基于BIM正向设计的异形建筑参数构建方法研究*——以吉安高铁新区会展中心为例

刘倩昆 秦玉兰（吉安职业技术学院，江西 安福 343200）

随着异形建筑造型越来越复杂，依附于建筑上的信息量也在不断增大，如何快速准确地建立、使用、管理这些信息成为业界难题。参数化技术为几何形体的建构提供了灵活的控制途径，而BIM平台由于可以有效整合整个建筑全生命周期的信息，因此数据流传递的完整性与便捷性会影响到整个建筑流程的效率[1,2]。本研究旨在针对异形建筑曲面外形不规则，具有大量非标准建筑构件，进行准确建模非常困难，处理相当烦琐，工作量极大等问题。主要研究异形曲面基于BIM参数化软件的逻辑建构、曲面建模方法、信息数据如何传递给其他专业模型等问题。以Revit及其插件Dynamo为平台，试图通过对目前吉安市高铁新区“五指峰三中心”异形建筑群进行实例研究，采用“手动建模+参数生成形体”的轨迹根据会展中心的外观特征寻找适合的数学模型或逻辑依据，生成非标准化建筑形体，总结出目前典型异形曲面形态生成的逻辑，构建方法、优越性。提出基于“逻辑-参数-形体”的异形建筑曲面深化设计与数据处理的流程建议和技术方案，解决复杂构件难以管理、软件之间数据难以传递与交换的问题，实现异形建筑参数化构建。

1 研究内容

（1）异形建筑参数化构建方法理论研究，通过对目前国内外BIM技术、参数化设计技术理论、现状进行研究，并对BIM技术的核心特征、概念内涵、参数化建模原理以及已有的技术、方法等进行总结，为本文提供理论基础及方法指导。

（2）阐述当下基于BIM的异形建筑曲面参数建模方法，信息数据如何传递给其他专业模型及构建效果展示形式。采用附有Dynamo插件、橄榄山快模插件（土建、机电、管综、精装）的Revit软件，用例图、平、立、剖、三维图、族类表示异形建筑模型[3]。运用逻辑语言和函数公式创建BIM的族模板，初步使用Revit软件进行参数化翻模训练。以图纸、Lumion渲染视频、Fuzor漫游视频形式展现需求，附以文字资料、表格等形式再方便展现需求的其他属性和信息。

（3）通过对吉安市高铁新区“五指峰三中心”异形建筑群建构案例之间的横向对比，探寻曲面形态的主要建构方法及逻辑。针对不同曲面类型提出合理的建构方案，探索基于Dynamo异形曲面参数化建模方法，实现曲面参数化控制，并对所生成的曲面进行网格划分和方案优化。

（4）结合吉安高铁新区会展中心项目实践案例提出优化的建筑外观建模流程框架和技术方案，展开基于BIM平台的异形建筑参数建模流程。进行基于上述流程和方案的BIM建筑参数异形曲面模型应用，验证相关流程框架的应用效果，总结出基于Dynamo插件的BIM 参数化技术在异形建筑中应用的关键问题。以吉安市高铁新区会展中心曲面建筑外观造型为实践对象，首先通过对异形建筑曲面外观和幕墙工程项目的案例分析，再进行实证研究，包括外观、幕墙造型的参数化建模、数据处理和输出效果、各专业模型衔接、碰撞检查、出图、工程量清单等内容，总结关键问题，为以后BIM技术在异形建筑工程中的实施提供参考。

2 BIM三维协同设计-参数化智能设计

BIM是利用数字模型对项目进行设计、施工和运营的过程，其核心就是建立一个由计算机三维模型及其属性所构成的数据库，完成模型信息与各专业之间数据的共享与传递。参数化设计是将设计问题转化为逻辑推理过程的方法，核心理念是把影响建筑设计的多方面复杂因素都转化成函数的参数，通过算法函数的改变，为设计生成各种方案的过程。、

