BIM正向设计在浙江树人大学游泳馆中的应用

2018-11-08 09:52张永刚戴建斌

浙江建筑 2018年10期

程健,张永刚,戴建斌

(浙江省省直建筑设计院,浙江杭州 310012)

浙江树人大学杨汛桥校区游泳馆项目采用EPC的项目模式。该项目地下建筑面积为203 m2,地上建筑面积为4 905 m2,为两层的公共建筑。采用现浇钢筋混凝土框架结构,大跨度屋面采用钢结构桁架。设计使用年限为50年,安全等级为二级,建筑耐火等级为一级。

游泳馆集游泳、乒乓球、壁球、办公等多功能于一体,空间交错,外立面造型独特,功能复杂,设备和管线较多,为钢筋混凝土框架与大跨度钢结构组合而成的混合结构,见图1。本项目为EPC项目,对造价控制、设计质量和进度要求非常高,需要在项目实施过程中紧密协调各参与方。

图1 效果图(由BIM模型导入3Dmax渲染)

1 BIM三维协同设计

1.1 三维设计与二维表达

本项目设计模式采用Revit平台直接进行三维设计,遵循了常规的正向设计流程。在建筑方案模型深化后,结构利用建筑的轴网标高布置墙柱和梁板,设备根据建筑结构的布置考虑设备和管线布置,设计过程中各专业能直观看到其他专业设计情况,在三维空间中能更好解决设计问题,大幅提高设计质量,提升建筑性能[1]。

因为现行图审、交付成果的需要,三维的模型不能直接使用,必须以二维的图纸来表达,造成三维模型完成后,还需要根据各专业的出图标准,转化为二维的平面表达,这和CAD直接绘图有所不同,具体流程见图2。

图2 正向设计流程图

因为本项目为EPC项目,图纸齐全后,还须提交给预算方,进行成本测算,如不满足要求,还需反馈给设计方,进行调整修改,最后提图审。

1.2 方案比选和优化

在方案阶段,直接采用Revit软件建模,对多个方案进行比选和优化。

1)考虑周边环境,为方便管理,主入口由南面改到北面；

2)为控制造价,减少了无功能或功能性弱的空间,取消二层的内挑栏和泳池南面的检修通道,缩小其余检修通道的宽度；

3)在外立面的美观性方面,对7个方案进行比选,在遵循原投标方案的基础上,最终选择了功能性、美观性、经济性兼顾的方案,见图3。

图3 方案比选

1.3 协同模式

Revit协同主要有两种模式,即链接和工作共享,大项目多采用链接+工作共享。工作共享就是工程师同一时间在同一模型的本地映射的各自工作集上合作。链接类似CAD的外部参照合作模式。由于本项目面积较小,且只有一个单体,故采用中心协同的方式[2],在服务器中建立中心文件,各专业建立独自的工作集,协同更加直接高效,原理见图4。

图4 中心协同模式

通过三维协同设计,建筑模型、结构模型、水暖电模型共同组成了游泳馆协同模型,本项目各专业的模型和整体模型见图5。

图5 各专业模型和整体模型

2 BIM可视化的实现

通过BIM的可视化,可以对外立面、楼梯和其他复杂节点做到更直观更精细的设计。立面设计中,从美观角度调整了幕墙横档的间距,隐藏了外立面的风口百叶,调整了体块间的比例,细化了体块间的穿插关系,调整后的立面见图6～9,墙身的细部节点和转接关系见图10。

图6 东立面可视化设计

图7 西立面可视化设计

图8 北立面可视化设计

图9 南立面可视化设计

图10 墙身节点可视化设计

在楼梯设计过程中,为了楼梯的舒适性,一层到二层的梯段由三跑改为两跑,采用软件自带的净高检查功能进行核查梯段净高。为了加强楼梯间的自然采光,结合屋面的检修口设置了侧窗。为方便进入泳池四周检修设备管廊,检修口位置由泵房里调整到楼梯休息平台处,提升泵房使用率,楼梯三维大样见图11。

图11 楼梯可视化设计

3 BIM模拟性

3.1 建筑性能模拟

通过BIM的模拟性,将Revit模型导入Ecotect软件,对模型进行简化处理,定义外墙、窗户、幕墙、屋面等属性,进行采光、辐射和温度分析,验证和优化建筑性能。建筑师可以方便快捷地得到各种直观的数据,并结合自己的经验,利用自然界的阳光、风力,选用合理的节能措施,改善和创造舒适的室内环境,尽量少消耗常规能源。

