BIM技術在上海天文館設計階段的應用

陳家遠　郜　江　劉　婧　鄭　威

(1.上?？萍拣^，上?！?00127； 2.上海市建設工程監理咨詢有限公司，上?！?00080；

3.同濟大學經濟與管理學院，上?！?00092)

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BIM技術在上海天文館設計階段的應用

陳家遠1郜江1劉婧2鄭威3

(1.上?？萍拣^，上海200127； 2.上海市建設工程監理咨詢有限公司，上海200080；

3.同濟大學經濟與管理學院，上海200092)

在上海天文館(上?？萍拣^分館)建筑的設計過程中，大量應用了BIM技術，為項目的方案決策、設計優化、品質提高等方面做出了積極的貢獻。特別是在建筑性能分析方面，BIM更是起到了不可替代的作用。本文將重點介紹BIM技術在設計協調工作中的作用以及建筑性能分析成果。

BIM； 設計階段； 設計協調； 建筑性能模擬

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.02

1　引言

隨著我國城市化進程的加快，建筑設計難度不斷提升，城市綜合體、大型公共建筑的設計越來越復雜，異型構造越來越多。然而傳統設計依靠的是設計人員的經驗，對于具有獨創性、新穎性的建設項目，傳統設計工作面臨巨大挑戰。因此，需要轉變設計思路，通過應用BIM技術，提升設計品質，降低設計風險，按時優質完成項目目標。

2　BIM技術的應用背景

BIM是以建筑工程項目的各項相關信息數據為基礎，建立建筑模型，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它是一個建設項目物理和功能特性的數字表達，是由計算機三維模型所形成的數據庫[1]。

BIM技術于80年代中期出現在美國，隨后逐步應用在歐洲、亞洲等國家。近幾年，BIM技術在中國迅速發展。2011年，住建部發布了《2011～2015建筑業信息化發展綱要》[2]，將建筑信息模型(BIM)、基于網絡的協同工作等新技術列為“十二五”中國建筑業重點推廣技術； 隨后在2015年發布了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》[3]，明確指出“到2020年末，新立項目勘察、設計、施工、運營維護中，集成應用BIM項目比率達到90%”。2014年10月，上海市政府正式發布《關于本市推進建筑信息模型技術應用的指導意見》，要求到2016年底，基本形成滿足BIM技術應用的配套政策、標準和市場環境，本市主要設計、施工、咨詢服務和物業管理等單位普遍具備BIM技術應用能力。2015年6月，上海市建委正式發布了《上海市建筑信息模型技術應用指南》[4]，對建設項目設計、施工、運營全生命期的23 項 BIM 技術基本應用進行了描述，包括每項應用的目的、意義、數據準備、操作流程以及成果等內容等，為上海市建設領域BIM技術的應用提供了重要依據。

上海天文館(上海科技館分館)項目作為上海市重大公共建筑項目，順應國家和上海市對BIM技術的推廣政策，應用BIM技術進行項目建設和管理。

3　工程概況

上海天文館建筑位于浦東新區臨港新城，項目總用地面積5.8萬m2，總建筑面積3.8萬m2，項目包括一個建筑面積3.5萬m2、高24m的主體場館建筑和魔力太陽塔、青少年觀測基地、大眾天文臺等附屬建筑組成。項目是由上海市政府投資建設的科普教育基地，目標是建設世界一流的大型天文科普場館。

鑒于天文館的建筑的復雜性、項目定位及實現的重大意義，本項目應用模式為全生命期應用，BIM實施主體是建設單位，即在建設單位主導下，委托有能力的設計、施工和管理單位在項目全生命期協同應用BIM技術，實現項目建設目標。

4　基于BIM的三維協同設計及優化

在建筑設計領域，目前BIM技術已獲得世界各國專家學者及工程相關從業人員廣泛認同，基于建筑信息模型技術的三維設計將取代傳統的二維計算機輔助建筑設計方式，是未來建筑設計的主流[5]。上海天文館項目設計復雜，運用BIM技術可以在繪圖過程中直觀地發現模型中的碰撞沖突，又可在繪圖后期利用軟件本身的碰撞檢測功能或者第三方軟件(如Navisworks)進行碰撞檢測，從而提高設計質量，為設計人員節省寶貴的時間與精力[6]。

