[摘要] 【摘要】重庆国际马戏城是重庆十大文化建筑之一，北京市建筑设计研究院有限公司在该项目中实现了由方案设计到施工图全过程全专业的BIM技术
【摘要】重庆国际马戏城是重庆十大文化建筑之一，北京市建筑设计研究院有限公司在该项目中实现了由方案设计到施工图全过程全专业的BIM技术应用。
一、项目背景
1、项目名称 ：重庆国际马戏城
2、项目设计单位 ：北京市建筑设计研究院有限公司
北京市建筑设计研究院有限公司(BIAD)业务范围包括：城市规划、投资策划、大型公共建筑设计、民用建筑设计、室内装饰设计、园林景观设计、建筑智能化系统工程设计、工程概预算编制、工程监理、工程总承包等领域。自1949年成立以来，累计完成建筑设计面积已超过1.5亿平方米，从1977年至今，设计作品获得各类奖项总计1166项，曾被北京市政府授予“首都建筑设计突出贡献设计研究单位”荣誉称号。在全国各地设有12个分支机构，建筑设计作品遍及全国31个省市自治区。
3、相关软件应用 ：
Autodesk Revit Architecture
Autodesk Revit Structure
Autodesk Revit MEP
Autodesk Navisworks
AutoCAD
4、BIM应用评价与反馈 ：
对于形体复杂、空间复杂、功能和性能复杂的建筑项目来说，如果没有三维造型和BIM技术的出现，基本上将无法完成。可以说，BIM技术的出现推动了建筑创作，同时也成为了艺术创作的原始驱动。
——北京市建筑设计研究院有限公司总经理徐全胜
从最初的时尚标签到追逐技术领先，BIM应用即将走过炫耀的年代，返璞归真的蜕变后，留给我们的是它强劲的革命性和简单的实用性。
──北京市建筑设计研究院有限公司第四设计所4A2工作室主任张浩
BIM所带来的不仅是技术上的变革，而且是设计方法和项目控制上的革新，它带来的最直观的利益是提高了设计的准确度和预见性，从而提高了业主对设计单位的信任度。
──北京市建筑设计研究院有限公司第四设计所4A2工作室副室主任陈文青
二、正文
重庆国际马戏城——基于Revit平台的复杂建筑BIM应用
项目概况
重庆国际马戏城位于重庆市主城区弹子石组团A标准分区，总用地面积3.333公顷，总建筑面积3.72万平方米。建筑功能包括主表演馆、配套服务设施、动物驯养用房、办公公寓等四个部分，是重庆十大文化建筑之一。
方案设计理念来源于马戏表演动静和谐、亦真亦幻的效果呈现。造型中两条扭动流转的曲线契合了重庆山环水绕的城市景观与自然肌理，隐喻连绵起伏的群山与曲转流长的长江，以其独特的外观效果成就了建筑自身的标志性。
图1重庆国际马戏城沿江效果图
主表演馆建筑面积为21847平方米，建筑高度49.78米，座位数1489座。主表演馆的建筑形态通过两组空间曲线生成两片相互包裹的曲面，围合出马戏剧场的主要空间。内侧曲面圆润、饱满，外侧曲面舒展平缓，自然延伸为屋面飘带，与售票亭、餐饮、零售等商业设施有机的融合在一起。
图2重庆国际马戏城主表演馆效果图
项目挑战及解决方案
鉴于重庆国际马戏城项目的复杂性和重要性，在设计合同签定时业主明确提出：要求设计单位交付BIM成果模型，标准是要求模型能进行施工指导和定位。北京市建筑设计研究院有限公司（简称“北京院”）在该项目中实现了由方案设计到施工图全过程全专业的BIM技术应用，目前已完成施工图设计。
重庆国际马戏城项目的技术挑战包括：
1、以Autodesk Revit软件为基础，建立建筑、结构、设备、电气全专业三维模型；
2、将CATIA软件建立的参数化外幕墙模型与Autodesk Revit软件建立的室内模型整合为一体，形成完整的建筑信息模型；
3、利用三维信息模型辅助设计，进行各专业定性分析与定量计算；
4、利用三维信息模型与相关分包设计单位进行技术配合。
基于以上挑战，重庆国际马戏城项目组建立了专门的BIM设计小组，在初步设计和施工图设计阶段，完成了模型建立、复杂空间分析、功能优化设计、幕墙优化设计、管线综合设计等一系列工作。
全专业BIM模型
