以BIM技術主導復雜形體建筑的設計流程

楊瑛 康鑫維 張榮

近年來隨著我國經濟的發(fā)展和不斷滿足人民日益增長的美好生活需要的要求，出現(xiàn)了許多造型復雜的城市公共建筑，而BIM技術等數(shù)字化科技的發(fā)展是當下國家大力推行的新發(fā)展趨勢，我國建筑業(yè)在過往發(fā)展中，建筑設計在設計流程中配合深度不夠，少有深度參與后續(xù)的建筑施工流程。同時市場上設計技術的變革緩慢，難以適應新經濟條件下的人民需要的新觀感，對后續(xù)施工呈現(xiàn)的效果缺乏把控等問題，帶來了一系列弊端。以某市大型商業(yè)綜合體實際工程為例闡述了，借助BIM手段，串聯(lián)地產、方案階段、施工圖階段、幕墻部分等設計全生命周期，保證項目設計的落地性和嚴謹與創(chuàng)新性，為地產與設計行業(yè)如何在新形勢下高質量地把控設計項目提供參考。

BIM技術； 建筑設計； 建筑外立面； BIM正向設計

TP391.72 A

［定稿日期］2022-03-16

［作者簡介］楊瑛（1964—），男，博士，教授，高級工程師，研究方向為建筑設計及其理論；康鑫維（1996—），男，在讀碩士，研究方向為建筑設計及其理論。

1 背景與問題

我國經濟的不斷發(fā)展，人民對的美好生活需求日益增長，建筑的使用功能需求的提升，各方面因素推動著造型復雜的城市公共建筑蓬勃發(fā)展，許多業(yè)主應需求打造城市中心高端商業(yè)，力求在現(xiàn)代化城市面貌中留下濃墨重彩的一筆。因此，應對外立面的造型需求的提升，建筑師紛紛加強對建筑造型的設計探索，這無疑是對項目落地成功性的巨大挑戰(zhàn)，在項目周期短，多方參與的高周轉的模式下，傳統(tǒng)施工圖設計模式面對常規(guī)項目尚且會出現(xiàn)許多錯誤，難以適應當代新穎項目設計要求。

外立面的設計不是僅關系到項目的外形表達，還需要有高度的統(tǒng)籌兼顧性，方案設計階段時應用構造、功能、美學、材料等方面的專業(yè)知識，到了施工圖設計階段還要考慮更多的落地性和實用性，就橫向來說建筑、結構、給排水、暖通、電氣等不同部門的前后協(xié)作，縱向上方案施工圖和施工單位與交付后的運維單位之間該怎樣高效地配合與交接，怎樣避免反復地修改造成對工期產生的影響，甚至是避免因為考慮不周造成項目后期返工帶來的損失或者施工后不可逆的錯誤導致最終效果妥協(xié)于錯誤的設計。

雖然BIM技術在理想狀態(tài)下能解決這些大部分問題，但現(xiàn)在市場上運用BIM技術進行設計大多數(shù)停留在略滯后于施工圖步驟的設計咨詢，或者施工圖完成后的BIM優(yōu)化，不可避免造成了時間浪費、信息不對稱、可優(yōu)化條件有限、工作反復等問題［1］。

本文從方案優(yōu)化階段開始，施工圖階段為主，以BIM技術來主導設計流程為中心，以實際已完成的工作為例作闡述。

2 設計流程探討

大部分設計單位設計流程考慮的因素不夠全面，表皮給到結構工程師，而結構工程師通常不會給予過多時間針對表皮進行思考，或者只是簡單地平移在建筑單層表皮上建立桿件中心線，后續(xù)的鋼結構單位或者幕墻單位經常發(fā)現(xiàn)能變通的設計空間不足，主次龍骨桿件難以設計，或者缺乏很多附屬構件的考慮。

再者，針對這種整個建筑帶有一定弧度的項目，結構的柱梁板預留空間可能在平面上能定位，豎向上的關系難以確定，例如大梁的梁頂和底部是Z軸方向上垂直，但平面上梁頂滿足了進退距離定位，很多時候梁底位置與表皮的進退關系往往是不滿足的。類似這樣的位置有很多，并且不僅限于結構專業(yè)，還有許多管道設計位置也有這樣的問題。傳統(tǒng)CAD設計的流程弊端在這種項目上開始浮現(xiàn)。

