BIM在體育建筑設計中的運用范文

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1bim技術與體育建筑設計

1.1參數化設計——體育建筑BIM設計的基礎

在BIM概念還沒有像今天這樣被廣泛認知的時候，參數化就被作為是一種提高設計效率、實現對復雜的異形建筑可控化，以及制作模數化分割曲面的技術手段。體育場館的外部造型以及建筑表皮的設計主要使用參數化工具進行設計。通過建立建筑信息模型，使建筑結構可以在虛擬時間進行分析，達到最合理的結構形式，實現對體育建筑表皮材質數量和大小的確定。參數化改變了傳統體育建筑的設計方法，同時也提高了其建筑設計的精確性，縮短了設計周期。

1.2BIM與體育建筑智能化

體育建筑向智能建筑發展需要依賴BIM技術才能實現。一般認為，“智能”是指個體對客觀事物進行合理分析，判斷及有目的地行動和有效地處理周圍環境事宜的綜合能力。智能地對客觀事物進行合理分析，代表在建筑設計初期，通過對參數模型的分析來制定合理的建筑形式以及符合體育建筑設計標準的空間形態。在建筑運行階段，智能代表可以客觀合理地對建筑生命周期進行評估。BIM技術產生的新的設計方法擺脫了傳統只對體育建筑進行形態設計，改變了數據分析依托感官設計的方式，建立了整套理性的標準對體育建筑進行整體分析。

2案例分析

2.1Avia體育場館設計——參數化設計在BIM技術中的應用

Avia體育場建成于2010年，可容納50000人，由擅長體育建筑設計的Populous（前身HOKSport公司）完成，是第一座完全依靠參數化設計手段完成的體育場館。整個設計希望成為當地的標志性建筑，同時建筑本身又要與周邊環境相融合。所以，設計采用一個自由的曲線形態，應用Bentley公司的GenerativeComponents（GC）軟件進行設計，采用多方案比較方法獲得對周邊環境遮擋最少的形體。此外，采用透明材料的表皮，以獲得更多的陽光，使得建筑本身能夠更好地融合于周邊環境。設計試圖將屋頂結構和建筑立面組成一個完整的形體，并包裹在主體結構外面，打破傳統體育場館屋面結構與外立面分離的設計方法（圖2）。整個設計方案建立的過程是，首先在Rhino建立3D模型，利用3D模型快速建立形體并獲得最適合的平面形態。一旦這個形式得到認可，就會在GenerativeComponents（GC）里面建立一個基本模型，再通過在Rhino中得到的數據導入生成GC的腳本，并由此腳本生成新的模型。而在GC中生成的模型具有很強的可修改性，由結構工程師進行優化，并將結構設計數據導入模型。這樣在同一個模型中，建筑師負責表皮和建筑形態的設計，而結構工程師則在這個模型上面對結構構件尺寸和位置進行調整。這時所有參數的調整、模型的信息都存儲在一個Excel表格里。結構工程師只需要將調整好的數據輸入，建筑師所使用的模型就會及時得到更新。同時，幕墻顧問公司和建筑師通過統一的建筑模型進行研究，分析實際建造中有關幕墻板材尺寸的問題，并在SolidWork中以原模型的結構中心線作為基礎，建立更為細致的幕墻節點模型，并再次對幕墻設計進行優化（圖3）1。正是通過對參數模型的分析，計算出體育場幕墻最小厚度不是設計時選擇的8mm厚的聚碳酸酯板，而可以采用3mm厚的聚碳酸酯板代替，這樣整體屋頂材料的質量可以從200t減少到80t，從而使材料的造價成本降低到原來的60%左右。通過應用參數化設計以及BIM技術，Avia體育場項目最終在人力、材料上節約了大概350萬美金。此外，通過建立BIM模型，還可以對Avia體育場進行能源分析，進而實現節能、建設環境友好型體育場館的設計目標。對于分工明確的國外事務所來說，通過參數信息化模型可以更好促進跨公司間的合作，這也是BIM技術加快設計、協調合作的一個原因。在整個模型的設計過程中，建筑師起到統領整個設計過程的作用。建成的建筑信息模型除了具備整個建筑的全部信息，在施工階段有關建筑立面板材加工和定位都可以在此信息模型中進行修改，大大節約了現場加工的人力與物力成本。

