BIM正向設(shè)計(jì)在浙江樹(shù)人大學(xué)游泳館中的應(yīng)用

程 健,張永剛,戴建斌

(浙江省省直建筑設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310012)

浙江樹(shù)人大學(xué)楊汛橋校區(qū)游泳館項(xiàng)目采用EPC的項(xiàng)目模式。該項(xiàng)目地下建筑面積為203 m2,地上建筑面積為4 905 m2,為兩層的公共建筑。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),大跨度屋面采用鋼結(jié)構(gòu)桁架。設(shè)計(jì)使用年限為50年,安全等級(jí)為二級(jí),建筑耐火等級(jí)為一級(jí)。

游泳館集游泳、乒乓球、壁球、辦公等多功能于一體,空間交錯(cuò),外立面造型獨(dú)特,功能復(fù)雜,設(shè)備和管線(xiàn)較多,為鋼筋混凝土框架與大跨度鋼結(jié)構(gòu)組合而成的混合結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。本項(xiàng)目為EPC項(xiàng)目,對(duì)造價(jià)控制、設(shè)計(jì)質(zhì)量和進(jìn)度要求非常高,需要在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中緊密協(xié)調(diào)各參與方。

圖1 效果圖(由BIM模型導(dǎo)入3Dmax渲染)

1 BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)

1.1 三維設(shè)計(jì)與二維表達(dá)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式采用Revit平臺(tái)直接進(jìn)行三維設(shè)計(jì),遵循了常規(guī)的正向設(shè)計(jì)流程。在建筑方案模型深化后,結(jié)構(gòu)利用建筑的軸網(wǎng)標(biāo)高布置墻柱和梁板,設(shè)備根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的布置考慮設(shè)備和管線(xiàn)布置,設(shè)計(jì)過(guò)程中各專(zhuān)業(yè)能直觀看到其他專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)情況,在三維空間中能更好解決設(shè)計(jì)問(wèn)題,大幅提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,提升建筑性能[1]。

因?yàn)楝F(xiàn)行圖審、交付成果的需要,三維的模型不能直接使用,必須以二維的圖紙來(lái)表達(dá),造成三維模型完成后,還需要根據(jù)各專(zhuān)業(yè)的出圖標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)化為二維的平面表達(dá),這和CAD直接繪圖有所不同,具體流程見(jiàn)圖2。

圖2 正向設(shè)計(jì)流程圖

因?yàn)楸卷?xiàng)目為EPC項(xiàng)目,圖紙齊全后,還須提交給預(yù)算方,進(jìn)行成本測(cè)算,如不滿(mǎn)足要求,還需反饋給設(shè)計(jì)方,進(jìn)行調(diào)整修改,最后提圖審。

1.2 方案比選和優(yōu)化

在方案階段,直接采用Revit軟件建模,對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行比選和優(yōu)化。

1)考慮周邊環(huán)境,為方便管理,主入口由南面改到北面；

2)為控制造價(jià),減少了無(wú)功能或功能性弱的空間,取消二層的內(nèi)挑欄和泳池南面的檢修通道,縮小其余檢修通道的寬度；

3)在外立面的美觀性方面,對(duì)7個(gè)方案進(jìn)行比選,在遵循原投標(biāo)方案的基礎(chǔ)上,最終選擇了功能性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性兼顧的方案,見(jiàn)圖3。

圖3 方案比選

1.3 協(xié)同模式

Revit協(xié)同主要有兩種模式,即鏈接和工作共享,大項(xiàng)目多采用鏈接+工作共享。工作共享就是工程師同一時(shí)間在同一模型的本地映射的各自工作集上合作。鏈接類(lèi)似CAD的外部參照合作模式。由于本項(xiàng)目面積較小,且只有一個(gè)單體,故采用中心協(xié)同的方式[2],在服務(wù)器中建立中心文件,各專(zhuān)業(yè)建立獨(dú)自的工作集,協(xié)同更加直接高效,原理見(jiàn)圖4。

圖4 中心協(xié)同模式

通過(guò)三維協(xié)同設(shè)計(jì),建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、水暖電模型共同組成了游泳館協(xié)同模型,本項(xiàng)目各專(zhuān)業(yè)的模型和整體模型見(jiàn)圖5。

圖5 各專(zhuān)業(yè)模型和整體模型

2 BIM可視化的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)BIM的可視化,可以對(duì)外立面、樓梯和其他復(fù)雜節(jié)點(diǎn)做到更直觀更精細(xì)的設(shè)計(jì)。立面設(shè)計(jì)中,從美觀角度調(diào)整了幕墻橫檔的間距,隱藏了外立面的風(fēng)口百葉,調(diào)整了體塊間的比例,細(xì)化了體塊間的穿插關(guān)系,調(diào)整后的立面見(jiàn)圖6～9,墻身的細(xì)部節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)接關(guān)系見(jiàn)圖10。

