建筑黑科技 | 数字技术完美实现扎哈武汉城市阳台作品
数字技术完美实现扎哈武汉城市阳台作品
月亮湾城市阳台（一期）工程由武汉城市铁路建设投资开发有限责任公司投资建设，中南建筑设计院股份有限公司与扎哈.哈迪德事务所联合设计。项目坐落于武昌生态文化长廊上，紧临武昌滨江商务核心区，是长江主轴典型城市阳台之一，是武汉形象的重要展示窗口。
工程总面积17万平方米，其中景观平台面积12万平方米，平台层以下建筑面积5万平方米。平台下部主要为停车场、文化配套和市政配套设施，平台上部为公园绿地，并设有特色建筑物和文化设施。项目建成后将为武汉市民提供具有滨江景观特色的公共活动空间。此工程借助BIM技术实现复杂建筑设计深化与效果控制，具体内容在下文中有显示。
01
项目难点
1）建筑方案中采用了大量的非线性曲面造型，如室外楼梯、户外剧场索膜顶棚、展览艺廊。曲面局部细节需要进行优化处理，才能落地实施。
2）工程采用抬高地块地面、重新连接滨江水岸的设计手段，在高低起伏的景观内设有下沉广场和特色建筑物，整体高差关系复杂，立面不规则。
3）立面采用双曲面幕墙，整个幕墙造型流畅、富有动感。但结构边界精确定位困难，使用二维设计难以保证幕墙与结构有效连接。
为解决上述难点，在设计阶段引入了BIM技术和参数化设计技术，旨在提高施工图纸的可实施性，拓展BIM在设计阶段的应用，为项目落地实施提供技术支撑。
02
建筑方案深化设计
异形景观楼梯参数化重构
┃ 异形景观楼梯实例
景观平台与草坪连接位置的过渡段施工难度较大，采用现浇混凝土时，过渡段水泥基磨石面层的曲面光滑度难以保证；采用预制法制作时，几乎每级台阶都需要单独制作模板，开模费用较高。
设计团队经过反复推敲，采用参数化设计技术调整景观楼梯曲面，对过渡段进行模数化处理，减少台阶种类。
┃ 景观楼梯参数化重构过程
调整后的过渡段台阶种类从400个减少到9个，极大地降低了工程造价和施工难度。
┃ 标准段分布图
景观平台疏散模拟
作为一个开放的公共空间，月亮湾城市阳台容易聚集大量人流。为验证景观平台能否实现快速人流疏散，我们展开了人流疏散仿真模拟，分析结果表明，景观平台的原设计方案疏散时间过长，存在安全隐患，需要对原设计方案进行优化。
我们对景观楼梯的曲面进行了全面地梳理和优化，有效提升了景观楼梯的疏散能力，调整后的方案得到了扎哈事务所的肯定和认可。
┃ 景观楼梯方案修改
通过调整方案，景观平台的疏散时间减少了20%，人流密度从E级降低至D级，减少了1/3，楼梯的总疏散时间和服务水平等级满足了相应评价标准。
┃ 优化前后人流密度图对比
┃ 优化前后人流疏散过程对比
室外音乐剧场深化设计
室外音乐剧场顶棚采用索膜结构，在设计阶段，我们基于应变能最小原理对索膜结构进行找形分析，实现了建筑与结构的高度统一。
┃ 索膜结构找形分析
剧场位于长江边上，膜结构受风荷载影响明显，主要控制荷载为风荷载。我们通过CFD仿真技术对剧场顶棚进行数值风洞模拟，分析了膜结构风效应影响。
┃ 索膜结构风环境模拟
音乐剧场顶棚是由两端基座、外侧钢桁架、面内纵横索以及索膜共同构成的一个空间异形曲面。基座节点受力较复杂。我们创建了三维节点模型，进行有限元分析，验证节点安全性并进行了优化设计。
┃ 索膜结构基座节点有限元分析
通过计算观众席的视角，对室外剧场每个观众席的视线进行了全方位的分析，并根据分析结果优化观众坐席，保证每个观众席的观赏效果。
分析结果表明，室外剧场各观众席视线良好，无遮挡情况，最大俯角约为9°，水平视角在40°到59°之间。
┃ 室外剧场视线分析
通过对室外剧场进行点声源反射线模拟、线声源补声仿真模拟等声环境仿真模拟，提升了剧场声环境效果。
┃ 点声源反射线模拟
┃ 优化前后混响时间对比
异形幕墙参数化设计
