當(dāng)BIM與體育碰撞時(shí)，又擦出什么樣的火花？

通過(guò)建立建筑信息模型，使建筑結(jié)構(gòu)可以在虛擬時(shí)間進(jìn)行分析，達(dá)到最合理的結(jié)構(gòu)形式，建立了整套理性的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)體育建筑進(jìn)行整體分析。

1BIM技術(shù)與體育建筑設(shè)計(jì)

1.1參數(shù)化設(shè)計(jì)——體育建筑BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

在BIM概念還沒(méi)有像今天這樣被廣泛認(rèn)知的時(shí)候，參數(shù)化就被作為是一種提高設(shè)計(jì)效率、實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜的異形建筑可控化，以及制作模數(shù)化分割曲面的技術(shù)手段。體育場(chǎng)館的外部造型以及建筑表皮的設(shè)計(jì)主要使用參數(shù)化工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)建立建筑信息模型，使建筑結(jié)構(gòu)可以在虛擬時(shí)間進(jìn)行分析，達(dá)到最合理的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)體育建筑表皮材質(zhì)數(shù)量和大小的確定。參數(shù)化改變了傳統(tǒng)體育建筑的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也提高了其建筑設(shè)計(jì)的精確性，縮短了設(shè)計(jì)周期。

1.2BIM與體育建筑智能化

體育建筑向智能建筑發(fā)展需要依賴BIM技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為，“智能”是指?jìng)€(gè)體對(duì)客觀事物進(jìn)行合理分析，判斷及有目的地行動(dòng)和有效地處理周圍環(huán)境事宜的綜合能力。智能地對(duì)客觀事物進(jìn)行合理分析，代表在建筑設(shè)計(jì)初期，通過(guò)對(duì)參數(shù)模型的分析來(lái)制定合理的建筑形式以及符合體育建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的空間形態(tài)。在建筑運(yùn)行階段，智能代表可以客觀合理地對(duì)建筑生命周期進(jìn)行評(píng)估。BIM技術(shù)產(chǎn)生的新的設(shè)計(jì)方法擺脫了傳統(tǒng)只對(duì)體育建筑進(jìn)行形態(tài)設(shè)計(jì)，改變了數(shù)據(jù)分析依托感官設(shè)計(jì)的方式，建立了整套理性的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)體育建筑進(jìn)行整體分析。

2案例分析

2.1Avia體育場(chǎng)館設(shè)計(jì)——參數(shù)化設(shè)計(jì)在BIM技術(shù)中的應(yīng)用

Avia體育場(chǎng)建成于2010年，可容納50000人，由擅長(zhǎng)體育建筑設(shè)計(jì)的Populous（前身HOKSport公司）完成，是第一座完全依靠參數(shù)化設(shè)計(jì)手段完成的體育場(chǎng)館。整個(gè)設(shè)計(jì)希望成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑，同時(shí)建筑本身又要與周邊環(huán)境相融合。所以，設(shè)計(jì)采用一個(gè)自由的曲線形態(tài)，應(yīng)用Bentley公司的GenerativeComponents（GC）軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用多方案比較方法獲得對(duì)周邊環(huán)境遮擋最少的形體。此外，采用透明材料的表皮，以獲得更多的陽(yáng)光，使得建筑本身能夠更好地融合于周邊環(huán)境。設(shè)計(jì)試圖將屋頂結(jié)構(gòu)和建筑立面組成一個(gè)完整的形體，并包裹在主體結(jié)構(gòu)外面，打破傳統(tǒng)體育場(chǎng)館屋面結(jié)構(gòu)與外立面分離的設(shè)計(jì)方法。整個(gè)設(shè)計(jì)方案建立的過(guò)程是，首先在Rhino建立3D模型，利用3D模型快速建立形體并獲得最適合的平面形態(tài)。一旦這個(gè)形式得到認(rèn)可，就會(huì)在GenerativeComponents（GC）里面建立一個(gè)基本模型，再通過(guò)在Rhino中得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入生成GC的腳本，并由此腳本生成新的模型。而在GC中生成的模型具有很強(qiáng)的可修改性，由結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行優(yōu)化，并將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型。

