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2022杭州亚运乒乓球馆BIM参数化深化设计研究与实践

浙江新盛建设集团有限公司

黄轩安, 章国胜, 赵国民, 陈可楠, 蒋俯传

摘要

杭州亚运乒乓球馆大型为大型体育赛事场馆,具有大空间、造型新颖、功能繁复等特点,建筑空间形体复杂、专业衔接多、构造要求高,给工程建设带来了巨大的挑战。BIM数字化技术应用在工程建设领域作用越发凸显,单专业应用趋于向成熟化发展,同时不断向全专业集成应用发展,更好地凸显出BIM效益与价值,但是目前全专业集成系统化应用受到软硬件及管理模式等影响导致的壁垒效应较为明显。

本文以杭州亚运乒乓球馆数字化建造为例,阐述如何建立高效合理的BIM管理组织架构,实现专业协同及数字化交互机制;并通过项目BIM数字化与参数化设计结合应用解决乒乓球馆复杂形体中遇到的施工图深化设计难题。

关键词

大型体育赛事场馆;BIM数字化;全专业集成应用;管理组织架构;专业协同;交互机制;参数化设计;施工图设计深化

1工程概况

运河亚运公园(原城西公园)项目位于杭州市拱墅区申花单元内,总建筑面积约18.67万M2,以育英路为界分为南公园和北公园,其中全民健身中心与乒乓球馆位于南公园。项目建设采用EPC工程总承包模式,总投资约29.09亿元。本文以乒乓球馆为研究对象,乒乓球馆建筑高度35.00M,建筑地上3层,附属设备机房地下1层,主要功能包括比赛场地、看台及附属配套用房,看台总席数6928座(如图1)。

乒乓球馆与全民健身中心效果图

乒乓球馆采用装配式建造,其外围护由菱形玻璃幕墙与叠合阳极氧化铝板金属幕墙体系组成,主受力体系由建筑外维护钢结构、内部混凝土框架结构、屋顶网架结构组成。其中玻璃幕墙区域的建筑外维护结构为斜交弯扭网格(矩形管)钢结构,金属幕墙区域的建筑外维护结构单向弯曲(矩形)钢柱(上部)加型钢混凝土斜柱(下部)屋顶网架结构为正交正放四角锥双层网架,跨度约90M,屋采用铝镁锰金属屋面直立锁边系统(如图2)。

a乒乓球馆主受力体系图

b乒乓球馆系统爆炸图

乒乓球馆建筑系统图

乒乓球馆将作为第19届亚运会的比赛场馆具有纪念性,早期方案灵感源于玉器“琮”;由一个圆形和方形的交集部分,经过大量的形体处理及分析,同时形体与功能不断优化调节,最终形成了一个美丽的交叉点;同时结合丝绸的光泽平滑,通过一个覆盖着黄铜瓦与有着自支撑钢斜肋系统玻璃立面,创造出一个轻盈、经典而又标志性的建筑形态;球馆结构与美学互相交织、完美结合,使建筑物营造出经典的力学美感,完美的将顶级国际设计品质与当地文化遗产相结合(如图3)。

乒乓球馆外立面效果图

乒乓球馆复杂形体导致的施工图设计优化深化带来以下突出难题:

1)EPC总承包管理模式覆盖项目建设全生命周期,实现BIM数字化全专业协同需要制定高效的管理组织架构和技术执行标准体系。

2)乒乓球馆“鱼腹形”双曲面鱼鳞状金属幕墙与菱形玻璃鳞片幕墙交相辉映,整体空间呈鹅卵形变化,,复杂的形体变化对施工图深化及现场施工定位产生了巨大的挑战。

3)乒乓球馆幕墙深化需要对原始双曲面表皮进行幕墙板面优化与板块划分,此过程约束颇多,既要满足整体外观尽可能贴合原始曲面,同时也要保证板块分隔大小尽量统一;深化能否完美展现原设计形体逻辑,参数化设计应用至关重要。

