BIM技术在体育场馆中的应用研究

1、新加坡体育中心

新加坡体育中心项目作为专门为热带地区设计的绿色、生态节能体育中心采用了BIM技术。新加坡体育中心定位为国际性比赛场所及大型商业娱乐中心，可容纳55000人，需满足365天全年无休的运营理念。这个项目的设计构思是将多个体育场馆建筑共同搭建在一个统一的大平台上，整个建筑群涵盖体育场、多功能体育馆和一个室内游泳馆及水上娱乐中心。项目于2014年完工。作为目前跨度最大的拱形屋顶，在减轻自重使得建筑形式得以实现的同时，节约用钢量也是评价一个体育场馆设计是否合理的一项指标。由于新加坡已经建立了BIM标准，因此其在从设计到施工的整个过程需要遵守新加坡的BIM设计守则。

整个工程涉及多个建筑单体的协调工作，需要建立完整的施工管理制度。但最复杂的设计部分还是体育中心的开启屋顶，作为世界上最大的室内体育场馆，可开启屋顶部分设计复杂，同时还需要考虑到屋顶的灯光设计与屋顶运动所产生的技术问题。BIM技术在此项目上有以下优点：提供施工模型、专业协调、自动形成准确剖面、进行碰撞检查及虚拟漫游。此外，由于建立了建筑信息模型，可以更方便、快速地获得建筑性能分析热能使用效率及对建筑整个生命周期的分析数据。新加坡体育场是世界上采用公用建筑市场化运营方式（PPP）设计建造的最大体育场。在PPP运营模式下，设计建造的部分由私营部门的合作伙伴设计和制造基础设施，而在满足公共部门合作伙伴的规范前提下，整体设计建造部分的价格往往是固定的。因此，对于负责此建筑设计的Arup公司来说，使用BIM进行体育场馆设计的益处很多。Arup公司在新加坡体育中心设计中采用了达索公司CATIA和盖里科技DigitalProject及MicrosoftOffice2007进行建筑设计。

CATIA3D模型可以通过Excel2007控制模型中的数据信息，帮助建筑师很快将结构反馈信息加入到已有的建筑模型中，加快模型修改速度，同时更新模型可以迅速反馈给其他相关专业设计人员。此外，针对可能会重复设计同一类型建筑的情况，可以创建一个设计资料库，当进行类似项目设计时可直接利用原有信息确定建筑场地、座位等基本信息，大大节省设计时间，提高设计精确性。使用CATIA及DigitalProject的另外一个优点是，能够在设计阶段确定幕墙的施工单位，使幕墙设计更早介入到整个建筑设计过程中，在设计后期，幕墙公司就可以利用Arup公司提供的BIM模型加工幕墙，在提高设计精度的同时，也节约现场加工的时间及人力成本。

2、英杰华体育场

英杰华体育场也被称为“兰斯当路体育馆”，位于爱尔兰的都柏林，于2010年启用，是爱尔兰境内唯一的欧洲足联五星级足球场。英杰华体育场为爱尔兰国家足球队主场球场，于2007年开始建造，2010年完工并启用，全坐席可容50000名观众同时观看比赛。体育场的顶部设计为波浪形。

由于体育场表皮设计的复杂性及在限制条件下需要不断调整的要求，设计师开发出一种以使用Bentley公司软件GC建立的参数化模型为中心的协同工作方式。参数化的设计方式意味着体育场的几何形态可以通过参数来控制，方案改变时不再需要手动修改和重建模型。

1参数化方法的技术实现

采用参数数据、静态几何体、GC脚本文件实现外围形式的3D参数化模型。参数或数值数据对应着从原始犀牛模型中提取的表面控制点位置，参数提取后存储在Excel电子表格中，数值数据通过脚本代码输进GC中，复制原来的犀牛模型和自动更新原始数据点的任何变化。方案组创造出一个基于控制曲线的图形操作系统，以便轻松控制模型整体形状，同时将原始模型进一步完善，进而确定整体的几何形状。控制系统与附加的全局限制因素相结合形成表皮的最终形态，然后再解决与体育场核心部分的冲突。外层表皮和结构的几何定义出发点是控制屋顶第三层结构元素位置的垂直平面阵列，平面定位于参数化控制的路径曲线和体育场径向结构网格的交点。结构支架定义在每对平面之间。对于一个有着独特界面的外壳来说，每个平面都是一个空间参照物，之后它被提取并转换成二位截面图。

