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摘要：本文通过介绍利用BIM技术和参数化工具，帮助设计方在项目的施工图阶段解决各种技术难题，来探讨新技术、新工具的利用对于建筑行业发展的重要性。
关键词：BIM技术、Revit、Rhino、Grasshopper、Kangaroo、可视化设计
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-9-304
1.项目概况：
项目位于上海市奉贤区南桥新城城市公共绿地中，地块南侧为市政规划道路尚礼路，道路南侧为多层住宅小区，地块北侧为浦南运河，东、西侧为城市公共绿地。
建设用地分为东西紧邻的两个地块，地块之间无城市道路通过。西地块拟建文体中心建筑 1 幢，东地块拟建医疗卫生站建筑 1幢。
兩幢建筑中，文体中心在建筑形体、功能及内部空间方面，相对医疗卫生站要复杂许多，故本文主要介绍一下BIM技术在文体中心中的一些应用，介绍其如何帮助我们在整个施工图过程中解决传统方式所无法解决的问题。
文体中心地上四层，地下一层，总建筑面积8114.14㎡，其中地上建筑面积：5893.60㎡，地下建筑面积：2220.54㎡。
2.项目特点：
功能复杂：文体中心包含了报告厅、网络服务、咖啡休息，青少年活动、乒乓球、羽毛球、健身房等多种功能。
形体复杂：从平面图、剖面图及效果图中可以看到，建筑形态非常不规则。建筑外墙大部分为曲面，且整个形体呈上大下小的倾斜状;平面及立面上存在多处凹进、外挑、大范围弧形开洞等。
空间复杂：功能的复杂和形体的复杂共同造就了复杂的空间效果。不同的功能对空间要求各不相同。报告厅内部呈阶梯状，会造成室内形成大范围错层;羽毛球场净高要求较高，球场范围全部为两层通高空间;其他部位因空间效果需要，也存在局部错层及挑空的情况。
项目的多种复杂性，决定了无法采用传统施工图的二维图纸表达项目的完整信息，并指导施工单位进行精确的施工。这时，利用BIM技术和参数化工具便成为了唯一可行的方式。具体设计如图1所示。
3.具体应用
3.1三维形体的生成
建筑外墙轮廓由数个倾斜的圆柱体交错而成，各圆柱半径不同，倾斜角度不同，甚至屋面板，也为内凹双曲面。而外墙又为清水混凝土墙，施工时必须一次浇筑成形，这对于施工图中表达的信息完整度和精度都有很高的要求，一旦某个数据错误，都将造成不可逆的影响。
我们利用Rhino，通过参数化对曲面的生成进行模拟，可视化调整曲面造型，在得到了方案设计方认可的前提下，将原本的双曲面外墙调整为单曲面，优化后降低了曲面混凝土墙和曲面幕墙的施工难度，提高了施工质量。在调整曲面造型的同时及时把控曲面和斜柱的定位关系。曲面在不同标高的楼板边界不同，在施工图结构构件定位时，通过参数化的定位确定不同标高对应变截面梁的位置关系，进而通过结构计算设计合理的结构布置。
3.2 屋面排水口定位及雨水模拟
通过参数化对内凹双曲面屋顶的雨水流动情况进行模拟，可视化自由曲面的最低点，作为排水设计的重要依据。
对于自由曲面，传统方式无法确定其最低点。我们通过Kangaroo和grasshopper的动力学模拟，模拟雨水在屋顶双曲面上的受力，雨水的重力和屋面对雨水的作用力，两者的合力方向为雨水向下流动的方向。通过模拟确定屋面的最低点和汇水线，确定屋面排水点的布置位置，为屋面排水设计提供了关键依据。求解过程及结果如图2所示。
3.3曲面幕墙的展开
建筑外墙由多个倾斜曲面交错而成，本身形体关系非常复杂，幕墙洞口又全部为异形洞口，曲面加异形开洞的组合，导致幕墙轮廓及其定位数据的获取异常艰难。
此处，我们又一次借助Rhino和Grasshopper强大的参数化设计能力，将每一块曲面在平面展开，使三维空间曲面降维为更符合加工要求的二维数据。其效果如图3所示。通过精确控制三维曲面的二维表达，提高了设计的质量。