圖6 東立面可視化設(shè)計(jì)

圖7 西立面可視化設(shè)計(jì)

圖8 北立面可視化設(shè)計(jì)

圖9 南立面可視化設(shè)計(jì)

圖10 墻身節(jié)點(diǎn)可視化設(shè)計(jì)

在樓梯設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了樓梯的舒適性,一層到二層的梯段由三跑改為兩跑,采用軟件自帶的凈高檢查功能進(jìn)行核查梯段凈高。為了加強(qiáng)樓梯間的自然采光,結(jié)合屋面的檢修口設(shè)置了側(cè)窗。為方便進(jìn)入泳池四周檢修設(shè)備管廊,檢修口位置由泵房里調(diào)整到樓梯休息平臺(tái)處,提升泵房使用率,樓梯三維大樣見(jiàn)圖11。

圖11 樓梯可視化設(shè)計(jì)

3 BIM模擬性

3.1 建筑性能模擬

通過(guò)BIM的模擬性,將Revit模型導(dǎo)入Ecotect軟件,對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,定義外墻、窗戶(hù)、幕墻、屋面等屬性,進(jìn)行采光、輻射和溫度分析,驗(yàn)證和優(yōu)化建筑性能。建筑師可以方便快捷地得到各種直觀的數(shù)據(jù),并結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn),利用自然界的陽(yáng)光、風(fēng)力,選用合理的節(jié)能措施,改善和創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境,盡量少消耗常規(guī)能源。

如采光分析：由于室外照度隨天氣情況經(jīng)常變化,室內(nèi)照度也隨著變化,因此室內(nèi)自然采光不能用照度的絕對(duì)值衡量,需要用相對(duì)值即采光系數(shù)C來(lái)衡量,它是室內(nèi)某點(diǎn)的天然光照度E1與同一時(shí)間段室外全云水平天然光照度E0的比值,即C=E1/E0,采光分析時(shí),發(fā)現(xiàn)一層內(nèi)走道的采光系數(shù)不到0.5 %,只能通過(guò)兩端的門(mén)窗進(jìn)行采光。經(jīng)討論在內(nèi)走道的門(mén)框上部和門(mén)頁(yè)上均增設(shè)亮子,自然光可以通過(guò)兩側(cè)的房間透過(guò)亮子引入過(guò)道,過(guò)道的采光系數(shù)提高到了2 %左右,見(jiàn)圖12～14。

圖12 性能分析

圖13 一層采光實(shí)時(shí)OpenGL圖

圖14 一層采光系數(shù)圖

3.2 結(jié)構(gòu)分析模型

BIM模型是參數(shù)化的模型,可導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行力學(xué)分析[3]。通過(guò)Revit與結(jié)構(gòu)分析軟件的轉(zhuǎn)換接口,分別將Revit幾何模型導(dǎo)入了YJK和Midas軟件,在結(jié)構(gòu)軟件中定義材料和邊界條件,施加荷載,對(duì)桁架進(jìn)行力學(xué)模擬分析,控制主桁架桿件的應(yīng)力比不大于0.9,其中支座處的桿件應(yīng)力比不大于0.85,次桁架桿件的應(yīng)力比不大于0.95,控制主桁架的最大撓度約為42 mm,精細(xì)化的對(duì)比分析使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。Midas軟件的應(yīng)力和位移分析見(jiàn)圖15。

圖15 結(jié)構(gòu)分析模擬

4 BIM協(xié)調(diào)性

通過(guò)BIM的協(xié)調(diào)性,設(shè)計(jì)風(fēng)管穿越桁架,使得泳池上方的凈空抬升了0.6 m,見(jiàn)圖16。同時(shí)在風(fēng)管和馬道交叉的地方,對(duì)風(fēng)管進(jìn)行上翻處理,方便檢修人員順利通過(guò),見(jiàn)圖17。

圖16 風(fēng)管穿越桁架

圖17 風(fēng)管翻越馬道

另外,為了控制成本,鋼結(jié)構(gòu)屋面與混凝土屋面高差很小,屋面設(shè)備的風(fēng)管無(wú)法直接從鋼結(jié)構(gòu)屋面和混凝土屋面的小山墻穿到泳池室內(nèi)。為此在屋面設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換井道,通過(guò)BIM良好的協(xié)調(diào)性,在狹小空間內(nèi),順利解決了分管穿側(cè)板、樓板、梁和桁架,見(jiàn)圖18。

圖18 風(fēng)管穿屋面小山墻

5 BIM優(yōu)化性

5.1 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

通過(guò)BIM的優(yōu)化性,對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的送、回風(fēng)管進(jìn)行了多次優(yōu)化,這既保證了泳池上空的恒溫恒濕,又節(jié)省了造價(jià)。優(yōu)化前后的風(fēng)管布置,見(jiàn)圖19。