2结构分析与反馈

在设计的发展过程中，体育场外围护的建筑模型要经过多次反复修改，因此有必要建立一个关于设计意图的有效交流机制。项目最具挑战性的方面之一就是将工程分析纳入参数化工作流程中。为此，采用C#语言通过其应用程序编程接口（API）扩展了GC的内部功能而编写出一个支持参数模型和结构分析软件的集成的自定义应用程序，能将GC参数模型信息直接传输到结构分析软件中。程序自动指定模型中的每个结构元素截面尺寸。完全参数化的系统能够根据建筑师主导的原则和初始概念机构生成整体体育场屋顶结构模型，还能自动生成准备用于分析的数据文件，不需要人工干预。

3外壳细部设计

表层设计由紧随体育场外壳曲率的聚碳酸酯百叶板阵列组成。表层的初始设计在GC中让面板组建沿着边界层表皮参数化生成。面板宽度不变，长度在面板制造商的限定长度中可变。以这种方式，每块面板的走向和尺寸都由软件自动调整，以适应外壳的曲率变化。由于覆盖层模型尺寸过大及所需组件数量巨多，试图建立整个体育场外壳的完全参数模型很不现实，因此采用拆分策略解决这一问题。把整个体育场外壳（主模型）拆分成小的子模型，并将附着在第三级桁架上的结构支撑定位四层板宽。以这种方式，超大尺寸参数模型处理困难的问题通过切分成小的可管理部分而得以解决。

后评价

在结构设计方面，通过自定义集成的参数化模型和结构分析的应用，可以解决复杂模型搭建与修改时用人工处理费时易出错的问题。设计分析反馈周期大幅缩减，体现出开发此自定义应用程序的效果。

在建筑方面，运用参数化模型受益匪浅。通过详细的生成和测试所有候选方案实现了外壳面层的设计目标。通过参数化模型及其支持的建筑师和制造商之间的合作，使得高工程价值的面层系统得以优化生产并以低成本安装。

3、Avia体育场

Avia体育场建成于2010年，可容纳50000人，由擅长体育建筑设计的Populous（前身HOKSport公司）完成，是第一座完全依靠参数化设计手段完成的体育场馆。整个设计希望成为当地的标志性建筑，同时建筑本身又要与周边环境相融合。

Avia体育场设计采用一个自由的曲线形态，应用Bentley公司的GC软件进行设计，采用多方案比较方法获得对周边环境遮挡最少的形体。此外，采用透明材料表皮，以获得更多阳光，使得建筑本身能够更好地融合于周边环境中。设计试图将屋顶结构和建筑立面组成一个完整形体，并包裹在主体结构外面，打破传统体育场馆屋面结构与外立面分离的设计方法。整个设计方案建立的过程是：首先在Rhino建立3D模型，利用3D模型快速建立形体并获得最适合的平面形态。一旦这个形式得到认可，就会在GC里建立一个基本模型，再通过在Rhino中得到的数据导入生成GC脚本，并由此脚本生成新的模型。而在GC中生成的模型具有很强的可修改性，由结构工程师进行优化，并将结构设计数据导入模型。

这样在同一个模型中，建筑师负责表皮和建筑形态设计，而结构工程师则在这个模型上面对结构构件尺寸和位置进行调整。这时所有参数的调整、模型的信息都存储在一个Excel表格里。结构工程师只需将调整好的数据输入，建筑师所使用的模型就会及时得到更新。同时，幕墙顾问公司和建筑师通过统一的建筑模型进行研究，分析实际建造中有关幕墙板材尺寸的问题，并在SolidWork中以原模型的结构中心线作为基础，建立更为细致的幕墙节点模型，并再次对幕墙设计进行优化。正是通过对参数模型的分析，计算出体育场幕墙最小厚度不是设计时选择的8mm厚聚碳酸酯板，而可以采用3mm厚聚碳酸酯板代替，这样整体屋顶材料的质量可以从200t减少到80t，从而使材料的造价成本降低到原来的60%。通过应用参数化设计及BIM技术，Avia体育场项目最终节约了约350万美金。

此外，通过建立BIM模型，还可以对Avia体育场进行能源分析，进而实现节能、建设环境友好型体育场馆的设计目标。对于分工明确的国外事务所来说，通过参数信息化模型可以更好促进跨公司间的合作，这也是BIM技术加快设计、协调合作的一个原因。在整个模型的设计过程中，建筑师起到统领整个设计过程的作用。建成的建筑信息模型除了具备整个建筑的全部信息，在施工阶段有关建筑立面板材加工和定位都可以在此信息模型中进行修改，大大节约了现场加工的人力与物力成本。