4.1三維協同設計

設計之初，確定了二維設計人員負責設計強條控制，BIM設計人員負責專業協調及建筑效果的設計分工。以外方設計院提供的方案階段三維模型為基礎，剖切生成二維圖紙并上傳至協同平臺。二維設計人員通過協同平臺獲得BIM設計提資后，進行擴初設計和施工圖設計，一定階段后將二維設計成果上傳協同平臺。BIM設計人員通過協同平臺獲得二維設計反提資，深化和完善方案階段BIM模型，二維深化和模型深化交互進行。

對于復雜節點，如異型幕墻、鋼結構的設計，很難確定其在平面上的投影位置，通過剖切幕墻、鋼結構的三維模型得到定位點和定位線，提交二維設計人員完成圖紙繪制； 利用三維模型還可以更直觀地表現設計成果，輔助建設、管理和施工單位理解設計圖紙(如圖2)。另外，在設計過程中一旦發現設計問題，直接修改三維模型，無須分別修改平面、立面和剖面，大大提升了效率[7]； 將修正后的模型進行剖切，形成二維圖紙并輔以繪圖標識，以滿足工程實施、政府審批和驗收歸檔的需要。

圖1　設計工作流程

圖2　主體建筑鋼結構模型

4.2基于BIM的設計協調

基于三維模型的設計協調，是應用三維模型及軟件的碰撞檢查、虛擬漫游等功能，快速地幫助設計單位檢查模型，及其對應的圖紙中存在的問題，包括各專業之間以及專業內的錯漏碰缺。同時，設計單位根據發現的問題，調整三維模型及二維圖紙。

BIM設計人員與二維設計人員協同工作，應用協同平臺進行模型共享與信息交互。在設計過程中應用三維模型實時校審二維圖紙，并及時協調解決設計沖突； 組織階段性總體綜合協調，對需要多專業配合解決或需要業主決策的問題進行匯總處理，通過運用標準模板進行問題點的定位，實現負責人員的跟蹤、修改狀態的跟進，并提交設計協調報告。

根據設計單位提交的設計協調報告，目前已發現80多處專業內及不同專業間的設計沖突，如結構梁穿過建筑樓梯間； 機電管線與結構有碰撞等(圖3)。在二維圖紙中難以發現的問題，通過三維模型可以快速發現。BIM技術的應用，使得大量設計協調工作得以提前。如機電管線和結構的碰撞問題，在傳統的設計模式下往往到施工階段才能發現。通過整合各專業模型，從管線綜合排布的角度提出修改建議，解決現有碰撞問題的同時避免新碰撞的出現。通過各專業工程師協同工作、緊密配合，提高了圖紙質量。

圖3　設計協調問題分析報告示例圖

5　建筑性能分析

建筑業是高消耗、高污染的行業。據統計，我國建筑碳排放量占用全國碳排放總量的45%左右[8]； 建筑全壽命周期消耗的資源占到世界資源消耗總量的50%左右，產生的污染和二氧化碳也占到世界總量的50%左右[9]。上海天文館作為一個科普教育基地，其建設者一直倡導綠色建筑設計，因此希望通過應用BIM技術，結合相關軟件、環境參數，找出影響建筑環境性能的主要因素，分析設計的合理性。項目目前完成的分析有：室內、外風環境模擬，室內采光模擬和輻射模擬。

5.1室外風環境模擬

5.1.1模擬目的

室外風環境模擬的目的在于在不增加造價的情況下，分析并利用周邊風環境，為舒適的建筑室內自然通風打下基礎。應用Phoenics軟件進行數值模擬，分析包括：建筑室外風環境的舒適性； 建筑造型及朝向是否有利于室內自然通風等。

5.1.2模擬條件

(1)氣候環境條件

本項目所在位置上海市屬于夏熱冬冷地區。全年平均氣溫為16℃，最熱月份(7月)和最冷月份(1月)的平均溫度分別為27.8℃和3.7℃，其中7月及8月最高干球溫度近于38℃， 6月及7月初是梅雨季節，多雨、潮濕、悶熱。