國內常規(guī)復雜形體方案階段后的設計流程通常是幾種方式：

（1）由方案建筑師給出初版圖紙與大致的模型，一般為Sketchup、Rhino等模型。由施工圖部門的建筑專業(yè)整理與結構和機電專業(yè)完成初步的討論，這些專業(yè)以建筑圖為底圖，在其基礎上開始初版排布［2］。

（2）結構專業(yè)在建筑的初版提資下開始排布荷載模型，此模型只涉及到鋼筋混凝土的受力計算，鋼結構與幕墻支撐僅僅作預留，此時的建筑底圖十分不穩(wěn)定，特別是在復雜項目下難以考慮周全。

（3）在施工圖基本穩(wěn)定后，幕墻與鋼結構單位介入，在之前的基礎上進行深化，但由于此時大多此項目的設計原人員已進入到新項目，難以全過程兼顧此項目，加上后續(xù)深化單位多從施工的方向考慮，對建筑原本的表達考慮不周全，多種原因導致前后信息不對稱。

（4）現(xiàn)場施工單位接受圖紙后，部分施工單位對項目的理解不透徹，加上之前的設計漏洞較多，現(xiàn)場也難以解決，最終造成施工與設計不一致。

這樣的設計流程還會帶來一些其他的影響，例如無法提前作出準確的成本估算、項目額外費用過高等弊端。

而以BIM技術來主導復雜公共建筑外立面的流程（圖1），則可以最大程度避開上述問題。

3 模型搭建組織初步設計

下面將通過一些案例來解析用此流程引導設計周期的一些的方法。

案例一如圖2所示為超大型公共商業(yè)建筑，地下2層，地上16層，最大的漩渦為正門入口處，大漩渦頂部至7層。首先該案例位于某省會城市的市中心，對外立面和項目質量有著嚴格的把控，以“城市空間的無限邊界”為設計理念，對角走向的旋渦幕墻，對建筑外立面設計帶來了極大的挑戰(zhàn)。BIM技術方案設計階段介入，以三維數(shù)字模型為基礎，通過數(shù)控加工，將原本異形建筑很難描述的曲面數(shù)據(jù)化，最大限度詮釋設計理念，將其復雜多變的外立面設計，解構為清晰的、可實施的細部模塊，為設計理念落地提供強大技術支撐［3］。

設計中，利用Rhino、Revit、Grasshopper（以下簡稱GH）、Dyamo、Enscape等多款軟件協(xié)同設計，利用可視化模型支撐建設方進行三維動態(tài)判斷，將BIM數(shù)字設計的優(yōu)勢最大化。該項目外立面專項設計的應用點有：

（1）搭建數(shù)據(jù)化表皮，詮釋方案理念。

（2）精確計算各層面積指標。

（3）排除異形外表皮對面積計算的干擾。

（4）深化設計鋁板與玻璃幕墻排布韻律。

（5）結合功能需求、施工可行性等對復雜部位優(yōu)化排布。

（6）定位幕墻，模擬拼接，控制細節(jié)。

（7）大門旋渦幕墻方案專題設計，多方案比選玻璃及龍骨排布邏輯。

注：經實踐以上的邏輯方法在其他類似項目上也能適用，此處與下文為方便闡述故以案例的角度描述。

通常方案階段交付的模型無法直接用于深化加工，其中主要原因是提供的SketchUp 的模型數(shù)據(jù)是基于網格 （Mesh） 而不是 NURBS 曲線，導致整個模型的精準度不能達到開模的要求，這樣對于后續(xù)傳遞會造成不連續(xù)的影響，所以首先利用Rhino的NURBS曲面建模，建立參數(shù)化模型后，通過檢查分析模型，優(yōu)化調整不合理部位，使之更合理，同時組裝詮釋方案意圖，并使外表皮數(shù)據(jù)化。在做外立面整理時，應該剖析復雜板塊，分解異形區(qū)域，梳理模型拼裝邏輯（圖3）［4］。

