(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，成都 610021)

引言

隨著計(jì)算機(jī)水平的進(jìn)步、國家政策的推動(dòng)，我國BIM技術(shù)迎來飛速發(fā)展時(shí)期，特別是BIM技術(shù)在建筑全生命周期的應(yīng)用也越來越深入，由最初的圖紙翻模、碰撞檢查、漫游展示等初級應(yīng)用，逐漸過渡到管線綜合優(yōu)化、5D施工模擬、工程量計(jì)算、BIM信息平臺(tái)開發(fā)等高級應(yīng)用。這些高級應(yīng)用主要集中在工程的施工階段[1-5]和運(yùn)維管理階段[6-9]，而在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)應(yīng)用還主要集中在碰撞檢查[10-11]、管線綜合優(yōu)化[12]、工程量統(tǒng)計(jì)[13]等較為初級的應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來，不少學(xué)者開始對BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用點(diǎn)進(jìn)行探索，楊騏麟等[14]提出了一套基于BIM技術(shù)的地鐵類項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)方法，該方法利用BIM可視化的優(yōu)點(diǎn)對地鐵站的內(nèi)部和外部進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。文志彬等[15]基于BIM系列軟件研究了BIM技術(shù)在辦公類建筑全生命周期中的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)階段，利用BIM技術(shù)的可出圖性，在Revit軟件中實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)平法施工圖、三維鋼筋圖的智能化出圖。趙一丁[16]研究了設(shè)計(jì)階段將BIM技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)樓火災(zāi)煙氣蔓延與人員疏散模擬的新方法，并基于可視化分析結(jié)果制定了既定火災(zāi)工況下的人員逃生疏散圖。

上述研究主要將BIM技術(shù)可視化、可出圖性特點(diǎn)應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段中，而BIM技術(shù)的優(yōu)化性、模擬性等特點(diǎn)在建筑設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用還鮮有深入研究。本文以某商業(yè)綜合體為例，基于Revit平臺(tái)搭建BIM核心模型，利用BIM技術(shù)可視化、模擬性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，采用多款BIM軟件交互應(yīng)用以及可視化編程的方式，探索并研究了BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用方法，充分發(fā)揮了BIM模型在分析和設(shè)計(jì)中的價(jià)值，為現(xiàn)階段BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

本工程位于成都市新津縣普興鎮(zhèn)，建筑面積約為3.4萬m2，建筑地下一層(局部兩層)，地上四層，擬打造為含有九大主力業(yè)態(tài)的商業(yè)綜合體，如圖1所示。為滿足成都市對建設(shè)工程預(yù)制裝配率的雙控要求，本項(xiàng)目選擇部分樓板、樓梯、次梁進(jìn)行預(yù)制，經(jīng)測算該綜合體的裝配率為32.76%，其中混凝土預(yù)制率為15.3%。

2 基于BIM的建筑性能化分析

2.1 CFD風(fēng)環(huán)境分析

基于BIM技術(shù)，采用Revit與ANSYS Fluent交互的方法研究了建筑場地的風(fēng)環(huán)境特性，如圖2所示，根據(jù)CFD模擬分析結(jié)果，提出改善流場分布、減小渦流等建議，對建筑周邊行人區(qū)域的舒適性進(jìn)行優(yōu)化。

建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓差是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自然通風(fēng)的先決條件，提取建筑在風(fēng)荷載作用下迎、背風(fēng)面的壓力云圖，如圖3所示，直觀顯示了風(fēng)壓差較大的立面，在其上設(shè)置外窗，可實(shí)現(xiàn)較好的室內(nèi)自然通風(fēng)。

圖2 建筑群三維流線圖

圖3 建筑群表面風(fēng)壓云圖

2.2 影院聲學(xué)分析

本商業(yè)綜合體在四層設(shè)置影院廳，為使影院內(nèi)觀眾區(qū)域的收音效果達(dá)到最佳，基于BIM技術(shù)，采用Revit與EASE交互的方法，將BIM模型轉(zhuǎn)為聲學(xué)分析模型，如圖4所示，對影院進(jìn)行了聲環(huán)境分析，確保影院平均最大聲壓級滿足規(guī)范要求。

圖4 BIM模型轉(zhuǎn)為聲學(xué)分析模型

提取影院壁掛式音箱在不同指向角α下的總聲壓級、聲能比與聲音清澈度等云圖進(jìn)行對比分析，如圖5所示，對音箱的指向角度進(jìn)行優(yōu)化，使電影放映過程中觀眾區(qū)域的音效達(dá)到最優(yōu)。

圖5 音箱指向角α優(yōu)化分析

2.3 日照分析

日照分析展示了自然光和陰影對項(xiàng)目的影響，為建筑設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的信息。