2.1 项目概况

吉安国际会展中心位于吉安市中心城区西北部，东抵规划东塘大道，南至规划广场南路，西至规划前进大道，北至阳明西路。占地面积为62.16亩，总建筑面积约为70415m2，其中地下建筑面积为24639m2，地上建筑面积为45776m2，规划配建停车位549个，其中标准车位538个，无障碍车位4个，子车位4个，微型车位5个，共3个双车道出入口。该项目是吉安市现代综合性会展中心，也是吉安提升城市功能品质的精品工程之一。该项目确保在设计阶段实现BIM技术曲面外观设计，保障数据模型和施工实际无出入对接，帮助甲方实现工期、质量和成本控制，项目成果得到甲方的好评。现介绍BIM技术参数设计过程，采用Dynamo进行参数化建模，如图1所示。

图1 Dynamo参数化建模流程图

2.2 建模过程

通过设计院提供的图纸初步建立建筑等各专业BIM模型，搭建过程中对图纸进行查缺补漏，对模型表达内容具体化。各专业BIM模型完成搭建后进行整合，大致真实的表达项目整体情况和协调状况。重点对建筑模型进行补充表达，完成坐标点位数据处理：根据图纸提取坐标点位数。由会展中心图纸表明建筑物整体造型不规则，由5个不同曲率的曲面（其中平移曲面2个，可展开曲面1个和直纹曲面2个）拼合而成，钢结构模型与蛋壳模型碰撞检查，校核钢结构图纸、坐标、点位。

在基于Autodesk平台的BIM环境中充分发挥计算式设计能力，通过自动化、模拟计算、脚本编写和参数化等技术手段，完善数据处理、关联结构和几何参数控制的功能。按照Dynamo建模思路，获取控制构件源参数，设计算法，再进行逻辑优化，预定义节点连接，参数驱动。会展中心为不规则曲面，不能用单一函数解析式描述的非线性曲面形体，采用几种常用的基础控制面套用会展中心，拟选定直纹曲面、平移曲面、旋转曲面、可展开曲面和双曲面。确定可展开曲面形式构件起点，应用Dynamo根据坐标点放置族实例，分别放置节点坐标球族，为方便后期运用审查，添加实例参数：编号、X坐标、Y坐标、X坐标，并分别对应赋参数值。观察动态数据并不断调整至合理参数范围，数据之间含逻辑关联，实现信息互通，智能化设计的基础。

网格生成，在异形曲面上提取离散点，构建节点间拓扑关系生成网络。基于网格数量划分的基本思想是：对于NURBS曲面，其参数域为一个二维矩形，参数范围为0≤U,V≤1在该二维矩形内进行网格划分得到参数网格，然后将参数网格的节点参数坐标(Ui,Vj)代入NURBS曲面方程中，得到曲面上对应于该拓扑网格节点的空间点P(Ui,Vj)。网格宽度划分上，在NURBS曲面上沿某参数方向提取出一系列结构线，然后再等弦长划分每条结构线，将产生的分割点作为网格节点，即可从曲面上提取出建立网格所需的节点。

根据节点编号放置自适应构件、字典、运用播放器，手动重复放置，最终完成会展中心异形钢结构模型及外幕墙创建。异形建筑非标准化构件繁多，在建模过程中，需要手动的去创建构件，利用Dynamo实现构件自动化布置。

和各专业模型碰撞检查，有效避让。在后期搭建结构、设备模型的过程中，发生碰撞后，应将碰撞位置进行标记，利用Navisworks软件进行碰撞检查，判断合理性和避让要求，对建筑曲面模型或者结构、设备模型进行调整。

导出国标工程量清单。可以根据优化后的曲面参数模型直接导出国标工程量清单，可按照建筑、结构、设备、装饰等各系统分开，分层搭建，构件拆分细分，满足国标工程量清单统计要求。每个构件都有相应的项目编码，也可按建筑工程清单计量规范修改项目编码，添加每个清单项目的特征描述，核准清单工程量的准确性。模型和数据可对接专业计量计价软件如广联达，斯维尔等。