如采光分析：由于室外照度随天气情况经常变化,室内照度也随着变化,因此室内自然采光不能用照度的绝对值衡量,需要用相对值即采光系数C来衡量,它是室内某点的天然光照度E1与同一时间段室外全云水平天然光照度E0的比值,即C=E1/E0,采光分析时,发现一层内走道的采光系数不到0.5 %,只能通过两端的门窗进行采光。经讨论在内走道的门框上部和门页上均增设亮子,自然光可以通过两侧的房间透过亮子引入过道,过道的采光系数提高到了2 %左右,见图12～14。

图12 性能分析

图13 一层采光实时OpenGL图

图14 一层采光系数图

3.2 结构分析模型

BIM模型是参数化的模型,可导入结构分析软件进行力学分析[3]。通过Revit与结构分析软件的转换接口,分别将Revit几何模型导入了YJK和Midas软件,在结构软件中定义材料和边界条件,施加荷载,对桁架进行力学模拟分析,控制主桁架杆件的应力比不大于0.9,其中支座处的杆件应力比不大于0.85,次桁架杆件的应力比不大于0.95,控制主桁架的最大挠度约为42 mm,精细化的对比分析使钢结构设计更加经济合理。Midas软件的应力和位移分析见图15。

图15 结构分析模拟

4 BIM协调性

通过BIM的协调性,设计风管穿越桁架,使得泳池上方的净空抬升了0.6 m,见图16。同时在风管和马道交叉的地方,对风管进行上翻处理,方便检修人员顺利通过,见图17。

图16 风管穿越桁架

图17 风管翻越马道

另外,为了控制成本,钢结构屋面与混凝土屋面高差很小,屋面设备的风管无法直接从钢结构屋面和混凝土屋面的小山墙穿到泳池室内。为此在屋面设计了转换井道,通过BIM良好的协调性,在狭小空间内,顺利解决了分管穿侧板、楼板、梁和桁架,见图18。

图18 风管穿屋面小山墙

5 BIM优化性

5.1 空调风系统优化

通过BIM的优化性,对空调系统的送、回风管进行了多次优化,这既保证了泳池上空的恒温恒湿,又节省了造价。优化前后的风管布置,见图19。

图19 空调风系统优化前后对比

5.2 消防系统优化

对二层消防环网进行分析,因空间交错,可以合并一些主管,从而减小了管线路径,使得室内空间干净整齐,系统更加合理,并且节省了造价。优化前后的消防管线布置,见图20。

图20 消防管网优化前后对比

5.3 泳池泵房优化

在泳池泵房设计中,通过BIM精细化设计,排布好密集的设备和管线,使泵房面积减小了20%,从而控制了泵房层高,节省了造价。见图21。

图21 泵房优化

6 BIM虚拟仿真漫游

设计过程中,对游泳馆进行了多次VR虚拟仿真漫游,感受内部空间是否合理,消防主管和消火栓布置是否影响美观,检修是否方便,不断优化模型。消火栓、消防主管以及桁架内设备管线和马道调整后的漫游截屏,见图22。

图22 泳池区漫游

7 BIM出图

根据BIM的出图性,模型深化后,在Revit软件中通过出图样板的设置,进行施工图出图。Revit软件侧重于三维实体的展现,而根据现行制图规范和格式的要求,需要把三维模型采用二维平面的方式来表达。根据不同的专业,不同的图纸内容,设置不同的出图样板,类似于CAD的打印样式和图层控制,Revit出图样板的设置较复杂,许多内容在建模前就要考虑好,总体布局好。建筑专业的平立剖和大样基本做到Revit中直接出图,从出图效率考虑,结构、水、暖专业的平面图基本做到了直接出图,但一些设计说明、节点详图和设备的系统图则采用CAD辅助。各专业采用BIM出图,见图23～27。

8 工程量统计

BIM模型可以直接生成工程量,也可迅速获取设计变更或优化前后的工程量差。本项目也尝试了对主要的材料进行工程量统计,如混凝土、砖墙、型钢、门窗、桥架、管线。但利用BIM模型提取构件的混凝土标号、内外墙体、梁板柱墙互相搭接的扣减关系,以及管线等工程量信息,不符合我国工程量清单计价规范和各地区相关定额对建筑物构件分类、编码和工程量计算规则的规定,无法直接进行造价分析,需要按计算规则予以区分和扣减,花费较多时间,效率不高。若Revit建模所使用的标准与现行国内计量计价规则不匹配,则会导致软件对构件的识别率低,使工程量的误差率偏大。本项目设备管线和混凝土的工程量明细表,见图28。