3.4屋面结构梁的确定
由于建筑屋面为自由曲面，屋面结构钢梁与楼板贴合，梁的两端与曲面外墙相交，所有屋面梁具有不同程度的弯曲，且每段梁每一点的曲率均不相同，其端点的定位也是不一样。
我们通过参数化工具，对每段梁所处位置的屋面板进行了剖切，取得其轮廓数据，根据这些数据，提取出每段梁的精确参数，为结构计算和工厂加工提供依据。
3.5施工图碰撞检查
以上的几点均为利用参数化工具取得施工图深化必要的设计依据，在取得依据后，各专业进行相关的后续深化，同时将深化的结果利用Revit实时更新到BIM模型中。如下图4所示，通过三维可视化模型，查找各专业的设计碰撞，指导各专业及时进行优化修改，避免了施工过程中的错误。
3.5.1楼梯碰撞：
楼梯一直是建筑大师霍尔的重要设计元素。同样本项目中楼梯的设计也很有特色且颇为复杂。复杂楼梯方案可行性的复核也是本项目中的重要内容之一。
由于方案中，对结构高度的考虑可能不够充分，导致深化后的BIM模型中，检查出多处楼梯高度的碰撞点，其中有楼梯本身梯段梁的影响，也有上层楼板梁的影响。针对这些碰撞点，我们在调整楼梯形式的同时，也对上部楼板梁的布置进行了调整，最后通过BIM模型多次复核检查，确认无误才形成最终成果。
3.5.2结构与外形的冲突：
由于项目形体及内部空间都及其复杂，存在大空间大悬挑，还要满足预制装配率要求，所以建筑上部结构采用钢框架-剪力墙结构的形式。同时又存在平面凹进过深、局部层楼板宽度过窄、楼面错层以及梁托墙转换、大悬挑等，故属于特别不规则结构。上述这些结构特点，导致结构设计难度极大。
得益于BIM技术的三维可视化优势，我们才可以非常直观的找到结构与整体设计所冲突的地方，其中有局部结构梁过高，导致梁底突出了外立面洞口;也有一些地方，由于上部往外倾斜的原因，顶部结构梁直接穿越了幕墙。我们对这些点及时做出了更正，结构设计进行了多次修改和验算，最终保证了设计意图的完美呈现。
3.5.3机电管线的碰撞：
由于建筑平面非常不规则，局部存在深凹口，室内空间狭窄，非常不利于机电管线布置，尤其是暖通的风管，截面大，对空间要求更高。
我们在Revit中将建筑、结构、机电的内容进行了整合，形成了完整的建筑信息模型。通过对完整模型的逐点检查，查找出所有存在碰撞的地方，其中以暖通风管与建筑、结构的碰撞为主。
在三维模型中，各个碰撞点都非常直观清晰，各专业也能够快速准确的进行协同修改，解决所有的碰撞问题，极大的提高了沟通效率，
3.6室内空间优化：
方案阶段，吊顶的高度未考虑到机电管线的具体排布，施工图深化后，许多吊顶高度无法实现。在BIM模型中，我们首先根据目前的管线排布测算当前能实现的吊顶净高，然后根据重点空间的净高要求，调整模型吊顶高度。
对净高无法满足的地方，机电专业参照吊顶高度优化三维管线的排布，用足平面空间，减少管线的上下交叉。对于无法避免的交叉点，调整其位置，使管线能够在梁格内贴板底进行翻弯，减少高度空间的占用。最后实现所有空间净高满足合理使用要求，把控了室内的空间效果。
4.结语：
BIM技术和参数化工具的应用，帮助我们顺利的解决了传统工具所无法解决的各种难题。其三维可视化模型，使传统工具无法准确表达的异形曲面得到精确的还原和呈现，在此基础上，参与项目的各方均能进行快速有效的协同工作，极大的提高了建筑品质，节约项目周期，创造巨大的社会价值。
可以预见，在将来的建筑行业中，BIM技术及参数化工具，必将融入行业的各个角落，给建筑行业带来一次信息化革命。
参考文献
[1桂锋. ]BIM技术在建筑设计和项目施工及管理中的应用[J]. 工程建设与设计. 2020（21）
[2] 谷菲. BIM技术在建筑建设智能化工程中的应用[J]. 科技创新与应用. 2020（32）
