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BIM参数化设计技术在异形建筑工程中的应用

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牛一凡

摘要：随着数字技术的快速发展，BIM参数化技术越来越多地被应用于异形建筑的设计和建造之中，促使二维设计向三维参数化设计转变，使得设计流程、设计质量和效率有了显著提高。本文首先对异形建筑工程中的BIM技术和参数化设计技术原理进行简单的介绍，归纳BIM技术的主要特点，并对BIM参数化技术在异形建筑工程中所主要使用的设计软件进行简单的介绍，为BIM参数化技术在异形建筑工程领域内的应用提供一定的参考价值。

Abstract： With the rapid development of digital technology， BIM parameterization technology is increasingly used in the design and construction of special-shaped buildings， which promotes the transformation of 2D design into 3D parametric design， making a significant improvement in design process， design quality and efficiency. This paper first introduces the principle of BIM technology and parametric design technology in special-shaped construction engineering， summarizes the main features of BIM technology， and introduces the design software mainly used in BIM parameterization technology in special-shaped construction engineering. It provides certain reference value for the application of BIM parameterization technology in the field of special-shaped construction engineering.

關键词：BIM技术;参数化技术;异形建筑

Key words： BIM technology;parametric technology;shaped building

中图分类号：TU17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2019）14-0160-03

0 ?引言

随着城市的大规模扩张，在各种建筑趋势的碰撞下，大量的异形建筑开始出现。异形建筑曲面具有流线型特征，通常形状不规则，因此出现了大量非标准结构和建筑构件。然而，传统的计算机辅助设计方法，虽然使用计算机图形大大提高了设计的效率，然而，面对异形建筑的设计、建造，仍然难以快速准确地表达建筑师的设计意图。由此，参数化技术被引入异形建筑建设项目，已经深入到建筑设计的各个环节当中，将参数化设计技术运用于异形建筑设计的前处理阶段，以参数方式构建表面模型具有广泛的工程意义。

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，以三维数字技术为基础，集成了建设项目各个阶段的相关数据信息，是项目实体的物理和功能特征的数字表示。BIM技术的出现恰好迎合了异形建筑的设计和建造，促使二维设计向三维参数化设计转变，使得设计流程、设计质量和效率有了显著提高，这对于建筑行业来说是一次真正的参数化、信息化革命。

1 ?BIM技术与参数化设计概述

1.1 BIM技术概述

BIM技术[1]是用于建筑设计、施工及运营管理过程中的一种参数化信息工具，通过数字信息模拟建筑物所具有的真实信息，将工程项目全生命周期中各个阶段的工程信息、过程信息和资源信息集成在同一个模型中，形成一个具有建筑项目全方位信息的数据库，随着模型的不断改进，工程信息的所有参数都储存在模型数据库内，使得模型信息更加丰富完整，工程各参与方能够对模型数据库进行信息的插入、提取、编辑、更新等，以满足相应的工作需要。

BIM技术可应用于从设计到施工再到运营贯穿整个工程项目全生命周期的一体化管理，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，通过应用软件对数据库的调用，完成模型信息与各专业之间数据的共享与传递，将同一平台的数据共享应用于项目的各环节。

1.2 参数化设计概述

参数化技术是计算机辅助设计领域（Computer Aided Design，CAD）技术不断发展过程中产生的革命性技术，在制造业对自动化和智能化程度提出更高要求的情况下，就需要更加贴合的技术支撑，由此，参数化技术应运而生。

徐卫国[2]对参数化设计做过如下定义：“参数化设计就是把影响建筑设计的主要因素看做参数，将这些参数通过特定的关系组织到一起，借助于计算机编程和软件进行描述，通过计算机技术把变量数据信息转化成参数模型。”由于异形建筑的表达方式有异于常规，传统的设计表达方式已经无法满足其设计和生产需求，而参数化设计就作为一个很好的契机进入到建筑设计领域中来。参数化设计通过控制变量的输入值来优化建筑形态、空间，以及模型数据的自动生成，对其进行直观的控制[3]。参数化设计的核心思想就是通过改变参数来控制生成结果，同时确保逻辑系统不变。