圖6 Revit日光路徑研究

在Revit中運(yùn)用“日光路徑研究”的方法分析了塔樓影響下，商業(yè)綜合體在大寒日與冬至日的采光情況，如圖6所示，并根據(jù)分析結(jié)果，對商業(yè)綜合體的窗墻比進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 煙氣模擬

本項(xiàng)目基于BIM技術(shù)，采用Revit與Pyrosim交互的方法對綜合體進(jìn)行了火災(zāi)煙氣蔓延分析。通過煙氣蔓延模擬，直觀地反應(yīng)出火災(zāi)發(fā)生過程中商業(yè)綜合體內(nèi)部煙氣蔓延情況和溫度場分布(圖7)，為商業(yè)綜合體的消防安全工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。

人工智能數(shù)據(jù)挖掘者對其挖掘結(jié)果享有表達(dá)層面的特別知識(shí)產(chǎn)權(quán)，應(yīng)承擔(dān)挖掘結(jié)果侵犯版權(quán)的責(zé)任。但數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果侵權(quán)責(zé)任的承擔(dān)也應(yīng)以其公開發(fā)表為前提條件，挖掘結(jié)果尚處于秘密狀態(tài)的情況下可以類比私人目的合理使用，僅承擔(dān)不得公開的義務(wù)，并不承擔(dān)賠償責(zé)任。人工智能數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果傳播者對挖掘結(jié)果侵權(quán)可以按照現(xiàn)行版權(quán)法傳播侵權(quán)作品的規(guī)定承擔(dān)與傳播行為相應(yīng)的版權(quán)侵權(quán)責(zé)任。

圖7 Pyrosim煙氣蔓延模擬分析

2.5 人員疏散模擬

為評估商業(yè)綜合體各疏散通道設(shè)置的合理性，采用BIM技術(shù)，利用Revit與Pathfinder交互的方法進(jìn)行了建筑人員疏散模擬，如圖8所示。借助BIM技術(shù)可視化的特點(diǎn)，研究了商業(yè)綜合體內(nèi)人員疏散的情況，對易發(fā)生擁擠的疏散通道采取增寬、調(diào)整布置等優(yōu)化措施，同時(shí)，疏散結(jié)果對消防管理工作具有重要的指導(dǎo)意義。

圖8 Pathfinder人員疏散模擬

3 基于BIM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

將BIM技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樓板應(yīng)力分析、樓板舒適度分析、型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)有限元分析、單層網(wǎng)殼參數(shù)化設(shè)計(jì)與風(fēng)振分析，充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用可視化編程平臺(tái)Dynamo，編制多種基于Revit平臺(tái)的BIM結(jié)構(gòu)模型批量處理效率工具，大幅提高模型搭建效率。建模完成后，將分析模型導(dǎo)入YJK進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)(圖9)，最終完成商業(yè)綜合體的全套施工圖紙。

圖9 Revit模型導(dǎo)入YJK分析

3.2 樓板應(yīng)力分析

由于本商業(yè)綜合體為超長結(jié)構(gòu)，須進(jìn)行樓板溫度應(yīng)力分析，以確保樓板在溫度作用下不出現(xiàn)貫通性裂縫?；贐IM技術(shù)，采用Revit與MIDAS Gen交互的方法進(jìn)行了樓板溫度應(yīng)力分析，如圖10(a)所示，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的樓板加強(qiáng)措施。此外，本商業(yè)綜合體內(nèi)部較多部位樓板不連續(xù)，為保證結(jié)構(gòu)在地震作用下樓板處于彈性工作狀態(tài)且不出現(xiàn)貫通性裂縫，將BIM模型導(dǎo)入Midas Gen中進(jìn)行樓板中震應(yīng)力分析，根據(jù)樓板的詳細(xì)應(yīng)力分析結(jié)果，找出樓板的薄弱部分并采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施，如圖10(b)所示。

圖10 樓板應(yīng)力分析

3.3 懸挑結(jié)構(gòu)舒適度分析

為保證綜合體內(nèi)懸挑部位樓板的舒適度，利用BIM技術(shù)一模多用的特點(diǎn)，將BIM模型導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000中，進(jìn)行了樓板舒適度驗(yàn)算，確保了在人行激勵(lì)荷載下樓板的豎向自振頻率與豎向加速度滿足規(guī)范要求。

圖11 樓板舒適度分析

3.4 型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)有限元分析

本商業(yè)綜合體在大跨度處設(shè)置型鋼混凝土柱與梁，為保證型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)在服役期間的安全性，利用BIM技術(shù)，采用Revit與ABAQUS交互的方法對型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了精細(xì)化有限元分析，如圖12所示。

