BIM 应用于绿色体育建筑设计研究

段文婷1    DouglasNoble2

（1.同济大学，上海 200092；2.南加州大学,洛杉矶）

　　摘 要：20世纪60年代，美籍意大利建筑师保罗•索勒瑞首次将生态与建筑合称为“生态建筑”，即“绿色建筑”。到今天，绿色建筑的概念，不仅是用在节能技术、被动式太阳能等附加设施，还需要在设计的阶段考虑建筑的基本形式，使其本质上成为绿色建筑。建筑信息模型（简称BIM）技术的诞生和发展促进了体育建筑向更加绿色、生态、智能化的方向发展。利用BIM技术的相关软件进行体育场馆设计，不但在建筑形式上、结构用钢量计算上、甚至材料使用上的节约都是在促进建立绿色体育建筑设计的发展。

　　关键词：BIM；绿色建筑；体育建筑设计

0　引言

　　建筑信息模型(BuildingInformationModeling)简称BIM，经历了近十年的迅猛发展，越来越多的设计公司开始使用BIM技术。BIM技术得以迅速发展的原因绝不仅仅是其作为一个可视化的三维模型，而是由于BIM技术服务于建设项目的整个生命周期。其本身不是某一个软件的代表，其自身是一组完整的信息，而这个信息不仅对建筑的设计阶段，施工阶段甚至是项目运营阶段都有很大益处。此外，BIM技术可以用于不同种类的建筑，帮助创新设计方法，通过其进行设计的建筑成为绿色、生态、节能的建筑。体育建筑作为高跨空间，属于能耗很大的建筑类型。所谓绿色体育建筑，应该是在遵循设计的基础上，在满足功能和技术的要求上做到节能、绿色、低碳。原有的体育建筑设计，都是在建筑设计方案完成后期进行节能计算，只是通过调整建筑材料和幕墙大小、以及开窗面积达到国家对体育建筑设计的节能计算要求。这样的建筑设计方式，没有达到绿色节能建筑的设计要求。

　　本文针对BIM技术于绿色体育建筑设计的应用，介绍和分析BIM技术如何运用在体育建筑的整个生命周期设计当中。通过对其设计流程和设计方法的分析改变原有体育建筑的设计方式和方法。

图1  BIM软件类型介绍（图片来源：笔者自绘）

1  BIM的发展概括

　　当今几家主要参与BIM软件开发的公司有Autodesk、GehryTechnology、Bentley、Graphisoft以及Vectorworks都在不断更新自己的软件工具体系使其应用于BIM设计的全生命周期设计当中（如图1）,各个BIM软件制造商都在完善各自软件的功能使其更好的适应于当今社会对建筑生命周期设计的需求。像Autodesk公司建筑设计套件集成了多种建筑信息模型（BIM）及CAD工具，能够高效地进行设计、可视化和仿真。由于Autodesk公司占据了BIM行业的首要位置，所以大多BIM工具软件都与其旗下软件接轨。但Autodesk主要用于建筑设计的设计软件Revit，在运行存储量超过300MB的建设项目时运行速度减慢，不能进行参数化设计和用于复杂的曲线形态，需要结合其它造型设计类软件如Rhinoceros（犀牛）、Grasshopper等。但近期欧特克公司（Autodesk）采用Autodesk BIM360的云计算功能提高运算速度，解决其应对大型建筑模型运算速度下降的问题。Bentley公司的建筑BIM工具诞生于2004年，其公司的软件主要运用的领域在工业设计。Bentley公司的软件目前扩大到可以用于建筑项目从建筑设计到施工整个周期的各个方面。同时Bentley公司旗下的衍生式设计软件（Generative Components，以下简称GC）适用于复杂曲面设计，可以帮助设计公司建立复杂的参数信息组件，并将一个大型建设项目分解成多个部分储存。GC可以捕获并利用设计意图于几何图形之间的关键关系，使建筑师和工程师能够进行比以前几乎无法想象的设计，获得超乎想象的结果。使用关联的参数和计算方法，设计人员可以便捷地浏览大量的“假设”方案，即使复杂的建筑也不例外。此外，GC还可以帮助整合建筑信息模型并借此模型对建筑的材料、系统信息以及对周边环境的影响因素进行评价。借助GC可以提高设计的准确性并有效的提升设计效率，优化建造过程和相关表皮幕墙加工。DigtialProject（简称DP），是盖里科技基于达索公司的CATIA基础上开发出来的。达索公司主要业务在航空航天制造业，所以其本身开发的CATIA软件很适合曲线以及异形的设计和建造。在CATIA基础上开发的DP具有适用于大型公共建筑设计的优点。此外，DP的特点还在于能将复杂的曲面形态与3D打印技术结合用于表皮幕墙板材的制作。但作为设计软件DP的操作界面也相对复杂，设计人员需要大量时间才能掌握，而且软件的成本较高。Vectorworks产品系列由NemetschekVectorworks公司出品，该公司是Nemetschek AG集团——世界领先的从事建筑物和房地产的设计、建造和管理的IT公司的全资子公司。Vectorworks在欧美及日本等工业发达国家都是设计师的首选工具软件。Vectorworks提供了许多精简但强大的建筑及产品工业设计所需的工具模组，在建筑设计、景观设计、舞台及灯光设计、机械设计及渲染等方面拥有专业化性能。

