以BIM技術(shù)主導(dǎo)復(fù)雜形體建筑的設(shè)計(jì)流程

楊瑛 康鑫維 張榮

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和不斷滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要的要求，出現(xiàn)了許多造型復(fù)雜的城市公共建筑，而B(niǎo)IM技術(shù)等數(shù)字化科技的發(fā)展是當(dāng)下國(guó)家大力推行的新發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)建筑業(yè)在過(guò)往發(fā)展中，建筑設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)流程中配合深度不夠，少有深度參與后續(xù)的建筑施工流程。同時(shí)市場(chǎng)上設(shè)計(jì)技術(shù)的變革緩慢，難以適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)條件下的人民需要的新觀感，對(duì)后續(xù)施工呈現(xiàn)的效果缺乏把控等問(wèn)題，帶來(lái)了一系列弊端。以某市大型商業(yè)綜合體實(shí)際工程為例闡述了，借助BIM手段，串聯(lián)地產(chǎn)、方案階段、施工圖階段、幕墻部分等設(shè)計(jì)全生命周期，保證項(xiàng)目設(shè)計(jì)的落地性和嚴(yán)謹(jǐn)與創(chuàng)新性，為地產(chǎn)與設(shè)計(jì)行業(yè)如何在新形勢(shì)下高質(zhì)量地把控設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供參考。

BIM技術(shù)； 建筑設(shè)計(jì)； 建筑外立面； BIM正向設(shè)計(jì)

TP391.72 A

［定稿日期］2022-03-16

［作者簡(jiǎn)介］楊瑛（1964—），男，博士，教授，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論；康鑫維（1996—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論。

1 背景與問(wèn)題

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民對(duì)的美好生活需求日益增長(zhǎng)，建筑的使用功能需求的提升，各方面因素推動(dòng)著造型復(fù)雜的城市公共建筑蓬勃發(fā)展，許多業(yè)主應(yīng)需求打造城市中心高端商業(yè)，力求在現(xiàn)代化城市面貌中留下濃墨重彩的一筆。因此，應(yīng)對(duì)外立面的造型需求的提升，建筑師紛紛加強(qiáng)對(duì)建筑造型的設(shè)計(jì)探索，這無(wú)疑是對(duì)項(xiàng)目落地成功性的巨大挑戰(zhàn)，在項(xiàng)目周期短，多方參與的高周轉(zhuǎn)的模式下，傳統(tǒng)施工圖設(shè)計(jì)模式面對(duì)常規(guī)項(xiàng)目尚且會(huì)出現(xiàn)許多錯(cuò)誤，難以適應(yīng)當(dāng)代新穎項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

外立面的設(shè)計(jì)不是僅關(guān)系到項(xiàng)目的外形表達(dá)，還需要有高度的統(tǒng)籌兼顧性，方案設(shè)計(jì)階段時(shí)應(yīng)用構(gòu)造、功能、美學(xué)、材料等方面的專業(yè)知識(shí)，到了施工圖設(shè)計(jì)階段還要考慮更多的落地性和實(shí)用性，就橫向來(lái)說(shuō)建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣等不同部門(mén)的前后協(xié)作，縱向上方案施工圖和施工單位與交付后的運(yùn)維單位之間該怎樣高效地配合與交接，怎樣避免反復(fù)地修改造成對(duì)工期產(chǎn)生的影響，甚至是避免因?yàn)榭紤]不周造成項(xiàng)目后期返工帶來(lái)的損失或者施工后不可逆的錯(cuò)誤導(dǎo)致最終效果妥協(xié)于錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)。

雖然BIM技術(shù)在理想狀態(tài)下能解決這些大部分問(wèn)題，但現(xiàn)在市場(chǎng)上運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)大多數(shù)停留在略滯后于施工圖步驟的設(shè)計(jì)咨詢，或者施工圖完成后的BIM優(yōu)化，不可避免造成了時(shí)間浪費(fèi)、信息不對(duì)稱、可優(yōu)化條件有限、工作反復(fù)等問(wèn)題［1］。

本文從方案優(yōu)化階段開(kāi)始，施工圖階段為主，以BIM技術(shù)來(lái)主導(dǎo)設(shè)計(jì)流程為中心，以實(shí)際已完成的工作為例作闡述。

2 設(shè)計(jì)流程探討

大部分設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)流程考慮的因素不夠全面，表皮給到結(jié)構(gòu)工程師，而結(jié)構(gòu)工程師通常不會(huì)給予過(guò)多時(shí)間針對(duì)表皮進(jìn)行思考，或者只是簡(jiǎn)單地平移在建筑單層表皮上建立桿件中心線，后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)單位或者幕墻單位經(jīng)常發(fā)現(xiàn)能變通的設(shè)計(jì)空間不足，主次龍骨桿件難以設(shè)計(jì)，或者缺乏很多附屬構(gòu)件的考慮。