在剖析復雜板塊的同時，設計師根據(jù)NURBS曲線控制幕墻形體，還是通過提取曲面的UV線劃分幕墻嵌板，生成龍骨、節(jié)點模型，乃至后期輸出幕墻定位詳圖及對接幕墻制造商的數(shù)據(jù)模型，均具有較高的數(shù)據(jù)流動性和整體控制性（圖4）［5］。

4 參數(shù)化模型主導深化設計

4.1 精確面積指標

在異形建筑設計過程中，按舊設計流程方法空間上的凈高難以精確計算，這樣不利于面積指標的把控，對于形成建筑空間的圍合空間，凈高在2.10 m及以上的部分應計算全面積，而結構凈高在1.20 m以上的部分應計算1/2面積，結構凈高在1.20 m以下的部分不應計算建筑面積。初步利用rhino的異性表皮，按層高處的建筑表面剖切各層平面，便可以確定邊界輪廓，規(guī)整后的模型表皮可以精確計算各層面積指標，從而調整功能房間的分布和室內布置（圖5）。

4.2 優(yōu)化開窗房間位置

常規(guī)的復雜外表皮建筑設計流程中，往往會在設計的過程中，一些細微的改動導致整個韻律產生形變，對于具有開窗要求的房間，在房間布置時在滿足室內使用的情況下，根據(jù)外立面的韻律做出調整，這樣能即使的反應在模型中，同步瀏覽設計效果，如此便可減少外立面韻律向房間功能妥協(xié)的情況，從而保證建筑形體保持原有的美感（圖6）［6］。

4.3 深度推敲方案

異形曲面構件式幕墻系統(tǒng)，其構造方式多樣且工藝復雜，對受力要求也極為苛刻，往往需要復雜的內部空間結構支撐，幕墻空間結構的主要支撐構件是龍骨，在傳統(tǒng)的施工圖設計中對異形建筑往往采用詳后續(xù)深化單位的表達方式完成圖紙，而在以BIM技術為主導的設計流程中，將幕墻設計工作前置，同步完成參數(shù)化信息模型，從而完善項目的設計思路，這樣既解決了專業(yè)技術上的難題，又保證了立面效果的完美呈現(xiàn)［7］。

案例一中大門漩渦處需要營造一種內旋的效果，并且要產生通透的感覺，那么在以BIM技術為主導的設計流程中納入了幕墻構造設計的意見，分別推敲出3種實現(xiàn)途徑，從左往右分別命為方案一、方案二、方案三（圖7）。

方案一：以規(guī)律的小三角玻璃為基本單元，此方案造價較低，但整個曲面不通透且效果還原度較差。

方案二：搭建大小2種龍骨，主龍骨突出玻璃50mm采用深色涂料以凸顯漩渦韻律，次龍骨突出幕墻30mm采用淺色涂料保證三角幕墻的安裝，此方案造價中等，曲面較為通透，效果還原度較高。

方案三：取消次龍骨，渦旋線與中心法線圍合成四邊形的弧形玻璃，此方案造價高，曲面通透且效果好。

搭建了參數(shù)化模型后，利用基于Rhino的GH插件通過對各塊玻璃直接下料分析，及時統(tǒng)計出3種幕墻做法下，整個建筑3處漩渦的經濟對比，得出方案一和方案三3個漩渦合計差值為574.4萬元人民幣，僅商業(yè)主入口上方的漩渦差值就達到了240萬元人民幣。

4.4 鋁板幕墻專項深化

由于異形建筑對混凝土構件定位精度要求較高，故對外立面的深化盡量前置。在實際案例中外立面的部分位置會形成雙曲面鋁板或玻璃，在批量生產的過程中若不提前處理這些部位，常出現(xiàn)無法安裝或外立面變形等問題。

案例二為全運會配套商業(yè)公共建筑的外表皮模型，此模型在完成定案后模型出現(xiàn)了大量雙曲面部位，利用Rhino&GH參數(shù)化對立面進行曲率檢測（如圖8），對雙曲鋁板進行篩選后，利用遺傳算法逐個分解優(yōu)化，擬合出最接近原型體的單曲或者平板鋁板，再利用GH的參數(shù)化生成幕墻龍骨，這種精準的模型為建筑結構施工圖提供了詳細的設計數(shù)據(jù)［8］。

