工程設計階段的BIM參數化應用
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摘要：建筑信息模型技術目前應用廣泛，且參數化軟件在模型建立與分析中發(fā)揮越來越重要的作用。基于此，文章以中央美術學院青島校區(qū)項目為例，分析了參數化建模在工程設計階段中的實際應用。
現階段，建筑信息模型（BuildingInformationModel,BIM）技術在工程建設過程中被運用越來越廣泛。在EPC項目中，設計階段的整體把控對整個項目的資金和工期有重要影響，而參數化軟件的使用則可以解決設計量大的難題，節(jié)約設計工期。文章以中央美術學院青島校區(qū)的設計為例，探討參數化軟件的應用效果。
1參數化建模軟件
現階段，國內大量使用的建筑模型參數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。該項目的設計階段主要使用了Grasshopper，少量使用了Dynamo。
2參數化建模軟件在工程設計階段的應用
中央美術學院青島校區(qū)工程以“開環(huán)大學”的設計理念進行設計，建筑外立面由低層到高層依層縮進，幕墻表面為雙曲面，并且最大的教學綜合樓設計為2個莫比烏斯環(huán)形結構，設計難度很高；教學綜合樓的2座連橋和禮堂綜合樓頂部為鋼結構。工程效果圖如圖1所示。
2.1禮堂綜合樓鋼網架優(yōu)化
禮堂綜合樓屋面原設計為鋼桁架結構，受力狀態(tài)復雜。項目運用Grasshopper的Kangroo插件，對其進行力學模擬分析。經分析，原結構存在受力缺陷。在設計優(yōu)化的過程中，項目設計團隊提出多種解決辦法，最終明確將結構形式改為鋼網架，并通過算法由計算機自動排布設計，如圖2所示。在犀牛軟件中建立網架模型，并導入PKPM進行驗算復核。其受力結果顯示，修改后的網架結構是符合要求的。這一優(yōu)化結果節(jié)約用鋼量約370t，節(jié)約成本約465萬元，節(jié)約工期22d。相關人員通過控制參數，對網架模型節(jié)點進行批量編號、標注信息和提取坐標，并導出為數據表。
2.2運用參數化軟件進行模數優(yōu)化
由于禮堂屋面為曲面，需要制作的模板的模數達到65種，較為復雜。通過Grasshopper，按相近曲率范圍歸類劃分，在保證設計效果前提下，將模數減少至16種，并直接給出不同模數使用位置分布圖，提高了周轉材料使用率，大大降低了施工難度，預計節(jié)約工期17d。
2.3屋面欄桿參數化布置
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現登高望遠。道路兩側需布置欄桿，但屋面為曲率變化的曲面，人工難以調控欄桿布置參數。相關人員使用Grasshopper編制程序分析曲面數據，通過調整欄桿密度、高度、尺寸等參數，由計算機生成多種排布方案，從而從中選擇最佳方案。
2.4幕墻造型設計
項目存在大量曲面幕墻，人工進行幕墻分格劃分十分困難。因此，該項目工作人員使用了Grasshopper編制程序，利用遺傳算法計算出最大坡線位置，并把其作為分格依據，如圖3所示。為了達到建筑流動美觀的外立面效果，相關人員利用參數化軟件參數可調的特點，通過Grasshopper軟件完成鋁板幕墻分縫多版方案的快速調節(jié)設計、對比工作，最終篩選出最協調的分格方式。另外，相關人員對藝術家工作室及主樓進行幕墻玻璃曲率分析，將幕墻單圖1中央美術學院青島校區(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)化設計出標準弧度模塊16種，在模型中標示分批，大大降低了加工難度及施工難度，節(jié)約生產周期17d、施工工期12d。
2.5土方平衡標高設計
首先，相關人員應用Grasshopper提取圖紙數據，在犀牛軟件中創(chuàng)建地形，通過原始地貌測量數據構建三維模型。其次，基于ContextCapture傾斜攝影進行三維建模，利用傾斜攝影模型完善犀牛模型中測量盲區(qū)高程。最后，應用遺傳算法通過Grasshopper程序找到土方平衡點，將挖方量與填方量相抵，求得平衡點標高為4.3m，根據現有土方平衡條件，利用計算結構（土方平衡點標高）優(yōu)化原室外豎向設計標高，減少開挖及回填（外購土）量，節(jié)約成本約420萬元，節(jié)約工期13d。
2.6異形結構出圖
該項目存在大量異形結構，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，且易出錯。因此，相關人員利用參數化軟件批量導出圖紙，通過參數控制出圖位置、出圖數量和剖切深度、剖面圖圖元等，共出圖5000余張，并實現自動排布編號，便于查找。
2.7日照模擬分析
由于該項目中莫比烏斯環(huán)狀主樓造型復雜，在施工圖設計階段，相關人員綜合考慮設計合理性及使用舒適性，使用Grasshopper進行參數化日照模擬，對各區(qū)域全年累計日照時長進行分析，尋找日照盲區(qū)并及時修正優(yōu)化。經分析,綜合樓頂層鋼結構連橋A-3～A-8軸與A-P～A-X軸區(qū)域全年累計日照時間最長。初設階段，該區(qū)域設計為封閉教室，經參照日照分析，發(fā)現該處存在日照不足問題。設計人員積極溝通校方，將此處設計變更為大空間畫室，綜合考慮施工難易度，該畫室最終確定為天光畫室。
2.8碰撞構件隔離
該項目各專業(yè)的設計相對獨立，難免會有構件發(fā)生沖突。因此，相關人員整合各專業(yè)模型，把其導入Navisworks軟件，導出碰撞報告，應用Dynamo軟件進行參數化設置，批量提取碰撞構件ID并對構件進行隔離，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，設計部門各專業(yè)負責人共同商討碰撞問題的解決對策，直至隔離構件被全部消除。
2.9凈空分析
相關人員利用犀牛軟件，通過參數化編程，提取各功能區(qū)建筑凈高，通過與設計標準對比，自動識別凈高不滿足要求的房間及功能區(qū)，并統計建筑做法，匯總主要超高原因。通過在模型中標注進行反饋，設計人員能第一時間發(fā)現并解決沖突問題，彌補設計缺陷，規(guī)避后續(xù)施工問題。
3結束語
該項目設計階段主要使用參數化軟件簡化設計過程，提高了設計效率，減少人工操作導致的錯誤，共縮短工期125d，節(jié)約成本約1500余萬元。參數化軟件在方案選擇、結構設計、造型設計、標高控制、碰撞檢測等方面都提供了高效的解決方法，相比常規(guī)的人工操作調整，節(jié)約了大量時間，并降低了出錯的概率，尤其在充滿異形結構和曲面設計的工程建設中應用參數化軟件，更加體現了其在設計階段的突出作用。隨著建筑風格異形化、個性化的發(fā)展，參數化設計必將成為建筑設計的重要組成部分。
參考文獻：
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[2]張繼薇,敖儀斌,倪婷,等.BIM技術在綠心公園建設工程中的應用[J].土木建筑工程信息技術,2020,12(3):31-37.
作者：程江慧 黃樹利 程少淳 毛任重 李鑫磊 單位：中建八局第四建設有限公司