4)斜交弯扭网格(矩形管)钢结构体系外表皮与幕墙表皮为沿法线方向的等距面关系,上部为空间网架结构、下部为单层变曲面弯扭斜交网格结构。弯扭的空间变化及复杂的曲面控制使施工图深化及加工施工难度非常大。

5)乒乓球馆造型新颖、结构特殊,顶部网架空间异形狭小,专业系统交叉繁复,管道综合排布复杂,净高控制难度大,传统的二维图纸无法通过直观的可视化进行设计优化深化工作。

综上所述,在项目启动阶段,项目组成立BIM工作小组,编制了项目BIM应用总体策划,对复杂形体空间中可预见的问题进行了清单化梳理,并确立了以Revit+DynaMo、Rhino+GH为主的异形曲面参数化协同设计BIM软件平台,同时建立有效的专业协同及数字化交互机制。最终通过参数化应用有效解决乒乓球馆复杂形体中施工图深化设计难题,并实现了不同建设阶段各专业的BIM数字化无缝衔接。

2 EPC总承包的BIM管理

2.1 基于EPC总承包模式BIM管理

在信息技术飞速发展的今天,BIM技术在EPC模式中的应用彰显出十足的价值。体育场馆建设过程中建设参与者多、专业交叉多、指令多、信息量大。为了实现覆盖项目建设全生命周期BIM数字化全专业协同,使数字化信息及时有效的交互,同时增强设计人员即时沟通的效率;项目组规划了以EPC项目经理为第一责任人的BIM实施工作组,侧重责任有序、平台共建、协同交互的基本原则,化繁为简建立了轻盈互联的BIM管理组织架构(如图4)。

4  BIM管理组织架构

2.2 参数化设计平台

参数化设计本质是将全部设计要素作为某个函数的变量,通过设计函数或者算法将相关变量关联起来,通过输入参数便可自动生成模型的设计方法[1]。基于Revit的DynaMo 参数化设计平台是通过计算式设计方法和可视化编程语言,针对某个问题在工作界面里连接预定义功能的节点设置一套循序渐进的程序流(算法),通过输入、处理和输出的基本逻辑解决问题,主要用于项目解决小体量异型构件的参数化建模问题。而对于项目幕墙与钢结构部分则采用基于Rhino的GH(Grasshopper)参数化设计平台、GH运用算法逻辑处理几何模型利用节点可视化图形编辑器,采用程序算法生成建筑,能够直观动态地呈现参数化编程的过程,使建筑师在一个直观、互动的平台下进行建筑形式的探索与创作[2]

2.3 BIM技术执行标准体系及数据交互网络建立

BIM技术执行标准体系是建立标准的BIM语义和信息交互的规则,为建筑全生命周期的建筑数字化信息资源共享和专业协作提供有力保证,主要包括建模制图、设计、施工应用、平台应用、交付标准等同时依此建立了以Revit2019为项目模型集成软件平台。本项目数据自由共享和协同管理下的数据交互网络(如图5)。

5  BIM数据交互网络

3 乒乓球馆复杂形体的实现

3.1 “琮”的参数化演变过程

乒乓球馆外表面概念设计源于玉“琮”,参数化设计使“琮”逐渐演变成一个鹅卵形形体。通过在Rhino+GH软件中输入设计逻辑、建立数理计算模块、设定几何约束等方法生成外形体及幕墙表皮,表皮的肌理呈现复杂的关联性、动态性、非线性、渐变性等特征,参数化设计通过参数驱动模型产生设计、过程变化。幕墙表皮网格线上的切面通过不断发生延续平顺的曲率变化,勾勒出整个建筑的优美“丝滑”光顺感如图6。最后形成基础造型控制曲面S,和对应的造型控制网格W如图7

