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数字 营造 技术 项目 建造 阶段 中的 应用
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数字营造数字技术在项目建造阶段中的应用作者:曾俊杰工作单位:凯达环球电子邮箱:junjie.zeng@aedas.com摘要:近几年里参数化和 BIM 技术一直是个热议的话题。许多建筑师事务所都在尝试将这两种先进的技术应用到他们的设计和工作中去。本文将通过由香港 Aedas 的 Andrew Bromberg 设计的西九龙高铁总站作为案例来介绍数字化技术的综合应用。本文将通过两条线索研究数字化技术的应用。主要的脉络会讨论参数化与BIM 技术的结合及其意义。着重探讨在施工阶段,建筑的数据,信息和模型是如何在设计方和施工方以及各个领域的顾问公司之间传递和使用,如何快速的共享模型和交流。另一条线索则是通过一些在建构复杂形体过程中遇到的问题和案例来列举参数化在各方面的应用。阐述参数化技术是如何实现一些不可能的任务,如何提高工作的“质”与“量” ,以及在建筑师作决定的时候如何给予辅助与参考。关键字:参数化设计;BIM;数字模型。DIGITAL CONSTRUCTIONTHE APPLICATION OF DIGITAL TECHNIQUE IN CONSTRUCTIONJack ZengAedas Ltdjunjie.zeng@aedas.comAbstract: Parametric and BIM technique has been increasingly popular this years. A growing number of architects has been tring to apply these advanced techniques in their projects. The West Kowloon Terminus in Hong Kong, which designed by Andrew Bromberg of Aedas Ltd. in Hong Kong, will be an example to study how digital techniques facilitate the project in construction stage. On one hand, we will discuss how data and models has been transfered and shared between design teams、consultants and contractors. On the other hand, we will discuss what kind of problems exist in the construction of complex geometries and how they has been resolved by digital technique. It will focus on how parametric techniques make an improvement on both the quantity and quality of work.Keywords: Parametric design, BIM, digital model.在每个时代,建筑的形式与理论的发展都与其设计与建造的技术革新有着密切的关系。我们正处于信息大爆炸的时代,技术的革新除了体现在建筑材料和施工营造上,还在很大程度上也落到了对信息的处理和利用上。数字技术,无论是参数化设计还是 BIM 技术,其核心的部分往往都是灵活而高效的管理和编辑数据信息。在不同的设计阶段,数字技术的应用方式略有不同。比如在设计的前期——概念,深化和节点设计的阶段,工作的重点在于出具完整而清晰的设计意向,所以数字模型更多的是设计师单方面的表达工具。