[3] 刘婷.BIM技术在绿色建筑设计中的应用研究[J]. 住宅与房地产. 2019（09）
华东建筑设计研究院有限公司华东都市建筑设计研究总院 200070
关键词：BIM技术、Revit、Rhino、Grasshopper、Kangaroo、可视化设计
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-9-304
1.项目概况：
项目位于上海市奉贤区南桥新城城市公共绿地中，地块南侧为市政规划道路尚礼路，道路南侧为多层住宅小区，地块北侧为浦南运河，东、西侧为城市公共绿地。
建设用地分为东西紧邻的两个地块，地块之间无城市道路通过。西地块拟建文体中心建筑 1 幢，东地块拟建医疗卫生站建筑 1幢。
兩幢建筑中，文体中心在建筑形体、功能及内部空间方面，相对医疗卫生站要复杂许多，故本文主要介绍一下BIM技术在文体中心中的一些应用，介绍其如何帮助我们在整个施工图过程中解决传统方式所无法解决的问题。
文体中心地上四层，地下一层，总建筑面积8114.14㎡，其中地上建筑面积：5893.60㎡，地下建筑面积：2220.54㎡。
2.项目特点：
功能复杂：文体中心包含了报告厅、网络服务、咖啡休息，青少年活动、乒乓球、羽毛球、健身房等多种功能。
形体复杂：从平面图、剖面图及效果图中可以看到，建筑形态非常不规则。建筑外墙大部分为曲面，且整个形体呈上大下小的倾斜状;平面及立面上存在多处凹进、外挑、大范围弧形开洞等。
空间复杂：功能的复杂和形体的复杂共同造就了复杂的空间效果。不同的功能对空间要求各不相同。报告厅内部呈阶梯状，会造成室内形成大范围错层;羽毛球场净高要求较高，球场范围全部为两层通高空间;其他部位因空间效果需要，也存在局部错层及挑空的情况。
项目的多种复杂性，决定了无法采用传统施工图的二维图纸表达项目的完整信息，并指导施工单位进行精确的施工。这时，利用BIM技术和参数化工具便成为了唯一可行的方式。具体设计如图1所示。
3.具体应用
3.1三维形体的生成
建筑外墙轮廓由数个倾斜的圆柱体交错而成，各圆柱半径不同，倾斜角度不同，甚至屋面板，也为内凹双曲面。而外墙又为清水混凝土墙，施工时必须一次浇筑成形，这对于施工图中表达的信息完整度和精度都有很高的要求，一旦某个数据错误，都将造成不可逆的影响。
我们利用Rhino，通过参数化对曲面的生成进行模拟，可视化调整曲面造型，在得到了方案设计方认可的前提下，将原本的双曲面外墙调整为单曲面，优化后降低了曲面混凝土墙和曲面幕墙的施工难度，提高了施工质量。在调整曲面造型的同时及时把控曲面和斜柱的定位关系。曲面在不同标高的楼板边界不同，在施工图结构构件定位时，通过参数化的定位确定不同标高对应变截面梁的位置关系，进而通过结构计算设计合理的结构布置。
3.2 屋面排水口定位及雨水模拟
通过参数化对内凹双曲面屋顶的雨水流动情况进行模拟，可视化自由曲面的最低点，作为排水设计的重要依据。
对于自由曲面，传统方式无法确定其最低点。我们通过Kangaroo和grasshopper的动力学模拟，模拟雨水在屋顶双曲面上的受力，雨水的重力和屋面对雨水的作用力，两者的合力方向为雨水向下流动的方向。通过模拟确定屋面的最低点和汇水线，确定屋面排水点的布置位置，为屋面排水设计提供了关键依据。求解过程及结果如图2所示。
3.3曲面幕墙的展开
建筑外墙由多个倾斜曲面交错而成，本身形体关系非常复杂，幕墙洞口又全部为异形洞口，曲面加异形开洞的组合，导致幕墙轮廓及其定位数据的获取异常艰难。
此处，我们又一次借助Rhino和Grasshopper强大的参数化设计能力，将每一块曲面在平面展开，使三维空间曲面降维为更符合加工要求的二维数据。其效果如图3所示。通过精确控制三维曲面的二维表达，提高了设计的质量。
3.4屋面结构梁的确定