這樣在同一個(gè)模型中，建筑師負(fù)責(zé)表皮和建筑形態(tài)的設(shè)計(jì)，而結(jié)構(gòu)工程師則在這個(gè)模型上面對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和位置進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)所有參數(shù)的調(diào)整、模型的信息都存儲(chǔ)在一個(gè)Excel表格里。結(jié)構(gòu)工程師只需要將調(diào)整好的數(shù)據(jù)輸入，建筑師所使用的模型就會(huì)及時(shí)得到更新。同時(shí)，幕墻顧問(wèn)公司和建筑師通過(guò)統(tǒng)一的建筑模型進(jìn)行研究，分析實(shí)際建造中有關(guān)幕墻板材尺寸的問(wèn)題，并在SolidWork中以原模型的結(jié)構(gòu)中心線作為基礎(chǔ)，建立更為細(xì)致的幕墻節(jié)點(diǎn)模型，并再次對(duì)幕墻設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。正是通過(guò)對(duì)參數(shù)模型的分析，計(jì)算出體育場(chǎng)幕墻最小厚度不是設(shè)計(jì)時(shí)選擇的8mm厚的聚碳酸酯板，而可以采用3mm厚的聚碳酸酯板代替，這樣整體屋頂材料的質(zhì)量可以從200t減少到80t，從而使材料的造價(jià)成本降低到原來(lái)的60%左右。通過(guò)應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)以及BIM技術(shù)，Avia體育場(chǎng)項(xiàng)目最終在人力、材料上節(jié)約了大概350萬(wàn)美金。

此外，通過(guò)建立BIM模型，還可以對(duì)Avia體育場(chǎng)進(jìn)行能源分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、建設(shè)環(huán)境友好型體育場(chǎng)館的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于分工明確的國(guó)外事務(wù)所來(lái)說(shuō)，通過(guò)參數(shù)信息化模型可以更好促進(jìn)跨公司間的合作，這也是BIM技術(shù)加快設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)合作的一個(gè)原因。在整個(gè)模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，建筑師起到統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的作用。建成的建筑信息模型除了具備整個(gè)建筑的全部信息，在施工階段有關(guān)建筑立面板材加工和定位都可以在此信息模型中進(jìn)行修改，大大節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)加工的人力與物力成本。

2.2杭州奧體中心主體育場(chǎng)——BIM技術(shù)從方案到施工應(yīng)用

杭州奧體中心主體育場(chǎng)位于錢塘江與七甲河交匯處南側(cè)，規(guī)劃建筑面積22.9萬(wàn)m2，擁有固定坐席80000個(gè)。此建筑的表皮設(shè)計(jì)是建立在一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)化的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架上生成，所以其外表皮設(shè)計(jì)需要參數(shù)化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的協(xié)同和復(fù)雜幾何形體的圖紙化。

在概念設(shè)計(jì)階段，為了定義建筑表皮的空間幾何關(guān)系和研究形式的多樣性，并分析這些形體結(jié)構(gòu)關(guān)系的合理性，需要利用參數(shù)化模型演算。

在圖紙化階段，BIM的工作平臺(tái)可以促進(jìn)更高效的交流和協(xié)作，使得整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程銜接得更加流暢。BIM技術(shù)適合參數(shù)化的形體，而參數(shù)化形體也需要BIM去實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形體，并使其在更加經(jīng)濟(jì)合理的條件下實(shí)現(xiàn)，增加建筑形式的多樣性。

在方案設(shè)計(jì)初期，Rhinoceros3D和Grasshopper作為主要的形體設(shè)計(jì)工具。在Rhino中建立模型之后分析形式的多樣性，再將模型轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)分析軟件。通過(guò)Kangaroo結(jié)構(gòu)分析軟件2對(duì)結(jié)構(gòu)形式分析后再優(yōu)化建筑形體，通過(guò)Rhinoceros建立3D模型用于建筑和結(jié)構(gòu)分析，最終還是通過(guò)將Rhinoceros的模型轉(zhuǎn)入Revit使圖紙二維化。

同時(shí)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手法相比，由于整個(gè)建筑的表皮為曲面，很難統(tǒng)計(jì)出幕墻的準(zhǔn)確尺寸和數(shù)量，在幕墻設(shè)計(jì)中只能大致給出幕墻分割，而利用參數(shù)化軟件，建筑師可以精確統(tǒng)計(jì)建筑表面板材的數(shù)量和板材的具體信息，如曲率、尺寸等。