5 基于參數(shù)化模型的施工圖深化

基于參數(shù)化模型的施工圖深化目前行業(yè)上多以正向設計命名，BIM技術的應用是一個復雜的系統(tǒng)工程，在以BIM技術作為主導的設計周期中，完全做到了數(shù)據(jù)信息共享，而BIM施工圖正向設計貫穿各個專業(yè)，需要設計人員有較高BIM技術和設計能力水平。建筑設計行業(yè)的BIM技術應用大多都選擇了Revit軟件作為平臺，本項目在后續(xù)的施工圖正向設計中，探索性的使用了多種BIM軟件進行出圖，經過對比目前插件最多，配置人員最為熟練，且能滿足專業(yè)協(xié)助和出圖效果的軟件目前以Revit為最優(yōu)解。

對于復雜立面的建筑設計項目上，處理好后的Rhino模型可直接導入至Revit中，首先解決了設計師在異形建筑物上難以繪制建筑施工圖立剖面的問題，并且模型是深化單位同步參與，保證了模型的準確性、可視性與各專業(yè)專業(yè)溝通的即使實時性，確保出圖精準［9］。

例如案例一中大門拱形落地雨棚處，原方案預留一個商鋪入口，設計人員在正向設計階段進行的碰撞檢測中發(fā)現(xiàn)，如果不調整商鋪入口位置，會導致大門的開啟與雨棚邊界產生碰撞，可優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)在該商鋪面積指標不變，保證該商鋪大門高度的情況下，位置做到極限也無法避免碰撞，索性將入口大雨蓬曲率做了調整，使大雨蓬左右落地處曲率更大，這一調整也反饋在模型中，實時瀏覽效果的同時也傳遞給了幕墻與鋼結構單位，建筑專業(yè)的平立剖與其他專業(yè)的圖紙也實現(xiàn)了自動更新，這樣便提高了工作和溝通的效率。

6 結束語

文章旨在探討從一些項目的實踐中摸索出的設計流程，同時展示部分以BIM技術主導設計復雜形體建筑過程中的一些技巧和推敲，正向設計只是本文探討流程中的一部分，不僅限于以信息模型的統(tǒng)一性形成各視圖的聯(lián)動性，實則有太多更具高效、更為新特性的設計技巧可以實現(xiàn)，篇幅有限不作更細致的描述，希望文章能成為BIM技術在建筑設計中發(fā)揮中流砥柱的作用道路上的引玉之磚。

參考文獻［1］ 焦柯，陳少偉，許志堅，等.BIM正向設計實踐中若干關鍵技術研究［J］.土木建筑工程信息技術，2019，11（5）：19-27.

［2］ 王立群.關于復雜造型建筑從外向內設計流程的必要性討論［J］.建筑技藝，2021（S1）：147-152.

［3］ 曾旭東，周鑫，張磊.BIM技術在建筑設計階段的正向設計應用探索［J］.西部人居環(huán)境學刊，2019，34（6）：119-126.

［4］ 佟克龍.建筑BIM參數(shù)化技術在異形曲面幕墻設計與施工中的應用［J］.廣東土木與建筑，2020，27（2）：70-73.

［5］ 劉凡民.雙曲弧形純鋁板內幕墻的施工探討［J］.智能城市，2018，4（7）：131-132.

［6］ 楊瑛，譚翰韜，張陽，等.基于輕型木結構的建筑外立面設計［J］.建筑技術開發(fā)，2021，48（10）：17-19.

［7］ 徐衛(wèi)國.褶子思想，游牧空間——關于非線性建筑參數(shù)化設計的訪談［J］.世界建筑，2009（8）：16-17.

［8］ 丁汝丹.BIM、參數(shù)化設計在表皮建構中的應用［J］.城市住宅，2016，23（8）：28-31.

［9］ 杜茂琨.BIM技術在建筑外立面幕墻設計中的應用［J］.房地產世界，2021（8）：63-65