6  “琮”的参数化演变

基础造型控制网格W

3.2幕墙表皮及控制网格参数化优化设计

对复杂形态建筑成形原则的理解在深化设计阶段具有源头意义,只有正确掌握成形原则延续对幕墙的正确设计,才有可能通过参数化设计手段将幕墙设计正确关联。首先通过曲面高斯曲率分析对幕墙基础造型控制曲面S平顺性进行优化,当曲面的高斯曲率变化比较大比较快,表明曲面内部变化比较大也就意味这曲面的光滑程度越低,而两个连接的曲面如果在公共边界上的高斯曲率发生突变就表示两个曲面的高斯曲率并不连续。通过参数化在Rhino+GH中不断调整基础造型控制曲面S1达到滑顺曲面S2,同步修复基础造型控制网格W(如图8)。

a)优化后平顺性曲面S2      (b)网格优化演变过程

8   幕墙表皮及控制网格参数化优化设计

3.2幕墙参数化深化设计

3.2.1鱼鳞状叠拼阳极氧化铝板金属幕墙参数化深化设计

Rhino+GH中使用研究层次的手段表达模型中曲线、曲面简化算法,利用最小二乘逼近减少自由曲线、曲面控制点数目,达到减少模型数据量的目的,从而使板块分隔大小尽量统一。通过对厂家多方征询,明确单板尺寸控制在1MX2M,作为标准板块参数化设计约束条件。在参数化分析处理中,采用结果反推的方式,首先在曲面上划分出若干条原始线,这些线也是内部主骨架的基准线,将板块左上角点作为板块基准点位,相应在划分的原始曲线上找到这些点位,并将2M*1M的标准板块贴合上去,再根据板块搭接效果,优化调整点位,这样就得到用2M*1M板块铺满得原始曲面造型。

按照以上步骤采用不同参数不断调试,会带来不同结果。根据上述得出的结果,再进行二次优化,优化的内容为板块上下左右搭接距离及间隙;这个过程,需要将限制条件放宽,搭接长度及间隙不为定值,但限制在一定范围内。通过参数化程序分析,寻找到最优解,得到最终优化的三维幕墙表皮模型。通过金属幕墙板材划分逻辑关系编译,实现了金属幕墙板材的深化控制(如图9)。

阳极氧化铝板金属幕墙参数化设计

3.2.2 菱形玻璃幕墙参数化深化设计

根据原始菱形玻璃幕墙概念设计草图,确定单片基础菱形玻璃造型逻辑并结合单层斜交弯扭网格钢结构进行统筹设计。首先,通过Rhino+GH对基础造型控制曲面S的双曲面表皮进行幕墙板块划分,基于国内单板玻璃加工条件确定单块玻璃控制尺寸,单片玻璃长轴不超过6M,短轴不超过2.5M;将提供初始放射性轴网作为切面,与原始表皮面相交得出若干曲线,再将这些曲线按单块玻璃控制尺寸要求分为18等分,相邻之间连线,得出初始菱形玻璃初始分隔面,并作为斜交弯扭网格(矩形管)钢结构基准参考面。

因初始分隔面在双曲面上划分,玻璃面均为双曲板块,需在此基础上进一步优化成为平板块,将每一块玻璃分隔的左向三点定义一个平面,将右向端点投影到做出的平面上,重新连接四点,得到平板玻璃面,同样也达到起翘的造型效果,边角区域涉及与旁边系统交接,单独优化处理,合并碎小板块,优化分隔等,最终通过参数化深化形成由翘曲平面菱形玻璃板拼装成的鳞片状玻璃板面(如图10)。根据玻璃龙骨与钢构搭接关系,再编写构造细节逻辑,并生成相关构造模型,模型深度达到LOD400生成幕墙深化模型

10  菱形玻璃幕墙翘曲平板玻璃面参数化设计

3.2.3幕墙深化设计专业协调

在幕墙得深化设计细部细化过程中,需要协同考虑与幕墙相关联的专业。项目采用Revit+Navisworks集成了与幕墙存在干涉的钢结构、精装、机电专业、泛光照明、标识、景观地面等专业,用于专业间冲突检测、细部构造合理性分析和空间分析,提前发现并解决了大量的专业间设计错漏碰缺问题,为项目顺利施工提供了有利保障。