2  BIM与绿色体育建筑设计

  2.1　绿色建筑

　　绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材），保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。绿色体育建筑设计的概念早在2000年悉尼奥运会时就已经采用建筑生命周期这个概念进行设计，而在2008北京奥运会时，绿色、科技、人文开始作为奥运场馆设计的标准。近十年来如何建设绿色、生态、节能的建筑成为设计的热门话题。因没有相应的技术支持，绿色建筑被认为是超出普通建造成本的“贵族建筑”。随着BIM技术的完善，将更多的参数、信息、材料、造价数据加入到建筑设计的模型当中，进而在模拟环境中将可能产生的浪费现象进行预估，不但节约成本还是缩短施工时间。节约资源、高效的体育场馆设计随着BIM技术的加入使其自然成为了绿色体育建筑。

  2.2　体育场馆建筑设计

　　从体育建筑设计来说，BIM技术的应用要从方案设计开始。参数化设计作为实现体育建筑BIM技术应用的关键因素，近年开始被广泛应用。涉及到使用参数化工具进行设计的主要是体育场馆的外部造型，以及建筑表皮覆盖面层的设计。体育建筑曲线造型的规划和建造只有通过参数化的描述和设计才能实现。通过建立BIM模型使建筑结构可以在虚拟时间进行分析，以达到最合理的结构形式以及对体育建筑表皮材质数量和大小的确定。

  2.3　结构设计

　　在结构设计方面，BIM技术的碰撞模拟能够帮助建筑师在设计阶段就对建筑形式与结构之间定位关系有明确了解，而不会出现在施工期间发现结构构建与建筑空间冲突之类的问题。在节约用钢量技术上，BIM技术的应用可以大大减少不需要的钢材使用量。像2008年北京奥运会的鸟巢，初期设计用钢量大大超过其实际的需求量，而最终在优化设计过程中采用BIM技术，利用达索公司的CATIA软件进行结构分析优化结构；又如在都柏林刚刚建成的Avia体育场采用BIM技术，应用了Bentley公司的GC软件技术建立了体育场馆的整体模型。通过对模型进行分析发现，计算体育场幕墙最小厚度不是设计时选择的8mm的聚碳酸酯而可以采用3mm厚的聚碳酸酯板代替，这样整体结构的用钢量可以从200t减少到80t，立即使得材料的造价成本降低到原来的60%左右。

  2.4　其他相关专业应该BIM技术的优势

图2 杭州奥运体育场馆管线设计图（图片来源：Autodesk公司）

　　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，在设计时便能更为直观的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(Autodesk)公司的Navisworks、Bentley公司的Projectwise以及Navigator和Solibri ModelChecker。在建造过程中利用BIM技术模拟整个建造过程，直接向班组进行施工交底和作业指导，改变传统的2D平面转为4D（3D+时间纬度）的可视化交底。而对于其他人员，对于工程的认知不仅仅停留在二维图纸上面，而是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。

  2.5　节能以及相关分析

　　绿色体育建筑设计依赖BIM技术的实现。在建筑设计初期阶段，建立客观合理的建筑生命周期评估，借助IES<VE>2或者生态建筑大师（Ecotect Analysis）等能耗分析软件帮助分析体育建筑的能耗。例如，中建国际（CCDI）利用IES软件分析其参与设计的杭州奥体中心，该项目从方案设计初期到项目实施阶段都采用BIM技术；杭州奥体中心利用BIM模型进行风环境模拟分析，直接将BIM模型导入IES，分析其建筑表皮孔隙率以及开孔率。

3　结语

　　麦克劳·希尔的最新SmartMarket报告显示，绿色建筑促进BIM软件的应用。

　　近几年兴建的体育场馆，大都采用公私伙伴运营模式（Public-Private-Partnership）。在公私伙伴运营模式下，设计建造的部分在私营部门的合作伙伴设计和制造基础设施，同时满足公共部门合作伙伴的规范的前提下，整体设计建造部分的价格往往是固定的。由于投资和设计建造成本被固定，需要以最节约的财力和物力实现更加经济、高效的体育建筑，而这本身也是绿色体育建筑所倡导的理念之一。

　　未来的体育建筑，应是更加智能化和可控化的建筑。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命周期的设计问题。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。但需要建立完善的BIM制图标准和审查标准改变原有的审查制度，还需要制定更加详细的体育建筑BIM设计导则。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者跨地区的大型综合类体育建筑项目，利用全球资源整合设计出更优秀的绿色建筑。