工程設(shè)計(jì)階段的BIM參數(shù)化應(yīng)用

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摘要：建筑信息模型技術(shù)目前應(yīng)用廣泛，且參數(shù)化軟件在模型建立與分析中發(fā)揮越來越重要的作用?；诖耍恼乱灾醒朊佬g(shù)學(xué)院青島校區(qū)項(xiàng)目為例，分析了參數(shù)化建模在工程設(shè)計(jì)階段中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：bim技術(shù)；參數(shù)化軟件；工程設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，建筑信息模型（BuildingInformationModel,BIM）技術(shù)在工程建設(shè)過程中被運(yùn)用越來越廣泛。在EPC項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)階段的整體把控對整個項(xiàng)目的資金和工期有重要影響，而參數(shù)化軟件的使用則可以解決設(shè)計(jì)量大的難題，節(jié)約設(shè)計(jì)工期。文章以中央美術(shù)學(xué)院青島校區(qū)的設(shè)計(jì)為例，探討參數(shù)化軟件的應(yīng)用效果。

1參數(shù)化建模軟件

現(xiàn)階段，國內(nèi)大量使用的建筑模型參數(shù)化建模軟件主要有以Rhinoceros（犀牛）為平臺的Grasshopper和以Revit為平臺的Dynamo，此外還有DigitalProject、Bently、Formz等。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段主要使用了Grasshopper，少量使用了Dynamo。

2參數(shù)化建模軟件在工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

中央美術(shù)學(xué)院青島校區(qū)工程以“開環(huán)大學(xué)”的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，建筑外立面由低層到高層依層縮進(jìn)，幕墻表面為雙曲面，并且最大的教學(xué)綜合樓設(shè)計(jì)為2個莫比烏斯環(huán)形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)難度很高；教學(xué)綜合樓的2座連橋和禮堂綜合樓頂部為鋼結(jié)構(gòu)。工程效果圖如圖1所示。

2.1禮堂綜合樓鋼網(wǎng)架優(yōu)化

禮堂綜合樓屋面原設(shè)計(jì)為鋼桁架結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)復(fù)雜。項(xiàng)目運(yùn)用Grasshopper的Kangroo插件，對其進(jìn)行力學(xué)模擬分析。經(jīng)分析，原結(jié)構(gòu)存在受力缺陷。在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出多種解決辦法，最終明確將結(jié)構(gòu)形式改為鋼網(wǎng)架，并通過算法由計(jì)算機(jī)自動排布設(shè)計(jì)，如圖2所示。在犀牛軟件中建立網(wǎng)架模型，并導(dǎo)入PKPM進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核。其受力結(jié)果顯示，修改后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是符合要求的。這一優(yōu)化結(jié)果節(jié)約用鋼量約370t，節(jié)約成本約465萬元，節(jié)約工期22d。相關(guān)人員通過控制參數(shù)，對網(wǎng)架模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行批量編號、標(biāo)注信息和提取坐標(biāo)，并導(dǎo)出為數(shù)據(jù)表。

2.2運(yùn)用參數(shù)化軟件進(jìn)行模數(shù)優(yōu)化

由于禮堂屋面為曲面，需要制作的模板的模數(shù)達(dá)到65種，較為復(fù)雜。通過Grasshopper，按相近曲率范圍歸類劃分，在保證設(shè)計(jì)效果前提下，將模數(shù)減少至16種，并直接給出不同模數(shù)使用位置分布圖，提高了周轉(zhuǎn)材料使用率，大大降低了施工難度，預(yù)計(jì)節(jié)約工期17d。

2.3屋面欄桿參數(shù)化布置

禮堂屋面下半部分為上人屋面，來往人員可通過道路登上形如小山的屋面實(shí)現(xiàn)登高望遠(yuǎn)。道路兩側(cè)需布置欄桿，但屋面為曲率變化的曲面，人工難以調(diào)控欄桿布置參數(shù)。相關(guān)人員使用Grasshopper編制程序分析曲面數(shù)據(jù)，通過調(diào)整欄桿密度、高度、尺寸等參數(shù)，由計(jì)算機(jī)生成多種排布方案，從而從中選擇最佳方案。

2.4幕墻造型設(shè)計(jì)

項(xiàng)目存在大量曲面幕墻，人工進(jìn)行幕墻分格劃分十分困難。因此，該項(xiàng)目工作人員使用了Grasshopper編制程序，利用遺傳算法計(jì)算出最大坡線位置，并把其作為分格依據(jù)，如圖3所示。為了達(dá)到建筑流動美觀的外立面效果，相關(guān)人員利用參數(shù)化軟件參數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，通過Grasshopper軟件完成鋁板幕墻分縫多版方案的快速調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)、對比工作，最終篩選出最協(xié)調(diào)的分格方式。另外，相關(guān)人員對藝術(shù)家工作室及主樓進(jìn)行幕墻玻璃曲率分析，將幕墻單圖1中央美術(shù)學(xué)院青島校區(qū)工程效果圖板長度超過3m但起拱弧度小于10mm的部分雙曲面近似模擬、優(yōu)化為單曲面，其余弧度較大位置按弧度區(qū)間選取固定長度優(yōu)化為固定弧度中間值，在保證建筑外立面效果的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)弧度模塊16種，在模型中標(biāo)示分批，大大降低了加工難度及施工難度，節(jié)約生產(chǎn)周期17d、施工工期12d。