圖19 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化前后對(duì)比

5.2 消防系統(tǒng)優(yōu)化

對(duì)二層消防環(huán)網(wǎng)進(jìn)行分析,因空間交錯(cuò),可以合并一些主管,從而減小了管線(xiàn)路徑,使得室內(nèi)空間干凈整齊,系統(tǒng)更加合理,并且節(jié)省了造價(jià)。優(yōu)化前后的消防管線(xiàn)布置,見(jiàn)圖20。

圖20 消防管網(wǎng)優(yōu)化前后對(duì)比

5.3 泳池泵房?jī)?yōu)化

在泳池泵房設(shè)計(jì)中,通過(guò)BIM精細(xì)化設(shè)計(jì),排布好密集的設(shè)備和管線(xiàn),使泵房面積減小了20%,從而控制了泵房層高,節(jié)省了造價(jià)。見(jiàn)圖21。

圖21 泵房?jī)?yōu)化

6 BIM虛擬仿真漫游

設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)游泳館進(jìn)行了多次VR虛擬仿真漫游,感受內(nèi)部空間是否合理,消防主管和消火栓布置是否影響美觀,檢修是否方便,不斷優(yōu)化模型。消火栓、消防主管以及桁架內(nèi)設(shè)備管線(xiàn)和馬道調(diào)整后的漫游截屏,見(jiàn)圖22。

圖22 泳池區(qū)漫游

7 BIM出圖

根據(jù)BIM的出圖性,模型深化后,在Revit軟件中通過(guò)出圖樣板的設(shè)置,進(jìn)行施工圖出圖。Revit軟件側(cè)重于三維實(shí)體的展現(xiàn),而根據(jù)現(xiàn)行制圖規(guī)范和格式的要求,需要把三維模型采用二維平面的方式來(lái)表達(dá)。根據(jù)不同的專(zhuān)業(yè),不同的圖紙內(nèi)容,設(shè)置不同的出圖樣板,類(lèi)似于CAD的打印樣式和圖層控制,Revit出圖樣板的設(shè)置較復(fù)雜,許多內(nèi)容在建模前就要考慮好,總體布局好。建筑專(zhuān)業(yè)的平立剖和大樣基本做到Revit中直接出圖,從出圖效率考慮,結(jié)構(gòu)、水、暖專(zhuān)業(yè)的平面圖基本做到了直接出圖,但一些設(shè)計(jì)說(shuō)明、節(jié)點(diǎn)詳圖和設(shè)備的系統(tǒng)圖則采用CAD輔助。各專(zhuān)業(yè)采用BIM出圖,見(jiàn)圖23～27。

8 工程量統(tǒng)計(jì)

BIM模型可以直接生成工程量,也可迅速獲取設(shè)計(jì)變更或優(yōu)化前后的工程量差。本項(xiàng)目也嘗試了對(duì)主要的材料進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì),如混凝土、磚墻、型鋼、門(mén)窗、橋架、管線(xiàn)。但利用BIM模型提取構(gòu)件的混凝土標(biāo)號(hào)、內(nèi)外墻體、梁板柱墻互相搭接的扣減關(guān)系,以及管線(xiàn)等工程量信息,不符合我國(guó)工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范和各地區(qū)相關(guān)定額對(duì)建筑物構(gòu)件分類(lèi)、 編碼和工程量計(jì)算規(guī)則的規(guī)定,無(wú)法直接進(jìn)行造價(jià)分析,需要按計(jì)算規(guī)則予以區(qū)分和扣減,花費(fèi)較多時(shí)間,效率不高。若Revit建模所使用的標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行國(guó)內(nèi)計(jì)量計(jì)價(jià)規(guī)則不匹配,則會(huì)導(dǎo)致軟件對(duì)構(gòu)件的識(shí)別率低,使工程量的誤差率偏大。本項(xiàng)目設(shè)備管線(xiàn)和混凝土的工程量明細(xì)表,見(jiàn)圖28。

圖23 一層建筑平面圖

圖24 建筑立面圖

圖25 樁位平面布置圖

圖26 一層給排水平面圖

表1 本工程主要材料工程量表

經(jīng)統(tǒng)計(jì),主要材料的工程量,見(jiàn)表1。

9 結(jié) 語(yǔ)

BIM正向協(xié)同設(shè)計(jì)是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,它極大地提高項(xiàng)目的設(shè)計(jì)質(zhì)量和建筑性能。BIM技術(shù)與EPC項(xiàng)目全過(guò)程結(jié)合[4],能加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目的管控和各參與方的協(xié)調(diào),有利于減小項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn),為項(xiàng)目的建設(shè)和使用增值。

圖27 二層空調(diào)通風(fēng)平面圖

圖28 工程量明細(xì)表