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工程设计阶段的BIM参数化应用

摘要:建筑信息模型技术目前应用广泛,且参数化软件在模型建立与分析中发挥越来越重要的作用。基于此,文章以中央美术学院青岛校区项目为例,分析了参数化建模在工程设计阶段中的实际应用。

关键词:BIM技术;参数化软件;工程设计

现阶段,建筑信息模型(BuildingInformationModel,BIM)技术在工程建设过程中被运用越来越广泛。在EPC项目中,设计阶段的整体把控对整个项目的资金和工期有重要影响,而参数化软件的使用则可以解决设计量大的难题,节约设计工期。文章以中央美术学院青岛校区的设计为例,探讨参数化软件的应用效果。

1参数化建模软件

现阶段,国内大量使用的建筑模型参数化建模软件主要有以Rhinoceros(犀牛)为平台的Grasshopper和以Revit为平台的Dynamo,此外还有DigitalProject、Bently、Formz等。该项目的设计阶段主要使用了Grasshopper,少量使用了Dynamo。

2参数化建模软件在工程设计阶段的应用

中央美术学院青岛校区工程以“开环大学”的设计理念进行设计,建筑外立面由低层到高层依层缩进,幕墙表面为双曲面,并且最大的教学综合楼设计为2个莫比乌斯环形结构,设计难度很高;教学综合楼的2座连桥和礼堂综合楼顶部为钢结构。工程效果图如图1所示。

2.1礼堂综合楼钢网架优化

礼堂综合楼屋面原设计为钢桁架结构,受力状态复杂。项目运用Grasshopper的Kangroo插件,对其进行力学模拟分析。经分析,原结构存在受力缺陷。在设计优化的过程中,项目设计团队提出多种解决办法,最终明确将结构形式改为钢网架,并通过算法由计算机自动排布设计,如图2所示。在犀牛软件中建立网架模型,并导入PKPM进行验算复核。其受力结果显示,修改后的网架结构是符合要求的。这一优化结果节约用钢量约370t,节约成本约465万元,节约工期22d。相关人员通过控制参数,对网架模型节点进行批量编号、标注信息和提取坐标,并导出为数据表。

2.2运用参数化软件进行模数优化

由于礼堂屋面为曲面,需要制作的模板的模数达到65种,较为复杂。通过Grasshopper,按相近曲率范围归类划分,在保证设计效果前提下,将模数减少至16种,并直接给出不同模数使用位置分布图,提高了周转材料使用率,大大降低了施工难度,预计节约工期17d。

2.3屋面栏杆参数化布置

礼堂屋面下半部分为上人屋面,来往人员可通过道路登上形如小山的屋面实现登高望远。道路两侧需布置栏杆,但屋面为曲率变化的曲面,人工难以调控栏杆布置参数。相关人员使用Grasshopper编制程序分析曲面数据,通过调整栏杆密度、高度、尺寸等参数,由计算机生成多种排布方案,从而从中选择最佳方案。

2.4幕墙造型设计

项目存在大量曲面幕墙,人工进行幕墙分格划分十分困难。因此,该项目工作人员使用了Grasshopper编制程序,利用遗传算法计算出最大坡线位置,并把其作为分格依据,如图3所示。为了达到建筑流动美观的外立面效果,相关人员利用参数化软件参数可调的特点,通过Grasshopper软件完成铝板幕墙分缝多版方案的快速调节设计、对比工作,最终筛选出最协调的分格方式。另外,相关人员对艺术家工作室及主楼进行幕墙玻璃曲率分析,将幕墙单图1中央美术学院青岛校区工程效果图板长度超过3m但起拱弧度小于10mm的部分双曲面近似模拟、优化为单曲面,其余弧度较大位置按弧度区间选取固定长度优化为固定弧度中间值,在保证建筑外立面效果的前提下,优化设计出标准弧度模块16种,在模型中标示分批,大大降低了加工难度及施工难度,节约生产周期17d、施工工期12d。

2.5土方平衡标高设计

首先,相关人员应用Grasshopper提取图纸数据,在犀牛软件中创建地形,通过原始地貌测量数据构建三维模型。其次,基于ContextCapture倾斜摄影进行三维建模,利用倾斜摄影模型完善犀牛模型中测量盲区高程。最后,应用遗传算法通过Grasshopper程序找到土方平衡点,将挖方量与填方量相抵,求得平衡点标高为4.3m,根据现有土方平衡条件,利用计算结构(土方平衡点标高)优化原室外竖向设计标高,减少开挖及回填(外购土)量,节约成本约420万元,节约工期13d。

2.6异形结构出图

该项目存在大量异形结构,施工中对建筑截面图的需求程度也大大提高,若手工选择截面位置则极为耗时,且易出错。因此,相关人员利用参数化软件批量导出图纸,通过参数控制出图位置、出图数量和剖切深度、剖面图图元等,共出图5000余张,并实现自动排布编号,便于查找。

2.7日照模拟分析

由于该项目中莫比乌斯环状主楼造型复杂,在施工图设计阶段,相关人员综合考虑设计合理性及使用舒适性,使用Grasshopper进行参数化日照模拟,对各区域全年累计日照时长进行分析,寻找日照盲区并及时修正优化。经分析,综合楼顶层钢结构连桥A-3~A-8轴与A-P~A-X轴区域全年累计日照时间最长。初设阶段,该区域设计为封闭教室,经参照日照分析,发现该处存在日照不足问题。设计人员积极沟通校方,将此处设计变更为大空间画室,综合考虑施工难易度,该画室最终确定为天光画室。

2.8碰撞构件隔离

该项目各专业的设计相对独立,难免会有构件发生冲突。因此,相关人员整合各专业模型,把其导入Navisworks软件,导出碰撞报告,应用Dynamo软件进行参数化设置,批量提取碰撞构件ID并对构件进行隔离,使碰撞部位得到直观展示,大大提高碰撞检查效率。通过召开BIM碰头会,设计部门各专业负责人共同商讨碰撞问题的解决对策,直至隔离构件被全部消除。

2.9净空分析

相关人员利用犀牛软件,通过参数化编程,提取各功能区建筑净高,通过与设计标准对比,自动识别净高不满足要求的房间及功能区,并统计建筑做法,汇总主要超高原因。通过在模型中标注进行反馈,设计人员能第一时间发现并解决冲突问题,弥补设计缺陷,规避后续施工问题。

3结束语

该项目设计阶段主要使用参数化软件简化设计过程,提高了设计效率,减少人工操作导致的错误,共缩短工期125d,节约成本约1500余万元。参数化软件在方案选择、结构设计、造型设计、标高控制、碰撞检测等方面都提供了高效的解决方法,相比常规的人工操作调整,节约了大量时间,并降低了出错的概率,尤其在充满异形结构和曲面设计的工程建设中应用参数化软件,更加体现了其在设计阶段的突出作用。随着建筑风格异形化、个性化的发展,参数化设计必将成为建筑设计的重要组成部分。

参考文献:

[1]杜一丛,王亮.基于BIM参数化在桥梁工程设计阶段应用初探[J].建筑结构,2019,49(S2):972-978.

[2]张继薇,敖仪斌,倪婷,等.BIM技术在绿心公园建设工程中的应用[J].土木建筑工程信息技术,2020,12(3):31-37.

作者:程江慧 黄树利 程少淳 毛任重 李鑫磊 单位:中建八局第四建设有限公司

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