數字化推動下地下公共建筑設計方法初探

李　丹， 吳　濤， 朱栩瑩

(解放軍理工大學國防工程學院, 江蘇南京 210007)

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數字化推動下地下公共建筑設計方法初探

李丹， 吳濤， 朱栩瑩

(解放軍理工大學國防工程學院, 江蘇南京 210007)

數字技術的發展推動著建筑設計領域的不斷進步。近年來BIM、參數化等多種新興數字技術的快速發展為地下公共建筑設計注入了新鮮的血液。文章總結了數字技術對我國建筑設計領域的影響，剖析了傳統設計方法指導下我國地下公共建筑設計存在的問題，并根據不同新興技術的特點，探索性地提出了新技術支持下更適合地下公共建筑特點的設計新思路。

建筑設計；參數化；BIM；計算機輔助設計；地下公共建筑

1　研究背景

數字技術為建筑設計領域帶來的發展和變革一直是建筑業相關人士關注的焦點，不同時期的數字技術對建筑師的工作方法和思維模式有不同的影響。20世紀90年代之前，我國專業人士雖已開始研究數字技術在建筑設計領域的應用，但大部分建筑師仍采用尺規繪圖來進行建筑設計、表達。在這種工作模式下設計思維連續性強，對相關問題的思考也比較細致。

進入20世紀90年代后，計算機輔助設計在我國建筑領域快速成長，在設計院所中日益普及。計算機輔助設計的應用帶來了勞動強度降低、繪圖精度提高等一系列優點，并推

動了建筑設計的標準化及產業化，使得設計思路具有一定的統一性。然而新技術的出現也帶來一系列的問題，如復制、套用的泛濫使得建筑設計具有趨同性。進入21世紀，BIM、參數化等名詞在建筑業也不再陌生，Revit、Grasshopper、Ecotect等數字工具雨后春筍般問世，設計人員開始嘗試用這些先進的技術對設計進行優化。然而新型輔助設計軟件在設計中占的主導性并不強，建筑師對各技術的應用是分離、割裂的，僅將這些新技術中的一種或幾種視為某項目設計后期補充、優化的輔助手段，并未對建筑師在整個設計過程中的設計思路產生較大的影響。表1清晰地對比了我國建筑設計不同時期的特點。

表1　我國建筑設計不同時期的特點

2　我國地下公共建筑設計方法改進的必要性

2.1地下公共建筑設計對新技術的需求性分析

我國地下公共建筑多位于城市重點區域且大部分或全部是位于地面以下的，其建設耗資較大且建成具有不可逆性，是較受人們歡迎的地下空間利用形式之一。地下公共建筑與城市環境的相互作用、人性化內部空間的塑造以及地上地下空間的過渡以及都是建筑師在設計過程中需要重點關注的問題。此外，周邊的城市空間及附近已開發的地下空間等對其設計的限制也是建筑師在進行設計時不可忽視問題。然而，長期以來由于相關研究成果和技術標準的不完善、相應輔助設計軟件的缺乏等原因我國地下公共建筑設計多局限于其自身功能性，導致上述問題并未得到較好的解決。設計思維通過設計工具來表達，因此設計工具影響著設計師的設計思路和方法。自邁入21世紀，建筑計算機輔助設計軟件日益豐富，更有利于設計師靈感的表達、驗證。面對各具特色的新技術，確立更加可行的地下公共建筑設計新思路是非常必要的。

2.2我國地下公共建筑設計常見問題剖析

2.2.1地下公共建筑與城市的關系

與地面建筑不同，地下公共建筑的外部形象主要由出入口、采光通風設施等外露要素支配，受其外輪廓的影響較小。因此，對地下公共建筑外露要素與地面環境的融合是建筑師設計前期需重點考慮問題之一。然而我國地上、地下空間的規劃設計存在嚴重的脫節現象，設計師僅依靠大腦難以充分考慮待建地下公共建筑與城市環境間的相互影響，因此在二者的融合問題上往往存在許多遺憾。如風井的不合理定位、出入口的不合理設計等都會對城市風貌產生消極影響。

2.2.2內部空間存在的問題

地下公共建筑的具有封閉性、高人流量等特點，這決定了其自身空間的人性化塑造、交通的合理組織以及內部防災問題是設計師應關注的重點。我們一直希望地下公共建筑內多一些自然要素，少一些能耗，交通組織更加優化，災害發生時疏散更合理。長期以來，設計師一直嘗試用不同的設計方案來改善地下共建筑的內部空間，但效果總不是那么盡如人意。

2.2.3地上地下空間的過渡問題

談到地下空間，人們腦海中大多浮現出封閉、黑暗、壓抑等帶有消極色彩的詞語。過于生硬的空間轉換必然會引起人們的抵觸心理，從而導致地下公共建筑的公共性受損。因此，通過出入口的合理設計來滿足地下公共建筑與城市空間的溝通與交融、實現地上地下一體化是設計師需重點考慮的內容之一。目前我國一些比較好的做法大多是通過口部與下沉式廣場、下沉式庭院等要素的結合設計來達到過渡的目的。然而具體采用何種做法能夠實現待建地下公共建筑與地上空間環境的自然過渡，全憑設計師的經驗來確定，缺少客觀的檢測手法。

