數(shù)字營造數(shù)字技術(shù)在項目建造階段中的應(yīng)用

1、<p><b>　　數(shù)字營造</b></p><p>　　數(shù)字技術(shù)在項目建造階段中的應(yīng)用</p><p><b>　　作者：曾俊杰</b></p><p><b>　　工作單位：凱達環(huán)球</b></p><p>　　電子郵箱：junjie.zeng@aedas.com

2、</p><p>　　摘要：近幾年里參數(shù)化和BIM技術(shù)一直是個熱議的話題。許多建筑師事務(wù)所都在嘗試將這兩種先進的技術(shù)應(yīng)用到他們的設(shè)計和工作中去。本文將通過由香港Aedas的Andrew Bromberg設(shè)計的西九龍高鐵總站作為案例來介紹數(shù)字化技術(shù)的綜合應(yīng)用。本文將通過兩條線索研究數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用。主要的脈絡(luò)會討論參數(shù)化與BIM技術(shù)的結(jié)合及其意義。著重探討在施工階段，建筑的數(shù)據(jù)，信息和模型是如何在設(shè)計方和施工方以及

3、各個領(lǐng)域的顧問公司之間傳遞和使用，如何快速的共享模型和交流。另一條線索則是通過一些在建構(gòu)復(fù)雜形體過程中遇到的問題和案例來列舉參數(shù)化在各方面的應(yīng)用。闡述參數(shù)化技術(shù)是如何實現(xiàn)一些不可能的任務(wù)，如何提高工作的“質(zhì)”與“量”，以及在建筑師作決定的時候如何給予輔助與參考。</p><p>　　關(guān)鍵字：參數(shù)化設(shè)計；BIM；數(shù)字模型。</p><p>　　DIGITAL CONSTRUCTION<

4、/p><p>　　THE APPLICATION OF DIGITAL TECHNIQUE IN CONSTRUCTION</p><p><b>　　Jack Zeng</b></p><p><b>　　Aedas Ltd</b></p><p>　　junjie.zeng@aedas.com<

5、;/p><p>　　Abstract: 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 Te

6、rminus 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 an

7、d models has been transfered and shared between design teams、consultants and con</p><p>　　Keywords: Parametric design, BIM, digital model.</p><p>　　在每個時代，建筑的形式與理論的發(fā)展都與其設(shè)計與建造的技術(shù)革新有著密切的關(guān)系。我們正處于信息大

8、爆炸的時代，技術(shù)的革新除了體現(xiàn)在建筑材料和施工營造上，還在很大程度上也落到了對信息的處理和利用上。數(shù)字技術(shù)，無論是參數(shù)化設(shè)計還是BIM技術(shù)，其核心的部分往往都是靈活而高效的管理和編輯數(shù)據(jù)信息。</p><p>　　在不同的設(shè)計階段，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用方式略有不同。比如在設(shè)計的前期——概念，深化和節(jié)點設(shè)計的階段，工作的重點在于出具完整而清晰的設(shè)計意向，所以數(shù)字模型更多的是設(shè)計師單方面的表達工具。而到了設(shè)計的后期——施工

9、圖設(shè)計階段，由于各個領(lǐng)域的顧問（比如設(shè)備，景觀，結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域）以及施工方參與了進來，數(shù)字模型會發(fā)生深度的改變，這種改變既體現(xiàn)在‘質(zhì)’上也體現(xiàn)在‘量’上。一方面，由于各領(lǐng)域的顧問的介入，建筑構(gòu)件的尺寸最終得以落實，而每一個小小的改動都會牽扯到一系列的調(diào)整。這時候，數(shù)字模型不僅僅是用于導(dǎo)出設(shè)計意向的圖片，而同時也作為一個再現(xiàn)現(xiàn)實問題的研究工具而存在。另一方面，由于各個領(lǐng)域的顧問的工作重點和研究方面的差異，導(dǎo)致會有多個不同的數(shù)字模型共存。模型的