考虑到异形幕墙龙骨的建模难度和高精度定位要求，我们采用参数化设计技术，快速生成幕墙龙骨模型、定位预埋件，极大地提高幕墙与结构协同设计效率。
┃ 龙骨参数化生成过程
┃ 幕墙立柱与预埋件定位
┃幕墙三维模型
03
BIM应用
BIM三维模型
在BIM设计阶段，我们编制了BIM实施标准，搭建全专业的BIM三维模型，展开全专业碰撞检查、机电管线综合和净高分析等工作，梳理设计图纸的错漏碰缺，减少设计变更，提高施工图纸的准确性。
┃ BIM三维模型
幕墙与结构连接处理
在幕墙设计协调过程中，我们结合三维模型对结构边界挑板、翻边进行调整，实现了结构和幕墙的有效连接，解决二维图纸定位不清晰的问题。
┃ 幕墙与结构连接关系（调整后）
BIM辅助出图
设计师通过BIM模型导出幕墙立面图和剖面图，再通过修改加工，生成施工图，结合自主研发的Rhino插件，自动导出幕墙埋件坐标和面板坐标，生成相应的埋件坐标和幕墙面板坐标。
┃ 幕墙立面视图
AR技术应用
结合AR技术开发了一款月亮湾城市阳台AR程序，导入BIM模型，与现场实景进行叠加，实现了在手机端和PC端实时浏览BIM模型与现场实景，查看关键位置施工状态，协助项目现场进行质量控制。
┃ AR程序
集成平台探索
在BIM设计过程中，我们基于BIM轻量化技术开发了一套可视化管理平台，该平台涵盖项目基本信息、现场数据、主要BIM工作成果等信息，将原本离散的信息进行了集成，加深了项目人员对BIM工作的参与程度，可协助管理人员开展可视化管理和有效决策。
┃月亮湾城市阳台工程可视化管理平台
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04
结论
在月亮湾城市阳台项目实施过程中，通过引入BIM技术和参数化设计手段，主要取得以下收获：
1）采用了BIM技术对建筑方案进行深化设计，在景观台阶、索膜结构、艺廊网架和异形幕墙设计中运用参数化设计手段，明确了设计的逻辑性和合理性，提升了设计效率。
2）通过建筑性能化分析，为建筑方案优化设计提供了数据支撑。
3）创建了全专业BIM模型，实现各专业协同设计，提升专业间配合设计的效率，梳理了设计的错漏碰缺，提高设计质量。
4）开发了工程在线展示平台，协助设计和施工管理，提升管理效率。
05
成果及奖项
科技成果：
论文6篇，软件著作权1项，专利2项
项目获奖：
龙图杯 第九届全国BIM大赛 （设计组）二等奖
第二届市政杯BIM应用技能大赛综合组 一等奖
三品杯 武汉建筑业BIM技术应用视频大赛金奖
第五届中国建筑工程BIM大赛 一等奖
湖北省第八届建筑信息模型BIM设计竞赛二等奖
建设单位
BIM设计与咨询团队
BIM技术应用与开发团队：工程数字技术中心
专业设计团队：第三建筑工作室、第三结构工作室、
第一机电院
声景设计团队：绿色与装配式建筑工程中心
施工单位
武汉市汉阳市政建设集团有限公司
技术开发合作单位
-END-
2021年第3期 总第27期
策划 ┃ 工程数字技术中心
文字 ┃ 刘武 张慎 辜文飞 尹鹏飞 杨浩
编辑 ┃ 工程数字技术中心
校对 ┃ 张慎 程辉
中南建筑设计院 工程数字技术中心
电话：027-87265723 / 027-87338287
邮箱：zhangshen202@163.com
地址：武汉市武昌区中南二路2号
工程数字技术中心依托湖北省数字化设计建造工程技术研究中心，结合公司院士专家工作站和博士后科研工作站，进行前沿工程数字技术研发，先后参与30余项公司重大项目投标及复杂结构的设计与分析。中心取得国家实用新型专利5项，发明专利8项(其中3项已发布，5项已受理)，取得软件著作权30项；在国内、外核心期刊发表学术论文30余篇，包括两篇SCI收录，三篇EI收录。