(2)室外風環境模擬基本設置

計算區域：建筑覆蓋區域小于整個計算域面積33%； 以目標建筑為中心，半徑5H范圍內為水平計算域； 建筑上方計算區域要大于3H； H為建筑主體體高度；

網格劃分：建筑的每一邊人行高度區1.5m或2m高度應劃分10個網格或以上；

湍流模型選擇：標準k-ε模型。

計算用邊界條件：風速采用臨港地區各個季節5年平均風速； 風向采用各個季節5年概率最大風向。具體設置如表1：

表1　各個季節5年平均風速和概率最大風向

5.1.3模擬結果

(1)夏季、冬季工況

由圖4可知，在夏季、冬季工況下整個區域內的最大風速約為4m/s，小于5m/s，符合舒適性要求； 建筑迎背風面的平均風壓差為10Pa左右，風壓差較大，對建筑透明幕墻的氣密性要求需有所提高。

(2)春季工況

由圖5可知，春季工況下整個區域內的風速約為3m/s，最大風速為4.1m/s，有利于提高夏季人行區舒適性； 建筑迎背風面的平均風壓差最大為10Pa左右，有利于利用風壓差實現建筑內自然通風。

(3)秋季工況

由圖6可知，秋季工況下整個區域內的風速約為3m/s，有利于提高夏季人行區舒適性； 建筑迎背風面的平均風壓差最大為10Pa左右，有利于利用風壓差實現建筑內自然通風。

5.2室內風環境模擬

5.2.1模擬目的

室內風環境的模擬基于過渡季工況下室外風環境的模擬結果，對建筑物的自然通風潛力進行分析，研究自然通風的必要性及開窗位置、窗口面積對通風的影響等。

圖4　夏季、冬季工況1.5m高處的風速云圖和建筑風壓圖

圖5　春季工況1.5m高處的風速云圖和建筑風壓圖

圖6　冬季工況1.5m高處的風速云圖和建筑風壓圖

圖7　過渡季室外風壓模擬結果

5.2.2計算工況

本次計算主要考慮風壓作用下的自然通風，未考慮熱壓的影響。過渡季室外風壓模擬結果如圖7。

根據圖7模擬結果，模擬計算時在建筑外表面風壓最大及最小部位開啟外窗，自然通風模型如圖8所示。

圖8　室內風環境模擬模型

圖9　一層1.5m高處風速云圖和空氣齡云圖

計算風壓分別取自室外通風模擬結果。

5.2.3模擬結果

(1)一層1.5m高處

由圖可知，過渡季一層1.5m高處，大部分區域的風速為0.05m/s，空氣齡為5 000s，自然通風情況并不理想。設計時，一層大廳不應采用自然通風，目前的設計按照機械通風考慮。

圖10　三層1.5m高處風速云圖

(2)三層1.5m高處

由圖10可知，三層1.5m高處的最大風速在1m/s左右，自然通風狀況良好。設計時，應按照模擬情況，在此處設置外窗。

5.3室內采光及太陽輻射模擬

5.3.1模擬目的

本次模擬主要對天窗的采光效果進行分析，判斷自然采光的效果。同時模擬建筑外表面太陽輻射強度分布情況。應用Ecotect軟件，具體模擬分析過程如下。

5.3.2計算工況

(1)計算模型

計算模型與建筑室外風環境模擬采用同一基礎物理模型，根據軟件計算需要，對物理模型進行一定處理，成為采光計算模型。采光模型的效果圖如圖11。

圖11　采光模擬計算模型

(2)計算參數

本項目屬于Ⅳ級光氣候區，光氣候系數K值為1.1，室外天然光設計照度值Es為13 500.0lx。

根據本項目實際材料性狀，對模擬計算參數進行選值如表2：

表2　模擬計算參數

5.3.3模擬結果

(1)陰天工況下的室內采光

圖12　1.5m高處采光系數分布圖

由圖12可知，天窗帶來的室內采光效果明顯，在全陰天模型情況下，極大改善下方空間的自然采光情況。

但是，在自然采光得到改善的同時，天窗的采用會大幅增加太陽輻射得熱量。根據計算，在未采取遮陽措施的情況下， 7月份天窗造成的室內太陽輻射直接得熱量峰值為40kwh/m2。因此，結合建筑造型合理設置外遮陽或內遮陽措施，有利于降低夏季空調負荷。

