参数化BIM建筑设计技术及其运用研究

1 引言

BIM 技术具有可视化、协调性、模拟性等优势，目前已在建筑行业广泛应用，其可辅助建筑结构设计，通过构建3D 建筑信息模型帮助设计人员准确掌握、处理建筑设计信息。 本文以文体场馆优化设计为例对参数化BIM 建筑技术应用展开分析，其中包括设计路径、设计管理和数字化协同3 部分内容。

2 参数化BIM建筑设计概述

2.1 参数化设计

建筑参数化设计属于新型设计方法， 其主要将建筑设计要素转换为函数变量， 基于函数算量和改变算法的应用实现拓扑关系构建，进而快速获得建筑设计方案，在此基础上研究建筑结构和设计方案的可实施性。 建筑参数化设计在于转变工程设计问题为逻辑问题，利用理性思维进行分析，保证建筑设计的合理性，通过转换设计要素、明确逻辑关系，对建筑结构的多样化组合方式予以计算。

2.2 BIM技术应用意义

建筑参数化设计不仅可提供多种空间组合方式， 还能呈现复杂的建筑形体。 但也具有两大应用难点，一是需要处理的数据量较大，二是所有曲线位于同一曲面。 应用BIM 技术可对上述问题予以解决，通过生成曲线、分析曲率、研究均匀性、二次生成曲线等设计工作， 解决因所有曲线处于同一曲面所导致的建筑几何空间适用性较差问题， 从而满足参数化设计工作要求。 应用BIM 技术可助力设计人员实现多种设计任务，包括数学模型构建、程序编程等，并为设计人员提供基础控制面，实现拓扑关系建立。 同时，基于建筑设计方案可实现各种虚拟环境的创设， 还可对虚拟环境中的建设和使用情况进行模拟。

3 参数化BIM建筑设计技术应用研究

文体场馆连廊项目基于BIM 技术、 参数化技术协同设计，以尽量不改变建筑造型、降低造价及施工难度为原则进行优化设计，保证工程具有较高的可实施性。

3.1 参数化BIM技术设计路径

项目主要应用Rhino 软件实现建筑造型设计和结构设计，涉及造型调整、幕墙划分、优化双曲板等内容；应用Revit软件进行模型整合、 设备定位、 净高分析、 碰撞检查； 应用Navisworks 软件构建浏览检查模型。

设计优化主要包括4 部分内容。 （1）幕墙外表皮优化。 包括幕墙划分；优化控制面并降低曲率；优化立面倾斜度；检查净高；选择立面材料；分析优化前后造型。 （2）结构设计优化。包括主体结构、桩基结构设计；评估结构和表皮距离；检查净高。 （3）外表皮深度优化。 包括消防排烟设计；设备定位；屋面排水设计；幕墙调整；构建幕墙模型。 （4）BIM 设计。 包括构建模型；定位机电设备；整合建筑模型、结构模型、幕墙模型和机电模型；开展碰撞试验[1]。

设计重点和难点主要包括3 处：外表皮，涉及造型设计、幕墙划分、幕墙平面化；针对空间曲面情况的结构设计；难以把控幕墙系统下的空间关系。

应用参数化设计解决异形曲面定位较难的问题， 提取各幕墙系统平面控制线，优化Nurbs 曲线使其成圆弧状，进而开展3D 投射，定位幕墙圆心、半径、角度和高度，在明确幕墙划分原则基础上，利用遗传算法对曲面平板率进行计算，以获得最佳方案（具体如图1 所示，图1a 为优化前的连廊方案，主要为自由曲面，定位难以实现；图1b 为优化后的方案，主要为基础控制面；图1c 对幕墙扭曲度进行核实，明确控制面板最佳设计，其中，青色区域为玻璃板块，绿色区域为平板冷弯铝板，蓝色区域为单曲铝板，红色区域为双曲铝板；图1d 为幕墙切割方式） 并对其可行性予以核实， 确保外表皮具备较高稳定性。 此阶段应用参数化设计的目的在于直观展示不同建筑设计参数， 明确体现工程信息相关系数， 在调整建筑设计参数时，3D 模型会自动调整与设计参数相关联的其他参数。