而到了设计的后期——施工图设计阶段,由于各个领域的顾问(比如设备,景观,结构等领域)以及施工方参与了进来,数字模型会发生深度的改变,这种改变既体现在‘质’上也体现在‘量’上。一方面,由于各领域的顾问的介入,建筑构件的尺寸最终得以落实,而每一个小小的改动都会牵扯到一系列的调整。这时候,数字模型不仅仅是用于导出设计意向的图片,而同时也作为一个再现现实问题的研究工具而存在。另一方面,由于各个领域的顾问的工作重点和研究方面的差异,导致会有多个不同的数字模型共存。模型的数量越多,在交换和整合模型的时候花费的时间就越长。比较起来,在设计的前期,数字模型往往只有一个,数据的流向是线性的。而到了后期,多个数字模型并存,而数据的流向变的更像网状,多元而互相影响着。在设计的后期,多个数字模型共存这种情况是无法避免的,既有利亦有弊。香港西九龙高铁总站的照片 (来源于作者 ) / Photo shot of West Kowloon Terminus in Hong Kongfrom Author与照片同角度的香港西九龙高铁总站的 Rhino 模型 / Rhino Model of WestKowloon Terminus in Hong Kong©Aedas Ltd多个数字模型并存的利与弊下面会以香港 Aedas 的 Andrew Bromberg 设计的西九龙高铁总站的屋顶外墙为例,介绍在实际建造过程中,数据是如何传递与交换的。首先,西九龙总站的建筑设计团队的关于三维形体的设计,建模和研究是在 Rhino 里完成的,通过 grasshopper 将建筑外皮细分为外挂铝板和玻璃面板后,板材的点坐标会有序的导出。Revit 会协同 C#程序对板材的基本形(Base Geometry Line)作进一步的处理。板材会因应现实中的细部设计而被赋予接缝,厚度,材料代码和名字等,更关键的是,所有板材的实际形体被合理化了,大约 30000 多块各不相同的板材被以有限的标准化类型所替代。从这里可以看出,建筑设计团队(Aedas)就存在两个主要的数字模型:Rhino 模型和 Revit 模型。Rhino 模型用于快速的设计,研究和沟通,而 Revit 模型则作为合约模型而用于出图以及供其他合作团队参考。香港西九龙高铁总站的 Rhino 模型 / Rhino Model of WestKowloon Terminus in Hong Kong©Aedas Ltd结构工程顾问基于建筑设计组提供的模型设定钢结构和混凝土结构体系。结构工程团队也存在多个数字模型,其中有钢结构的理想化模型——robot 模型,包含了最主要的受力构件,用于研究、测试和分析结构的受力状况与表现。另外,还有一个反映现实状况的模型——Tekla 模型,包含了所有受力、连接构件等(甚至连螺丝都如实的建模了出来) ,主要用于研究现实中结构构件的建造及装配。而这两组模型都有荷载前与荷载后两个版本。在建筑承建商阵营里也控制着多个数字模型。在通过项目管理组获得了所有的建筑和结构等二维制图后,建筑承建商雇用的 BIM 顾问团队会持续不断的更新他们的 BIM 模型。他们的模型主要分为三部分:一,建筑混凝土墙体与楼板部分(区别于建筑设计组的表皮模型) 。二,建筑的混凝土结构部分(区别于结构工程顾问的钢结构模型) 。三,建筑室内的吊顶与设备管道模型。此外,建筑的外墙顾问团队会利用建筑设计组的合约模型根据厂家的具体技术来对外挂铝板和玻璃面板进行合理化和重新建模,这个步骤是在 Catia 里完成。到这里为止,总共描述了以下几个模型的创建:建筑设计表皮模型(由建筑设计团队提供):在 Rhino 里创建,在 Revit 重建为合约模型。建筑建造表皮模型(由承建商提供):通过 Catia 将合约模型重建而成建筑墙体模型(由 BIM 顾问提供):在 Revit 里创建建筑吊顶与设备管道模型(由 BIM 顾问提供):在 Revit 里创建混凝土结构模型(由 BIM 顾问提供):在 Revit 里创建钢结构实际模型(由结构顾问提供):在 Tekla 里创建。