10、數(shù)量越多，在交換和整合模型的時候花費的時間就越長。比較起來，在設(shè)計的前期，數(shù)字模型往往只有一個，數(shù)據(jù)的流向是線性的。而到了后期，多個數(shù)字模型并存，而數(shù)據(jù)的流向變的更像網(wǎng)狀，多元而互相影響著。在設(shè)計的后期，多個數(shù)字模型共存這種情況是無法避免的，既有利亦有弊。</p><p>　　香港西九龍高鐵總站的照片(來源于作者) / Photo shot of West Kowloon Terminus in Hong Kon

11、gfrom Author</p><p>　　與照片同角度的香港西九龍高鐵總站的Rhino模型 / Rhino Model of WestKowloon Terminus in Hong Kong©Aedas Ltd</p><p>　　多個數(shù)字模型并存的利與弊</p><p>　　下面會以香港Aedas的Andrew Bromberg設(shè)計的西九龍高鐵總站

12、的屋頂外墻為例，介紹在實際建造過程中，數(shù)據(jù)是如何傳遞與交換的。首先，西九龍總站的建筑設(shè)計團隊的關(guān)于三維形體的設(shè)計，建模和研究是在Rhino里完成的，通過grasshopper將建筑外皮細分為外掛鋁板和玻璃面板后，板材的點坐標會有序的導(dǎo)出。Revit會協(xié)同C#程序?qū)Π宀牡幕拘危˙ase Geometry Line）作進一步的處理。板材會因應(yīng)現(xiàn)實中的細部設(shè)計而被賦予接縫，厚度，材料代碼和名字等，更關(guān)鍵的是，所有板材的實際形體被合理化了，大

13、約30000多塊各不相同的板材被以有限的標準化類型所替代。從這里可以看出，建筑設(shè)計團隊（Aedas）就存在兩個主要的數(shù)字模型：Rhino模型和Revit模型。Rhino模型用于快速的設(shè)計，研究和溝通，而Revit模型則作為合約模型而用于出圖以及供其他合作團隊參考。</p><p>　　香港西九龍高鐵總站的Rhino模型 / Rhino Model of WestKowloon Terminus in Hong K

14、ong©Aedas Ltd</p><p>　　結(jié)構(gòu)工程顧問基于建筑設(shè)計組提供的模型設(shè)定鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)工程團隊也存在多個數(shù)字模型，其中有鋼結(jié)構(gòu)的理想化模型——robot模型，包含了最主要的受力構(gòu)件，用于研究、測試和分析結(jié)構(gòu)的受力狀況與表現(xiàn)。另外，還有一個反映現(xiàn)實狀況的模型——Tekla模型，包含了所有受力、連接構(gòu)件等（甚至連螺絲都如實的建模了出來），主要用于研究現(xiàn)實中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的建造及裝配。

15、而這兩組模型都有荷載前與荷載后兩個版本。</p><p>　　在建筑承建商陣營里也控制著多個數(shù)字模型。在通過項目管理組獲得了所有的建筑和結(jié)構(gòu)等二維制圖后，建筑承建商雇用的BIM顧問團隊會持續(xù)不斷的更新他們的BIM模型。他們的模型主要分為三部分：一，建筑混凝土墻體與樓板部分（區(qū)別于建筑設(shè)計組的表皮模型）。二，建筑的混凝土結(jié)構(gòu)部分（區(qū)別于結(jié)構(gòu)工程顧問的鋼結(jié)構(gòu)模型）。三，建筑室內(nèi)的吊頂與設(shè)備管道模型。此外，建筑的外墻顧