圖12 型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)有限元分析

其中，混凝土與鋼骨采用C3D8單元，鋼筋采用TRUSS單元，混凝土本構(gòu)選用CDP模型，鋼筋本構(gòu)選用雙折線隨動(dòng)硬化模型。通過有限元分析可得，在設(shè)計(jì)基本組合作用下，型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)處混凝土與鋼材應(yīng)力均未到達(dá)屈服點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)合理； 通過低周往復(fù)加載，研究了該節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力特性，模擬結(jié)果顯示該節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)飽滿，抗震性能良好。

圖13 型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)BIM模型出圖

利用BIM技術(shù)可出圖性的優(yōu)點(diǎn)，可在Revit中對型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)BIM模型創(chuàng)建不同剖面，直接導(dǎo)出各節(jié)點(diǎn)大樣圖紙，配合三維BIM模型，進(jìn)行三維可視化交底，生動(dòng)直觀地展示節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)鋼筋、鋼骨間的關(guān)系，為施工人員提供便利。本工程共計(jì)SRC節(jié)點(diǎn)大樣索引250余處，共導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)詳圖10張，如圖13所示。

3.5 單層網(wǎng)殼參數(shù)化設(shè)計(jì)

將BIM技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，在可視化編程平臺(tái)Dynamo中編制單層網(wǎng)殼參數(shù)化生成程序，對屋頂單層網(wǎng)殼進(jìn)行參數(shù)化選型與設(shè)計(jì)，如圖14所示。

圖14 單層網(wǎng)殼參數(shù)化設(shè)計(jì)

由于單層網(wǎng)殼為缺陷敏感型結(jié)構(gòu)，須進(jìn)行考慮初始幾何缺陷的整體穩(wěn)定全過程分析。采用SAP2000與3D3S兩款軟件進(jìn)行對比分析，得出了單層網(wǎng)殼的安全系數(shù)K，如圖15所示。此外，根據(jù)屋頂單層網(wǎng)殼施工要求，進(jìn)行了整體吊裝過程的驗(yàn)算，確保施工過程中的安全性。

圖15 考慮初始缺陷的整體穩(wěn)定全過程分析

由于單層網(wǎng)殼對風(fēng)荷載較為敏感，且商業(yè)綜合體旁的塔樓對網(wǎng)殼所受風(fēng)荷載有一定的影響，采用BIM技術(shù)，利用Revit與ANSYS Fluent交互的方法對網(wǎng)殼進(jìn)行CFD分析。通過比較CFD模擬下有、無塔樓時(shí)網(wǎng)殼表面的風(fēng)壓云圖，可以直觀地看出在塔樓遮擋下，由于空氣旋渦脫落與再附的影響，網(wǎng)殼表面出現(xiàn)較大的負(fù)壓，如圖16所示，須根據(jù)分析結(jié)果對其進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的風(fēng)振分析。將單層網(wǎng)殼上各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程進(jìn)行提取，在結(jié)構(gòu)分析軟件中加載并分析，確保了網(wǎng)殼在風(fēng)荷載作用下的安全性。

圖16 塔樓遮擋研究

4 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件深化工具開發(fā)與應(yīng)用

將BIM技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合，采用基于BIM的深化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用“所見即所得”的三維可視化特性，從構(gòu)件拆分階段到深化階段，充分利用參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，編制建筑預(yù)制裝配率一鍵測算工具和疊合板、預(yù)制樓梯、疊合梁、預(yù)制剪力墻深化工具，大幅提高了預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)效率。應(yīng)用BIM技術(shù)對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)裝配，確保其準(zhǔn)確性和可建造型。此外，深化構(gòu)件BIM模型也可直接指導(dǎo)生產(chǎn)單位進(jìn)行構(gòu)件加工。

4.1 裝配率一鍵測算

成都市對裝配式項(xiàng)目出臺(tái)了相關(guān)規(guī)定，對建設(shè)項(xiàng)目提出了裝配率與預(yù)制率的雙控要求。為了快速測算建筑的預(yù)制裝配率，本項(xiàng)目采用可視化編程的方法編制構(gòu)件體積一鍵提取工具，利用該工具可對建筑的裝配率進(jìn)行快速測算，如圖17所示。本商業(yè)綜合體選擇部分樓板、樓梯、次梁進(jìn)行預(yù)制，經(jīng)測算該綜合體的裝配率為32.76%，混凝土預(yù)制率15.3%，均滿足要求。

圖17 基于BIM的建筑預(yù)制裝配率一鍵測算

4.2 疊合板—深化工具開發(fā)

為提高在Revit中拆分疊合板的效率，基于可視化編程平臺(tái)Dynamo，編制樓板一鍵拆分工具，對需要預(yù)制的樓板進(jìn)行一鍵拆分，如圖18所示。