3　基于數字技術的設計方法探索

3.1設計方法具有多樣性

數字技術的發展刺激了設計思維的變化。對于設計工具和設計流程的選擇會因設計師、設計項目不同而不同。例如著名的扎哈設計事務所和蓋里設計事務所的設計流程就各有特色，扎哈事務所的設計流程可以歸納為以下步驟：設計草圖→三維數字模型→建筑信息模型→生成二維圖紙→由數控施工技術完成作品；而蓋里事務所的設計流程較哈扎事務所更為復雜，手工模型和三維數字化掃描儀等應用都是哈扎事務所設計流程中沒有。筆者分析我國地下公共建筑的特點，根據目前的設計工作所面臨的問題和需求，從總體到局部探索了一套具有普遍適用性的地下公共建筑設計方法。

3.2總體設計思路

在傳統設計方法的指導下，建筑性能評價、與周邊環境的協調等許多應在設計前期解決的問題被置后，甚至在整個設計過程中難以得到較好的解決。如今我國地下公共建筑朝大型化、綜合化方向發展，多工種、專業、空間交叉容錯，這令地下公共建筑的合理設計變得更加困難。數字技術的不斷發展為我們帶來了支撐和幫助，為問題的合理解決帶來了充分的可能性。以全局的視角來看，在前期設計通過BIM技術與其他分析軟件的結合運用，能夠客觀地對設計方案的相關性能進行分析、評價、反饋并及時地調整方案，如地下公共建筑的自然采光、通風問題。這有利于減少甚至避免了在設計后期及施工階段解決、協調方案設計階段的遺留問題，確保最終成果與方案階段的效果相吻合。總體設計思路如圖1所示。

圖1　總體設計思路

3.3前期設計

前期設計重點考慮以下幾個問題。場地條件等有關設計資料的收集、整理；概念的表達及方案的形成；設計方案相關性能的評測。參數化技術有利于對多種設計影響因素的整合，是設計師思維的延伸，通過約束性條件控制地下公共建筑形體的生成。三維動態可視化設計保證設計“所想即所得”，減少了設計與表達間的二維、三維轉換，便于及時發現問題，隨時調整。性能分析軟件，保證對設計方案進行及時的評測及修改。多種數字技術在設計前期的綜合應用有助于保證地上地下空間的合理過渡、地面人流的引入、外露要素與環境的協調、滿足身心健康的物理環境設計等問題的合理解決。前期具體的設計方法如圖2 所示。

圖2　前期設計方法

3.4后期設計

前期設計工作的合理進行為后期設計減少了不少工作量。在后期設計過程中重點考慮專業間的綜合協調、信息共享、成本及能耗的精確分析、工藝做法的詳細表達等問題。BIM等新技術能夠滿足精細化表達、實現了實時信息共享，并能實現較精確的能耗分析及成本分析等。這能有效改善信息無法及時傳遞、設計成果不能精確表達、能耗不能客觀定量判斷等現象。后期具體的設計方法如圖3所示。

圖3　后期設計方法

4　兩種設計方法的對比——以出入口為例

4.1傳統設計方法指導下出入口的設計

地下公共建筑的出入口是聯系地上地下空間的“中介”，在空間過渡、引導視線以及確立外部形象等多個方面都起著不可替代的作用。在傳統的設計中，設計者多根據固有的理論、設計經驗及設計限制條件選擇出入口的形式，缺少計算機輔助設計工具對出入口進行自然采光模擬、自然通風模擬等客觀評測工作。如，普遍認為穿過下沉式廣場的出入口有助于地下建筑采光、解決外部形象及空間問題；開敞式出入口不利于外部形象的確立、辨識度低；設置口部的出入口，較開敞式入口而言更易提供清晰的外部形象、受天氣影響較小，并能將通風等設備融入其中。

4.2基于數字技術的出入口設計

在新的設計方法指導下，設計條件控制出入口生成后，應用性能分析軟件對出入口進行相關模擬分析，這有助于對出入口的性能進行客觀評測和即時調參。因此，設計師在方案階段便可直觀、精確地了解出入口的自然采光、通風、視線可達性等相關性能，便于方案的調整和比選 ，確定綜合最優方案。圖4、圖5是將Revit中生成的兩種不同出入口模型導入到Ecotect中進行自然采光模擬的結果，其中圖4為開敞式出入口，圖5為穿過下沉式廣場的出入口。這樣的設計方

法令設計師在方案階段便能客觀的分析出入口的性能，而不僅是憑借經驗做決定，符合可持續發展的要求。

圖4　開敞式出入口自然采光模擬

圖5　穿過下沉式廣場出入口自然采光模擬

5　結束語

地下公共建筑的開發是不可逆的，其方案設計應符合可持續發展的要求。本文對場地分析軟件、參數化建模軟件、性能分析軟件等建筑領域新性數字技術在地下公共建筑設計不同階段的合理應用進行了初步探索，提出了一條符合地下共建筑特點的新的設計思路。該設計思路有助于解決地下公共建筑設計中常見的多種問題，在節約能源、保護環境、提高建筑空間環境品質等方面都具有十分積極的意義。隨著科技的不斷發展，數字技術會給地下公共建筑設計帶來更多可能。

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李丹(1990～)，女，碩士研究生，研究方向為地下空間開發利用。

吳濤(1971～)，男，副教授，碩士生導師，研究方向為地下建筑及人防工程設計、地下空間開發利用。

TU201.4

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[定稿日期]2016-03-29