16、問團隊會利用建筑設(shè)計組的合約模型根據(jù)廠家的具體技術(shù)來對外掛鋁板和玻璃面板進行合理化和重新建模，這個步驟是在Catia里完成。</p><p>　　到這里為止，總共描述了以下幾個模型的創(chuàng)建：</p><p>　　建筑設(shè)計表皮模型（由建筑設(shè)計團隊提供）：在Rhino里創(chuàng)建，在Revit重建為合約模型。</p><p>　　建筑建造表皮模型（由承建商提供）：通過Catia

17、將合約模型重建而成</p><p>　　建筑墻體模型（由 BIM顧問提供）：在Revit里創(chuàng)建</p><p>　　建筑吊頂與設(shè)備管道模型（由 BIM顧問提供）：在Revit里創(chuàng)建</p><p>　　混凝土結(jié)構(gòu)模型（由 BIM顧問提供）：在Revit里創(chuàng)建</p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)實際模型（由結(jié)構(gòu)顧問提供）：在Tekla里創(chuàng)建。</

18、p><p>　　在一個項目里，參與的團隊越多，存在的模型越多，數(shù)據(jù)傳遞所需要的時間也會隨之增長。比如建筑設(shè)計團隊需要一個最新的鋼結(jié)構(gòu)模型，會發(fā)郵件問項目管理團隊索取。而項目管理團隊需要花時間閱讀郵件，確認最新的鋼結(jié)構(gòu)模型是由哪個團隊控制，然后走程序，向目標團隊索取模型?？赡茉跀?shù)日或者數(shù)周后，目標團隊將模型上傳給項目管理團隊。然后項目管理團隊將模型拷貝到共享服務(wù)器，走完一切需要走的程序，再將文件鏈接發(fā)送給建筑設(shè)計團隊。

19、如果在這時候發(fā)現(xiàn)模型文件的格式并不適用，就又得重新走一輪程序才能得到模型。這個過程可能是很耗費時間的。</p><p>　　但是這種多個團隊合作和多模型并存的情況是不可避免的，因為不存在那么一個軟件或技術(shù)可以解決各個專業(yè)領(lǐng)域的問題。每個專業(yè)的工作重點與思考方式的不同必然導(dǎo)致其所使用的軟件工具的功能有所不同。比如建筑師需要直觀，靈活且高效的設(shè)計工具，Rhino等軟件就會是很好的選擇。結(jié)構(gòu)工程師需要測試結(jié)構(gòu)的荷載能力

20、與表現(xiàn)就會需要用到像Robot這里的受力運算軟件。而BIM團隊需要反映現(xiàn)實中構(gòu)件和材料的尺寸與厚度等信息就會需要用Revit等BIM軟件。如果嘗試將所有的模型都導(dǎo)入到Revit里，把Revit作為終極模型的操作臺也是一個不太現(xiàn)實的想法。有兩個原因：第一，以現(xiàn)在的硬件和軟件技術(shù)還遠遠未能同時處理如此龐大的數(shù)據(jù)和模型。第二，在Revit里不便于進行不同專業(yè)的編輯或研究。比起Revit，Navisworks在處理龐大的模型時運行起來更為順暢，

21、但是卻無法對幾何形體作任何的編輯，也不能將模型導(dǎo)出給別的平臺使用。</p><p>　　多種軟件和多個數(shù)字模型共存是一個必然存在的矛盾。如果建立在這一點的認識上，那么問題解決的關(guān)鍵就在于如何可以高效的共享一個可以共同使用的模型格式，比如說ifc或dwg的模型格式。首先，應(yīng)該要在各個團隊都能進入的服務(wù)器里建立一個文檔，在這個文檔里只存取各團隊最新的模型，而模型的格式都應(yīng)是可以共享的格式——在這里暫且假設(shè)為三維dwg