再者，針對(duì)這種整個(gè)建筑帶有一定弧度的項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)的柱梁板預(yù)留空間可能在平面上能定位，豎向上的關(guān)系難以確定，例如大梁的梁頂和底部是Z軸方向上垂直，但平面上梁頂滿足了進(jìn)退距離定位，很多時(shí)候梁底位置與表皮的進(jìn)退關(guān)系往往是不滿足的。類似這樣的位置有很多，并且不僅限于結(jié)構(gòu)專業(yè)，還有許多管道設(shè)計(jì)位置也有這樣的問(wèn)題。傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的流程弊端在這種項(xiàng)目上開(kāi)始浮現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)常規(guī)復(fù)雜形體方案階段后的設(shè)計(jì)流程通常是幾種方式：

（1）由方案建筑師給出初版圖紙與大致的模型，一般為Sketchup、Rhino等模型。由施工圖部門(mén)的建筑專業(yè)整理與結(jié)構(gòu)和機(jī)電專業(yè)完成初步的討論，這些專業(yè)以建筑圖為底圖，在其基礎(chǔ)上開(kāi)始初版排布［2］。

（2）結(jié)構(gòu)專業(yè)在建筑的初版提資下開(kāi)始排布荷載模型，此模型只涉及到鋼筋混凝土的受力計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)與幕墻支撐僅僅作預(yù)留，此時(shí)的建筑底圖十分不穩(wěn)定，特別是在復(fù)雜項(xiàng)目下難以考慮周全。

（3）在施工圖基本穩(wěn)定后，幕墻與鋼結(jié)構(gòu)單位介入，在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化，但由于此時(shí)大多此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原人員已進(jìn)入到新項(xiàng)目，難以全過(guò)程兼顧此項(xiàng)目，加上后續(xù)深化單位多從施工的方向考慮，對(duì)建筑原本的表達(dá)考慮不周全，多種原因?qū)е虑昂笮畔⒉粚?duì)稱。

（4）現(xiàn)場(chǎng)施工單位接受圖紙后，部分施工單位對(duì)項(xiàng)目的理解不透徹，加上之前的設(shè)計(jì)漏洞較多，現(xiàn)場(chǎng)也難以解決，最終造成施工與設(shè)計(jì)不一致。

這樣的設(shè)計(jì)流程還會(huì)帶來(lái)一些其他的影響，例如無(wú)法提前作出準(zhǔn)確的成本估算、項(xiàng)目額外費(fèi)用過(guò)高等弊端。

而以BIM技術(shù)來(lái)主導(dǎo)復(fù)雜公共建筑外立面的流程（圖1），則可以最大程度避開(kāi)上述問(wèn)題。

3 模型搭建組織初步設(shè)計(jì)

下面將通過(guò)一些案例來(lái)解析用此流程引導(dǎo)設(shè)計(jì)周期的一些的方法。

案例一如圖2所示為超大型公共商業(yè)建筑，地下2層，地上16層，最大的漩渦為正門(mén)入口處，大漩渦頂部至7層。首先該案例位于某省會(huì)城市的市中心，對(duì)外立面和項(xiàng)目質(zhì)量有著嚴(yán)格的把控，以“城市空間的無(wú)限邊界”為設(shè)計(jì)理念，對(duì)角走向的旋渦幕墻，對(duì)建筑外立面設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。BIM技術(shù)方案設(shè)計(jì)階段介入，以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)控加工，將原本異形建筑很難描述的曲面數(shù)據(jù)化，最大限度詮釋設(shè)計(jì)理念，將其復(fù)雜多變的外立面設(shè)計(jì)，解構(gòu)為清晰的、可實(shí)施的細(xì)部模塊，為設(shè)計(jì)理念落地提供強(qiáng)大技術(shù)支撐［3］。

設(shè)計(jì)中，利用Rhino、Revit、Grasshopper（以下簡(jiǎn)稱GH）、Dyamo、Enscape等多款軟件協(xié)同設(shè)計(jì)，利用可視化模型支撐建設(shè)方進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)判斷，將BIM數(shù)字設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)最大化。該項(xiàng)目外立面專項(xiàng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用點(diǎn)有：

