世博文化中心在BIM中飞翔

项目介绍

世博文化中心是世博核心区一轴四馆的永久建筑之一，建筑总面积126000平方米，建筑主体为18000座的多功能主场馆，具有电影、音乐俱乐部、真冰溜冰场、餐饮服务、特色商业和观光等功能。主场馆以每年举办250场演出作为使用目标，具有5000、8000、10000、12000、18000座的多种使用模式，可用于大型庆典、演唱会、各类演出乃至NBA篮球赛、国际冰球赛事及冰上表演等。场馆采用了多项建筑创新技术，并通过了国家三星级绿色建筑认证。世博文化中心将成为凸显文化内涵、融多种功能于一体的现代文化娱乐集聚区，是永不落幕的城市舞台。

上海案例馆是本届世博会唯一代表上海参展的独立场馆，位于世博园浦西片区城市最佳实践区北部，是最佳城市实践区内16个实物案例之一。上海案例馆选址于废旧厂区空地内，建筑以南北条状设置，有利于夏季日照且迎合上海夏季的季风方向，有利于夏季通风。建筑占地面积1300平方米、建筑面积3050平方米，建筑总高18米，其中地上4层、地下1层。在使用功能方面，上海案例馆作为永久性建筑，有功能使用上的不同需求：在世博会期间，作为具有上海特色的技术集成展馆，向人们展示未来居住模式，强调生态技术与生活的密切相关性，体现技术对生活改善的重要意义；而在世博会后，通过对其内部空间的二次改造，本案将作为生态办公楼，体现建筑的全周期节能效果。

图1 世博文化中心实景图

图2 世博会上海案例馆外观图

解决方案

一、BIM模型概况

世博文化中心的整体造型呈飞碟状，在不同角度与不同时间会呈现出不同形态，白天如“时空飞梭”、似“艺海贝壳”；夜晚则梦幻迷离，恍如“浮游都市”。这样一个美轮美奂的造型却在最初的时候面临着设计上的巨大挑战。针对世博文化中心复杂的壳体，设计师首先在工业设计软件中进行初步找形，再对壳体进行编程划分，确定蜂窝铝板的三维坐标和尺寸，这样既保证了整个壳体的美观，又便于指导加工和安装，最后导入Revit软件形成BIM模型（如图3所示）。

图3 世博文化中心BIM模型

确定好壳体的模型之后，使用基于BIM技术的Revit系列软件进行BIM模型的搭建，最终建立三维模型（如图4、图5、图6所示）。

在建立以上各专业的三维模型之后，就可对世博文化中心整体进行Revit模型构建，从而可以辅助建筑师观察建筑内部空间关系和中心舞台展示（如图7所示）。

二、BIM模型的应用与分析

通过完整的世博文化中心三维模型，设计师可以进行全方位的3D漫游展示（如图8所示）。

图4 世博文化中心——Revit建筑模型

图5 世博文化中心——Revit结构模型

图6 世博文化中心——Revit机电模型

图7 基于Revit模型的文化中心的空间分析和可视化设计

图8 基于Revit模型的3D漫游展示

BIM模型借助Autodesk 3ds Max进行建筑表现，通过适时的渲染建筑效果，可以帮助建筑师对建筑的最终造型和外观有更加感性和直观的认识（如图9所示）。

世博文化中心涉及到许多的专业计算和分析，利用建立好的三维BIM模型，设计师可以进行多方面的计算和分析，从而有针对性的进行优化设计。

图9 Revit模型导入Autodesk 3ds Max渲染

首先，利用Revit软件制作文化中心的结构模型并搜集BIM信息，并将模型导入结构分析软件进行计算（如图10所示）。

图10 将模型导入结构分析软件进行计算

其次，利用Rhino SP4+AutoCAD对入口大跨度钢结构雨棚进行坐标定位和建模，然后导入Revit软件形成BIM模型，再结合收集的Revit模型信息，利用x-steel专业钢结构软件进行钢结构的分析，最后直接交付厂家进行钢结构制作（如图11所示）。

图11 入口大跨度钢结构雨棚的Revit建模和钢结构分析

第三，利用Revit软件可以直接进行空调负荷计算、空调通风系统水力计算、水系统水力计算、电气负荷以及电气负荷平衡计算等（如图12-16所示）。

第四，设备材料统计。由于BIM模型包含了建筑物所有结构和设备的全部信息，因此能够准确、便捷地统计出建筑物的设备材料数据（如图17所示）。设计材料统计方面，世博文化中心利用Revit软件本身的明细表进行了很多研究和探索，在设计材料方面做了一个模板，通过该模板可以直接统计出建立施工方案的人想要的材料数据，同时，这些模板也可以直接应用。此外，Revit软件的明细表还可以直接导入Excel表，帮助相关人员进行信息模块的梳理。

