基于BIM技术的建筑方案竖向合理性研究

马锦,王刚

(重庆市勘测院,重庆 401120)

0 引 言

建筑方案竖向设计是规划场地设计中一个重要的组成部分,它直接影响着众多的环境因素、环境外貌、空间的构成和空间感受[1]。建筑方案竖向设计对景观中自然设计要素起支配作用,某一特定环境的竖向变化,就意味着该地区的空间轮廓、外部形态,以及其他处于该区域中的自然要素功能的变化,因此,建筑方案竖向设计成为规划场地设计中最基础、最重要的一环[2]。山地城市具有立体多维的特征,地形地貌复杂、高差起伏大使得地块竖向设计要求高、设计难度大[3],合理利用地形,优化竖向设计,是达到工程合理、造价经济、景观优美的重要途径,也是面向管理层面竖向审查的重要环节之一[4]。因此,在规划设计阶段充分考虑建筑方案竖向设计,对一些不利于建设的地块加以适当的改造[5];或提出一些工程措施,减少土石方工程量,合理、正确地评价山地城市建筑方案竖向合理性[2,3],提高建筑方案竖向审批的管理效率,成为亟待解决的问题。近年来,随着BIM参数化建模技术的快速发展,为这一问题的解决提供了技术手段。

参数化设计是由变量化设计发展而来的,主要应用于计算机绘图、三维建模等方面,为了提高模型修改和生成效率,减少手动,实现设计自动化而出现的技术[6]。BIM作为一个将参数和行为关联的复合模型,BIM参数化建模技术不仅可以将建筑物直观展现出来,通过创建和修改构件的几何、材质、通用信息等参数,获得精准的模型,还能进行数据分析,如碰撞检测、空间分析、结构静力分析、动力分析等[7]。另外,给关联的参数赋予意义,实现对真实世界空间的虚拟模拟。

本文面向山地城市立体多维的特征,采用BIM参数化建模技术,基于设计图纸等数据,参考相关规范及标准,构建山地城市建筑方案竖向合理性评估指标体系,对建筑竖向合理性开展评估,通过动态反馈调节机制,从源头控制,促进规划建筑方案落地实施。

1 研究方法及数据来源

1.1 数据来源

本文所使用建筑方案设计图纸数据,该数据用来采用BIM参数化建模技术构建三维建筑模型;采用1m分辨率DEM数据,该精度满足分析研究区基础地形地貌;实景三维数据,该精度满足分析建设前期原始地形地貌。

1.2 研究方法

(1)BIM参数化建模法

BIM参数化建模是一种计算机辅助的设计方法。在BIM参数化建模环境里,零件是由特征组成的,特征由正空间或负空间构成,正空间特征是指真实存在的块,负空间特征是指切除或减去的部分[7]。本文采用基于草图的建筑方案BIM参数化建模(图1),草图是与实体模型相关联的二维图形,它的平面可以进行尺寸驱动,通过对草图对象上所添加约束方式或约束值的修改来改变设计参数,从而改变对象特征。通过对草图上创建的截面曲线进行拉伸、旋转和扫描等操作生成参数化实体模型,提取模型中的截面曲线的参数和拉伸参数来实现整个模型的驱动[7]。

图1 基于草图的BIM参数化建模法

(2)指标评价法

建筑竖向设计和场地坡地、场地分台、挡墙和边坡相关,通过梳理相关文献规定规范,综合研究建筑方案竖向设计的影响因素,本文从建筑方案自然地形、契合度、宜居性和景观性四个方面,构建建筑方案竖向合理性研究指标体系。该指标由4个一级指标,15个二级指标构成。指标如表1所示。

表1 建筑方案竖向合理性研究指标体系

2 技术路线

本文通过分析原始地形和规划设计方案进行分析,基于所构建的建筑方案竖向合理性评价的指标体系,从基础地形、契合度、宜居性和景观性四个方面,采用BIM参数化建模方法,对建筑方案竖向合理性进行半自动分析评估,输出评估分析结果报告,根据评价结结果,发现问题,提出设计优化建议,进行反馈调节,促进建筑方案合理性规划实施。技术路线如图2所示。

图2 技术路线

3 建筑方案竖向合理性研究

3.1 研究区概况

本文选取东展均和建筑方案为案例进行建筑方案竖向合理性研究。该建筑方案位于重庆市渝北区(图3),处于建筑居住区,属于城市建设地块,用地面积约88亩,现状用地类型为正在建设区域,建设方向为居住区及商业配套功能,周边交通条件良好,保证了片区的交通区位和可达性。

