工程设计阶段的BIM参数化应用

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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