)計領(lǐng)域，目前BIM技術(shù)已獲得世界各國專家學者及工程相關(guān)從業(yè)人員廣泛認同，基于建筑信息模型技術(shù)的三維設(shè)計將取代傳統(tǒng)的二維計算機輔助建筑設(shè)計方式，是未來建筑設(shè)計的主流[5]。上海天文館項目設(shè)計復(fù)雜，運用BIM技術(shù)可以在繪圖過程中直觀地發(fā)現(xiàn)模型中的碰撞沖突，又可在繪圖后期利用軟件本身的碰撞檢測功能或者第三方軟件(如Navisworks)進行碰撞檢測，從而提高設(shè)計質(zhì)量，為設(shè)計人員節(jié)省寶貴的時間與精力[6]。

4.1三維協(xié)同設(shè)計

設(shè)計之初，確定了二維設(shè)計人員負責設(shè)計強條控制，BIM設(shè)計人員負責專業(yè)協(xié)調(diào)及建筑效果的設(shè)計分工。以外方設(shè)計院提供的方案階段三維模型為基礎(chǔ)，剖切生成二維圖紙并上傳至協(xié)同平臺。二維設(shè)計人員通過協(xié)同平臺獲得BIM設(shè)計提資后，進行擴初設(shè)計和施工圖設(shè)計，一定階段后將二維設(shè)計成果上傳協(xié)同平臺。BIM設(shè)計人員通過協(xié)同平臺獲得二維設(shè)計反提資，深化和完善方案階段BIM模型，二維深化和模型深化交互進行。

對于復(fù)雜節(jié)點，如異型幕墻、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，很難確定其在平面上的投影位置，通過剖切幕墻、鋼結(jié)構(gòu)的三維模型得到定位點和定位線，提交二維設(shè)計人員完成圖紙繪制； 利用三維模型還可以更直觀地表現(xiàn)設(shè)計成果，輔助建設(shè)、管理和施工單位理解設(shè)計圖紙(如圖2)。另外，在設(shè)計過程中一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，直接修改三維模型，無須分別修改平面、立面和剖面，大大提升了效率[7]； 將修正后的模型進行剖切，形成二維圖紙并輔以繪圖標識，以滿足工程實施、政府審批和驗收歸檔的需要。

圖1　設(shè)計工作流程

圖2　主體建筑鋼結(jié)構(gòu)模型

4.2基于BIM的設(shè)計協(xié)調(diào)

基于三維模型的設(shè)計協(xié)調(diào)，是應(yīng)用三維模型及軟件的碰撞檢查、虛擬漫游等功能，快速地幫助設(shè)計單位檢查模型，及其對應(yīng)的圖紙中存在的問題，包括各專業(yè)之間以及專業(yè)內(nèi)的錯漏碰缺。同時，設(shè)計單位根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題，調(diào)整三維模型及二維圖紙。

BIM設(shè)計人員與二維設(shè)計人員協(xié)同工作，應(yīng)用協(xié)同平臺進行模型共享與信息交互。在設(shè)計過程中應(yīng)用三維模型實時校審二維圖紙，并及時協(xié)調(diào)解決設(shè)計沖突； 組織階段性總體綜合協(xié)調(diào)，對需要多專業(yè)配合解決或需要業(yè)主決策的問題進行匯總處理，通過運用標準模板進行問題點的定位，實現(xiàn)負責人員的跟蹤、修改狀態(tài)的跟進，并提交設(shè)計協(xié)調(diào)報告。

根據(jù)設(shè)計單位提交的設(shè)計協(xié)調(diào)報告，目前已發(fā)現(xiàn)80多處專業(yè)內(nèi)及不同專業(yè)間的設(shè)計沖突，如結(jié)構(gòu)梁穿過建筑樓梯間； 機電管線與結(jié)構(gòu)有碰撞等(圖3)。在二維圖紙中難以發(fā)現(xiàn)的問題，通過三維模型可以快速發(fā)現(xiàn)。BIM技術(shù)的應(yīng)用，使得大量設(shè)計協(xié)調(diào)工作得以提前。如機電管線和結(jié)構(gòu)的碰撞問題，在傳統(tǒng)的設(shè)計模式下往往到施工階段才能發(fā)現(xiàn)。通過整合各專業(yè)模型，從管線綜合排布的角度提出修改建議，解決現(xiàn)有碰撞問題的同時避免新碰撞的出現(xiàn)。通過各專業(yè)工程師協(xié)同工作、緊密配合，提高了圖紙質(zhì)量。

圖3　設(shè)計協(xié)調(diào)問題分析報告示例圖

5　建筑性能分析

建筑業(yè)是高消耗、高污染的行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑碳排放量占用全國碳排放總量的45%左右[8]； 建筑全壽命周期消耗的資源占到世界資源消耗總量的50%左右，產(chǎn)生的污染和二氧化碳也占到世界總量的50%左右[9]。上海天文館作為一個科普教育基地，其建設(shè)者一直倡導(dǎo)綠色建筑設(shè)計，因此希望通過應(yīng)用BIM技術(shù)，結(jié)合相關(guān)軟件、環(huán)境參數(shù)，找出影響建筑環(huán)境性能的主要因素，分析設(shè)計的合理性。項目目前完成的分析有：室內(nèi)、外風環(huán)境模擬，室內(nèi)采光模擬和輻射模擬。

