基于BIM技术的景观复杂曲面高精度控制

刘东云 / LIU Dong-yun郭再斌 / GUO Zai-bin段旺 / DUAN Wang   2017-05-29 00:18:39

摘要:作为新技术,BIM使得风景园林师可以直接在三维数字平台中进行复杂形体的创建和优化,并利用BIM三维可视的特点对其比例、尺度和建造方法进行验证。以奥体文化商务园中心绿地为例,通过协同平台进行设计实践,验证了BIM作为景观整体建构和高精度控制的现实意义。

关键词:风景园林;建筑信息模型;三维曲线和曲面;优化;整体建构;奥体文化商务园文章编号:1000-6664(2017)03-0125-04

中图分类号:TU 986 文献标志码:A

收稿日期:2015-10-22; 修回日期:2017-01-09

Abstract: As a new technique, Building Information Modeling (BIM) can help landscape designer screate and optimize complex shape in 3D digital platform, and verify its proportion, scale and construction method via 3D visualization.In this paper, the Olympic South Central Park is taken as a case, to focus on the discussion on how BIM can be more efficient as holistic construction and high precision quality control tool through collaborative design platform.

Key words: landscape architecture; BIM; curves and surface; optimization; holistic construction; Olympic South Central Park

奥体文化商务园位于北京城市北中轴线东侧,是北京2022年冬奥会重点项目和未来总建筑面积超过144万m2的城市中心。中心绿地用地红线范围内地下是3层的城市基础设施,地面是公园。项目不仅要考虑奥运功能需求,更着眼于城市未来发展,从公共空间和绿色基础设施的角度,落实更具开放性、包容性、公共性和可持续性的都市发展计划。

项目独特的设计理念所带来的复杂空间形态,超越了传统设计工具的控制范围,现有的园林深化设计方法、实施流程、加工工艺和安装方法无法满足高精度。因此,设计团队从项目开始就确定BIM技术的应用目标,即搭建完整的BIM模型并制定了相应的工作方法。基于BIM的数字信息技术的综合运用,设计团队不仅将生态过程、基础设施和社区的社会文化需求相结合,构建了一种更有机、更具流动性的都市景观形态;同时,设计控制方法和加工建造技术的突破,使得设计团队实现了高精度的复杂曲线和曲面造型(图1、2)。

1 整体设计系统的建构1.1 数字技术环境

BIM技术(Building Information Modeling)在中国的推广运用起步于对复杂空间形态描述和控制的需要,使工程能够得到高精度的控制,并大幅提高工作效率[1-5]。BIM首次出现在Autodesk的《建造信息建模》一书中[6],按照美国国家建造信息模型标准(NBIMS)项目委员会的定义,BIM是一个设施或设备的物理和功能特征的数字化表现。一个完整的信息模型就是一个信息库,提供该设施所有可靠的信息,用于支撑从最开始的设计概念到拆除整个建筑全生命周期的各种决策[7]。国内将BIM技术列为支撑产业升级的核心技术,大力推动基于BIM技术的协同设计系统建设与应用,以改进传统的生产与管理模式。

项目综合使用了Rhino和REVIT,Rhino用于复杂曲线和曲面模型的建立,其所表达的景观构件的几何信息和可视元素通过系统平台REVIT进行虚拟、验证和传递,保证复杂形体的高精度在实际的工程阶段得以实施(图3)。

1.2 搭建协同平台

协同平台包括了软件环境、文件系统、几何控制系统、模型标准、成图文件等,以确保不同专业、专业内部人员之间的信息更新与共享更加及时,从而大幅度提高信息传输和交换的效率。本项目协同平台的核心在于几何控制系统,一方面是因为REVIT软件本身管理大地坐标系统和复杂曲面造型的局限性;另一方面是因为项目地下复杂的基础设施工程,地面景观和地下建筑无法通过二维的相对关系来进行“拼合”。

设计团队首先定义建筑轴网+坐标系统为景观的“基础控制线”,其中建筑轴网定义了景观和建筑之间的平面关系,景观模型可以按照轴网和建筑模型精确拼合;建立大地坐标和相对坐标之间的对应关系,坐标系统定义了道路、广场的走向,竖向上按照绝对高程和相对高程进行控制。由几何控制系统定义的定位信息和生成规则,可以完整描述景观要素的控制框架,从而使这些数据信息能够在三维空间中通过矢量化方式得到精确定义。图1 奥体文化商务园中心绿地鸟瞰图