2.2杭州奧體中心主體育場——BIM技術從方案到施工應用

杭州奧體中心主體育場位于錢塘江與七甲河交匯處南側，規劃建筑面積22.9萬m2，擁有固定坐席80000個（圖4）。此建筑的表皮設計是建立在一系列標準模數化的鋼結構網架上生成，所以其外表皮設計需要參數化技術手段，實現設計的協同和復雜幾何形體的圖紙化。在概念設計階段，為了定義建筑表皮的空間幾何關系和研究形式的多樣性，并分析這些形體結構關系的合理性，需要利用參數化模型演算。在圖紙化階段，BIM的工作平臺可以促進更高效的交流和協作，使得整個設計過程銜接得更加流暢。BIM技術適合參數化的形體，而參數化形體也需要BIM去實現復雜的幾何形體，并使其在更加經濟合理的條件下實現，增加建筑形式的多樣性。在方案設計初期，Rhinoceros3D和Grasshopper作為主要的形體設計工具。在Rhino中建立模型之后分析形式的多樣性，再將模型轉入結構分析軟件。通過Kangaroo結構分析軟件2對結構形式分析后再優化建筑形體，通過Rhinoceros建立3D模型用于建筑和結構分析，最終還是通過將Rhinoceros的模型轉入Revit使圖紙二維化（圖5）。同時，與傳統設計手法相比，由于整個建筑的表皮為曲面，很難統計出幕墻的準確尺寸和數量，在幕墻設計中只能大致給出幕墻分割，而利用參數化軟件，建筑師可以精確統計建筑表面板材的數量和板材的具體信息，如曲率、尺寸等。在施工圖階段，借助原有模型將3D模型的形體設計帶入到Revit當中，進一步建立建筑信息模型、體育場館內部建筑功能模型、結構網架模型、機電設備管線模型等。另外，體育場館項目設計對防火、疏散、聲音、溫度等要求較高，這些都需要在IES中進行分析測試，進而得到更加節能的建筑。傳統二維圖紙設計時，各專業圖紙需要匯總后由總工程師進行會審來發現和解決協調上的問題，所以人為上不可避免有很多問題。利用BIM技術模擬整個建造過程，直接向班組進行施工交底并進行作業指導，改變了傳統平面交底，轉為4D（3D+時間緯度）的可視化交底。

2.3新加坡體育中心——建立在BIM標準下的體育場

新加坡體育中心項目作為專門為熱帶地區設計的綠色、生態節能體育中心采用了BIM技術（圖6）。新加坡體育中心定位為國際性比賽場所及大型的商業娛樂中心，可容納55000人，需滿足365天全年無休的運營理念。這個項目的設計構思是將多個體育場館建筑共同搭建在一個統一的大平臺上，整個建筑群涵蓋體育場、多功能體育館和一個室內游泳館以及水上娛樂中心。預計項目將于2014年完工。作為目前跨度最大的拱形屋頂，在減輕自重使得建筑形式得以實現的同時，節約用鋼量也是評價一個體育場館設計是否合理的一項指標。由于新加坡已經建立了BIM標準，所以其在從設計到施工的整個過程需要遵守新加坡的BIM設計守則。

整個工程涉及到多個建筑單體的協調工作，需要建立完整的施工管理制度（圖7）。但最復雜的設計部分還是體育中心的開啟屋頂，作為世界上最大的室內體育場館，可開啟屋頂部分設計復雜，同時還需要考慮到屋頂的燈光設計與屋頂運動所產生的技術問題。BIM技術在此項目上有以下優點：提供施工模型、專業協調、自動形成準確的剖面、進行碰撞檢查及虛擬漫游。除此之外，由于建立了建筑信息模型，可以更方便、快速地獲得建筑性能分析熱能使用效率及對建筑整個生命周期的分析數據。新加坡體育場是世界上采用公用建筑市場化運營方式（PPP）設計建造的最大體育場。在PPP運營模式下，設計建造的部分由私營部門的合作伙伴設計和制造基礎設施，而在滿足公共部門合作伙伴的規范前提下，整體設計建造部分的價格往往是固定的。所以，對于負責此建筑設計的Arup公司來說，使用BIM進行體育場館設計的益處很多。Arup公司在新加坡體育中心設計中采用了達索公司CATIA和蓋里科技DigitalProject以及MicrosoftOffice2007進行建筑設計。