3.3 斜交弯扭网格(矩形管)钢结构体系参数化深化设计

3.3.1斜交弯扭网格(矩形管)钢结构体系形体模型参数化设计

菱形玻璃幕表皮面为斜交弯扭网格(矩形管)钢结构的基准参考面,两面存在等距变化关系,通过Rhino+GH获得斜交弯扭网格(矩形管)钢结构控制面。在Rhino+GH环境中,将一个矩形的形心(此条件可以放宽到矩形上某一点)约束在造型控制网格W的空间网格平面曲线上运动,矩形所在平面与该曲线上经过点的切线保持垂直,同时平面还绕着经过点的切线做瞬时旋转。矩形的四条直线边在空间中扫掠出了两两相交的四块空间曲面(这四块曲面都是可展的直纹曲面),构成了弯扭构件的四个表面。矩形的四个角点在空间中,扫掠出了四条空间曲线就是弯扭构件的四条棱边。称约束形心的这条空间曲线为弯扭构件的形心轴线。当形心轴线为平面曲线时,就得到了矩形截面弯曲构件。将弯扭构件按两个不同方向在空间中交织在一起,就可以得到空间弯扭斜交网格结构。通过修复后的造型控制网格W的空间网格平面曲线按照以上方式得到了斜交弯扭矩形钢管形体模型(如图11),并与初始菱形玻璃初始分隔面在Rhino环节中进行交互检查等距变化情况。

11  斜交弯扭矩形钢管形体模型

3.3.2斜交弯扭网格(矩形管)钢结构体系深化出图加工与定位

针对本工程斜交弯扭构件的特点,项目公司决定采用CAD三维放样、Tekla软件建模深化设计相结合的方式,从Rhino中导出表皮弯扭构件外轮廓边线和中心线到AutoCAD三维图形平台中进行三维放样。将三维放样形成的外轮廓点导入Tekla中进行深化处理,生成钢构件的零部件图及组装图纸、平面定位及立面安装等加工安装图纸,以指导钢结构制作及现场安装。

Tekla平台可以多个用户进行同时对同一模型进行细部设计、零构件图纸的产生及编辑等操作,解决构件采用多角度、多空间的相互连接形式和构造的复杂性。通过AutoCAD三维图形平台与Tekla结合应用实现了弯扭构件全智能化出图(如图12),极大地提高了设计效率和设计质量。同时模型数字信息与弯扭构件加工机械“多点无模成型设备”相连通,输出数据可直接导入设备CAM控制系统,实现弯扭零件的高精度、自动化加工。利用Tekla建模计算出斜距、坐标,结合BIM放样机器人,将BIM模型中的数据直接转化为现场的精准点位(如图13)

12  基于AUTOCAD的三维放样

13  Tekla建模深化与定位

3.4 基于BIM技术的屋面网架集成设计

BIM的协同工作模式是将众多的专业设计数据集成于一个模型中,工程建设中间发生的大量设计协调以及由此产生的过程数据、可视化的方式让项目管理者对设计问题一览无余。乒乓球馆屋面网架存在大量专业需要进行集成设计,包括钢结构网架、金属屋面、金属屋面二次钢结构、幕墙上部收口、周圈钢结构连接、设备管线、设备支架、检修马道、檐口装饰铝板、防火封堵、网架底部装饰吊顶和中央斗屏(如图14)。屋面工程专业交叉多,通过BIM协同性、可视化及数据数字化特性,通过集成模型各专业技术人员可以清楚了解自己专业相关交界面环境。在模型中工作界面按照专业合同分包范围进行划分,并进行归属属性定义,通过协同平台的交互机制分配到各专业实施管理人员。