(2)建筑表面太陽輻射

由圖13可知，水平面受到的太陽輻射強度最大。本項目為金屬屋面，屬于輕質屋面，應增大保溫層厚度，屋面應選擇反射率較高的材料制作，從而降低太陽輻射帶來的負荷增加。

圖13　建筑表面太陽輻射得熱量分布圖

天窗所受太陽輻射強度與水平屋面相同，在保正室內采光效果的情況下，應盡量減小天窗面積，選用透射率較低的材料，從而降低太陽直射得熱量。

建筑自身的線條，有一定自遮陽作用，通過擴大側窗面積，滿足室內自然采光的要求。

6　BIM應用總結

上海天文館項目2015年1月開始初步設計。在設計過程中，利用3D可視化設計不斷修改和完善三維模型，各專業協同工作，已發現80多處設計沖突，設計協調工作前移； 大大提升了設計效率。對于復雜節點的構造，可以更直觀的表現，減少設計錯誤，避免后期設計變更、施工返工。建筑性能模擬分析技術的應用，驗證了設計的合理性，滿足了設計質量和建筑功能要求。通過模擬分析，對設計提出了科學合理的優化建議，提升了設計質量。

另外，本項目還實施基于BIM的項目管理，搭建BIM協同平臺，實現各參與單位的高效溝通，對項目投資、進度、質量進行精細管理，確保工程項目目標的順利實現。

[1]裴以軍，彭友元，陳愛東 等.BIM技術在武漢某項目機電設計中的研究及應用[J].施工技術,2011(21):94-99.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.2011-2015年建筑業信息化發展綱要[EB/OL]．(2011-05-10)[2015-01-22]．

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.關于推進建筑信息模型應用的指導意見.建質函[2015]159號.

[4]上海市城鄉建設和管理委員會.上海市建筑信息模型技術應用指南[S].2015.

[5]趙昂.BIM技術在計算機輔助建筑設計中的應用初探[D].重慶大學碩士學位論文,2006.

[6]邵光華,高愛麗,譚曉慧 等.BIM技術在某建筑實例排水管道設計中的應用[J].青島理工大學學報,2015.01

[7]張利軍,母傳偉.BIM技術在項目設計中的應用[J].建筑技術開發,2015.08(42):19-22.

[8]章帥.基于BIM技術綠色建筑環境性能評價[D].南京林業大學碩士學位論文,2014.

[9]郭銳.貴州省住宅圍護結構熱工性能研究[D].重慶大學，2011.

Application of BIM in Shanghai Planetarium Project in the Design Phase

Chen Jiayuan1, Gao Jiang1, Liu Jing2, Zheng Wei3

(1.ShanghaiScienceandTechnologyMuseum,Shanghai200127,China;2.ShanghaiConstructionSupervisionConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200080,China;3.SchoolofEconomicsandManagement,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

During the design phase of Shanghai Planetarium Project, BIM technology has been widely used and has made great contribution to project decision-making,design optimization and quality process. Especially in the aspect of building performance analysis,BIM has played an irreplaceable role.This article focuses on the application of BIM technology in the design coordination and building performance analysis results.

BIM; Design Phase; Design Coordination; Building Performance Simulation

陳家遠(1976-)，男，工程師，主要研究方向：工程項目管理、技術管理；
郜江(1966-)，男，工程師，主要研究方向：工程項目管理、技術管理；
劉婧(1989-)，女，助理工程師，主要研究方向：BIM技術、設計管理；
鄭威(1975-)，男，同濟大學經管學院，主要研究方向：大數據、BIM、工程管理。

TU17

A

1674-7461(2016)04-0010-07