和传统CAD设计相比，参数化设计不是针对某一几何形体进行设计，而是设计了一类拥有共同特征参数的几何形体，通过对特征参数修改，可以得到相似但不相同的几何形体。用参数和程序控制三维模型，使模糊调整比手工建模更精确、更合理，提高模型生成和修改速度，快速实现建筑、结构模型的有效互动，大大提高设计效率。

2 ?BIM参数化建筑设计的主要特点

基于BIM的参数化建筑设计具有较强的联动性，通过构建三维模型以獲得建筑工程的各种信息数据，在项目策划、运行和维护的全过程中进行数据共享和传递，主要具备以下一些特点：

2.1 模型信息的集成性和联动性

BIM模型是一个数字化的整体文件，综合了各专业的设计信息。在基于BIM的协同设计过程中，各专业的设计信息最终通过协同设计平台收集在模型当中，任何设计信息的变更都只需要在次模型基础上进行修改，使修改的关联性大大加强。如果出现设计变更，所有的数据信息都会自动的在模型中进行修改，随之各种平面图、立面图、结构图也会关联更新，省去了大量校正检核所需要的时间，也减少错误和遗漏的可能性。

其次，实体模型不同于表面模型或线框模型。它不仅具有直观的可视化信息，如2D或3D几何体，建筑构件单元的其他属性信息，如成本、用料、重量也会附加到其上。在整体层面上，BIM包含了工程的完整信息，包括设计信息、加工制造信息、施工信息和维护信息等，这些属性信息都是与模型复合关联的。

2.2 模型信息的一致性和协调性

BIM技术不仅可通过3D协同平台进行设计和建模，还可以轻松获取准确的技术经济指标、工程量等指标。模型对象可以在不同阶段可以进行修改和扩展，无需重新创建，且项目各相关方可以随时共享信息，有利于信息的传递与更新。避免各阶段信息传递过程中出现错误，帮助各方参与者更有效的处理形体和构件的设计与表达。

协调性是BIM技术的主要特点之一。在项目建设过程中，无论是施工单位，还是业主或设计单位，都需要协调及配合工作。比如在设计时，往往会由于各专业设计时沟通不到位，管道与结构冲突，各房间冷热不均，预留洞口尺寸不对等等情况。这些矛盾冲突只有在问题出现后在进行解决，不但影响施工质量，还会影响施工进度。BIM技术可以在建造前期对各专业的布置问题进行协调综合，减少不合理的变更方案，并提出合理有效的解决对策。

2.3 模型信息的模拟性和可视化

为了能够以视觉方式表达专业设计流程，BIM无疑是最佳选择。由于BIM模型空间在视觉上可见，因此建筑建模与结构建模同时进行，可视化可以帮助和确定专业项目的工作范围，促进专业的性能分析和审查，平衡合理性与造价，快速准确的完成异形构件的加工建造，并保证质量与速度。同时，能够提高不同工种交叉作业时的空间、时间利用，所有过程都在可视化的状态下进行，有助于减少工作流程的冲突。

BIM对异形建筑可视化的需求主要是复杂节点研究和施工模拟，利用BIM可视化特性将复杂构造节点全方位呈现，通过对重难点部分进行可建性模拟，进行施工方案分析优化，所见即所得，信息相互关联，联动修改，极大地节省了人力与时间成本。

3 ?参数化设计软件对比

目前市面上应用于异形建筑实际工程中的软件主要有Dassault 公司的CATIA、McNeel公司的Rhino、以及Autodesk公司的Revit。

3.1 CATIA

世界著名飞机制造商Dassault公司研发的CATIA是全球最高端的机械设计软件，在航空航天、机械制造、汽车制造等领域具有几乎垄断市场的地位，是世界范围内主流的CAD/CAE/CAM软件，应用该软件在复杂形体、超大规模建筑时有着出色的建模能力、三维表现力以及信息管理能力。

Digital Project是Gery Technology公司开发的基于CATIA的工程建筑行业应用软件（二次开发软件）。同时，它具有稳定的参数化建模环境和几何造型能力，可以轻松胜出图纸和提起模型数据。