在一个项目里,参与的团队越多,存在的模型越多,数据传递所需要的时间也会随之增长。比如建筑设计团队需要一个最新的钢结构模型,会发邮件问项目管理团队索取。而项目管理团队需要花时间阅读邮件,确认最新的钢结构模型是由哪个团队控制,然后走程序,向目标团队索取模型。可能在数日或者数周后,目标团队将模型上传给项目管理团队。然后项目管理团队将模型拷贝到共享服务器,走完一切需要走的程序,再将文件链接发送给建筑设计团队。如果在这时候发现模型文件的格式并不适用,就又得重新走一轮程序才能得到模型。这个过程可能是很耗费时间的。但是这种多个团队合作和多模型并存的情况是不可避免的,因为不存在那么一个软件或技术可以解决各个专业领域的问题。每个专业的工作重点与思考方式的不同必然导致其所使用的软件工具的功能有所不同。比如建筑师需要直观,灵活且高效的设计工具,Rhino 等软件就会是很好的选择。结构工程师需要测试结构的荷载能力与表现就会需要用到像 Robot 这里的受力运算软件。而 BIM 团队需要反映现实中构件和材料的尺寸与厚度等信息就会需要用 Revit 等 BIM 软件。如果尝试将所有的模型都导入到 Revit 里,把 Revit 作为终极模型的操作台也是一个不太现实的想法。有两个原因:第一,以现在的硬件和软件技术还远远未能同时处理如此庞大的数据和模型。第二,在 Revit 里不便于进行不同专业的编辑或研究。比起 Revit,Navisworks 在处理庞大的模型时运行起来更为顺畅,但是却无法对几何形体作任何的编辑,也不能将模型导出给别的平台使用。多种软件和多个数字模型共存是一个必然存在的矛盾。如果建立在这一点的认识上,那么问题解决的关键就在于如何可以高效的共享一个可以共同使用的模型格式,比如说 ifc 或 dwg 的模型格式。首先,应该要在各个团队都能进入的服务器里建立一个文档,在这个文档里只存取各团队最新的模型,而模型的格式都应是可以共享的格式——在这里暂且假设为三维 dwg 格式。每当模型有变动时,各团队应自觉将模型更新到服务器的这个文档里。这样的话其他的团队都能在第一时间获得最新的模型。另外一点,下载模型的过程应该是自动化的。比如在 Rhino 里,可以通过在 Python 里编好的程序,只需轻点一下‘更新钢结构模型’的按钮,Python 就会在那个固定的文档找到一个叫做‘钢结构模型’的 dwg 文件,下载导入,转化 Mesh 为多边形面,消除共面等等一系列自动化操作,将共享模型转化为可以为 Rhino 所用的模型。这种自助共享模型的方式可以大大的节约数据传递过程中浪费的时间。主要是避免了中间人为操作的失误以及大大缩减了沟通,走程序所需要的时间。不过,或许在某些项目里也存在有不同的团队间处于自身利益或自我保护的原因而拒绝与其他团队共享模型的情况。对于三维数据的共享,还需要更明确完善的机制或行业的标准来确保这一工作的顺利进行。数字技术在建造阶段的作用与意义主要体现在对于大量数据以及几何形体的控制和管理。以西九龙高铁总站为例,可以简单的归纳为三个方面:1.数据和模型在不同工作平台间的传输。2.数据和模型之间的转化、赋予以及提取。3.辅助设计(模拟和优化)数据和模型在不同工作平台间的传输数据的传输主要是 Rhino 与 Revit 间的数据传输,另外还有导入其他团队的模型时的处理。比如将BIM 模型导入进 Rhino 时可以通过脚本将过小无用而又占据内存的物体(比如螺丝等)删除,识别Mesh 并自动转化为 PolySrf,识别 BlockInstance 并炸开和重组,依据模型中墙体和楼板的高度将其分配到相应楼层的图层里等等,这一系列繁杂耗时的工作都可以交由电脑脚本去完成。编程语言的魔力在于:会编程语言的话就能与电脑沟通,从而使得电脑可以自主的去进行一系列的工作,而不必像扯线木偶一样无时无刻的操纵着电脑。而人就可以去进行一些其他的工作或者思考,或者继续指派一些别的工作来让电脑去完成。只要通过编程语言给电脑设定好判断准则,电脑就能像人一样思考判断以及应对各种情况。