BIM在體育建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

BIM在體育建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

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)的根底

在BIM概念還沒有像今日這樣被廣泛認(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)簡單的異形建筑可控化，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)展設(shè)計(jì)。通過建立建筑信息模型，使建筑構(gòu)造可以在虛擬時(shí)間進(jìn)展分析，到達(dá)最合理的構(gòu)造形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)體育建筑表皮材質(zhì)數(shù)量和大小確實(shí)定。參數(shù)化轉(zhuǎn)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)的準(zhǔn)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進(jìn)展需要依靠BIM技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為，“智能”是指個(gè)體對(duì)客觀事物進(jìn)展合理分析，推斷及有目的地行動(dòng)和有效地處理四周環(huán)境事宜的綜合力量。智能地對(duì)客觀事物進(jìn)展合理分析，代表在建筑設(shè)計(jì)初期，通過對(duì)參數(shù)模型的分析來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)展評(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)展形態(tài)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)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)展整體分析。

2案例分析

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

Avia體育場建成于2023年，可容納50000人，由擅長體育建筑設(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)手段完成的體育場館。整個(gè)設(shè)計(jì)盼望成為當(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)采納一個(gè)自由的曲線形態(tài)，應(yīng)用Bentley公司的GenerativeComponents（GC）軟件進(jìn)展設(shè)計(jì)，采納多方案比擬方法獲得對(duì)周邊環(huán)境遮擋最少的形體。此外，采納透亮材料的表皮，以獲得更多的陽光，使得建筑本身能夠更好地融合于周邊環(huán)境。設(shè)計(jì)試圖將屋頂構(gòu)造和建筑立面組成一個(gè)完整的形體，并包裹在主體構(gòu)造外面，打破傳統(tǒng)體育場館屋面構(gòu)造與外立面分別的設(shè)計(jì)方法（圖2）。整個(gè)設(shè)計(jì)方案建立的過程是，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)根本模型，再通過在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，由構(gòu)造工程師進(jìn)展優(yōu)化，并將構(gòu)造設(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)，而構(gòu)造工程師則在這個(gè)模型上面對(duì)構(gòu)造構(gòu)件尺寸和位置進(jìn)展調(diào)整。這時(shí)全部參數(shù)的調(diào)整、模型的信息都存儲(chǔ)在一個(gè)Excel表格里。構(gòu)造工程師只需要將調(diào)整好的數(shù)據(jù)輸入，建筑師所使用的模型就會(huì)準(zhǔn)時(shí)得到更新。同時(shí)，幕墻參謀公司和建筑師通過統(tǒng)一的建筑模型進(jìn)展討論，分析實(shí)際建筑中有關(guān)幕墻板材尺寸的問題，并在SolidWork中以原模型的構(gòu)造中心線作為根底，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)展優(yōu)化（圖3）1。正是通過對(duì)參數(shù)模型的分析，計(jì)算出體育場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，而可以采納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削減到80t，從而使材料的造價(jià)本錢降低到原來的60%左右。通過應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)以及BIM技術(shù)，Avia體育場工程最終在人力、材料上節(jié)省了也許350萬美金。此外，通過建立BIM模型，還可以對(duì)Avia體育場進(jìn)展能源分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、建立環(huán)境友好型體育場館的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于分工明確的國外事務(wù)所來說，通過參數(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)緣由。在整個(gè)模型的設(shè)計(jì)過程中，建筑師起到統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)設(shè)計(jì)過程的作用。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)展修改，大大節(jié)省了現(xiàn)場加工的人力與物力本錢。

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

杭州奧體中心主體育場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m2，擁有固定坐席80000個(gè)（圖4）。此建筑的表皮設(shè)計(jì)是建立在一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)化的鋼構(gòu)造網(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)同和簡單幾何形體的圖紙化。在概念設(shè)計(jì)階段，為了定義建筑表皮的空間幾何關(guān)系和討論形式的多樣性，并分析這些形體構(gòu)造關(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)更高效的溝通和協(xié)作，使得整個(gè)設(shè)計(jì)過程連接得更加流暢。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)簡單的幾何形體，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)入構(gòu)造分析軟件。通過Kangaroo構(gòu)造分析軟件2對(duì)構(gòu)造形式分析后再優(yōu)化建筑形體，通過Rhinoceros建立3D模型用于建筑和構(gòu)造分析，最終還是通過將Rhinoceros的模型轉(zhuǎn)入Revit使圖紙二維化（圖5）。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)出幕墻的精確尺寸和數(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，建筑師可以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)建筑外表板材的數(shù)量和板材的詳細(xì)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、體育場館內(nèi)部建筑功能模型、構(gòu)造網(wǎng)架模型、機(jī)電設(shè)備管線模型等。另外，體育場館工程設(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)展分析測試，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)展會(huì)審來發(fā)覺和解決協(xié)調(diào)上的問題，所以人為上不行避開有許多問題。利用BIM技術(shù)模擬整個(gè)建筑過程，直接向班組進(jìn)展施工交底并進(jìn)展作業(yè)指導(dǎo)，轉(zhuǎn)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