由于建筑屋面为自由曲面，屋面结构钢梁与楼板贴合，梁的两端与曲面外墙相交，所有屋面梁具有不同程度的弯曲，且每段梁每一点的曲率均不相同，其端点的定位也是不一样。
我们通过参数化工具，对每段梁所处位置的屋面板进行了剖切，取得其轮廓数据，根据这些数据，提取出每段梁的精确参数，为结构计算和工厂加工提供依据。
3.5施工图碰撞检查
以上的几点均为利用参数化工具取得施工图深化必要的设计依据，在取得依据后，各专业进行相关的后续深化，同时将深化的结果利用Revit实时更新到BIM模型中。如下图4所示，通过三维可视化模型，查找各专业的设计碰撞，指导各专业及时进行优化修改，避免了施工过程中的错误。
3.5.1楼梯碰撞：
楼梯一直是建筑大师霍尔的重要设计元素。同样本项目中楼梯的设计也很有特色且颇为复杂。复杂楼梯方案可行性的复核也是本项目中的重要内容之一。
由于方案中，对结构高度的考虑可能不够充分，导致深化后的BIM模型中，检查出多处楼梯高度的碰撞点，其中有楼梯本身梯段梁的影响，也有上层楼板梁的影响。针对这些碰撞点，我们在调整楼梯形式的同时，也对上部楼板梁的布置进行了调整，最后通过BIM模型多次复核检查，确认无误才形成最终成果。
3.5.2结构与外形的冲突：
由于项目形体及内部空间都及其复杂，存在大空间大悬挑，还要满足预制装配率要求，所以建筑上部结构采用钢框架-剪力墙结构的形式。同时又存在平面凹进过深、局部层楼板宽度过窄、楼面错层以及梁托墙转换、大悬挑等，故属于特别不规则结构。上述这些结构特点，导致结构设计难度极大。
得益于BIM技术的三维可视化优势，我们才可以非常直观的找到结构与整体设计所冲突的地方，其中有局部结构梁过高，导致梁底突出了外立面洞口;也有一些地方，由于上部往外倾斜的原因，顶部结构梁直接穿越了幕墙。我们对这些点及时做出了更正，结构设计进行了多次修改和验算，最终保证了设计意图的完美呈现。
3.5.3机电管线的碰撞：
由于建筑平面非常不规则，局部存在深凹口，室内空间狭窄，非常不利于机电管线布置，尤其是暖通的风管，截面大，对空间要求更高。
我们在Revit中将建筑、结构、机电的内容进行了整合，形成了完整的建筑信息模型。通过对完整模型的逐点检查，查找出所有存在碰撞的地方，其中以暖通风管与建筑、结构的碰撞为主。
在三维模型中，各个碰撞点都非常直观清晰，各专业也能够快速准确的进行协同修改，解决所有的碰撞问题，极大的提高了沟通效率，
3.6室内空间优化：
方案阶段，吊顶的高度未考虑到机电管线的具体排布，施工图深化后，许多吊顶高度无法实现。在BIM模型中，我们首先根据目前的管线排布测算当前能实现的吊顶净高，然后根据重点空间的净高要求，调整模型吊顶高度。
对净高无法满足的地方，机电专业参照吊顶高度优化三维管线的排布，用足平面空间，减少管线的上下交叉。对于无法避免的交叉点，调整其位置，使管线能够在梁格内贴板底进行翻弯，减少高度空间的占用。最后实现所有空间净高满足合理使用要求，把控了室内的空间效果。
4.结语：
BIM技术和参数化工具的应用，帮助我们顺利的解决了传统工具所无法解决的各种难题。其三维可视化模型，使传统工具无法准确表达的异形曲面得到精确的还原和呈现，在此基础上，参与项目的各方均能进行快速有效的协同工作，极大的提高了建筑品质，节约项目周期，创造巨大的社会价值。
可以预见，在将来的建筑行业中，BIM技术及参数化工具，必将融入行业的各个角落，给建筑行业带来一次信息化革命。
参考文献
[1桂锋. ]BIM技术在建筑设计和项目施工及管理中的应用[J]. 工程建设与设计. 2020（21）
[2] 谷菲. BIM技术在建筑建设智能化工程中的应用[J]. 科技创新与应用. 2020（32）
[3] 刘婷.BIM技术在绿色建筑设计中的应用研究[J]. 住宅与房地产. 2019（09）
华东建筑设计研究院有限公司华东都市建筑设计研究总院 200070