数字化技术在建筑设计与施工建造中的应用

冯小敏 中央美术学院

1.建筑数字化技术发展的意义

20世纪90年代中后期，美国及欧洲部分建筑学院开始进行有关数字化技术发展成果在建筑设计领域的应用探索，其中以伦敦AA建筑学院、美国麻省理工学院、哈佛大学建筑学院、加泰罗尼亚理工大学尤为突出，这些学校已具有丰富的理论研究成果，相关技术及理论在实际工程中有所实践。国外设计机构如SOM、AECOM等大型工程设计集团对数字技术在建筑方案设计、方案深化、施工配合等领域的运用较早，已积累大量项目经验。国内对建筑数字化信息模型的运用多停留在3D阶段，缺少参数化在施工建造等多专业领域运用的研究。同时建筑与结构等多专业参数化互动优化设计方面的研究非常匮乏。国内建筑数字技术的发展具有以下重要意义。

1.1 提升工程效率

现代社会建筑功能与建筑形态趋向复杂化发展，多专业协同设计难度及施工难度均大幅增加，数字化技术的运用顺应建筑复杂化及社会多样化的发展规律。同时能够快速解决多专业协同优化等技术问题，提升设计效率与现场施工速度。

1.2 减少资源浪费

全球范围内每年会由于建筑信息传达的错误以及多专业衔接的不畅导致数额巨大的建筑资源浪费。其中建筑拆改、材料切分浪费、重复施工等浪费现象尤为严重。数字模型在设计前期的应用能有效提升建筑师对工程的把控度，提升工程节点及建筑细部精确度，使数据传递更加便捷准确，实现工程信息从单专业设计到多专业配合的协调统一。

1.3 人性化需求

传统建筑设计流程需要大量的人力投入，设计修改和设计变更造成大量的人力成本浪费,从设计至施工流程缺少人性化考虑。通过引入数字模型技术，实现图纸的快速修改与快速出图，同时通过数字化模型信息系统的应用能够极大辅助工程师进行施工信息读取，实现工作效率与建筑质量的完美提升。

2.建筑数字化技术特点分析

2.1 可视性

建筑信息模型通过数字化云渲染技术可以快速生成建筑渲染效果，便于对建筑空间与细部进行研究，节约人力物力时间成本。利用VR数字技术辅助设计，将搭建的三维数字空间模型与VR设备连接，实现对建筑室内外各个空间的直观体验。同时在项目现场结合5D体验对施工团队进行安全教育，有效提升项目施工安全等级。同时借助全息投影技术，数字建筑模型能够呈现出具有真实空间维度的立体影像。使建筑的展示与表达更为直观，也使施工团队对建筑整体效果有全面而细致的把握。

2.2 模拟性

基于数字化建筑模型，可运用数字化模拟软件，对建筑进行环境分析模拟。风环境模拟阶段，利用软件对建筑的风压及周边风速进行分析，确保方案的可行性。后期为了获得更加精准的风环境数据，可通过3D打印技术建造超精度实体模型，对建筑形体进行风洞试验，测算数据重新导入建筑模型进行造型优化设计，保证结构及形体设计更加安全经济。室内声环境模拟阶段，根据建筑功能及使用要求，在数字模型中放置声源，进行声环境模拟分析，根据分析结果，确定空间体积、墙壁与吊顶材料的吸声系数，以确保空间满足其不同使用状态下的声学要求。室内采光模拟阶段,对数字化建筑模型室内空间进行采光模拟，根据不同房间的功能调整各朝向窗户尺寸，使采光与照明系统相互补充平衡，实现采光效率的最优化。

2.3 高效性

数字化设计模式将建设单位、设计方、总包和分包等单位的协同工作统一在数字三维模型平台上进行，提升了项目整体的管理水平。同时可使用云端数据协同技术在移动终端对模型进行实时查看与快速修改，方便多专业沟通与设计管理、统筹的便捷高效。

3.建筑数字化技术应用方法

3.1 建立基础数字化建筑模型

在建筑设计前期阶段，对建筑形体进行几何分析，搭建基础几何数字信息模型。在方案深化过程中，运用椭圆方程、圆弧方程、抛物线函数、三角函数、等对造型进行分析，同时对形体进行有理化分解。通过参数控制生成多种模型方案，结合采光模拟与风环境模拟的结果，选取最优形体方案。

3.2 多专业信息协同优化

多专业协同是数字化工程技术应用的重要领域。工程师可使用Revit作为多类型数字化模型软件协同运用的中枢平台，结合多种软件进行协同设计。将各专业构件的几何数据、材质信息及相关物理特性等进行整合，构建综合性项目数据库和虚拟化三维模型，借助数字信息平台，进行快速编辑。各专业主体文件可根据工程要求独立设计，模型通过协同设计平台连接并自动更新个体文件，实现全专业信息实时共享。

3.3 管线综合检测

建筑数字信息模型技术可以帮助设计人员从三维视角观察错综复杂的管道空间关系，并通过Navisworks等软件进行管线碰撞模拟，各专业设计人员只需通过碰撞报告，核对碰撞点，进行同步修改与文件的实时更新，提高设计精准度。二次砌体工程深化在综合管线排布完成并经批复后，开始绘制管井预埋套管图及墙体的二次深化，从而有效减少现场管线碰撞率，提高建筑空间利用率。

3.4 数字建造与逆向工程

针对数字信息模型利用几何分析方法对建筑各结构构件、预制墙体、建筑幕墙、室内精装构件等进行分析，结合数字化建筑工业产品的制造方法，如数控机床、冲压、五轴切割技术、3D打印、激光扫描技术等，对各部分材料及尺寸进行逆向优化设计。钢结构逆向设计阶段，通过研究各部分钢梁的加工方法以及加工设备承载尺寸后，将三维梁体进行数字模型有理化拆分，以满足设备机械加工要求，实现钢结构自动加工标准化管理。幕墙逆向设计阶段，通过对曲面铝板加工工艺以及无模多点成型机工艺数据的了解，综合加工成本，运用逆向设计的思路对铝板划分优化，铝板曲率优化，铝板尺寸优化。在室内构件逆向优化阶段，当土建施工及钢结构拼装完成后，使用三维激光空间扫描仪对结构进行扫描，在计算机中对扫描模型与数字化室内空间模型进行比对，提前预知施工误差，同时对预制构件面板进行快速修改与优化，节约时间与成本。

3.5 费用精确控制

数字化信息模型具有全面的工程信息，包含了几何信息、材料信息、产品信息、施工信息等。建筑师可以利用程序自动导出各部分清单列表，进行快速的成本统计。当单专业信息模型发生修改时，可以快速得到施工费用统计结果。同时可利用数字信息模型结合项目进度进行各阶段建筑材料采购费用统计，实现项目支出的精确控制[3]。

4.结束语

随着国民经济的发展和科学技术水平的进步，设计与建造智能化发展将日趋完善。数字化技术将为工程领域创造更美好的发展前景，为中国的智慧城市建设提供科学有序的方法，使之走上健康发展之路。