在施工圖階段，借助原有模型將3D模型的形體設(shè)計(jì)帶入到Revit當(dāng)中，進(jìn)一步建立建筑信息模型、體育場(chǎng)館內(nèi)部建筑功能模型、結(jié)構(gòu)網(wǎng)架模型、機(jī)電設(shè)備管線模型等。另外，體育場(chǎng)館項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)防火、疏散、聲音、溫度等要求較高，這些都需要在IES中進(jìn)行分析測(cè)試，進(jìn)而得到更加節(jié)能的建筑。傳統(tǒng)二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，各專業(yè)圖紙需要匯總后由總工程師進(jìn)行會(huì)審來(lái)發(fā)現(xiàn)和解決協(xié)調(diào)上的問(wèn)題，所以人為上不可避免有很多問(wèn)題。利用BIM技術(shù)模擬整個(gè)建造過(guò)程，直接向班組進(jìn)行施工交底并進(jìn)行作業(yè)指導(dǎo)，改變了傳統(tǒng)平面交底，轉(zhuǎn)為4D（3D+時(shí)間緯度）的可視化交底。

2.3新加坡體育中心——建立在BIM標(biāo)準(zhǔn)下的體育場(chǎng)

新加坡體育中心項(xiàng)目作為專門為熱帶地區(qū)設(shè)計(jì)的綠色、生態(tài)節(jié)能體育中心采用了BIM技術(shù)。新加坡體育中心定位為國(guó)際性比賽場(chǎng)所及大型的商業(yè)娛樂(lè)中心，可容納55000人，需滿足365天全年無(wú)休的運(yùn)營(yíng)理念。這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)構(gòu)思是將多個(gè)體育場(chǎng)館建筑共同搭建在一個(gè)統(tǒng)一的大平臺(tái)上，整個(gè)建筑群涵蓋體育場(chǎng)、多功能體育館和一個(gè)室內(nèi)游泳館以及水上娛樂(lè)中心。項(xiàng)目于2014年完工。作為目前跨度最大的拱形屋頂，在減輕自重使得建筑形式得以實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，節(jié)約用鋼量也是評(píng)價(jià)一個(gè)體育場(chǎng)館設(shè)計(jì)是否合理的一項(xiàng)指標(biāo)。由于新加坡已經(jīng)建立了BIM標(biāo)準(zhǔn)，所以其在從設(shè)計(jì)到施工的整個(gè)過(guò)程需要遵守新加坡的BIM設(shè)計(jì)守則。

整個(gè)工程涉及到多個(gè)建筑單體的協(xié)調(diào)工作，需要建立完整的施工管理制度。但最復(fù)雜的設(shè)計(jì)部分還是體育中心的開啟屋頂，作為世界上最大的室內(nèi)體育場(chǎng)館，可開啟屋頂部分設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)還需要考慮到屋頂?shù)臒艄庠O(shè)計(jì)與屋頂運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的技術(shù)問(wèn)題。BIM技術(shù)在此項(xiàng)目上有以下優(yōu)點(diǎn)：提供施工模型、專業(yè)協(xié)調(diào)、自動(dòng)形成準(zhǔn)確的剖面、進(jìn)行碰撞檢查及虛擬漫游。除此之外，由于建立了建筑信息模型，可以更方便、快速地獲得建筑性能分析熱能使用效率及對(duì)建筑整個(gè)生命周期的分析數(shù)據(jù)。新加坡體育場(chǎng)是世界上采用公用建筑市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)方式（PPP）設(shè)計(jì)建造的最大體育場(chǎng)。在PPP運(yùn)營(yíng)模式下，設(shè)計(jì)建造的部分由私營(yíng)部門的合作伙伴設(shè)計(jì)和制造基礎(chǔ)設(shè)施，而在滿足公共部門合作伙伴的規(guī)范前提下，整體設(shè)計(jì)建造部分的價(jià)格往往是固定的。所以，對(duì)于負(fù)責(zé)此建筑設(shè)計(jì)的Arup公司來(lái)說(shuō)，使用BIM進(jìn)行體育場(chǎng)館設(shè)計(jì)的益處很多。Arup公司在新加坡體育中心設(shè)計(jì)中采用了達(dá)索公司CATIA和蓋里科技DigitalProject以及MicrosoftOffice2007進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)。