CATIA3D模型可以通過Excel2007控制模型中的數據信息，幫助建筑師很快將結構反饋的信息加入到已有的建筑模型當中，加快模型修改的速度，同時更新的模型可以迅速反饋給其他相關專業的設計人員。使用這個軟件還有一個好處是，像Arup這樣可能會重復設計同一類型建筑的大型設計公司可以創建一個設計資料庫，當其在進行類似項目設計時可直接利用原有信息確定建筑場地、座位等基本信息，大大節省設計的時間，提高設計的精確性。使用CATIA以及DigitalProject的另外一個優點是，能夠在設計階段確定幕墻的施工單位，使幕墻設計更早介入到整個建筑設計的過程當中，在設計后期，幕墻公司就可以利用Arup公司提供的BIM模型加工幕墻，在提高設計精度的同時，也節約現場加工的時間以及人力成本。

3案例總結

通過上述三個體育建筑設計案例發現，體育場館由于存在對場地規模和視線要求等預先設定的要求，在方案設計初期，需要根據確定因素建立好場地的基本模型。通過對建筑所在環境、文脈等人文因素的思考建立基本概念，從而生成概念模型。參數設定下形成的體育建筑曲線形體絕不僅僅是形式主義下的產物，還應是建立在理性分析上得出的具體形態。BIM技術對于中國建筑師來說，可以提高其設計的準確性，減少其與各專業的協調時間，進而保證減少人為造成的誤差。對于結構工程師來說，BIM模型內部帶有大量信息，可以幫助結構設計人員創新結構形式，同時對建筑用鋼量有更加精確的描述。對于設備工程師，可以在三維模型的基礎上進行管線綜合設計，在設計時更為直觀地發現各類設備管線之間的矛盾，以避免不必要的浪費。常見的模型綜合碰撞檢查軟件有歐特克公司的Navisworks、Bentley公司的Projectwise以及Navigator和SolibriModelChecker。而對于其他人員，對工程的認知不僅僅停留在二維圖紙上面，還可通過三維模型來判斷工程的細節以及相關信息，來進行相互配合工作，減少協調過程中不必要的時間和經濟浪費。另外，BIM技術有助于提升中國設計審查制度的準確性，由于體育建筑項目圖紙信息量大，即使經驗豐富的圖紙審查人員也很難發現設計中的一些疏漏之處，利用BIM模型綜合碰撞檢查軟件就可以幫助審查人員發現問題。

4結語

未來的體育建筑應是更加智能化和可控化的。建筑師不但要考慮形體、功能以及施工建造中的問題，還要考慮到其后期運營以及整個生周期的設計問題（圖8）。BIM技術的應用更加擴大了建筑師在整個設計中的統籌作用。在BIM的世界里，大型綜合類項目尤其是體育建筑，在形體結構設計上隨著BIM技術的發展會誕生更多新穎的結構形式。通過BIM的使用，設計師可以先在虛擬世界先將其完成，以便我們可以預測如此龐大的建筑建成后會產生怎樣的問題，預測建成之后，其氣流、采光、風向和太陽輻射會是怎樣的。BIM不僅僅是為建筑師換了一種設計工具，其本身也創造了新的設計方法。此外，隨著全球化進程的加速發展，合作項目越來越多，BIM技術更加適合跨國或跨地區的大型綜合類體育建筑項目，通過利用全球資源整合設計出更優秀的設計。

作者：段文婷KarenKensekDouglasNoble單位：同濟大學建筑與城規學院南加州大學