以BIM技术主导复杂形体建筑的设计流程

杨瑛 康鑫维 张荣

近年来随着我国经济的发展和不断满足人民日益增长的美好生活需要的要求，出现了许多造型复杂的城市公共建筑，而BIM技术等数字化科技的发展是当下国家大力推行的新发展趋势，我国建筑业在过往发展中，建筑设计在设计流程中配合深度不够，少有深度参与后续的建筑施工流程。同时市场上设计技术的变革缓慢，难以适应新经济条件下的人民需要的新观感，对后续施工呈现的效果缺乏把控等问题，带来了一系列弊端。以某市大型商业综合体实际工程为例阐述了，借助BIM手段，串联地产、方案阶段、施工图阶段、幕墙部分等设计全生命周期，保证项目设计的落地性和严谨与创新性，为地產与设计行业如何在新形势下高质量地把控设计项目提供参考。

BIM技术； 建筑设计； 建筑外立面； BIM正向设计

TP391.72 A

［定稿日期］2022-03-16

［作者简介］杨瑛（1964—），男，博士，教授，高级工程师，研究方向为建筑设计及其理论；康鑫维（1996—），男，在读硕士，研究方向为建筑设计及其理论。

1 背景与问题

我国经济的不断发展，人民对的美好生活需求日益增长，建筑的使用功能需求的提升，各方面因素推动着造型复杂的城市公共建筑蓬勃发展，许多业主应需求打造城市中心高端商业，力求在现代化城市面貌中留下浓墨重彩的一笔。因此，应对外立面的造型需求的提升，建筑师纷纷加强对建筑造型的设计探索，这无疑是对项目落地成功性的巨大挑战，在项目周期短，多方参与的高周转的模式下，传统施工图设计模式面对常规项目尚且会出现许多错误，难以适应当代新颖项目设计要求。

外立面的设计不是仅关系到项目的外形表达，还需要有高度的统筹兼顾性，方案设计阶段时应用构造、功能、美学、材料等方面的专业知识，到了施工图设计阶段还要考虑更多的落地性和实用性，就横向来说建筑、结构、给排水、暖通、电气等不同部门的前后协作，纵向上方案施工图和施工单位与交付后的运维单位之间该怎样高效地配合与交接，怎样避免反复地修改造成对工期产生的影响，甚至是避免因为考虑不周造成项目后期返工带来的损失或者施工后不可逆的错误导致最终效果妥协于错误的设计。

虽然BIM技术在理想状态下能解决这些大部分问题，但现在市场上运用BIM技术进行设计大多数停留在略滞后于施工图步骤的设计咨询，或者施工图完成后的BIM优化，不可避免造成了时间浪费、信息不对称、可优化条件有限、工作反复等问题［1］。

本文从方案优化阶段开始，施工图阶段为主，以BIM技术来主导设计流程为中心，以实际已完成的工作为例作阐述。

2 设计流程探讨

大部分设计单位设计流程考虑的因素不够全面，表皮给到结构工程师，而结构工程师通常不会给予过多时间针对表皮进行思考，或者只是简单地平移在建筑单层表皮上建立杆件中心线，后续的钢结构单位或者幕墙单位经常发现能变通的设计空间不足，主次龙骨杆件难以设计，或者缺乏很多附属构件的考虑。

再者，针对这种整个建筑带有一定弧度的项目，结构的柱梁板预留空间可能在平面上能定位，竖向上的关系难以确定，例如大梁的梁顶和底部是Z轴方向上垂直，但平面上梁顶满足了进退距离定位，很多时候梁底位置与表皮的进退关系往往是不满足的。类似这样的位置有很多，并且不仅限于结构专业，还有许多管道设计位置也有这样的问题。传统CAD设计的流程弊端在这种项目上开始浮现。

国内常规复杂形体方案阶段后的设计流程通常是几种方式：

（1）由方案建筑师给出初版图纸与大致的模型，一般为Sketchup、Rhino等模型。由施工图部门的建筑专业整理与结构和机电专业完成初步的讨论，这些专业以建筑图为底图，在其基础上开始初版排布［2］。

（2）结构专业在建筑的初版提资下开始排布荷载模型，此模型只涉及到钢筋混凝土的受力计算，钢结构与幕墙支撑仅仅作预留，此时的建筑底图十分不稳定，特别是在复杂项目下难以考虑周全。

（3）在施工图基本稳定后，幕墙与钢结构单位介入，在之前的基础上进行深化，但由于此时大多此项目的设计原人员已进入到新项目，难以全过程兼顾此项目，加上后续深化单位多从施工的方向考虑，对建筑原本的表达考虑不周全，多种原因导致前后信息不对称。