图12 Revit软件进行空调负荷计算

图13 Revit软件进行空调通风系统水力计算

图14 Revit软件进行水系统水力计算

图15 Revit软件进行电气负荷计算

图16 Revit软件进行电气负荷平衡计算

BIM技术大大提升了计算效率。传统的设计依靠人工进行数据输入，比如空调的计算，设计师画好图纸以后，需要把维护结构的热工参数、窗墙面积等数据手动输入到软件中，这个过程难免会产生一些误差和偏差，同时也会简化很多信息。而在BIM模型中，由于是借助建筑师已经搭建好的模型进行空调的计算，所以就会非常迅速和精准，而且即使模型有所调整，对应的信息也会实时更新，这对于暖通空调的计算来说是一项非常便利的技术。另外，BIM技术在水力计算方面也给设计师带来了很大的方便。

第五，项目施工进度与工期。BIM是拥有全部信息的数字模型，可以将施工模拟成为一个真正可见的现实，并给每个构件加上时间、信息，按照施工方案进行模拟，这样的模拟会发现很多问题，例如某些构件先施工或者安装会导致后面的构件无法进行施工或安装等。通过BIM应用，设计方可以在施工模拟中发现问题并加以解决。

图17 Revit软件进行建筑、结构、设备材料的统计

在技术优化方面，运用BIM能够很容易地统计出施工瓶颈，因此业主和总包方就可以据此对施工的工作进度进行合理的安排。虽然这样可能会减缓某一个分包的施工进度，但从全局来看，却不会影响整个建筑的完成周期，相反，还会使整个施工进度的安排更加合理。

世博文化中心项目利用BIM技术进行了一系列施工进度模拟与安装模拟，例如Revit模拟与MS Project和Visio软件结合而进行的施工模拟等，能够达到优化进度、缩短工期的效果（如图18和图19所示）。

三、BIM协同设计方法与模式

无论是世博文化中心项目还是世博上海案例馆项目都存在很多的内外协作，这就面临来自各方的挑战。设计方和各种顾问咨询方组成一支非常庞大的设计队伍，而每一方都会有不同的信息需求，通过BIM技术，各方可以将其需求都反映到一个信息平台上，从而高效完成沟通与协调。

图18 施工现场利用Revit模型指导施工和钢结构装配

在设计阶段，如果采用传统软件进行协作是非常困难的，尤其是在各种管线交叉问题的处理上，但BIM技术为此提供了极大的方便，明显地提高了工作效率。此外，BIM技术还使得设计方与施工方、业主的沟通变得更加直观与快捷。

与外部协调的实例：由于世博文化中心是贝壳状的造型，顶部的钢制桁架需要随其变化和展开，同时因为整体空间很大就需要较大的排风管、排烟管，为避免可能发生的各种情况，现代设计集团华东院与制造厂商根据BIM模型沟通了风管在桁架中间的穿行情况。如果按传统的方式进行探讨，制造厂商在实现三维表现之前是很难想象出如何实施安装的，而且制造出来的风管很可能在现场无法使用。因此，利用三维模型可使设计根据形状进行深化，进而设计出合理的管道支架。

与内部协调的实例：项目中的管线布局非常复杂，一旦某专业想做一个调整，就会带动一系列的调整。如何减少错漏、碰撞情况的出现？传统二维CAD图纸很难解决这个问题。建筑师设计了屋顶，结构设计师根据屋顶的造型，通过计算分析采用何种桁架，但是这些都无法直接反映给机电设计师，他们通常因无法在传统图纸上显示管线的安装位置而束手无策。通过基于BIM的Revit三维软件可以非常直观的反映管线安装的位置。Revit软件所反映出来的三维模型逼真、直观，即使遇到管线不能按原设计进行安装的情况，也可以非常便利地对结构重新进行调整。如果没有BIM模型，项目就只能靠现场试验，在结构装好后再进行机电管线的安装，但因为结构施工完毕不易做改动，所以就可能会导致机电管线的安装不合理。Revit三维设计软件的应用大大提高了工程机电管线和结构之间配合的合理性。