3 应用价值

（1）BIM技术在异形建筑与常规建筑中的应用对比，空间定位准确，构建信息分类管理。对于常规建筑，外观量与量之间按比例成直线关系，而异性建筑量与量不按比例，不成直线的关系，异形曲面形式难以生成，复杂构建难以管理，软件之间数据难以传递，所以在BIM建模方式上，需要采用“手动建模+参数生成形体”的方式，根据某一特定问题寻找适合的数学模型或逻辑依据，生成形体，对于非标准构件的大量加工制造，为使以后各个部位、阶段的数据能快速准确地被检索到，在建模过程中会对每一个构件进行唯一的排序编号。这一特征就造成在信息传递与表达上，异形建筑能够在空间上定位准确，构建信息分系统管理、分析、传递。

（2）快速拼装、快速建模。利用参数化标准化BIM户型和标准化BIM立面模块快速搭建土建和机电模型,可以大大提升建模效率,从而快速完成后续的施工图出图，满足业主日益增长的高增长的需求。

（3）高效变更。利用参数化技术可以即时变更BIM户型和立面模块,当需要对设计进行变更时,既方便又高效。

（4）标准化单元。在标准化BIM户型的基础上可以组合标准化单元再拼装成楼栋，进一步提高建模出图效率,同时，对设计质量更有保障。

（5）本项目在创建方案模型后的深化设计过程中,可实时查看弧形屋面与钢结构及设备管线的空间关系，及时调整构造方案,避免了很多无效的设计深化工作。通过建立精准的施工图模型，精确定位构建的坐标点，为结构及设备专业提供了详细而精准的数据支撑,在设计变更过程中，利用Dynamo编程节点创建异性钢结构桁架，极大的提高了设计变更的效率。

4 结语

在本项目执行过程中,如何准确定位与调整形体,大量非标准化的异形构件如何管理，异形构件能否加工并在现场实施等是摆在建筑师们面前的难题。通过参数化创建方式建立的BIM模型,具有可控、精确、三维可视等特点,生成的漫游动画可直观展现整体造型。建筑建模与结构建模同时进行,方便各专业开展性能分析和审阅,方便建筑方案优化,平衡合理性与造价,快速准确的完成异形构件的加工建造,同时保证质量与速度。异形造型空间复杂,二维技术几乎无法应对多次反复的修改。在三维模型中,所见即所得,信息相互关联,一改全改,极大地节省了人力与时间成本。BIM技术不仅可通过三维协同平台进行设计与模型建构，还可以便捷地获得精确的技术经济、工程量等指标。信息互用与表达能帮助团队和参与方更高效协调处理复杂形体和构件[4，5]。

其次，通过三维可视化直观表达建筑、结构、精装和设备之间的关系，在建筑BIM模型上导出的逻辑数据信息添加到其他专业模型上，识别共同的模型属性，实现信息与模型的结合，为搭建会展中心项目整体模型提供了直观的依据。由于BIM模型包含了项目的几何、物理和功能等完整信息，BIM可视化可以帮助使用者直接从BIM建筑模型中获取需要的几何、材料、光源、运维等信息，而且可视化模型可以随着BIM设计模型的改变而动态更新。甲方想到需要改变的地方可迅速做出改变，保证可视程度与设计要求一致。

最后，工程项目普遍设计范围较广，协调专业较多，结构错综复杂。对异形建筑来讲更是如此。通过BIM参数设计模型的搭建，可以直观反映建筑空间与建筑结构构件如钢梁、顶棚等的衔接问题。通过BIM曲面参数模型的直观效果可使各专业进行有效避让，避免碰撞，为后续施工带来视图便捷，减少不同专业之间的相互影响，降低工程成本，同时保证工期。