但是，CATIA软件由于其导出文件格式有限，并不能直接导入其他平台进行二次编辑，若把文件转化成Stp/Igs/Stl格式，虽然适用于其他软件，但会出现数据丢失的现象。除此之外，CATIA软件操作比较复杂、购买成本高，且目前更多的应用于工业制造行业，国内能够参照的典型应用案例极少，这也是前该软件不能被广泛应用于建筑行业的主要原因。

3.2 Rhino+Grasshopper

Rhino是一种基于NURBS算法的三维造型软件，是由Robert McNeel & Associates于1998年于美国引入，可以广泛的用于工业制造、三维动画制作、建筑设计等领域。通过Rhino可以实现许多不规则形体的创建、编辑和分析，而且在复杂度、精度、尺寸方面都没有限制。

Rhino的特点在于强大的曲面建模能力和准确的数据输出功能，有利于异形建筑曲面的建立，是实现参数化设计的手段之一。通过Rhino建立的模型能够直接与其它BIM软件之间互相转换，用以分析模型信息。

Grasshopper是一款在Rhino环境下采用编程语言来建模的插件，使设计人员能够参数化的模拟复杂几何形体，其最主要的特点就是可视化节点式编程，即通过特定的参数逻辑生成模型，通过调整参数来改变模型的几何属性，并且可以通过随时优化程序使模型效果达到最优。使用Grasshopper运算器进行模型创建的过程中，建模的过程以及生成的模型都被运算器以数据的形式保存，并且Grasshopper中内置了.NET框架的C#编程运算器，可以通过计算机语言来编辑自定义插件，用以自行开发数据包。

采用Rhino和Grasshopper软件建立的模型，从本质上来说只包含了模型的几何信息，但不包含模型的非几何信息，如物理、功能信息，软件自身并没有创建和管理信息的功能，需要将模型导入其他的BIM软件进行后续的完善和管理，其本质并不是真正意义上的BIM模型。通常情况下，Rhino和BIM软件结合使用才能发挥其最大的优势，最常用的是同Revit相结合。通过在Rhino平台导出SAT格式的文件，将其再导入到Revit中进行后续完善，添加相关的构件属性和数据信息。但是Rhino模型导入Revit软件后只包含曲面、线框等几何信息，在后期对接加工软件的过程中可能会丢失大量的信息。因此，这种交互方法只能用于设计前期进行造型推敲，这也是Rhino作为几何造型软件的局限性。

3.3 Revit+Dynamo

Revit是Autodesk公司专门面向BIM设计的产品，通过床架三维模型和应用数据库来管理工程项目数据。Revit中的自适应构件是一种基于镶嵌理论的构件化工具，通过定义嵌板单元，通过自动调整嵌板尺寸使其适应镶嵌网格，在体量环境下，当建筑模型改变形状后，自适应构件就可以自动调整后重新附着在新的体量上，可以快速的生成构件并改变尺寸，自动便捷的完成网格和嵌板的重构过程。

但是，利用Revit对复杂异形建筑建模的过程十分困难，难以实现参数化设计的概念，因此Autodesk公司推出了Revit的扩展插件Dynamo。Dynamo是在Autodesk Revit的开源附加模块，可以直接在Revit环境下运行，用来进行更复杂的逻辑计算。Dynamo最大的特色计算式设计和可视化逻辑编程语言，可以实现对复杂形体的建模，同时通过构件自定义系统来控制族参数，在Revit中完成体量和自适应构件的创建，进而完成整个建筑的构建过程。

作为Revit平台下的插件，Dynamo有区别于Rhino的插件Grasshopper，借助Revit强大的数据信息管理能力，Dynamo能获得传统BIM建模界面无法提供的几何控制及信息管理功能，灵活获取建筑信息。此外，Dynamo内置的Python语言编辑器可以实现更加复杂的逻辑操作，能够更加自由和灵活的控制形体，进行设计。

4 ?BIM参数化设计在异形建筑中的应用

BIM技术和参数化设计对异形建筑表皮创建的驱动效果是毋庸置疑的。从概念初期根据NURBS曲线原理生成异形形体、幕墙嵌板的划分，到后期加工阶段节点模型生成、定位详图输出，BIM参数化技术都具有较高的数据流动性和整体控制性。