图19 施工现场利用BIM模型指导施工和钢结构装配

图20 世博上海案例馆一体化BIM信息模型

四、碰撞检测与管线综合

图21 Revit模型导入Navisworks进行碰撞检测和管线综合 (世博文化中心)

图22 碰撞检测报告范例

世博文化中心项目在机电管线方面遇到了前所未有的困难：由于空间的限制，使得机电管线之间错漏碰缺的现象非常严重。机电模型在该项目中主要有两处比较复杂：一是屋架内各种管线的安装；二是机房内管线密集，设备管线难以协调。利用三维软件Autodesk NavisWorks软件进行碰撞检测，使得进行管线综合的效率大大提升，并且能够直接用于指导施工。

碰撞检测与管线综合的目标是避免碰撞、解决吊顶冲突、明确管线位置标高以及辅助确定施工工艺等。从传统意义上讲，现场出现问题最多的地方，也是拆改比较多的地方，会给业主造成额外的拆改成本，包括工期延误所带来的损失。以前管线综合的过程往往是在头脑中想象，再通过画图表示，现在利用BIM能够更直观的反映这些问题，提高此过程的效率。

机电管线种类较多，设计专业多，施工工种多。一般包含通风空调系统、空调水系统、给排水系统、消防水系统、动力系统、供配电系统、弱电系统等。BIM模型可以反映所有管线和设备在建筑内的信息和情况。例如，在关键的大厅、路口，利用BIM不仅仅可以进行碰撞检测，还可以实现空间优化。

一般情况下，项目都会发生无数的碰撞，但对于有经验的BIM工程师来说，不仅仅是要找到碰撞，而且还要对碰撞进行分析，以为设计师提供解决方案。如图23所示的案例，左边为世博上海案例馆四层多媒体放映厅的一部分，通过碰撞检测，发现下行台阶与暖通风管相冲突，协调后将其置于板底吊顶中；右边是在世博上海案例馆二层中，发现暖通管道设计标高低于天花板设计标高（建筑标高5.100米），两者存在300mm差距，在其后的设计修改中降低了吊顶高度。

六、BIM在绿色与低碳方面的应用

图23 建筑与设备冲突案例 (世博上海案例馆)

一个项目要体现“低碳、绿色、环保”的设计理念，需要设计师们做哪些方面的工作呢？世博文化中心项目设计按照3R原则（减量化Reduce、再利用Reuse、再循环Recycle）对新能源利用、节能、节水、资源回收和再利用进行了统筹安排，同时采用了江水源热泵系统、冰蓄冷技术、气动垃圾回收系统、空调凝结水与屋面雨水收集系统、程控性绿地节水灌溉系统等多种有效的技术手段。通过对能源、水消耗、室内空气品质和可再生材料的使用等多方面进行控制，使世博文化中心成为了真正意义上的绿色建筑，并被评为中国“三星级绿色建筑”。BIM技术的应用使得上述各种绿色技术手段得以在项目中更加高效、顺畅的实施。世博文化中心项目使用Autodesk Ecotect软件进行日照分析、采光分析、热环境模拟等分析，具体应用如图24-31所示。

图24 模型导入到Autodesk Ecotect软件中进行日照分析

图25 模型导出到Autodesk Ecotect软件中进行采光分析

图26 模型导出到Autodesk Ecotect软件中进行热环境模拟

图28 Revit模型导入专业灯光分析软件Dulax，对入口灯光进行真实模拟

图29 Revit模型导入Gambit软件进行室外风环境模拟

图30 Revit模型导入CATT软件进行大厅声学分析

图31 模拟导出到CATT软件中进行声学分析

未来展望

BIM是为建筑的全生命周期而设计，就现阶段的情况来看，BIM会在设计和施工两个方面全面展开应用，这也是全生命周期中非常重要的两部分。实现全生命周期的应用是一个长期的战略目标，还需要一段时间的发展。

现代设计集团华东院于2008年开始探索BIM技术，2009年初技术中心组建了BIM工作组，力求在BIM设计和BIM咨询方面提升自身能力并拓展相关业务，为客户提供更高效、更优质的设计产品和服务。随着现代设计集团华东院BIM技术应用范围的不断扩大，并借助于诸如世博文化中心和世博上海案例馆等精品项目所积累的丰富经验，现代设计集团华东院一定能够搭建好BIM技术这样一个平台，实现在设计、施工以及运营维护过程中全面应用BIM解决方案的愿景。