22、格式。每當模型有變動時，各團隊應(yīng)自覺將模型更新到服務(wù)器的這個文檔里。這樣的話其他的團隊都能在第一時間獲得最新的模型。另外一點，下載模型的過程應(yīng)該是自動化的。比如在Rhino里，可以通過在Python里編好的程序，只需輕點一下‘更新鋼結(jié)構(gòu)模型’的按鈕，Python就會在那個固定的文檔找到一個叫做‘鋼結(jié)構(gòu)模型’的dwg文件，下載導(dǎo)入，轉(zhuǎn)化Mesh為多邊形面，消除共面等等一系列自動化操作，將共享模型轉(zhuǎn)化為可以為Rhino所用的模型。這種自助共

23、享模型的方式可以大大的節(jié)約數(shù)據(jù)傳遞過程中浪費的時間。主要是避免了中間人為操作的失誤以及大大縮減了溝通，走程序所需要的時間。不過，或許在某些項目里也存在有不同的團隊間處于自身利益或自我保護的原因而拒絕與其他團隊共享模型的情況。對于三維</p><p>　　數(shù)字技術(shù)在建造階段的作用與意義主要體現(xiàn)在對于大量數(shù)據(jù)以及幾何形體的控制和管理。以西九龍高鐵總站為例,可以簡單的歸納為三個方面:</p><p&

24、gt;　　1.數(shù)據(jù)和模型在不同工作平臺間的傳輸。</p><p>　　2.數(shù)據(jù)和模型之間的轉(zhuǎn)化、賦予以及提取。</p><p>　　3.輔助設(shè)計（模擬和優(yōu)化）</p><p>　　數(shù)據(jù)和模型在不同工作平臺間的傳輸</p><p>　　數(shù)據(jù)的傳輸主要是Rhino與Revit間的數(shù)據(jù)傳輸，另外還有導(dǎo)入其他團隊的模型時的處理。比如將BIM模型導(dǎo)入進

25、Rhino時可以通過腳本將過小無用而又占據(jù)內(nèi)存的物體（比如螺絲等）刪除，識別Mesh并自動轉(zhuǎn)化為PolySrf，識別BlockInstance并炸開和重組，依據(jù)模型中墻體和樓板的高度將其分配到相應(yīng)樓層的圖層里等等，這一系列繁雜耗時的工作都可以交由電腦腳本去完成。</p><p>　　編程語言的魔力在于：會編程語言的話就能與電腦溝通，從而使得電腦可以自主的去進行一系列的工作，而不必像扯線木偶一樣無時無刻的操縱著電腦

26、。而人就可以去進行一些其他的工作或者思考，或者繼續(xù)指派一些別的工作來讓電腦去完成。只要通過編程語言給電腦設(shè)定好判斷準則，電腦就能像人一樣思考判斷以及應(yīng)對各種情況。這樣一個人就可以同時完成多個人的任務(wù)，這是在‘量’上的體現(xiàn)。而在‘質(zhì)’上的體現(xiàn)為：電腦可以以一些量化的標準來尋求和篩選出多個‘最優(yōu)’的選項，然后建筑師可以結(jié)合自己主觀的、更為復(fù)雜的思考（比如美學(xué)的，社會層面的判斷）來做最終的決定。</p><p>　　數(shù)

27、據(jù)和模型間的轉(zhuǎn)化、賦予以及提取</p><p>　　這方面的作用主要是體現(xiàn)在效率上的提高。在這里舉幾個簡單的例子進行說明：由于在屋頂?shù)木坝^設(shè)計上有著變化高度的地面，于是就產(chǎn)生了各種坡度不同的坡道。在香港的規(guī)范規(guī)定超過1：20的坡道需要添加扶手，超過1:12的坡道需要更改為踏步或者考慮重新設(shè)計。數(shù)字技術(shù)可以快速的識別不同坡度的坡道并賦予不同的顏色，使得整體的情況一目了然。另外，在局部的室內(nèi)屋頂要求鋁板具有一定的孔隙

