黑瞎子岛北大荒生态园的BIM实践--谭春晖

    谭春晖：尊敬的各位专家，各位领导，各位建筑界的同仁，大家上午好！

    很荣幸能够代表上海建筑设计集团和大家一起交流BIM在建筑创作中的运用。现在大家可以看到，越来越多的非线性复杂空间的建筑。对于我个人来说，我对BIM的兴趣实际上是来源于对于创作这种复杂空间的兴趣。设计院的创作是基于以实施为目标的创作，如果继续沿用原有的传统的这种设计方式的流程的话，我们会遇到以下问题。

    首先对于这种复杂空间的造型以及对形体的控制非常困难，其次与结构、机电等专业的配合，如果依旧沿用传统的平立面分离处理的方式也很难实现。最后对施工的控制上，我们可以知道，复杂形体在施工的难度上是不言而喻的。所以即使是能够实施的话，那么作品的细致度、准确度都很难把控。所以如果我们知道方案是要建成的，特别是施工图设计将是由自己来完成的话，我们在设计中就会尽量去把方案做得完整一些，这无疑是对建筑创作的一种束缚。如何让建筑创作的思维不要受限于表达，避免建筑设计的创作止步于方案创作阶段呢？下面给大家介绍一下黑瞎子岛北大荒生态园从最初的方案到施工的指导整个过程中BIM的运用。

    项目位于中俄边境黑龙江省黑瞎子岛的主岛上，黑瞎子岛处于我国最东面，所以我们的建筑取意于东方升起的太阳，可以看到用一条舒展的曲线将这个椭球体分成两部分，一部分展示的是热带雨林风光，内侧展示的是黑瞎子岛原生态的湿地风光。建筑总面积在1.7万平方米，建筑高度是控制在20米。建筑的造型我们可以看到，主要由ETF的结构和内侧的一个自由形态的玻璃幕墙围合而成，结构体是75米的钢结构的单层，内部是没有一根结构柱的。内容是变化高差达到5米的不规则的景观，这是由于该项目特殊的造型以及特殊的功能造成了内部复杂的设备管道关系。所以具有了很多在二维传统CAD平面设计上能解决的难点，我们集团将项目作为试点进行BIM的三维设计。

    在软件的选择上，我们主要是为外壳空间造型，做程序划分，最后再导入Revit里面形成一个BIM模型。犀牛作为一个早期的软件，对于形体的创作有很大的帮助。一般能够想像的形体，犀牛都可以表达出来。Revit作为BIM的一个平台，它具有很好的兼容性和开放性。首先我们对建筑的形体进行了优化，为了寻找到一条既满足建筑美学，又符合结构合理性的这么一条曲面的基线，我们通过这个方程，把确定这条曲线唯一性的四个参量作为输入条件。这样一来，我们建筑师可以继续细部划分，对内部空间进行复合这种西部工作，可以导入由BIM延伸出来的模型进行分析。分析的结果，只要替换原有的输入条件，就可以实时更新反馈在我们的建筑模型上。这是由于这种BIM形成的桥梁作用，我们找到了一条建筑和结构都相对比较合理的这样一条方案曲线。

    像这种类似本项目的球形的建筑造型，建筑网架尺寸是逐步缩小的，不可避免的会形成这种顶部的点以及中间的网架突变点的问题。如果这个处理不好的话，就会影响造型的光泽度。在结构上，如果排布得过于拥挤的话，就会发生突变，这时我们就要利用BIM的图形验算器功能。图形运算器按照建筑师的要求生成了很多种的网架形式，我们对这种结果进行了比较和评估。与此同时，BIM仿真的模拟，可以对流体气学进行分析，我们看到这个部位最好能够设置一个开启伞。于是我们在这个部位设置了一圈结构的突变点，从而希望通过这个方式来弱化这种结构纹理的不连续性。在内层的玻璃幕墙上我们做了一个清洗的处理，这样就可以把顶部的点隐藏于造型之外。

    在得到一个合理的框架以后，我们对它的外表皮进行了一个优化。由于是在极寒的地区建造热带雨林，所以出于结构对高透光性以及保温性的需求，我们采用的是ETFE冲击膜的结构形式替代了原来的玻璃幕墙。一般的仅仅只是提供一些通用的标准节点，大部分的节点设计是在安装过程中，现场发现问题在现场设计。这种边设计边施工的恶性循环，对于我们作为设计总包单位来说是很难控制最后的成果的。有了BIM这样一个表述系统以后，我们现在的工作流程是建筑师先提需求，专业的公司进行提资。BIM在深化之前预处理，验证合理性，以及模拟的视觉效果。我们可以看到，这些在每一圈上的形式以及尺度都是不一样的，所以我们首先对气枕的边缘形态进行了一个参数设定，与钢结构的网架结合起来。然后对调整这个参数来模拟气枕冲压，这个参数是由公司做实体实验以及分析得到的结果。我们可以看到，内压是2000和内压是5000的时候，这个形式是不一样的，应力分析也是不一样的。