圖18 疊合板參數(shù)化拆分

完成疊合板拆分后，利用可視化編程平臺(tái)Dynamo編制疊合板深化工具并對疊合板進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，如圖19所示，本工程共計(jì)導(dǎo)出構(gòu)件深化加工圖約1 000張，采用深化工具大幅提高了疊合板的深化設(shè)計(jì)效率。

圖19 利用疊合板深化工具進(jìn)行深化并出圖

4.3 預(yù)制樓梯—深化工具開發(fā)

預(yù)制樓梯中鋼筋種類較多，且其深化加工圖的紙繪制較為繁瑣。為提高預(yù)制樓梯的深化設(shè)計(jì)效率，基于可視化編程平臺(tái)Dynamo編制預(yù)制梯段參數(shù)化生成工具和梯段防滑槽生成工具，可在Revit中完成預(yù)制樓梯的參數(shù)化生成，如圖20所示。

圖20 預(yù)制梯段及防滑槽參數(shù)化生成

然后，運(yùn)用預(yù)制梯段鋼筋一鍵生成工具完成鋼筋的生成，如圖21所示。本項(xiàng)目共導(dǎo)出預(yù)制梯段加工圖64張，采用深化工具大幅提高了預(yù)制樓梯的深化設(shè)計(jì)效率。

圖21 預(yù)制樓梯鋼筋生成

4.4 疊合梁—深化工具開發(fā)

為提高疊合梁的深化設(shè)計(jì)效率，基于可視化編程平臺(tái)Dynamo開發(fā)疊合梁深化工具，在Revit中實(shí)現(xiàn)疊合梁鋼筋一鍵生成、鋼筋信息一鍵統(tǒng)計(jì)等功能。借助深化工具完成疊合梁的深化設(shè)計(jì)并導(dǎo)出加工圖紙，如圖22所示。

圖22 疊合梁深化工具

4.5 預(yù)制剪力墻—深化工具開發(fā)

本商業(yè)綜合體塔樓部分豎向構(gòu)件采用預(yù)制剪力墻，為提高剪力墻深化設(shè)計(jì)效率，基于可視化編程平臺(tái)Dynamo編制預(yù)制剪力墻深化工具，包括外葉墻板進(jìn)行一鍵生成、墻體鋼筋參數(shù)化生成和灌漿套筒一鍵生成等，如圖23所示，可在Revit中可對預(yù)制墻體快速深化并導(dǎo)出深化加工圖。

圖23 預(yù)制剪力墻—深化工具

程序可自動(dòng)根據(jù)剪力墻的尺寸，為墻體創(chuàng)建保溫隔熱層和建筑面層，還可根據(jù)輸入的參數(shù)生成剪力墻中的鋼筋和灌漿套筒。與市面上現(xiàn)行的插件相比，本程序的優(yōu)勢在于可一鍵生成帶洞口墻體的鋼筋，且符合圖集的構(gòu)造要求，如圖24所示。

圖24 不同類型的預(yù)制剪力墻—深化加工圖

5 結(jié)論

本項(xiàng)目將BIM技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)綜合體的設(shè)計(jì)階段，采用多款BIM軟件交互應(yīng)用與可視化編程的方式，探索并研究了BIM技術(shù)與建筑性能化分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析以及裝配式建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

(1)將BIM技術(shù)可視化、模擬性和優(yōu)化性的特點(diǎn)應(yīng)用各于建筑性能化分析的各個(gè)階段，包括風(fēng)環(huán)境分析、日照分析、聲學(xué)分析、煙氣蔓延分析、人員疏散分析等，以分析結(jié)果為支撐，對建筑的各項(xiàng)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)將BIM技術(shù)可視化、信息化和一模多用的特點(diǎn)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的各階段，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樓板應(yīng)力分析、樓板舒適度分析、型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)有限元分析、單層網(wǎng)殼參數(shù)化設(shè)計(jì)及風(fēng)振分析等?；诜治鼋Y(jié)果，在保證結(jié)構(gòu)安全性的情況下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化，充分體現(xiàn)了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的優(yōu)勢。

(3)利用可視化編程平臺(tái)Dynamo，編制預(yù)制構(gòu)件深化工具包，包括裝配率一鍵測算、疊合板、疊合梁、預(yù)制樓梯、預(yù)制剪力墻等構(gòu)件的深化工具?？稍赗evit中對各類構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，并導(dǎo)出深化加工圖紙，大幅提升設(shè)計(jì)效率。

本文結(jié)合實(shí)際工程探索并研究了BIM技術(shù)在商業(yè)綜合體設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用方法，充分體現(xiàn)了BIM模型在分析與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值和廣闊前景，為BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用提供參考。