28、率以吸收雜音，因此需要結(jié)合承建商的技術(shù)特點以及每塊鋁板自身的形狀進行開孔面積的計算。此外，數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在許許多多方面的設(shè)計和研究上，比如給數(shù)萬塊鋁板和玻璃板各自命名，測試鋁板的彎曲率，自動給大量的建筑構(gòu)件標注尺寸到最近的軸線上，檢測景觀墻體的頂部高度等等。</p><p>　　輔助設(shè)計（模擬和優(yōu)化）</p><p>　　輔助設(shè)計主要有兩方面的內(nèi)容，一方面是模擬，另一方面是優(yōu)化。在設(shè)

29、計復(fù)雜形體的屋頂時，排水往往是很主要的一部分工作，也是幾乎每天都會被問到的問題。利用數(shù)字技術(shù)可以快速的模擬水流的方向、聚集的位置以及發(fā)生堵塞時積水的體積以及重量，從而評估在極端情況下（比如說黑雨時）是否會對屋頂造成破壞。同時，將排水的流向直觀的視覺化后，就可以在關(guān)鍵的部位設(shè)立有效的管道排水，將屋檐排水的影響降到最低。</p><p>　　此外，數(shù)字技術(shù)還可以應(yīng)用到防火測試上。西九龍高鐵總站候車室中庭的凈高最大處達

30、到40米以上，一般的餅狀煙感器都會失效。因此需要用到紅外線煙感器從中庭的一邊發(fā)射光束到另一端的反射器，從而實現(xiàn)對煙火的探測與警報。在這方面的研究使用了數(shù)字技術(shù)優(yōu)化后，在滿足100%覆蓋的前提下將紅外線煙感器的數(shù)量縮減了大約20%，不僅大大的節(jié)約了成本和裝配的時間，還將這一設(shè)備對建筑的視覺上的影響降到了最低。</p><p>　　優(yōu)化的研究還有應(yīng)用在中庭的十對異形柱體上。鋼結(jié)構(gòu)異形柱體上部的表皮為圓錐型，由于柱體的

31、粗細不一所以圓錐形表皮的大小也有所不同。圓錐形柱體的類型越多，表面積越大，造價就越高。通過運算和優(yōu)化后在確保最小的表面積的前提下將圓錐形的類型標準化到了只有4種類型。在建造階段由于有承建商和各個領(lǐng)域的顧問配合以及提供技術(shù)信息，因此對于設(shè)計的優(yōu)化的有著實際的意義。</p><p>　　對未來數(shù)字技術(shù)的展望</p><p>　　作為最正式的設(shè)計和信息傳達工具，二維圖紙的地位不可替代。然而在復(fù)雜

32、形體的建造階段，有著各種各樣的問題難以依靠傳統(tǒng)的二維圖紙來解決。二維圖紙表達的往往是在最典型的情況下的設(shè)計意圖，信息量是有限的。遇上多個構(gòu)件交接的復(fù)雜界面，二維的圖紙往往難以將構(gòu)件的關(guān)系和問題具體的展現(xiàn)出來。因此三維的數(shù)據(jù)與模型就成為了必不可少的工具。但是現(xiàn)今在與建筑相關(guān)的各個行業(yè)里似乎仍有相當大的一部分人是完全不使用三維模型的。這使得不同的團隊之間對于數(shù)據(jù)和模型的交流與共享造成了一定的障礙。造成這種障礙的原因有很多，但比較主要的有兩個

33、：一是在建筑從業(yè)者里有相當一部分人沒有正視數(shù)字技術(shù)的重要性，到現(xiàn)在為止仍有很多人將數(shù)字技術(shù)簡單的視為紙筆工具，而不是大腦的延伸。另一方面則是因為至今為止強大的軟件的學(xué)習(xí)和使用的門檻還比較高，而易學(xué)易用的軟件卻又不夠強大。</p><p>　　技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該是以解放和提高人的能力的為目的，而不是束縛和阻礙。數(shù)字技術(shù)正變得越來越強大，各個軟件平臺都延展了多方面的功能如分析，模擬等，內(nèi)建腳本的引入更是讓人與電腦具備了“