5.1室外風環(huán)境模擬

5.1.1模擬目的

室外風環(huán)境模擬的目的在于在不增加造價的情況下，分析并利用周邊風環(huán)境，為舒適的建筑室內(nèi)自然通風打下基礎(chǔ)。應(yīng)用Phoenics軟件進行數(shù)值模擬，分析包括：建筑室外風環(huán)境的舒適性； 建筑造型及朝向是否有利于室內(nèi)自然通風等。

5.1.2模擬條件

(1)氣候環(huán)境條件

本項目所在位置上海市屬于夏熱冬冷地區(qū)。全年平均氣溫為16℃，最熱月份(7月)和最冷月份(1月)的平均溫度分別為27.8℃和3.7℃，其中7月及8月最高干球溫度近于38℃， 6月及7月初是梅雨季節(jié)，多雨、潮濕、悶熱。

(2)室外風環(huán)境模擬基本設(shè)置

計算區(qū)域：建筑覆蓋區(qū)域小于整個計算域面積33%； 以目標建筑為中心，半徑5H范圍內(nèi)為水平計算域； 建筑上方計算區(qū)域要大于3H； H為建筑主體體高度；

網(wǎng)格劃分：建筑的每一邊人行高度區(qū)1.5m或2m高度應(yīng)劃分10個網(wǎng)格或以上；

湍流模型選擇：標準k-ε模型。

計算用邊界條件：風速采用臨港地區(qū)各個季節(jié)5年平均風速； 風向采用各個季節(jié)5年概率最大風向。具體設(shè)置如表1：

表1　各個季節(jié)5年平均風速和概率最大風向

5.1.3模擬結(jié)果

(1)夏季、冬季工況

由圖4可知，在夏季、冬季工況下整個區(qū)域內(nèi)的最大風速約為4m/s，小于5m/s，符合舒適性要求； 建筑迎背風面的平均風壓差為10Pa左右，風壓差較大，對建筑透明幕墻的氣密性要求需有所提高。

(2)春季工況

由圖5可知，春季工況下整個區(qū)域內(nèi)的風速約為3m/s，最大風速為4.1m/s，有利于提高夏季人行區(qū)舒適性； 建筑迎背風面的平均風壓差最大為10Pa左右，有利于利用風壓差實現(xiàn)建筑內(nèi)自然通風。

(3)秋季工況

由圖6可知，秋季工況下整個區(qū)域內(nèi)的風速約為3m/s，有利于提高夏季人行區(qū)舒適性； 建筑迎背風面的平均風壓差最大為10Pa左右，有利于利用風壓差實現(xiàn)建筑內(nèi)自然通風。

5.2室內(nèi)風環(huán)境模擬

5.2.1模擬目的

室內(nèi)風環(huán)境的模擬基于過渡季工況下室外風環(huán)境的模擬結(jié)果，對建筑物的自然通風潛力進行分析，研究自然通風的必要性及開窗位置、窗口面積對通風的影響等。

圖4　夏季、冬季工況1.5m高處的風速云圖和建筑風壓圖

圖5　春季工況1.5m高處的風速云圖和建筑風壓圖

圖6　冬季工況1.5m高處的風速云圖和建筑風壓圖

圖7　過渡季室外風壓模擬結(jié)果

5.2.2計算工況

本次計算主要考慮風壓作用下的自然通風，未考慮熱壓的影響。過渡季室外風壓模擬結(jié)果如圖7。

根據(jù)圖7模擬結(jié)果，模擬計算時在建筑外表面風壓最大及最小部位開啟外窗，自然通風模型如圖8所示。

圖8　室內(nèi)風環(huán)境模擬模型

圖9　一層1.5m高處風速云圖和空氣齡云圖

計算風壓分別取自室外通風模擬結(jié)果。

5.2.3模擬結(jié)果

(1)一層1.5m高處

由圖可知，過渡季一層1.5m高處，大部分區(qū)域的風速為0.05m/s，空氣齡為5 000s，自然通風情況并不理想。設(shè)計時，一層大廳不應(yīng)采用自然通風，目前的設(shè)計按照機械通風考慮。

圖10　三層1.5m高處風速云圖

(2)三層1.5m高處

由圖10可知，三層1.5m高處的最大風速在1m/s左右，自然通風狀況良好。設(shè)計時，應(yīng)按照模擬情況，在此處設(shè)置外窗。

5.3室內(nèi)采光及太陽輻射模擬

5.3.1模擬目的

本次模擬主要對天窗的采光效果進行分析，判斷自然采光的效果。同時模擬建筑外表面太陽輻射強度分布情況。應(yīng)用Ecotect軟件，具體模擬分析過程如下。

5.3.2計算工況

(1)計算模型

計算模型與建筑室外風環(huán)境模擬采用同一基礎(chǔ)物理模型，根據(jù)軟件計算需要，對物理模型進行一定處理，成為采光計算模型。采光模型的效果圖如圖11。