    在深化的过程中我们发现，在原来的钢结构当中我们这些与视觉是正交的，而这个在一边能够合缝的情况下，另外两边就会产生这样的错边。在发现这个问题以后，钢结构通过这个结构，和比较好的砖混泥合在一起。在高地区，除了在结构上要考虑，我们在建筑构造上也很重要。我们现在采取的主要方法是通过提高这个气枕，希望积雪能够自动滑落，再附加上人工的扫雪。所有在表面上形成的雪压是通过重力作用，顺着膜夹片做的，能够倒向底层的雨水收集区。这是我们按照膜结构深化公司提供的开启一般的节点，这样在我们的BIM模型中发现，雨雪天被开启的所打断了。针对这个问题，及时的设计增补了一个定制的节点，导入到我们的BIM模型中重新进行验证。可以看到，抬高以后的开启扇和普通的ETFE膜衔接良好，既满足了开启功能，又符合了除雪的需要。利用BIM模型，我们解决了膜结构与地面交界的问题，与钢结构雨棚的问题。现在看起来，很简单的方法，如果没有可视化的设计，对钢结构和膜结构都了解得不够深入。想要凭自己的空间想像能力以及二维的图纸，想在设计阶段发现和解决这些问题，还是有一定的难度的。

    下面通过曲面玻璃幕墙优化的方式来看一下参数模型的优点。不同于以往的模型，仅限于一次成型，可以在我们不确定的，需要推敲的因素上设定参数。例如我们在曲线的顶部、底部上，以及玻璃的分割大小，杆件的形式，玻璃和杆件的平面度关系上都设置了参数。在函数关系确立好以后，各个参数的调整就会带来整个模型的自动修正。比如上下弧线调整以后，这些竖向杆件的划分，就会根据原先设定的一个原则再次进行。我们设定的幕墙与结构的关系也可以直接得到运用。通过这个方法，我们可以从室内空间、室外效果上推敲整体的一个窗墙比，以及局部的一些视觉效果，同时可以很方便的把这个模型给结构进行负荷。

    这样从真正意义上就可以做到造型效果，内部空间效果以及结构形式的完美结合。这条玻璃曲线我们是从各个角度推敲出来的一个最佳最理想的效果。我们可以看到，这个玻璃任意点的位置与地面的夹角都是不一样的，这是对幕墙的一个分析图。绿色的部分是单曲面的玻璃，非绿色的是双曲面的玻璃，每一个都是不一样的，都是需要定制化的。不管从造价上还是从加工安装上都是不大现实的。所以我们首先尝试的是将每块玻璃拍平。也就是在相邻的这里形成系列的鳞片状的幕墙，对单块进行分析。

    我们可以看到，至少有一个点在原来拟定的幕墙平面之外，这种误差最大的地方达到了27毫米。一般大家知道，幕墙的安装允许最多的误差也就是在正负5毫米以内，所以我们又尝试了三角形的幕墙形式。结果三角形的玻璃幕墙的每个端点都可以和既定的玻璃幕墙贴合，就不用去定做一块弧线玻璃，一块弧线的轮廓。除了在电脑中进行建造，这是利用石膏复合粉末分层进行打印，这样叠合成的一个模型。我们得到这样一个模型的话，我们分成了热带植物展区、温带植物展区等。BIM一个非常重要的应用是仿真模拟，我们可以在造型模型条件下，就能够导入当地的一个气候资料。结构是可视的，而且直接影响到我们室内空间的效果。基于BIM模型下，我们可以直观的进行结构节点细部的研究。不但对它的尺度和形式进行划分，不但从局部可以得到控制，而且整体效果上也可以得到控制。由于我们的模型是精准的，所以我们这种推敲也是有效的。

    我们同样可以看到，对结构基座一个边界面处理的一个处理，同时可以有效的预见施工中可能存在的这些接口错误，并且及时的进行修改。空间结构的展览结构是通过地下管沟，与结构基础、结构基座之间的关系，横向和竖向的管沟之间的关系，在这样一个弧形的平面中非常复杂。我们对建筑的部分辅助功能以及机电的系统，通过Revit的软件进行了一个模拟，从而就可以进行碰撞检测。针对碰撞检测出来的问题，我们通过管沟加宽等方法，来保证了辅助空间的净高，从而优化了管沟里面检修的路径和空间。

    对于施工的控制。传统的这种定位被弱化了，我们可以在BIM信息模型中直接提取特征值，从而指导钢结构，幕墙以及膜结构的加工以及安装，基本上是在这个项目中实现了一个无图纸的设计。对于混凝土和机电安装部分，主要是利用Revit的三维模型对施工单位进行了指导。借助强大的面，我们可以非常方便的提取到模型的任何部位，从而就可以让施工人员理解建筑各部分之间的关系。除了这种二维的图纸以外，我们还可以以三维的形式进行表达，施工单位可以非常直观的了解到这些细部的做法。这样一来，建筑师在可以不用现场的情况下，施工也可以相对精准的进行。这是上个月的现场照片，我们可以大致看到对于原来方案的还原率。现在项目混凝土部分已经验收，钢结构也将在今年年底合拢。

    通过这个项目的实践，我想我们有信心可以看到，BIM为彻底解放建筑师思维和表达的束缚创造了条件，为建筑创作提供了无限的可能性。当然，建筑的创作主要还是依靠建筑师的大佬，但是BIM为提高创意只是建成建筑的可控度提供了调整，将建筑师的思维重点从传统的构造、细部排除等需要大量经验和部分的部分转移到对建筑美学、空间等创作方向的研究，这是对建筑创作的一大革命性的转变。