图3 东展均和建筑方案区位图

3.2 基础地形分析

基于GIS空间分析方法,采用的DEM数据对东展均和原始地块进行高程分析、坡度分析(图4)。分析结果表明,该地块原始地貌竖向标高约在290～365 m之间,地块所处区域整体地势起伏不平,竖向落差约为20～30 m之间。坡度处于0°～67°在之间不等,其中15°以下占比43.6%。

图4 基础地形分析

3.3 竖向合理性评估结果

(1)建筑方案与原始地形关系

原始地形采用实景三维技术,进行 1∶1真实还原,还原结果表明,东展均和地块所在区域呈现北高难低,东高西低的原始地形格局。

通过BIM参数化建模技术,将东展均和建筑方案进行三维还原,将三维模型成果和原始地形与真实坐标叠合分析比对(图5)。结果表明,设计方案西侧和东侧建筑正负零标高与原始地形契合度较好,没有较大程度侵占原始地形。南侧建筑,若按照方案设计图纸进行修建,则需进行大量开挖,产生高边坡、高挡墙等支护结构。

图5 建筑设计方案与原始地形关系

(2)设计地形正负零层和原始地形关系

将东展均和建筑方案二维CAD图纸和三维设计方案成果比对。分析结果表明,二维CAD图纸和三维设计方案成果一致性较高,表明基于BIM参数化建模模型还原度高。

设计正负零层与原始地形三维成果进行对比(图6)。结果表明,地块范围内西侧和东侧设计地形正负零层地形与原始地形契合度较高,中间偏南侧与东北侧与原始地形契合度较低,若按照设计修建,将产生大量的土石方挖填量、产生高边坡。

图6 建筑设计地形与原始地形关系

(3)建筑方案竖向契合度评估

依据所构建的指标体系,对东展均和建筑方案进行契合度评估。评估结果表明,该建筑方案按照设计图纸进行修建,则产生高切坡、高填方共有2处,总数量小于3处,说明该建筑方案与自然地形贴合度较好;方案整体存在4处高边坡,根据《城乡建设用地竖向规划规范(CJJ83-2016)》[9],该建筑方案景观待优化;方案存在挡土墙共6处,其中高于 6 m的挡土墙有4处,地块内部存在高挡墙情况,评估结果表明该方案建筑内部景观待优化;根据分台契合度评估指标,结果如图7所示,蓝色区域代表契合度较好,区域最小高差小于 5 m,总数量共4处,红色区域代表契合度弱,区域最小高差在5～20 m之间,总数量共5处。

图7 东展均和建筑方案契合度评估结果

(4)建筑方案宜居性评估

依据所构建的建筑方案竖向合理性评估指标体系,对东展均和建筑方案进行宜居性进行评估。评估结果表明,在设计方案中,该地块内共设置两处垂直电梯,参考《住宅设计规范》[10],能满足住宅用户的需求;通过对步行空间评估发现,在整个地块中,其中有两处步道宽度>2,坡度大雨35%,超过设计规范。总体评估结果如图8所示。

图8 东展均和建筑方案宜居性评估结果

4 结论与展望

本文探索构建了山地城市建筑方案竖向合理性评估的指标体系,以渝北区东展均和建设地块为研究试点,评价山地城市建筑方案竖向合理性,得出以下结论。

(1)本文以满足建构筑物功能布置要求、充分利用自然地形、节约土石方工程量、满足技术规范为原则,采用BIM参数化建模技术,通过设计图纸、三维建模、竖向评估、反馈设计、优化提升的模式,完成了东展均和建筑地块的竖向合理性评估。评估结果表明,高挡墙、高边坡对地形契合度影响较大,原始地形取决于设计竖向的合理性。

(2)本文采用BIM参数化建模技术,完成了东展均和地块竖向合理性评价。本次评价参考相关竖向规范,结合定性分析和定量计算,提高了建筑方案竖向评价的合理性。但是,目前合理性评估结果是人工参与和半自动化评价综合作用的过程,后续研究重点放在完善指标体系,构建建筑竖向自动化合理性评估过程,通过输入设计方案,自动化评估,一键输出评估成果,全方位、智慧化辅助建筑方案审查。