14  乒乓球馆BIM纵剖图

乒乓球馆网架空间异形狭小,设备管线以风管为主,风管尺寸为1.60M*0.63M,网架最小空间高度仅2M,净高控制难度大(如图15)。项目组确定了以2019Revit平台为管综三维集成深化设计协同平台,网架、马道、设备管线采用一体化集成设计。首先,根据总体设计要求对网架中的设备管线、马道进行整体路由设计;其次,区别于常规风管深化设计,本项目风管需协同考虑下方马道1.8M检修净高要求,倒三角形空间网架占位要求等限制条件,在Revi三维模型中空间可视化避让翻转,解决管综空间布置问题。最后,风管末端与金属檐口百叶出风口保持对位,根据周圈装饰铝板的百叶出风口的空间三维点位,对风管末端进行空间高度调整。待风管深化三维模型定型后,在空间模型环境下完成网架下旋球节点上的支架支点和支架布置,并通过标准的出图样板生成管综深化图纸(如图16),根据深化的管件预制加工图进行设备管线工厂化加工。现场施工按照网架、马道、设备管线一体化原位拼装、分区块整体吊装的方案实施,这样大大地提高了专业协同效率、加快了工程进度、提升了工程质量。(如图17)

15  空间网架与设备管线空间关系图

16  BIM三维管综深化布置图

17  网架、马道、设备管线一体化施工

3.5基于SYNCHRO平台协同管理设计

项目部建立了基于SYNCHRO平台BIM设计与深化全过程管理,集成了项目文档、模型、进度、成本、材料清单等全关联的协同管理(如图18)。平台按照个人权责进行角色、权限等设定;协同各参与方,实现云端存储和管理整个项目全生命周期的文档、图纸、模型等所有项目数据。平台移动端与云端数据实时同步,通过手机端可以随时浏览项目文件、图纸及模型,可以通过微信、QQ将文档便捷分享给项目成员,同样可以满足施工现场、出差等场景的使用需求,大大提升了专业间即时沟通及信息可获得效率在平台子模块中可以通过设置任务起止时间、指派任务执行人、任务即时提醒、项目成员在线讨论、任务流程自动流转等功能,随时了解任务进展,使任务得到有效跟踪和处理。最后,在项目竣工阶段,平台的全部数据可以进行大数据分析对项目进行整体复盘及后评价。

18 SYNCHRO协同管理平台

4.结语

参数化设计已经覆盖到工程建设的各个阶段,参数化设计是基于技术更新的设计革命,如今已完成了从最早的电脑辅助到模拟的人工智能、基于算法参数化设计阶段转型,在复杂的建筑形体中,其作用尤为突出,让复杂的建筑工程设计变得越发简单,它很大程度的提高了建筑建模及施工方案的速度。参数化设计势必将作为一种新的思维方式和方法论,随着设计人员的程序化语音水平的提高和普及,在今后的建筑领域中继续起到主导作用。

专业协同是BIM的基础应用和核心功能,BIM技术促进了各设计专业的协同发展,并有机整合建筑全生命周期的各个阶段,实现了建筑产业链各环节之间的数字化信息无缝衔接,可以说,参数化给建筑设计带来了变革,BIM让这次变更具有全局性。BIM和参数化技术的出现在很大程度上解决了日益复杂且趋于非标化的建筑形体建模的需要,参数化技术侧重于“内”,BIM技术更侧重于“外”,如果能将这两个方面结合起来,那建筑设计将步入一个全新的阶段[3]

参考文献

[1] 吴生海,刘陕南刘永哓徐骋.基于DynaMo 可视化编程建模的BIM 技术应用与分析[J].工业建筑,2018,48(02):35-39

[2] 崔丽.基于GH的参数化表皮的生产研究[D].天津:天津大学建筑学院,2014

[3] 袁大伟.基于参数化技术的建筑形体几何逻辑建构方法研究[D].北京:清华大学建筑学院,2011

2022杭州亚运乒乓球馆BIM参数化深化设计研究与实践(PDF)

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