（1）搭建數(shù)據(jù)化表皮，詮釋方案理念。

（2）精確計(jì)算各層面積指標(biāo)。

（3）排除異形外表皮對(duì)面積計(jì)算的干擾。

（4）深化設(shè)計(jì)鋁板與玻璃幕墻排布韻律。

（5）結(jié)合功能需求、施工可行性等對(duì)復(fù)雜部位優(yōu)化排布。

（6）定位幕墻，模擬拼接，控制細(xì)節(jié)。

（7）大門(mén)旋渦幕墻方案專題設(shè)計(jì)，多方案比選玻璃及龍骨排布邏輯。

注：經(jīng)實(shí)踐以上的邏輯方法在其他類似項(xiàng)目上也能適用，此處與下文為方便闡述故以案例的角度描述。

通常方案階段交付的模型無(wú)法直接用于深化加工，其中主要原因是提供的SketchUp 的模型數(shù)據(jù)是基于網(wǎng)格 （Mesh） 而不是 NURBS 曲線，導(dǎo)致整個(gè)模型的精準(zhǔn)度不能達(dá)到開(kāi)模的要求，這樣對(duì)于后續(xù)傳遞會(huì)造成不連續(xù)的影響，所以首先利用Rhino的NURBS曲面建模，建立參數(shù)化模型后，通過(guò)檢查分析模型，優(yōu)化調(diào)整不合理部位，使之更合理，同時(shí)組裝詮釋方案意圖，并使外表皮數(shù)據(jù)化。在做外立面整理時(shí)，應(yīng)該剖析復(fù)雜板塊，分解異形區(qū)域，梳理模型拼裝邏輯（圖3）［4］。

在剖析復(fù)雜板塊的同時(shí)，設(shè)計(jì)師根據(jù)NURBS曲線控制幕墻形體，還是通過(guò)提取曲面的UV線劃分幕墻嵌板，生成龍骨、節(jié)點(diǎn)模型，乃至后期輸出幕墻定位詳圖及對(duì)接幕墻制造商的數(shù)據(jù)模型，均具有較高的數(shù)據(jù)流動(dòng)性和整體控制性（圖4）［5］。

4 參數(shù)化模型主導(dǎo)深化設(shè)計(jì)

4.1 精確面積指標(biāo)

在異形建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，按舊設(shè)計(jì)流程方法空間上的凈高難以精確計(jì)算，這樣不利于面積指標(biāo)的把控，對(duì)于形成建筑空間的圍合空間，凈高在2.10 m及以上的部分應(yīng)計(jì)算全面積，而結(jié)構(gòu)凈高在1.20 m以上的部分應(yīng)計(jì)算1/2面積，結(jié)構(gòu)凈高在1.20 m以下的部分不應(yīng)計(jì)算建筑面積。初步利用rhino的異性表皮，按層高處的建筑表面剖切各層平面，便可以確定邊界輪廓，規(guī)整后的模型表皮可以精確計(jì)算各層面積指標(biāo)，從而調(diào)整功能房間的分布和室內(nèi)布置（圖5）。

4.2 優(yōu)化開(kāi)窗房間位置

常規(guī)的復(fù)雜外表皮建筑設(shè)計(jì)流程中，往往會(huì)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一些細(xì)微的改動(dòng)導(dǎo)致整個(gè)韻律產(chǎn)生形變，對(duì)于具有開(kāi)窗要求的房間，在房間布置時(shí)在滿足室內(nèi)使用的情況下，根據(jù)外立面的韻律做出調(diào)整，這樣能即使的反應(yīng)在模型中，同步瀏覽設(shè)計(jì)效果，如此便可減少外立面韻律向房間功能妥協(xié)的情況，從而保證建筑形體保持原有的美感（圖6）［6］。

4.3 深度推敲方案

異形曲面構(gòu)件式幕墻系統(tǒng)，其構(gòu)造方式多樣且工藝復(fù)雜，對(duì)受力要求也極為苛刻，往往需要復(fù)雜的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)支撐，幕墻空間結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件是龍骨，在傳統(tǒng)的施工圖設(shè)計(jì)中對(duì)異形建筑往往采用詳后續(xù)深化單位的表達(dá)方式完成圖紙，而在以BIM技術(shù)為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)流程中，將幕墻設(shè)計(jì)工作前置，同步完成參數(shù)化信息模型，從而完善項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路，這樣既解決了專業(yè)技術(shù)上的難題，又保證了立面效果的完美呈現(xiàn)［7］。

案例一中大門(mén)漩渦處需要營(yíng)造一種內(nèi)旋的效果，并且要產(chǎn)生通透的感覺(jué)，那么在以BIM技術(shù)為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)流程中納入了幕墻構(gòu)造設(shè)計(jì)的意見(jiàn)，分別推敲出3種實(shí)現(xiàn)途徑，從左往右分別命為方案一、方案二、方案三（圖7）。

方案一：以規(guī)律的小三角玻璃為基本單元，此方案造價(jià)較低，但整個(gè)曲面不通透且效果還原度較差。

方案二：搭建大小2種龍骨，主龍骨突出玻璃50mm采用深色涂料以凸顯漩渦韻律，次龍骨突出幕墻30mm采用淺色涂料保證三角幕墻的安裝，此方案造價(jià)中等，曲面較為通透，效果還原度較高。

