BIM在体育建筑设计中的应用

1 BIM技术与体育建筑设计

　　1.1 参数化设计——体育建筑BIM设计的基础

　　在BIM概念还没有像今天这样被广泛认知的时候，参数化就被作为是一种提高设计效率、实现对复杂的异形建筑可控化，以及制作模数化分割曲面的技术手段。体育场馆的外部造型以及建筑表皮的设计主要使用参数化工具进行设计。通过建立建筑信息模型，使建筑结构可以在虚拟时间进行分析，达到最合理的结构形式，实现对体育建筑表皮材质数量和大小的确定。参数化改变了传统体育建筑的设计方法，同时也提高了其建筑设计的精确性，缩短了设计周期。

　　1.2 BIM与体育建筑智能化

　　体育建筑向智能建筑发展需要依赖BIM技术才能实现。一般认为，“智能”是指个体对客观事物进行合理分析，判断及有目的地行动和有效地处理周围环境事宜的综合能力。智能地对客观事物进行合理分析，代表在建筑设计初期，通过对参数模型的分析来制定合理的建筑形式以及符合体育建筑设计标准的空间形态。在建筑运行阶段，智能代表可以客观合理地对建筑生命周期进行评估。BIM技术产生的新的设计方法摆脱了传统只对体育建筑进行形态设计，改变了数据分析依托感官设计的方式，建立了整套理性的标准对体育建筑进行整体分析。

　　 2 案例分析

　　2.1 Avia体育场馆设计——参数化设计在BIM技术中的应用

　　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。所以，设计采用一个自由的曲线形态，应用Bentley公司的GenerativeComponents（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，采用透明材料的表皮，以获得更多的阳光，使得建筑本身能够更好地融合于周边环境。设计试图将屋顶结构和建筑立面组成一个完整的形体，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GenerativeComponents（GC）里面建立一个基本模型，再通过在Rhino中得到的数据导入生成GC的脚本，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的设计，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。结构工程师只需要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厚的聚碳酸酯板，而可以采用3mm厚的聚碳酸酯板代替，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%左右。通过应用参数化设计以及BIM技术，Avia体育场项目最终在人力、材料上节约了大概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。
　2.2 杭州奥体中心主体育场——BIM技术从方案到施工应用

　　杭州奥体中心主体育场位于钱塘江与七甲河交汇处南侧，规划建筑面积22.9万m2，拥有固定坐席80000个。此建筑的表皮设计是建立在一系列标准模数化的钢结构网架上生成，所以其外表皮设计需要参数化技术手段，实现设计的协同和复杂几何形体的图纸化。

　　在概念设计阶段，为了定义建筑表皮的空间几何关系和研究形式的多样性，并分析这些形体结构关系的合理性，需要利用参数化模型演算。

　　在图纸化阶段，BIM的工作平台可以促进更高效的交流和协作，使得整个设计过程衔接得更加流畅。BIM技术适合参数化的形体，而参数化形体也需要BIM去实现复杂的几何形体，并使其在更加经济合理的条件下实现，增加建筑形式的多样性。

　　在方案设计初期，Rhinoceros3D和Grasshopper作为主要的形体设计工具。在Rhino中建立模型之后分析形式的多样性，再将模型转入结构分析软件。通过Kangaroo结构分析软件2对结构形式分析后再优化建筑形体，通过Rhinoceros建立3D模型用于建筑和结构分析，最终还是通过将Rhinoceros的模型转入Revit使图纸二维化。

　　同时，与传统设计手法相比，由于整个建筑的表皮为曲面，很难统计出幕墙的准确尺寸和数量，在幕墙设计中只能大致给出幕墙分割，而利用参数化软件，建筑师可以精确统计建筑表面板材的数量和板材的具体信息，如曲率、尺寸等。

　　在施工图阶段，借助原有模型将3D模型的形体设计带入到Revit当中，进一步建立建筑信息模型、体育场馆内部建筑功能模型、结构网架模型、机电设备管线模型等。另外，体育场馆项目设计对防火、疏散、声音、温度等要求较高，这些都需要在IES中进行分析测试，进而得到更加节能的建筑。传统二维图纸设计时，各专业图纸需要汇总后由总工程师进行会审来发现和解决协调上的问题，所以人为上不可避免有很多问题。利用BIM技术模拟整个建造过程，直接向班组进行施工交底并进行作业指导，改变了传统平面交底，转为4D（3D+时间纬度）的可视化交底。

　　2.3 新加坡体育中心——建立在BIM标准下的体育场

　　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的商业娱乐中心，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以及水上娱乐中心。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，所以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。

　　整个工程涉及到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、自动形成准确的剖面、进行碰撞检查及虚拟漫游。除此之外，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。所以，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以及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的信息加入到已有的建筑模型当中，加快模型修改的速度，同时更新的模型可以迅速反馈给其他相关专业的设计人员。使用这个软件还有一个好处是，像Arup这样可能会重复设计同一类型建筑的大型设计公司可以创建一个设计资料库，当其在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，大大节省设计的时间，提高设计的精确性。使用CATIA以及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的过程当中，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以及人力成本。

　 　3 案例总结

　　通过上述三个体育建筑设计案例发现，体育场馆由于存在对场地规模和视线要求等预先设定的要求，在方案设计初期，需要根据确定因素建立好场地的基本模型。通过对建筑所在环境、文脉等人文因素的思考建立基本概念，从而生成概念模型。参数设定下形成的体育建筑曲线形体绝不仅仅是形式主义下的产物，还应是建立在理性分析上得出的具体形态。

　　BIM技术对于中国建筑师来说，可以提高其设计的准确性，减少其与各专业的协调时间，进而保证减少人为造成的误差。对于结构工程师来说，BIM模型内部带有大量信息，可以帮助结构设计人员创新结构形式，同时对建筑用钢量有更加精确的描述。对于设备工程师，可以在三维模型的基础上进行管线综合设计，在设计时更为直观地发现各类设备管线之间的矛盾，以避免不必要的浪费。

　　常见的模型综合碰撞检查软件有欧特克公司的Navisworks、Bentley公司的Projectwise以及Navigator和SolibriModelChecker。而对于其他人员，对工程的认知不仅仅停留在二维图纸上面，还可通过三维模型来判断工程的细节以及相关信息，来进行相互配合工作，减少协调过程中不必要的时间和经济浪费。

　　另外，BIM技术有助于提升中国设计审查制度的准确性，由于体育建筑项目图纸信息量大，即使经验丰富的图纸审查人员也很难发现设计中的一些疏漏之处，利用BIM模型综合碰撞检查软件就可以帮助审查人员发现问题。

　 　 4 结语

　　未来的体育建筑应是更加智能化和可控化的。建筑师不但要考虑形体、功能以及施工建造中的问题，还要考虑到其后期运营以及整个生周期的设计问题。BIM技术的应用更加扩大了建筑师在整个设计中的统筹作用。在BIM的世界里，大型综合类项目尤其是体育建筑，在形体结构设计上随着BIM技术的发展会诞生更多新颖的结构形式。通过BIM的使用，设计师可以先在虚拟世界先将其完成，以便我们可以预测如此庞大的建筑建成后会产生怎样的问题，预测建成之后，其气流、采光、风向和太阳辐射会是怎样的。

　　BIM不仅仅是为建筑师换了一种设计工具，其本身也创造了新的设计方法。此外，随着全球化进程的加速发展，合作项目越来越多，BIM技术更加适合跨国或跨地区的大型综合类体育建筑项目，通过利用全球资源整合设计出更优秀的设计。