4.1 应用于设计复杂的建筑形体

在设计之初，参数化技术强大的表面建模能力为项目的概念体量提供灵活且严格的形体控制算法，便利的修改、调整功能使其成解决异形建筑设计和施工问题的有效手段。通过算法来尝试不同的参数组合以便获得最佳解决方案，并在视觉误差允许的情况下，尽可能地用单曲面代替双曲面板。通过分析板块搭建是否合理，对不光滑平顺的部分进行拟合以满足加工安装需求，并调整整个设计阶段所存在的问题，利用计算机算法来处理繁琐耗时的机械逻辑运算，降低造价。同时，参数化BIM建立的模型具有设计效果可视化、模型效果可检验、模型数据可指导施工的优点，如图1，可展现2D设计图纸无法提供的认知角度和视觉效果[4]。

4.2 曲面构件的参数化统计

異形表皮的几何形状需要转化为具有实际属性的建筑构件[6]，然后再进行加工和生产。异形表皮构造及形状复杂，型材的长短不一，面板具有非标准饿几何形状，并且板块尺寸大、采用传统的方法对异形构件的加工数据进行处理，工作量大、效率低，难以对数据进行检查，准确度也存在很大的问题，严重影响施工进度。

通过BIM模型提取和管理成千上万构件的设计数据，包括面板、龙骨及连接件的几何、材料和结构信息，依据数据规划进行归类编码，通过编号下放材料加工、管理材料堆放，快速批量提取相应的加工、装配数指导生产过程中使用的材料，通过设计、生产、施工、运维各个方面的信息，避免返工的可能性，提高材料下单速度及安装精度，加快工程进度，实时分析和调整项目中各种因素影响的材料数量，以优化加工计划和方案。

4.3 对建筑构件信息进行数字化模拟

在设计更复杂的建筑形体时，通过BIM参数化设计方法可以实现更加理想的设计效果。BIM技术可以对异形建筑的各种数据进行整合并加以验证分析，以实现多维曲线的建筑设计，并且可以立体展示设计结果。

利用BIM技术预测异形建筑工程的施工条件和安装要求，并进行估算，规划和模拟相应的数据，为下一步规划提供基础，并对整个施工进度进行安排，理清楚各个专业施工阶段工作的交互关系，基于此作出合理的场地使用方案，包括工程所需物料的进场时间、堆放时间和取料路线，保证各个阶段的规划都有效、有序地进行，使得整个工程的施工现场井井有条、始终高效有序地进行。

5 ?BIM参数化设计应用于异形建筑中的意义

参数化设计通过驱动参数模型进行设计，BIM技术基于数据集成承载项目生命周期的各种应用。从过程上来看，BIM技术不仅承接参数化设计模型及参数，同时传递设计，并将更多贡献集中在如何根据新的建造条件、材料供应等情况调整模型数据。通过在建筑设计过程中应用BIM技术，通过建立具有时效性的建筑信息模型实现不同专业的协同设计，避免传统二维建筑设计过程中信息不对等的问题，实现二维到三维的转变，优化设计流程，提高设计的合理性。BIM模型中包括建筑项目整个生命周期的基础数据及核心内容，因此，应用BIM技术进行参数化设计尤为重要。

总之，BIM技术强调各建筑构件的属性信息管理及信息数据自动传递，而参数化技术更侧重控制几何形体和逻辑算法关系，两者的结合已经成为建筑行业发展的必然选择。

参考文献：

[1]Autodesk Asia Pte Ltd. AUTODESK REVIT二次开发基础教程[M].同济大学出版社，2016.

[2]王松.可视化编程语言下的计算式设计插件——Dynamo初探[J].福建建筑，2015（11）：105-110.

[3]徐卫国.褶子思想，游牧空间——关于非线性建筑参数化设计的访谈[J].世界建筑，2009（08）：16-17.

[4]许蓁，白雪海，巴婧.基于BIM的建筑模型构件化研究[J].城市建筑，2017（04）：19-22.

[5]王斌.复杂幕墙系统的BIM实践[J].建筑技艺，2014（05）：32-43.

[6]丁汝丹.BIM、参数化设计在表皮建构中的应用[J].城市住宅，2016（08）.

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