新加坡體育中心工程作為特地為熱帶地區(qū)設(shè)計(jì)的綠色、生態(tài)節(jié)能體育中心采納了BIM技術(shù)（圖6）。新加坡體育中心定位為國際性競賽場所及大型的商業(yè)消遣中心，可容納55000人，需滿意365天全年無休的運(yùn)營理念。這個(gè)工程的設(shè)計(jì)構(gòu)思是將多個(gè)體育場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、多功能體育館和一個(gè)室內(nèi)游泳館以及水上消遣中心。估計(jì)工程將于2023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)省用鋼量也是評(píng)價(jià)一個(gè)體育場館設(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治理制度（圖7）。但最簡單的設(shè)計(jì)局部還是體育中心的開啟屋頂，作為世界上最大的室內(nèi)體育場館，可開啟屋頂局部設(shè)計(jì)簡單，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)問題。BIM技術(shù)在此工程上有以下優(yōu)點(diǎn)：供應(yīng)施工模型、專業(yè)協(xié)調(diào)、自動(dòng)形成精確的剖面、進(jìn)展碰撞檢查及虛擬漫游。除此之外，由于建立了建筑信息模型，可以更便利、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)。新加坡體育場是世界上采納公用建筑市場化運(yùn)營方式（PPP）設(shè)計(jì)建筑的最大體育場。在PPP運(yùn)營模式下，設(shè)計(jì)建筑的局部由私營部門的合作伙伴設(shè)計(jì)和制造根底設(shè)施，而在滿意公共部門合作伙伴的標(biāo)準(zhǔn)前提下，整體設(shè)計(jì)建筑局部的價(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公司來說，使用BIM進(jìn)展體育場館設(shè)計(jì)的好處許多。Arup公司在新加坡體育中心設(shè)計(jì)中采納了達(dá)索公司CATIA和蓋里科技DigitalProject以及MicrosoftOffice2023進(jìn)展建筑設(shè)計(jì)。

CATIA3D模型可以通過Excel2023掌握模型中的數(shù)據(jù)信息，幫忙建筑師很快將構(gòu)造反應(yīng)的信息參加到已有的建筑模型當(dāng)中，加快模型修改的速度，同時(shí)更新的模型可以快速反應(yīng)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)立一個(gè)設(shè)計(jì)資料庫，當(dāng)其在進(jìn)展類似工程設(shè)計(jì)時(shí)可直接利用原有信息確定建筑場地、座位等根本信息，大大節(jié)約設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)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)的過程當(dāng)中，在設(shè)計(jì)后期，幕墻公司就可以利用Arup公司供應(yīng)的BIM模型加工幕墻，在提高設(shè)計(jì)精度的同時(shí)，也節(jié)省現(xiàn)場加工的時(shí)間以及人力本錢。

3案例總結(jié)

通過上述三個(gè)體育建筑設(shè)計(jì)案例發(fā)覺，體育場館由于存在對(duì)場地規(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，需要依據(jù)確定因素建立好場地的根本模型。通過對(duì)建筑所在環(huán)境、文脈等人文因素的思索建立根本概念，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詳細(xì)形態(tài)。BIM技術(shù)對(duì)于中國建筑師來說，可以提高其設(shè)計(jì)的精確性，削減其與各專業(yè)的協(xié)調(diào)時(shí)間，進(jìn)而保證削減人為造成的誤差。對(duì)于構(gòu)造工程師來說，BIM模型內(nèi)部帶有大量信息，可以幫忙構(gòu)造設(shè)計(jì)人員創(chuàng)新構(gòu)造形式，同時(shí)對(duì)建筑用鋼量有更加準(zhǔn)確的描述。對(duì)于設(shè)備工程師，可以在三維模型的根底上進(jìn)展管線綜合設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)更為直觀地發(fā)覺各類設(shè)備管線之間的沖突，以避開不必要的鋪張。常見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，還可通過三維模型來推斷工程的細(xì)節(jié)以及相關(guān)信息，來進(jìn)展相互協(xié)作工作，削減協(xié)調(diào)過程中不必要的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)鋪張。另外，BIM技術(shù)有助于提升中國設(shè)計(jì)審查制度的精確性，由于體育建筑工程圖紙信息量大，即使閱歷豐富的圖紙審查人員也很難發(fā)覺設(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忙審查人員發(fā)覺問題。

4結(jié)語

將來的體育建筑應(yīng)是更加智能化和可控化的。建筑師不但要考慮形體、功能以及施工建筑中的問題，還要考慮到其后期運(yùn)營以及整個(gè)生周期的設(shè)計(jì)問題（圖8）。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，大型綜合類工