2.5土方平衡標(biāo)高設(shè)計(jì)

首先，相關(guān)人員應(yīng)用Grasshopper提取圖紙數(shù)據(jù)，在犀牛軟件中創(chuàng)建地形，通過原始地貌測量數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型。其次，基于ContextCapture傾斜攝影進(jìn)行三維建模，利用傾斜攝影模型完善犀牛模型中測量盲區(qū)高程。最后，應(yīng)用遺傳算法通過Grasshopper程序找到土方平衡點(diǎn)，將挖方量與填方量相抵，求得平衡點(diǎn)標(biāo)高為4.3m，根據(jù)現(xiàn)有土方平衡條件，利用計(jì)算結(jié)構(gòu)（土方平衡點(diǎn)標(biāo)高）優(yōu)化原室外豎向設(shè)計(jì)標(biāo)高，減少開挖及回填（外購?fù)粒┝?，?jié)約成本約420萬元，節(jié)約工期13d。

2.6異形結(jié)構(gòu)出圖

該項(xiàng)目存在大量異形結(jié)構(gòu)，施工中對建筑截面圖的需求程度也大大提高，若手工選擇截面位置則極為耗時(shí)，且易出錯。因此，相關(guān)人員利用參數(shù)化軟件批量導(dǎo)出圖紙，通過參數(shù)控制出圖位置、出圖數(shù)量和剖切深度、剖面圖圖元等，共出圖5000余張，并實(shí)現(xiàn)自動排布編號，便于查找。

2.7日照模擬分析

由于該項(xiàng)目中莫比烏斯環(huán)狀主樓造型復(fù)雜，在施工圖設(shè)計(jì)階段，相關(guān)人員綜合考慮設(shè)計(jì)合理性及使用舒適性，使用Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化日照模擬，對各區(qū)域全年累計(jì)日照時(shí)長進(jìn)行分析，尋找日照盲區(qū)并及時(shí)修正優(yōu)化。經(jīng)分析,綜合樓頂層鋼結(jié)構(gòu)連橋A-3～A-8軸與A-P～A-X軸區(qū)域全年累計(jì)日照時(shí)間最長。初設(shè)階段，該區(qū)域設(shè)計(jì)為封閉教室，經(jīng)參照日照分析，發(fā)現(xiàn)該處存在日照不足問題。設(shè)計(jì)人員積極溝通校方，將此處設(shè)計(jì)變更為大空間畫室，綜合考慮施工難易度，該畫室最終確定為天光畫室。

2.8碰撞構(gòu)件隔離

該項(xiàng)目各專業(yè)的設(shè)計(jì)相對獨(dú)立，難免會有構(gòu)件發(fā)生沖突。因此，相關(guān)人員整合各專業(yè)模型，把其導(dǎo)入Navisworks軟件，導(dǎo)出碰撞報(bào)告，應(yīng)用Dynamo軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，批量提取碰撞構(gòu)件ID并對構(gòu)件進(jìn)行隔離，使碰撞部位得到直觀展示，大大提高碰撞檢查效率。通過召開BIM碰頭會，設(shè)計(jì)部門各專業(yè)負(fù)責(zé)人共同商討碰撞問題的解決對策，直至隔離構(gòu)件被全部消除。

2.9凈空分析

相關(guān)人員利用犀牛軟件，通過參數(shù)化編程，提取各功能區(qū)建筑凈高，通過與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對比，自動識別凈高不滿足要求的房間及功能區(qū)，并統(tǒng)計(jì)建筑做法，匯總主要超高原因。通過在模型中標(biāo)注進(jìn)行反饋，設(shè)計(jì)人員能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決沖突問題，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)缺陷，規(guī)避后續(xù)施工問題。

3結(jié)束語

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段主要使用參數(shù)化軟件簡化設(shè)計(jì)過程，提高了設(shè)計(jì)效率，減少人工操作導(dǎo)致的錯誤，共縮短工期125d，節(jié)約成本約1500余萬元。參數(shù)化軟件在方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、標(biāo)高控制、碰撞檢測等方面都提供了高效的解決方法，相比常規(guī)的人工操作調(diào)整，節(jié)約了大量時(shí)間，并降低了出錯的概率，尤其在充滿異形結(jié)構(gòu)和曲面設(shè)計(jì)的工程建設(shè)中應(yīng)用參數(shù)化軟件，更加體現(xiàn)了其在設(shè)計(jì)階段的突出作用。隨著建筑風(fēng)格異形化、個性化的發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)必將成為建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張繼薇,敖儀斌,倪婷,等.BIM技術(shù)在綠心公園建設(shè)工程中的應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù),2020,12(3):31-37.

作者：程江慧 黃樹利 程少淳 毛任重 李鑫磊 單位：中建八局第四建設(shè)有限公司