（4）现场施工单位接受图纸后，部分施工单位对项目的理解不透彻，加上之前的设计漏洞较多，现场也难以解决，最终造成施工与设计不一致。

这样的设计流程还会带来一些其他的影响，例如无法提前作出准确的成本估算、项目额外费用过高等弊端。

而以BIM技术来主导复杂公共建筑外立面的流程（图1），则可以最大程度避开上述问题。

3 模型搭建组织初步设计

下面将通过一些案例来解析用此流程引导设计周期的一些的方法。

案例一如图2所示为超大型公共商业建筑，地下2层，地上16层，最大的漩涡为正门入口处，大漩涡顶部至7层。首先该案例位于某省会城市的市中心，对外立面和项目质量有着严格的把控，以“城市空间的无限边界”为设计理念，对角走向的旋涡幕墙，对建筑外立面设计带来了极大的挑战。BIM技术方案设计阶段介入，以三维数字模型为基础，通过数控加工，将原本异形建筑很难描述的曲面数据化，最大限度诠释设计理念，将其复杂多变的外立面设计，解构为清晰的、可实施的细部模块，为设计理念落地提供强大技术支撑［3］。

设计中，利用Rhino、Revit、Grasshopper（以下简称GH）、Dyamo、Enscape等多款软件协同设计，利用可视化模型支撑建设方进行三维动态判断，将BIM数字设计的优势最大化。该项目外立面专项设计的应用点有：

（1）搭建数据化表皮，诠释方案理念。

（2）精确计算各层面积指标。

（3）排除异形外表皮对面积计算的干扰。

（4）深化设计铝板与玻璃幕墙排布韵律。

（5）结合功能需求、施工可行性等对复杂部位优化排布。

（6）定位幕墙，模拟拼接，控制细节。

（7）大门旋涡幕墙方案专题设计，多方案比选玻璃及龙骨排布逻辑。

注：经实践以上的逻辑方法在其他类似项目上也能适用，此处与下文为方便阐述故以案例的角度描述。

通常方案阶段交付的模型无法直接用于深化加工，其中主要原因是提供的SketchUp 的模型数据是基于网格 （Mesh） 而不是 NURBS 曲线，导致整个模型的精准度不能达到开模的要求，这样对于后续传递会造成不连续的影响，所以首先利用Rhino的NURBS曲面建模，建立参数化模型后，通过检查分析模型，优化调整不合理部位，使之更合理，同时组装诠释方案意图，并使外表皮数据化。在做外立面整理时，应该剖析复杂板块，分解异形区域，梳理模型拼装逻辑（图3）［4］。

在剖析复杂板块的同时，设计师根据NURBS曲线控制幕墙形体，还是通过提取曲面的UV线划分幕墙嵌板，生成龙骨、节点模型，乃至后期输出幕墙定位详图及对接幕墙制造商的数据模型，均具有较高的数据流动性和整体控制性（图4）［5］。

4 参数化模型主导深化设计

4.1 精确面积指标

在异形建筑设计过程中，按旧设计流程方法空间上的净高难以精确计算，这样不利于面积指标的把控，对于形成建筑空间的围合空间，净高在2.10 m及以上的部分应计算全面积，而结构净高在1.20 m以上的部分应计算1/2面积，结构净高在1.20 m以下的部分不应计算建筑面积。初步利用rhino的异性表皮，按层高处的建筑表面剖切各层平面，便可以确定边界轮廓，规整后的模型表皮可以精确计算各层面积指标，从而调整功能房间的分布和室内布置（图5）。

4.2 优化开窗房间位置

常规的复杂外表皮建筑设计流程中，往往会在设计的过程中，一些细微的改动导致整个韵律产生形变，对于具有开窗要求的房间，在房间布置时在满足室内使用的情况下，根据外立面的韵律做出调整，这样能即使的反应在模型中，同步浏览设计效果，如此便可减少外立面韵律向房间功能妥协的情况，从而保证建筑形体保持原有的美感（图6）［6］。

4.3 深度推敲方案

异形曲面构件式幕墙系统，其构造方式多样且工艺复杂，对受力要求也极为苛刻，往往需要复杂的内部空间结构支撑，幕墙空间结构的主要支撑构件是龙骨，在传统的施工图设计中对异形建筑往往采用详后续深化单位的表达方式完成图纸，而在以BIM技术为主导的设计流程中，将幕墙设计工作前置，同步完成参数化信息模型，从而完善项目的设计思路，这样既解决了专业技术上的难题，又保证了立面效果的完美呈现［7］。

案例一中大门漩涡处需要营造一种内旋的效果，并且要产生通透的感觉，那么在以BIM技术为主导的设计流程中纳入了幕墙构造设计的意见，分别推敲出3种实现途径，从左往右分别命为方案一、方案二、方案三（图7）。

方案一：以规律的小三角玻璃为基本单元，此方案造价较低，但整个曲面不通透且效果还原度较差。

方案二：搭建大小2种龙骨，主龙骨突出玻璃50mm采用深色涂料以凸显漩涡韵律，次龙骨突出幕墙30mm采用浅色涂料保证三角幕墙的安装，此方案造价中等，曲面较为通透，效果还原度较高。