图2 中心绿地建成效果

图3 REVIT系统集成的Rhino表面模型和地下建筑模型

图4 景观控制系统框架体系

图5 Rhino表面模型其次,建立建筑与景观以及景观各构件之间的关联。地下建筑及其地面的出入口被导入到REVIT中作为景观的基础模型,在基础模型的基础上建与建筑相关联的景观构件,包括公园建筑、台阶坡道、天窗、水景等,地下建筑和景观所形成的对应关系如图4。

第三,细部景观元素则需要在“基础控制线”的基础上,引入新的几何控制系统,进一步描述景观的细部。通过多层级的几何参数调控设计成果,有效建立起完整的工作界面。1.3 高质量信息模型

模型是BIM技术的核心,项目最终的完成度取决于模型的细致程度(Level of Details,或Level of Development,简称LOD)[2]。LOD主要用于确定模型阶段的输出结果(Phase Outcomes)和分配建模任务(Task Assignments),分为L100(概念化深度)、L200(近似构件深度)、L300(精确构件深度)、L400(加工深度)和L500(竣工深度)等5个等级。高质量的信息模型包含精确的景观构件信息,设计师可以对复杂构件在数字环境中进行比例、尺度和建造方法的验证,施工方和工厂也可以进行信息提取和进一步优化。利用这一特点,可以避免实物验证、模板预拼接、样板制作等过程,从而提高设计成果的精度、节约时间和建造成本。

本项目的复杂程度要求构建高精度的BIM模型。由于REVET软件复杂曲面建模能力的缺陷,主要建模软件采用Rhino;同时,并不是所有模型构件单元都需要深入到L400或L500,因此建模的首要任务就是根据具体要求来确定LOD等级,并按照设计阶段来逐步深化模型。概念设计阶段,使用Rhino快速建立项目的初步模型;方案深化阶段,设计团队采用Rhino建立三维表面模型,并在Rhino环境中完成大部分的曲线、曲面优化,再按照几何控制系统确定的规则拼合到包含建筑模型的REVIT系统中,构成完整的BIM模型;施工图阶段,将所有表面模型深化为实体模型,在REVIT环境中完成主要节点构造,输出到CAD环境出图。施工过程中局部曲线和曲面的修改仍然使用Rhino,修改完成后更新BIM模型。从LOD等级来看,园路和地形的模型深度到L200,就能够较好地满足实际建造需要;而主要广场、台阶坡道、异形构件等需要深入到L300,局部构件需要深入到L400才能满足高精度的建造需求(图5)。

2 关键构件的设计控制与优化2.1 道路广场的收边石优化

2 ~ 4 m宽的园路和局部放大的广场,采用流动曲线的细部设计,赋予公园整体流线型的形象。收边石作为关键构件整合了座椅和灯光,宽度450~2000mm,高度150~450mm,并在三维空间中扭曲和变形。流畅的曲面造型对优化设计和施工建造提出挑战:1)大量双曲面需要优化和细分; 2)细分后的单元尺寸无法用常规尺寸标注描述;3)标准节点无法重复使用;4)安装定位困难。图6 收边石模型及安装样板

图7 收边石模型的优化和曲率分析

图8 天窗结构标高

图9 天窗立面展开基于高精度的数字模型,设计团队首先用Rhino软件对收边石曲面进行优化,将双曲面优化成可展开曲面或直纹曲面,并将其切割至可加工尺寸,然后导入REVIT环境中;这一过程往往需要重复多次,结合REVIT三维可视的特点进行动态观察,直到达到满意效果;最后从REVIT中导出构件的空间定位数据。

曲率(curvature)分析是曲面优化过程中关键的环节。曲线的曲率是曲线上某点的切线方向角对弧长的转动率,曲率表明曲线在某一点的弯曲程度的数值,数值越大表示曲线的弯曲程度越大。根据曲率分析,将优化后的曲面分为两类:一类是曲率比较小的曲面,可以将其拟合成用标准平面组成的折面,这样可以大大降低建造的复杂程度和造价;另一类是曲率比较大、需要三维加工和定位的曲面,将其优化成可展开曲面或直纹曲面,然后细分成可加工的尺寸。按照上述原则,90%以上的收边石被优化成可用折面拟合的标准构件,采用传统方法加工和空间定位,并优先施工;剩下的10%部分复核现场尺寸后重新建模,优化成可展开曲面或直纹曲面,再加工安装。灯光则是在所有石材安装完毕后,现场实际测量后加工安装(图6、7)。

2.2 天窗优化

项目东西轴线的景观表面由预设的剖面线三维扫描而成,反复调整剖面线至形成合适的波浪地形效果。根据建筑消防需要,东西向均匀布置可开启天窗,为地下建筑提供自然采光。天窗平面将波浪地形切割,梭形石材形成波浪地形的侧墙。从构造上来看,为了达到草坪和侧墙梭形石材无缝拼接的效果,混凝土结构比景观最终完成面低300mm,干挂梭形石材,背部设置L型钢板防水。