CATIA3D模型可以通過(guò)Excel2007控制模型中的數(shù)據(jù)信息，幫助建筑師很快將結(jié)構(gòu)反饋的信息加入到已有的建筑模型當(dāng)中，加快模型修改的速度，同時(shí)更新的模型可以迅速反饋給其他相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員。使用這個(gè)軟件還有一個(gè)好處是，像Arup這樣可能會(huì)重復(fù)設(shè)計(jì)同一類型建筑的大型設(shè)計(jì)公司可以創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)資料庫(kù)，當(dāng)其在進(jìn)行類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)可直接利用原有信息確定建筑場(chǎng)地、座位等基本信息，大大節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高設(shè)計(jì)的精確性。使用CATIA以及DigitalProject的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能夠在設(shè)計(jì)階段確定幕墻的施工單位，使幕墻設(shè)計(jì)更早介入到整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，在設(shè)計(jì)后期，幕墻公司就可以利用Arup公司提供的BIM模型加工幕墻，在提高設(shè)計(jì)精度的同時(shí)，也節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)加工的時(shí)間以及人力成本。

3案例總結(jié)

通過(guò)上述三個(gè)體育建筑設(shè)計(jì)案例發(fā)現(xiàn)，體育場(chǎng)館由于存在對(duì)場(chǎng)地規(guī)模和視線要求等預(yù)先設(shè)定的要求，在方案設(shè)計(jì)初期，需要根據(jù)確定因素建立好場(chǎng)地的基本模型。通過(guò)對(duì)建筑所在環(huán)境、文脈等人文因素的思考建立基本概念，從而生成概念模型。參數(shù)設(shè)定下形成的體育建筑曲線形體絕不僅僅是形式主義下的產(chǎn)物，還應(yīng)是建立在理性分析上得出的具體形態(tài)。

BIM技術(shù)對(duì)于中國(guó)建筑師來(lái)說(shuō)，可以提高其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，減少其與各專業(yè)的協(xié)調(diào)時(shí)間，進(jìn)而保證減少人為造成的誤差。對(duì)于結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)，BIM模型內(nèi)部帶有大量信息，可以幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)對(duì)建筑用鋼量有更加精確的描述。對(duì)于設(shè)備工程師，可以在三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行管線綜合設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)更為直觀地發(fā)現(xiàn)各類設(shè)備管線之間的矛盾，以避免不必要的浪費(fèi)。

常見(jiàn)的模型綜合碰撞檢查軟件有歐特克公司的Navisworks、Bentley公司的Projectwise以及Navigator和SolibriModelChecker。而對(duì)于其他人員，對(duì)工程的認(rèn)知不僅僅停留在二維圖紙上面，還可通過(guò)三維模型來(lái)判斷工程的細(xì)節(jié)以及相關(guān)信息，來(lái)進(jìn)行相互配合工作，減少協(xié)調(diào)過(guò)程中不必要的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

另外，BIM技術(shù)有助于提升中國(guó)設(shè)計(jì)審查制度的準(zhǔn)確性，由于體育建筑項(xiàng)目圖紙信息量大，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的圖紙審查人員也很難發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的一些疏漏之處，利用BIM模型綜合碰撞檢查軟件就可以幫助審查人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

未來(lái)的體育建筑應(yīng)是更加智能化和可控化的。建筑師不但要考慮形體、功能以及施工建造中的問(wèn)題，還要考慮到其后期運(yùn)營(yíng)以及整個(gè)生周期的設(shè)計(jì)問(wèn)題。BIM技術(shù)的應(yīng)用更加擴(kuò)大了建筑師在整個(gè)設(shè)計(jì)中的統(tǒng)籌作用。在BIM的世界里，大型綜合類項(xiàng)目尤其是體育建筑，在形體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上隨著BIM技術(shù)的發(fā)展會(huì)誕生更多新穎的結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)BIM的使用，設(shè)計(jì)師可以先在虛擬世界先將其完成，以便我們可以預(yù)測(cè)如此龐大的建筑建成后會(huì)產(chǎn)生怎樣的問(wèn)題，預(yù)測(cè)建成之后，其氣流、采光、風(fēng)向和太陽(yáng)輻射會(huì)是怎樣的。

BIM不僅僅是為建筑師換了一種設(shè)計(jì)工具，其本身也創(chuàng)造了新的設(shè)計(jì)方法。此外，隨著全球化進(jìn)程的加速發(fā)展，合作項(xiàng)目越來(lái)越多，BIM技術(shù)更加適合跨國(guó)或跨地區(qū)的大型綜合類體育建筑項(xiàng)目，通過(guò)利用全球資源整合設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。