在方案设计阶段，应用Rhinoceros软件将手工工作模型快速转化为计算机模型，并借助计算机模型对方案进行造型推敲、曲面优化、视线分析、面积控制，完成由感性创意到理性设计的回归。
图3方案阶段模型
在初步设计和施工图阶段，将CAD图纸导入Autodesk Revit软件中，建立重庆国际马戏城项目的全专业模型。整个项目模型分为建筑结构模型、设备模型（暖通空调、给排水、消防系统）、电气模型（强弱电桥架）、场地模型等4个模型文件，通过Autodesk Revit软件的“复制、监视”功能实现各模型之间的实时信息更新。通过三维模型的建立，设计师能够直观准确地理解复杂的建筑空间，最大限度地弥补了二维设计的缺陷和不足，直接指导施工，准确表达设计意图。
图4重庆国际马戏城主表演馆Revit模型
外幕墙的优化与表达
马戏城主表演馆外幕墙是复杂的双轨曲线曲面，在方案深化设计中，使用CATIA软件建立外幕墙模型，包括幕墙金属板、幕墙龙骨、结构圈梁、弧形结构柱等与幕墙曲面相关的各项内容，通过Rhinoceros软件将其导入Autodesk Revit模型，整合为一个整体。
图5主表演馆外幕墙模型
图6-1主结构柱模型 图6-2幕墙圈梁模型
图6-3幕墙龙骨模型 图6-4幕墙模型
幕墙模型建立后，对曲面平滑度进行分析，通过不断优化生成曲线，最终获得无曲率突变、光滑度较高的外幕墙曲面，并对曲面曲率进行分区间统计，为幕墙深化提供基础数据。
图7曲面曲率分析
根据建筑外观效果，通过斜向菱形网格对外幕墙曲面进行划分，并通过控制曲面面板的最小尺寸和最大尺寸，由软件自动完成曲面划分，建筑师对多次划分后的外观效果进行比选，确定最终划分方式。
图8对外幕墙曲面进行分格
对幕墙曲面划分后获得的每一块面板都是双曲板，并且没有两块面板是完全一样的曲面，若按照划分结果直接进行面板施工，将会使幕墙造价异常高昂。建筑师通过软件统计每一块曲面板最高点及角点到平面的距离，确定合理的优化程度，将60%的双曲板优化为平板，其余全部优化为单曲板，在保证建筑整体效果的前提下，大大降低了工程造价。
图9将满足条件的双曲面板优化为平板
利用强大的信息统计功能，对每一块幕墙面板进行编号，并对其定位坐标、颜色、材质、开洞数量、开洞尺寸和开洞位置等信息进行统计梳理，为指导施工提供了可靠的数据信息。
图10幕墙面板信息统计表
BIM模型辅助复杂空间设计
剧场类建筑在观众席下部、前厅、舞台等部位会形成一些复杂的异型空间，此类空间的合理性和可利用性需要借助三维模型分析得出结论。
马戏城主表演馆的前厅与观众厅之间通过一道弧形墙进行分隔，它既是结构构件也是造型元素，同时还是主表演馆前厅的设计亮点。这道弧形墙的定位受到多个条件的制约：首先，弧形墙在一层平面的位置要保证售票、存衣、零售空间的合理宽度；其次，弧形墙在二层空间的曲线要满足观众走廊的有效通行宽度与高度，避免产生压抑感；再次，弧形墙与外幕墙的交点要位于屋面结构之下。借助Autodesk Revit模型能够同时生成多个平面与剖面的特点，建筑师能够快速准确地获得满意的曲面定位，保证前厅最终的空间效果。
图11主表演馆前厅弧墙模型
图12主表演馆前厅弧墙限制条件-1
（弧形墙在一层平面的位置要保证售票、存衣、零售空间的合理宽度）
图12主表演馆前厅弧墙限制条件-2
（弧形墙在二层空间的曲线要满足观众走廊的有效通行宽度与高度）
图12主表演馆前厅弧墙限制条件-3
（弧形墙与外幕墙的交点要位于屋面结构之下）
在方案深化过程中，结构、设备、电气等专业需要应用各自专业的分析软件对建筑方案进行定性分析与定量计算，BIM模型能够与其他专业软件进行文件格式转换，模型中所携带的大量信息数据也能够与其他软件实现数据共享，避免了传统设计过程中各专业要多次建立各种文件格式建筑模型的重复性工作，提高了设计师的工作效率。
结构设计中借助AutoCAD将Autodesk Revit模型导入Fluent软件，对建筑进行风荷载数值模拟，确定实际风压分布，为结构和幕墙设计提供准确依据。同时应用SAP2000、Midas等结构计算软件，对建筑主体结构进行结构变形分析，根据计算结果修正Autodesk Revit模型，为建筑和机电专业的深化设计提供条件。
图13 0°风向角风荷载数值模拟
