江蘇大寺院項目的設計流程

1自然地形空間江蘇大劇院是集娛樂、會議、展示、娛樂為一體的大型文化綜合體。用地面積19.6633萬m2,總建筑面積271386m2,建筑高度47.3m(圖1)。在潮起潮落的長江之畔,蓄勢興建的江蘇大劇院取意水之靈動,造型如同漂浮在生態綠野之上的四顆水珠。每顆“水珠”內分別容納了歌劇廳、戲劇廳、音樂廳、綜合廳等主要功能,全部坐落在一個公共活動平臺之上。場所的存在彰顯層次豐富的立體空間設計,在基地內用流水的筆觸塑造了自然有機的外部空間體系。夜晚的大劇院,光芒從浮華上演的藝術活動中漫溢而出,似水光搖曳,如畫舫凌波般動人(圖2)2bim技術應用于設計江蘇大劇院項目在設計過程中有以下兩個難點:(1)形態復雜——水滴狀的建筑體量給幕墻設計、結構設計、機電設計都帶來一定的難度,基于復雜曲面進行多專業設計,必然需要BIM技術的介入與支持。(2)可持續設計——復雜的形體如何更準確地進行可持續設計與分析,以保證設計品質,是擺在設計師面前的一大難題。為解決上述難點問題,在設計過程中,各專業設計人員將所有的工作對象限定在同一個BIM模型中,利用統一的三維協同工作平臺,將各個專業、各個軟件之間的數據整合到BIM數據庫中,形成設計數據鏈,以確保協同設計數據能夠快速共享,準確傳遞到下一個設計環節中。依托BIM數據庫的設計流程提高了工作效率,保障了本項目的順利實施。2.1結構體系的確定水滴狀的建筑外形使得參數化設計成為整個項目貫穿始終的核心技術應用,而參數化設計的前沿技術應是參數驅動,當建筑物任何一個部分發生微小改動時,其他相關元素也隨之產生變動。江蘇大劇院項目的參數驅動工作流程如下(圖3,4):(1)將每個單體解析為由弧形斷面沿著閉合曲線掃掠而成,在Rhino軟件中用幾何參數分別完成對路徑和斷面曲線的定義,單軌掃掠而成水滴狀建筑外殼。(2)在確定建筑外殼后,依據結構設計方案構建結構中心線模型,為結構計算提供準確定位。將鋼結構體系中立柱個數、軸網角度大小、結構桿件厚度等均設為可調參數,通過調整參數形成不同的結構方案,進行相應的結構分析與比選。(3)參照結構分析結果確定結構布置方案后,對幕墻進行菱形劃分。其中菱形的長寬比例、大小均為可調參數。幕墻劃分方案確定后,編寫程序確定開窗范圍和開窗大小,最終完成立面設計。由參數驅動的BIM設計方法便于設計師依據其他專業的分析結果快捷、高效、直觀地完成對形體設計的調整,以解決各專業同步的問題。2.2結構體系布置模型江蘇大劇院項目音樂廳、歌劇廳、戲劇廳、綜合廳四個主體結構均以地下室頂板作為整個主體結構的嵌固端,各單體為框架-剪力墻結構體系,屋蓋及外圍護結構采用空間網架結構(圖5)對于復雜形體基于BIM技術的結構設計流程如下(圖6)(1)上部鋼結構a)在確認建筑造型Rhino模型后,根據結構設計方案在Rhino模型中構建結構中心線模型,為結構計算提供準確定位。b)按照結構布置方案的不同,分別完成頂蓋和主體結構中心線定位模型,然后整合形成無立柱、無斜桿、有斜桿和桁架4種結構體系的鋼結構布置模型。c)將4種鋼結構布置模型以DWG形式導入專業結構計算軟件ETABS和SAP中進行計算,研究不同結構布置方案下鋼結構的內力、變形、模態、穩定性等方面的力學變化,綜合計算結果確定有斜桿結構體系為最終鋼結構布置方案。d)通過二次開發的軟件接口,將鋼結構計算模型轉化為Revit結構模型。(2)下部混凝土結構a)參照建筑Revit模型,結構工程師在專業分析軟件中構建結構計算模型。b)在計算模型中添加荷載并指定連接方式后,導入PKPM中進行計算分析。c)通過二次開發的軟件接口,將混凝土結構計算模型轉化為Revit結構模型。(3)整合將上部和下部的結構模型整合到項目BIM數據庫中,形成設計數據鏈中重要的一環,與相關專業的設計數據共同推動項目的順利實施。2.3質量控制和模型轉換技術觀演類建筑設計中尤為關鍵的環節是進行座位的視線分析。借助Rhino軟件參數化的特性,將觀眾廳座位給予一定排布邏輯,同時通過編寫計算規則,計算設計方案中每一個座位上觀眾的水平視角、最大俯角,通過邏輯判斷找出不符合劇院設計規范的位置,為設計優化提供依據。通過參數驅動,快速進行座位布置調整,求解到最佳座位布置方案,及時地更新到BIM數據庫中,保證了設計數據鏈中數據的準確性和及時性(圖7)。觀演類建筑對聲效的要求極為苛刻,在設計過程中聲學分析是必不可少的一環。為保證聲學分析的準確性,將觀眾廳BIM模型直接導入Ecotect軟件和Odeon聲學分析軟件中進行專業聲學分析。在分析過程中,利用BIM模型經過一定數據格式的轉換,能夠在短時間內獲得精確的聲學分析結果,設計師根據聲學分析結論調整吊頂及側墻的造型,以求獲得最佳的聲學效果。BIM模型的重復利用性縮短了設計周期,提高了工作效率(圖8,9)。利用BIM模型經過一定的數據格式轉換,導入Pathfinder軟件中,再添加疏散信息、人員等信息,進行消防性能化分析,驗證疏散設計是否合理,確保火災發生時人員能夠及時逃生,避免不必要的傷亡(圖10)。3專業設計軟件BIM技術除了實現高效的設計協同,也在可持續設計中發揮重要的作用。借助BIM模型,設計師通過Vasari、Ecotect、GBS、SimulationCFD、EnergyPlus、eQUEST等專業軟件,在方案設計階段反復推敲建筑性能的優劣,以完善設計,提高品質。(2)室內舒適度分析戲劇廳整體的送風速度皆小于0.25m/s,僅下送風的送風口附近風速大于0.25m/s,滿足人員舒適度的基本要求(圖13)4設計因素的客觀呈現在BIM平臺上設計師們能夠高效地開展三維設計,BIM技術獨有的立體直觀、數據聯動、隨時展現真實空間等特點,使設計師們能將工作重心回歸到建筑設計的本身,利于建筑藝術性的完美呈現。同時,協同的工作模式也有助于設計師們減少人為錯誤,提高服務品質,提升品牌價值(圖14～16)。5相關分析及優化建議BIM技術將成為未來工程建設領域的一大趨勢,作為以建筑設計為主業的設計院,只有掌握BIM的最新技術,才能具備企業的核心競爭力,走在行業的前沿。針對可持續設計,我們提出了相應的BIM分析流程(圖11),完成了相關分析,并基于分析結論對設計提出了優化建議:(1)風環境分析由風環境分析圖(圖12)可見,靠近地面處速度較小,江蘇大劇院附近1.5m高度處速度最大為2m/s,平均速度在1.5m/s左右,滿足《綠色建筑評價標準》建筑物周圍人行區風速低于1.5m/s的要求。業主單位江蘇大劇院工程建設指揮部建筑設計單位:華東建筑設計研