方案三：取消次龙骨，涡旋线与中心法线围合成四边形的弧形玻璃，此方案造价高，曲面通透且效果好。

搭建了参数化模型后，利用基于Rhino的GH插件通过对各块玻璃直接下料分析，及时统计出3种幕墙做法下，整个建筑3处漩涡的经济对比，得出方案一和方案三3个漩涡合计差值为574.4万元人民币，仅商业主入口上方的漩涡差值就达到了240万元人民币。

4.4 铝板幕墙专项深化

由于异形建筑对混凝土构件定位精度要求较高，故对外立面的深化尽量前置。在实际案例中外立面的部分位置会形成双曲面铝板或玻璃，在批量生产的过程中若不提前处理这些部位，常出现无法安装或外立面变形等问题。

案例二为全运会配套商业公共建筑的外表皮模型，此模型在完成定案后模型出现了大量双曲面部位，利用Rhino&GH参数化对立面进行曲率检测（如图8），对双曲铝板进行筛选后，利用遗传算法逐个分解優化，拟合出最接近原型体的单曲或者平板铝板，再利用GH的参数化生成幕墙龙骨，这种精准的模型为建筑结构施工图提供了详细的设计数据［8］。

5 基于参数化模型的施工图深化

基于参数化模型的施工图深化目前行业上多以正向设计命名，BIM技术的应用是一个复杂的系统工程，在以BIM技术作为主导的设计周期中，完全做到了数据信息共享，而BIM施工图正向设计贯穿各个专业，需要设计人员有较高BIM技术和设计能力水平。建筑设计行业的BIM技术应用大多都选择了Revit软件作为平台，本项目在后续的施工图正向设计中，探索性的使用了多种BIM软件进行出图，经过对比目前插件最多，配置人员最为熟练，且能满足专业协助和出图效果的软件目前以Revit为最优解。

对于复杂立面的建筑设计项目上，处理好后的Rhino模型可直接导入至Revit中，首先解决了设计师在异形建筑物上难以绘制建筑施工图立剖面的问题，并且模型是深化单位同步参与，保证了模型的准确性、可视性与各专业专业沟通的即使实时性，确保出图精准［9］。

例如案例一中大门拱形落地雨棚处，原方案预留一个商铺入口，设计人员在正向设计阶段进行的碰撞检测中发现，如果不调整商铺入口位置，会导致大门的开启与雨棚边界产生碰撞，可优化过程中发现在该商铺面积指标不变，保证该商铺大门高度的情况下，位置做到极限也无法避免碰撞，索性将入口大雨蓬曲率做了调整，使大雨蓬左右落地处曲率更大，这一调整也反馈在模型中，实时浏览效果的同时也传递给了幕墙与钢结构单位，建筑专业的平立剖与其他专业的图纸也实现了自动更新，这样便提高了工作和沟通的效率。

6 结束语

文章旨在探讨从一些项目的实践中摸索出的设计流程，同时展示部分以BIM技术主导设计复杂形体建筑过程中的一些技巧和推敲，正向设计只是本文探讨流程中的一部分，不仅限于以信息模型的统一性形成各视图的联动性，实则有太多更具高效、更为新特性的设计技巧可以实现，篇幅有限不作更细致的描述，希望文章能成为BIM技术在建筑设计中发挥中流砥柱的作用道路上的引玉之砖。

参考文献［1］ 焦柯，陈少伟，许志坚，等.BIM正向设计实践中若干关键技术研究［J］.土木建筑工程信息技术，2019，11（5）：19-27.

［2］ 王立群.关于复杂造型建筑从外向内设计流程的必要性讨论［J］.建筑技艺，2021（S1）：147-152.

［3］ 曾旭东，周鑫，张磊.BIM技术在建筑设计阶段的正向设计应用探索［J］.西部人居环境学刊，2019，34（6）：119-126.

［4］ 佟克龙.建筑BIM参数化技术在异形曲面幕墙设计与施工中的应用［J］.广东土木与建筑，2020，27（2）：70-73.

［5］ 刘凡民.双曲弧形纯铝板内幕墙的施工探讨［J］.智能城市，2018，4（7）：131-132.

［6］ 杨瑛，谭翰韬，张阳，等.基于轻型木结构的建筑外立面设计［J］.建筑技术开发，2021，48（10）：17-19.

［7］ 徐卫国.褶子思想，游牧空间——关于非线性建筑参数化设计的访谈［J］.世界建筑，2009（8）：16-17.

［8］ 丁汝丹.BIM、参数化设计在表皮建构中的应用［J］.城市住宅，2016，23（8）：28-31.

［9］ 杜茂琨.BIM技术在建筑外立面幕墙设计中的应用［J］.房地产世界，2021（8）：63-65