复杂结构节点采用CATIA建模，将CATIA模型导入ANSYSWorkbench14进行节点分析，根据计算结果进行节点三维放样，对二维设计进行优化。以屋架钢架节点为例，在三维放样模型中进行了五项内容的优化：一是将原设计的一个支座修改为两个支座，方便钢结构加工，同时传力更清晰；二是优化灌浆孔位置和尺寸；三是修改埋件角钢形状和数量以利穿筋；四是修改穿筋形式，将整段箍筋分成2段，方便施工；五是优化钢筋弯折形式并调整钢筋排布和规格。
图14屋面钢架节点三维放样模型
消防设计中利用Autodesk Revit模型模拟多个标高的消防水炮保护范围，校核水炮放置位置，利用最少数量的消防水炮实现最大范围的保护。
图15消防水炮保护范围模拟
主表演馆观众厅与舞台之间无物理分隔，需要借助舞台马道的构造布置照明灯具。借助Autodesk Revit模型准确的空间数据信息，采用CalcuLuxArea照明设计软件对观众厅进行分析，得出合理的灯具布置及灯具设计参数。
图16观众厅照度计算
管线综合设计与碰撞检查
管线综合设计与碰撞检查的目的是避免碰撞，解决各专业间的冲突，明确管线标高以及辅助确定施工顺序等。传统二维设计中的管线综合设计是通过绘制关键点剖面图进行各专业间的协调，而在三维设计中则可以利用BIM模型直接反映各专业条件，利用Autodesk Navisworks软件进行碰撞检查，使得进行管线综合设计的效率大大提升。
马戏城主表演馆的机电用房主要集中在地下一层与地下二层，涉及到的机电管线包括通风空调系统、空调水系统、给排水系统、消防水系统、强弱电系统等。利用三维模型进行碰撞检查时会产生大量碰撞错误，为使碰撞检查结果清晰明确，对土建结构与机电系统、机电系统之间分别进行碰撞检查。“硬碰撞”即时进行调整和修改，对结构管道所进行的列表说明无需在图纸中表示出来，便于下一步指导施工。
图17-1地下一层结构梁与空调风管碰撞 图17-2地下一层空调风管与电气桥架碰撞
应用BIM模型进行外部配合
作为大型综合性剧场项目，重庆国际马戏城在施工图完成过程中需要进行消防性能化设计、节能审查、舞台机械设计、园林设计、内部精装修设计等专项设计，这些专项设计由专业设计公司配合完成，而设计单位提供的BIM模型能够为专项深化设计提供准确的数据条件，使专项设计能够快速展开，并与设计单位密切配合。
由于主表演馆的观众区与舞台区无法进行分隔，设计单位委托公安部四川消防研究所（“川消所”）进行消防性能化设计。川消所使用火灾情况模拟软件DFS和疏散模拟软件STEPS对主表演馆进行火灾模拟和疏散分析，需要设计方提供准确的建筑三维模型。设计方将Autodesk Revit模型导出为.dxf文件，利用Pyrosim软件与DFS软件实现无缝对接，配合川消所完成了消防性能化设计。
图18-1.dxf文件直接导入Pyrosim工具
图18-2添加火灾参数条件生成.fds文件进行模拟计算
图18-3火灾模拟及烟气分析成果
马戏剧场中舞台机械较普通剧场更为复杂，舞台区上方除常规马道外还需要设置与表演区和观众区大小相同的多层栅顶，以及表演需要的多处飞行器设施。这些舞台机械设计与建筑主体结构联系紧密，而马戏城主表演馆内部空间和屋顶钢结构体又较为复杂，舞台机械设计方需要多个非楼层标高平面和多个位置的剖面才能将舞台机械的设计内容表达清楚。设计单位利用Autodesk Revit模型可以随时剖切出不同标高的平面和不同位置的剖面，满足舞台机械设计需求，并提供相应角度的剖透视帮助舞台机械设计方理解空间关系。
图19-1提供给舞台机械设计方的剖面图图
图19-2提供给舞台机械设计方的剖透视图
BIM展望
项目初始，基于重庆国际马戏城项目的复杂性和业主的需求，选择使用BIM技术。随着设计方案的不断深入，BIM在项目管理、专业协同、数据提取上的优势逐渐显露出来。BIM技术为整个建筑行业提供了一个应用平台，让业主、设计方、施工方、运营方、城市管理方能够在同一平台上获取信息展开工作，并且能够通过二次开发拓展模型的应用。随着BIM相关软件的不断完善和丰富，BIM技术必将推动建筑设计乃至建筑工程全行业的技术进步。