由于景观表面高低起伏,天窗平面切割形成的侧墙每一处截面都不一样,因此需要利用BIM强大的数据管理功能实现信息输出和辅助建造。首先,混凝土结构的完成面在地形景观表面以下300mm,因此结构的高度直接从REVIT模型中导出,传递给施工单位逐一复核尺寸后浇注;梭形花岗岩石材的立面需要从Rhino模型中导出后,逐段优化成弧线段,重新建立高精度的构件模型,传递给厂家加工后工地拼装(图8~10)。

2.3 水景优化

水景位于场地东侧,高差6.8m,上大下小,由东向西跌入地下的水景暗池,跌水坡面上放置2组台阶状跌水槽。水景南北两侧布置台阶将人导入地下商业空间,“L形”收边石水池收边石沿水景顺滑而下。

设计按照如下步骤进行:1)先将跌水表面的剖面优化成由标准直线和圆弧线组成的顺滑曲线,从而将跌水表面优化成可展开的单轨扫描曲面;2)用单一尺寸的鳞片状花岗岩来拟合跌水表面,反复调整鳞片状花岗岩的大小,保证拟合后的景观表面不出现明显的折面;3)“L形”收边石将收水沟和管线扣在下面,因此可以根据优化后的水景跌水表面确定大致收边石位置;4)南北台阶和“L形”收边石垂直且低于收边石,根据收边石的位置推导出台阶的布置平面,并建立台阶的三维模型;5)将台阶位置的收边石优化成三维直线段,其他部分优化为光滑曲线,建立收边石的实体三维模型并按照可加工尺寸完成数字切割;6)所有模型导入REVIT平台中,传递给工厂加工,并指导现场安装(图11~13)。图10 天窗建成后效果

图11 水景鸟瞰

图12 水景剖面几何优化

图13 水景建成后效果3 结语

在奥体文化商务园中心绿地项目的实践中,项目内部的技术需求和挑战给予了设计团队一次非常好的机会,项目的实施也让设计团队收获颇丰。通过构建规范的信息模型,设计团队实现了信息技术在景观的局部阶段和特定内容中的运用,大大提升了设计和施工的精准度,同时积累了丰富的经验。

项目的竣工使BIM技术在行业中的应用成为关注的焦点,我们有理由相信:未来BIM将直接促使我们颠覆传统的思维模式,改变现有的流程产生模式,促进景观行业各个领域的变革和发展。

本项目获第三届中国风景园林学会优秀风景园林规划设计奖二等奖。

主要参与人员包括:刘东云,邵韦平,李雄,郭再斌,段旺,梁为龙,沙钢,刘宇光,孙璐,白洁,王乐砾,范存星,李淦,应笑辰,郝亚兰,张赛男,吴晶晶,郑可白,朱京山,刘框拯等。注:文中图片均由作者绘制或拍摄。参考文献:[1] 高岩.基于设计实践的参数化与BIM[J].南方建筑,2014 (4):4-14. [2] 张建平.BIM助力工程建设全面信息化[J].建筑设计管理,2011(3):16-34. [3] 卜一秋.从CAD到BIM:前途是光明的道路是曲折的[J].建筑创作,2011(6):154-158. [4] 邵韦平.以制造业精度打造北京建筑新高度:北京CBD Z15中国尊超高塔的BIM设计实践[J].中国勘察设计,2013(11):43-46. [5] 陈颖,周泽渥.数字技术语境下的高精度设计控制:凤凰中心数字化设计实践[J].建筑学报,2014(5):24-29. [6] Autodesk. Building Information Modeling[M]. San Rafael, CA: Autodesk Inc., 2003. [7] National Institute of Building Science. United States National Building Information Modeling Standard Version 1-Part 1: Overview, Principles and Methodologies[EB/ OL]. http: //www.wbdg.org /pdfs /NBIMSv1_ p1.pdf.

(编辑/金花)

作者简介:

刘东云/1976年生/男/湖北荆门人/博士/北京林业大学园林学院副教授/LAURSTUDIO主持设计师/研究方向为生态规划、城市景观规划设计、可持续环境设计等(北京 100083)

郭在斌/1963年生/男/江苏如皋人/北京新奥集团有限公司高级工程师/研究方向为建筑工程管理(北京 100029)

段 旺/1962年生/男/辽宁大连人/北京新奥集团有限公司教授级高级工程师/研究方向为城市景观规划设计、建筑设计(北京 100029)

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