方案三：取消次龍骨，渦旋線與中心法線圍合成四邊形的弧形玻璃，此方案造價(jià)高，曲面通透且效果好。

搭建了參數(shù)化模型后，利用基于Rhino的GH插件通過(guò)對(duì)各塊玻璃直接下料分析，及時(shí)統(tǒng)計(jì)出3種幕墻做法下，整個(gè)建筑3處漩渦的經(jīng)濟(jì)對(duì)比，得出方案一和方案三3個(gè)漩渦合計(jì)差值為574.4萬(wàn)元人民幣，僅商業(yè)主入口上方的漩渦差值就達(dá)到了240萬(wàn)元人民幣。

4.4 鋁板幕墻專項(xiàng)深化

由于異形建筑對(duì)混凝土構(gòu)件定位精度要求較高，故對(duì)外立面的深化盡量前置。在實(shí)際案例中外立面的部分位置會(huì)形成雙曲面鋁板或玻璃，在批量生產(chǎn)的過(guò)程中若不提前處理這些部位，常出現(xiàn)無(wú)法安裝或外立面變形等問(wèn)題。

案例二為全運(yùn)會(huì)配套商業(yè)公共建筑的外表皮模型，此模型在完成定案后模型出現(xiàn)了大量雙曲面部位，利用Rhino&GH參數(shù)化對(duì)立面進(jìn)行曲率檢測(cè)（如圖8），對(duì)雙曲鋁板進(jìn)行篩選后，利用遺傳算法逐個(gè)分解優(yōu)化，擬合出最接近原型體的單曲或者平板鋁板，再利用GH的參數(shù)化生成幕墻龍骨，這種精準(zhǔn)的模型為建筑結(jié)構(gòu)施工圖提供了詳細(xì)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)［8］。

5 基于參數(shù)化模型的施工圖深化

基于參數(shù)化模型的施工圖深化目前行業(yè)上多以正向設(shè)計(jì)命名，BIM技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在以BIM技術(shù)作為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)周期中，完全做到了數(shù)據(jù)信息共享，而B(niǎo)IM施工圖正向設(shè)計(jì)貫穿各個(gè)專業(yè)，需要設(shè)計(jì)人員有較高BIM技術(shù)和設(shè)計(jì)能力水平。建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用大多都選擇了Revit軟件作為平臺(tái)，本項(xiàng)目在后續(xù)的施工圖正向設(shè)計(jì)中，探索性的使用了多種BIM軟件進(jìn)行出圖，經(jīng)過(guò)對(duì)比目前插件最多，配置人員最為熟練，且能滿足專業(yè)協(xié)助和出圖效果的軟件目前以Revit為最優(yōu)解。

對(duì)于復(fù)雜立面的建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目上，處理好后的Rhino模型可直接導(dǎo)入至Revit中，首先解決了設(shè)計(jì)師在異形建筑物上難以繪制建筑施工圖立剖面的問(wèn)題，并且模型是深化單位同步參與，保證了模型的準(zhǔn)確性、可視性與各專業(yè)專業(yè)溝通的即使實(shí)時(shí)性，確保出圖精準(zhǔn)［9］。

例如案例一中大門(mén)拱形落地雨棚處，原方案預(yù)留一個(gè)商鋪入口，設(shè)計(jì)人員在正向設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的碰撞檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，如果不調(diào)整商鋪入口位置，會(huì)導(dǎo)致大門(mén)的開(kāi)啟與雨棚邊界產(chǎn)生碰撞，可優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在該商鋪面積指標(biāo)不變，保證該商鋪大門(mén)高度的情況下，位置做到極限也無(wú)法避免碰撞，索性將入口大雨蓬曲率做了調(diào)整，使大雨蓬左右落地處曲率更大，這一調(diào)整也反饋在模型中，實(shí)時(shí)瀏覽效果的同時(shí)也傳遞給了幕墻與鋼結(jié)構(gòu)單位，建筑專業(yè)的平立剖與其他專業(yè)的圖紙也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)更新，這樣便提高了工作和溝通的效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章旨在探討從一些項(xiàng)目的實(shí)踐中摸索出的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)展示部分以BIM技術(shù)主導(dǎo)設(shè)計(jì)復(fù)雜形體建筑過(guò)程中的一些技巧和推敲，正向設(shè)計(jì)只是本文探討流程中的一部分，不僅限于以信息模型的統(tǒng)一性形成各視圖的聯(lián)動(dòng)性，實(shí)則有太多更具高效、更為新特性的設(shè)計(jì)技巧可以實(shí)現(xiàn)，篇幅有限不作更細(xì)致的描述，希望文章能成為BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中發(fā)揮中流砥柱的作用道路上的引玉之磚。

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