这样一个人就可以同时完成多个人的任务,这是在‘量’上的体现。而在‘质’上的体现为:电脑可以以一些量化的标准来寻求和筛选出多个‘最优’的选项,然后建筑师可以结合自己主观的、更为复杂的思考(比如美学的,社会层面的判断)来做最终的决定。数据和模型间的转化、赋予以及提取这方面的作用主要是体现在效率上的提高。在这里举几个简单的例子进行说明:由于在屋顶的景观设计上有着变化高度的地面,于是就产生了各种坡度不同的坡道。在香港的规范规定超过 1:20 的坡道需要添加扶手,超过 1:12 的坡道需要更改为踏步或者考虑重新设计。数字技术可以快速的识别不同坡度的坡道并赋予不同的颜色,使得整体的情况一目了然。另外,在局部的室内屋顶要求铝板具有一定的孔隙率以吸收杂音,因此需要结合承建商的技术特点以及每块铝板自身的形状进行开孔面积的计算。此外,数字技术的优势还体现在许许多多方面的设计和研究上,比如给数万块铝板和玻璃板各自命名,测试铝板的弯曲率,自动给大量的建筑构件标注尺寸到最近的轴线上,检测景观墙体的顶部高度等等。辅助设计(模拟和优化)辅助设计主要有两方面的内容,一方面是模拟,另一方面是优化。在设计复杂形体的屋顶时,排水往往是很主要的一部分工作,也是几乎每天都会被问到的问题。利用数字技术可以快速的模拟水流的方向、聚集的位置以及发生堵塞时积水的体积以及重量,从而评估在极端情况下(比如说黑雨时)是否会对屋顶造成破坏。同时,将排水的流向直观的视觉化后,就可以在关键的部位设立有效的管道排水,将屋檐排水的影响降到最低。此外,数字技术还可以应用到防火测试上。西九龙高铁总站候车室中庭的净高最大处达到 40 米以上,一般的饼状烟感器都会失效。因此需要用到红外线烟感器从中庭的一边发射光束到另一端的反射器,从而实现对烟火的探测与警报。在这方面的研究使用了数字技术优化后,在满足 100%覆盖的前提下将红外线烟感器的数量缩减了大约 20%,不仅大大的节约了成本和装配的时间,还将这一设备对建筑的视觉上的影响降到了最低。优化的研究还有应用在中庭的十对异形柱体上。钢结构异形柱体上部的表皮为圆锥型,由于柱体的粗细不一所以圆锥形表皮的大小也有所不同。圆锥形柱体的类型越多,表面积越大,造价就越高。通过运算和优化后在确保最小的表面积的前提下将圆锥形的类型标准化到了只有 4 种类型。在建造阶段由于有承建商和各个领域的顾问配合以及提供技术信息,因此对于设计的优化的有着实际的意义。对未来数字技术的展望作为最正式的设计和信息传达工具,二维图纸的地位不可替代。然而在复杂形体的建造阶段,有着各种各样的问题难以依靠传统的二维图纸来解决。二维图纸表达的往往是在最典型的情况下的设计意图,信息量是有限的。遇上多个构件交接的复杂界面,二维的图纸往往难以将构件的关系和问题具体的展现出来。因此三维的数据与模型就成为了必不可少的工具。但是现今在与建筑相关的各个行业里似乎仍有相当大的一部分人是完全不使用三维模型的。这使得不同的团队之间对于数据和模型的交流与共享造成了一定的障碍。造成这种障碍的原因有很多,但比较主要的有两个:一是在建筑从业者里有相当一部分人没有正视数字技术的重要性,到现在为止仍有很多人将数字技术简单的视为纸笔工具,而不是大脑的延伸。另一方面则是因为至今为止强大的软件的学习和使用的门槛还比较高,而易学易用的软件却又不够强大。技术的发展应该是以解放和提高人的能力的为目的,而不是束缚和阻碍。数字技术正变得越来越强大,各个软件平台都延展了多方面的功能如分析,模拟等,内建脚本的引入更是让人与电脑具备了“沟通”的可能,将数字技术跟简单的纸笔工具区分了开来。但是数字技术仅仅朝着越来越复杂的方向发展只会使得它越来越难以推广和普及。平板电脑的成功源于它简易和人性化的操作,一个 4岁的儿童在不需要任何指导下都懂得用手指在触摸屏上玩游戏,在设计领域也是如此。越来越简易直观的操作,将会是未来数字技术的发展方向。
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