圖11　采光模擬計算模型

(2)計算參數(shù)

本項目屬于Ⅳ級光氣候區(qū)，光氣候系數(shù)K值為1.1，室外天然光設(shè)計照度值Es為13 500.0lx。

根據(jù)本項目實際材料性狀，對模擬計算參數(shù)進行選值如表2：

表2　模擬計算參數(shù)

5.3.3模擬結(jié)果

(1)陰天工況下的室內(nèi)采光

圖12　1.5m高處采光系數(shù)分布圖

由圖12可知，天窗帶來的室內(nèi)采光效果明顯，在全陰天模型情況下，極大改善下方空間的自然采光情況。

但是，在自然采光得到改善的同時，天窗的采用會大幅增加太陽輻射得熱量。根據(jù)計算，在未采取遮陽措施的情況下， 7月份天窗造成的室內(nèi)太陽輻射直接得熱量峰值為40kwh/m2。因此，結(jié)合建筑造型合理設(shè)置外遮陽或內(nèi)遮陽措施，有利于降低夏季空調(diào)負荷。

(2)建筑表面太陽輻射

由圖13可知，水平面受到的太陽輻射強度最大。本項目為金屬屋面，屬于輕質(zhì)屋面，應(yīng)增大保溫層厚度，屋面應(yīng)選擇反射率較高的材料制作，從而降低太陽輻射帶來的負荷增加。

圖13　建筑表面太陽輻射得熱量分布圖

天窗所受太陽輻射強度與水平屋面相同，在保正室內(nèi)采光效果的情況下，應(yīng)盡量減小天窗面積，選用透射率較低的材料，從而降低太陽直射得熱量。

建筑自身的線條，有一定自遮陽作用，通過擴大側(cè)窗面積，滿足室內(nèi)自然采光的要求。

6　BIM應(yīng)用總結(jié)

上海天文館項目2015年1月開始初步設(shè)計。在設(shè)計過程中，利用3D可視化設(shè)計不斷修改和完善三維模型，各專業(yè)協(xié)同工作，已發(fā)現(xiàn)80多處設(shè)計沖突，設(shè)計協(xié)調(diào)工作前移； 大大提升了設(shè)計效率。對于復(fù)雜節(jié)點的構(gòu)造，可以更直觀的表現(xiàn)，減少設(shè)計錯誤，避免后期設(shè)計變更、施工返工。建筑性能模擬分析技術(shù)的應(yīng)用，驗證了設(shè)計的合理性，滿足了設(shè)計質(zhì)量和建筑功能要求。通過模擬分析，對設(shè)計提出了科學合理的優(yōu)化建議，提升了設(shè)計質(zhì)量。

另外，本項目還實施基于BIM的項目管理，搭建BIM協(xié)同平臺，實現(xiàn)各參與單位的高效溝通，對項目投資、進度、質(zhì)量進行精細管理，確保工程項目目標的順利實現(xiàn)。

[1]裴以軍，彭友元，陳愛東 等.BIM技術(shù)在武漢某項目機電設(shè)計中的研究及應(yīng)用[J].施工技術(shù),2011(21):94-99.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要[EB/OL]．(2011-05-10)[2015-01-22]．

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見.建質(zhì)函[2015]159號.

[4]上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和管理委員會.上海市建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用指南[S].2015.

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[6]邵光華,高愛麗,譚曉慧 等.BIM技術(shù)在某建筑實例排水管道設(shè)計中的應(yīng)用[J].青島理工大學學報,2015.01

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[8]章帥.基于BIM技術(shù)綠色建筑環(huán)境性能評價[D].南京林業(yè)大學碩士學位論文,2014.

[9]郭銳.貴州省住宅圍護結(jié)構(gòu)熱工性能研究[D].重慶大學，2011.

Application of BIM in Shanghai Planetarium Project in the Design Phase

Chen Jiayuan1, Gao Jiang1, Liu Jing2, Zheng Wei3

(1.ShanghaiScienceandTechnologyMuseum,Shanghai200127,China;2.ShanghaiConstructionSupervisionConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200080,China;3.SchoolofEconomicsandManagement,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

During the design phase of Shanghai Planetarium Project, BIM technology has been widely used and has made great contribution to project decision-making,design optimization and quality process. Especially in the aspect of building performance analysis,BIM has played an irreplaceable role.This article focuses on the application of BIM technology in the design coordination and building performance analysis results.

BIM; Design Phase; Design Coordination; Building Performance Simulation

陳家遠(1976-)，男，工程師，主要研究方向：工程項目管理、技術(shù)管理；
郜江(1966-)，男，工程師，主要研究方向：工程項目管理、技術(shù)管理；
劉婧(1989-)，女，助理工程師，主要研究方向：BIM技術(shù)、設(shè)計管理；
鄭威(1975-)，男，同濟大學經(jīng)管學院，主要研究方向：大數(shù)據(jù)、BIM、工程管理。

TU17

A

1674-7461(2016)04-0010-07