图1 外表皮优化

应用BIM 技术控制幕墙界面，明确结构位置，优化设备设计，从建筑美观、技术可操作性和工程造价角度综合分析设计方案（如表1 所示，考虑单面板和平板价格相差无异，选择双曲板比例小、净高宽度达标、造价最低的序号3 方案），进而利用Revit 软件开展碰撞试验，确保各构件满足安全距离。 事实上，BIM 技术具有较高的功能完善程度，可满足参数化设计的标准要求，便于设计人员实现多样化设计，包括深化设计、碰撞试验等。

表1 设计方案

在本项目设计中，建筑表皮设计和优化属于关键内容，其流程包括4 个环节。

1）实现条件协调。 主要为协调方案造型要求、幕墙划分要求、立面材料要求、净高控制要求以及排水、消防排烟要求等；结合考虑立面倾斜度、玻璃尺寸、幕墙结构、幕墙板块曲率和翘曲度等。

2）实现模型可视化。 利用BIM 技术构建不同专业的3D模型， 并在其中导入工程项目有关幕墙、 结构等部位构件参数，形成可视化立体模型，为模型优化奠定基础。

3）实现模型优化。 主要为参数化优化，包括幕墙和结构控制面、结构设计、幕墙构件、幕墙表皮及造价计算等；利用BIM技术协同，整合不同专业模型、检查净高、开展碰撞试验、导出2D 图形等。

4）设计交底。包括BIM 模型和参数化模型、整合模型、2D图纸及各种表格报告等[2]。 在参数化设计中，利用3D 建筑模型呈现立体建筑实物图形，并对建筑结构的几何、状态信息进行真实模拟。通过观察3D 模型可快速了解建筑设计动态和设计质量，及时解决存在的问题。

3.2 参数化BIM技术设计管理

现阶段，BIM 技术已广泛应用于建筑设计和建筑管理中，其中包括建筑进度管理、现场规划管理及建筑造价管理等。 应用BIM 技术可实现建筑设计和管理的动态集成，紧密衔接建筑工程各阶段，集建筑设计、建筑建设和建筑管理等于一体。由于本项目BIM 模型管理较为复杂，故需注重设计技术和设计管理的关系。

1） 建立负责人制度。 安排建筑BIM 负责人针对方案修改、合并等问题与各工程单位、业主沟通，提高协调效率。 BIM建筑设计团队应基于BIM 技术收集有关建筑工程建设的数据信息，并在配套数据库中导入，以直观展现建筑工程几何、状态信息，同时对各专业设计予以协调和统一，严格依照标准构建模型。

2）实现整体化管理。BIM 技术和参数化技术侧重不同，但需统一管理设计流程。 为避免BIM 管理部门和设计部门出现脱节，应由两部门共同参与BIM 平台搭建。 所以，需要构建清晰的BIM 构架（见图2），充分结合设计优化和BIM 设计内容，以防止风险出现。

图2 BIM团队架构

3）实现各方工作协调。 BIM 团队不仅承担技术输出和模型搭建的职责， 还要对各方建设意见和各部门设计进度予以协调，积极解决其中存在的问题，以优化设计管理。

3.3 数字化协同

BIM 不仅是以构建模型为主的技术平台， 更能协同项目全生命周期，包括设计阶段、建设阶段、招投标阶段及运行维护阶段。 通常，建筑设计涉及较多专业领域，而不同专业领域之间可能存在碰撞问题。 为保障建筑设计方案的可行性，需要基于BIM 技术应用实现各专业领域的协调， 在3D 建筑模型中将各专业碰撞问题直观展现， 以便设计人员利用协调数据解决碰撞问题。

本项目以优化设计为目的，工作中涉及业主、建设单位、设计团队的协同，BIM 技术和参数化模型的协同，以及建筑幕墙、建筑结构、机电设备设计、空间分析、碰撞试验等不同专业间的协同[3]。

本项目模型具有复杂性，基于Revit 软件应用对曲面造型进行修改并传递模型信息， 避免转换不同软件模型过程中可能导致的构件丢失问题， 在Revit 软件调整处理部分曲面，保证所有构件成功转换。

利于Navisworks 软件整合模型，进而量化开展碰撞试验，针对发现的问题，通过一键导出方式生成表单，清晰呈现存在碰撞的部位信息。

项目利用数字化手段转换方案模型，使之成为工程模型，并通过Autodesk 软件实现协同， 从而优化工程量和造价，以提高项目推进效率。

4 结语