李德贤 裘云丹 潘润洲 王天裕

(1.浙江建设职业技术学院，杭州 311200； 2.浙江省建筑设计研究院，杭州 310006； 3.杭州吉易科技有限公司，杭州 310051； 4.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

引言

当今世界建筑处于多元化发展阶段，非线性建筑正在向世界各地蔓延，并且已经取得了一定的成绩。非线性建筑中的“非线性”，来源于数学和物理学领域中的“线性”与“非线性”概念，非线性建筑是区别于传统线性建筑的统称[1]，非线性建筑设计来自于对建筑性能及周边环境因素的分析，由于影响的因素是复杂的，建筑的形体是一种连续流动状的形体，也必然是不规则的。在信息化发展的大背景下，非线性建筑设计正由过去的边缘状态逐渐走上主流的设计舞台[2]。

BIM是数字信息化技术在建筑设计领域的专业应用，参数化设计是指将全部设计要素作为某个函数的变量，通过设计函数或者算法将相关变量关联起来，通过输入参数便可自动生成模型的设计方法[3]。BIM参数化设计用参数和程序控制三维模型，可快速实现建筑模型和结构模型的有效互动，提高模型的生成和修改速度，从而提高了工作效率[2]。

在非线性建筑设计中应用BIM参数化技术，使建筑设计不再局限于基本的线段以及弧线等图元操作，其更加注重的是非线性建筑的所有信息在建筑全生命周期中保存和传递，对建筑资源进行优化配置，有效提高建筑设计的效率和水平。

1 工程概况

1.1 项目简介

杭州2022年亚运会乒乓球馆位于运河亚运公园，该亚运公园位于杭州市拱墅区申花板块，东至学院北路，南至申花路，西至丰潭路，北至留祥路。由南北区块组成，总用地面积467 777m2，总建筑面积186 712m2，其中地上建筑面积48 416m2，地下建筑面积138 296m2。亚运公园由游客服务中心、曲棍球场、下穿地下广场、全民健身中心、乒乓球馆、公园管理配套用房及地下室组成，总投资约29.09亿元。

运河亚运公园分为南区和北区两个地块，南区建筑群以乒乓球馆为核心，乒乓球馆建筑面积19 586m2，可容纳7 000人。北区建筑群以曲棍球场为核心，曲棍球场建筑面积9 806m2，可容纳5 676人。南区与北区之间地面部分被育英路分割为两个单独的地块，但是在地下部分通过地下商业长廊连接形成一个南北区交通整体，从而让分割的地块形成整体的公园景观，整体的赛事场馆服务，整体的商业带。

图1 杭州运河亚运公园项目鸟瞰效果图

图2 乒乓球馆鸟瞰效果图

1.2 项目重点难点

本项目的乒乓球场馆是2022年杭州亚运会新建5个场馆之一。根据亚组委要求，2017年10月场馆和设施建设全面启动，2018年6月新建场馆及设施全面开工，2021年3月所有场馆及设施全面竣工交付，并启动场馆化运行，达到满足赛事要求。并且本次亚运会场馆及设施建设要坚持以一流标准建设一流场馆，强调最高标准与节俭办赛有机统一，做到“该花的钱一分不少，不该花的钱一分不花”。本项目施工图设计启动时间为2018年12月，施工于2019年6月开始，按照场馆竣工交付时间要求，从前期方案到设计，再到施工，最后达到标准竣工交付，整个项目工期非常紧张。

乒乓球馆为非线性建筑，建筑造型复杂，整体为不规则形状，同时又是异形玻璃幕墙与钢结构相结合，属于典型的形体错综复杂无规律建筑。因乒乓球馆的形体特点，使得本项目全专业施工图设计困难，无规则形体导致建筑专业无法准确定位，结构专业无法合理计算，设备专业无法进行常规设计，各专业间配合存在许多纰漏，使得本项目施工图质量不高，最终将导致在项目施工阶段出现大量的返工，施工周期变长、成本增加，甚至场馆的造型效果不能完美体现，成为一个平庸不堪的亚运场馆。

同时乒乓球馆形体的不规则造成本建筑所有组成构件也出现大量不规则情况。例如玻璃幕墙有上万块菱形幕墙组成，方案设计中每一块菱形幕墙的大小，形状，方向都不一样，与此同时每一块又非常相似，肉眼无法分辨。如果按照传统的生产和施工方法，很难精准地完成上万块玻璃幕墙、上万块金属幕墙以及几十万个连接件的定制和 DIY施工作业，最终造成大量建造成本的损耗和施工工期拖延。

图3 乒乓球馆构造分解图

2 BIM参数化建模的必要性

乒乓球馆项目本身具有设计逻辑思维和几何形体空间的复杂性，但同时也存在着一定的秩序性，某些看似毫不相干的设计，实际可以运用同样的设计逻辑，只需进行微调就可以产生丰富的设计效果。因此本项目的核心是进行有效地非线性形态设计，并且能够正确指导后续的施工建造过程，整个过程是靠信息化进行传递的。如本工程采用传统的建筑工作流程，势必因建筑形体的特殊性导致在设计和建造阶段产生诸多问题，最终造成设计完成度低、施工质量不高、工期延长、造价增加等不良后果。本项目采用BIM正向设计方式，以三维BIM模型为出发点和数据源，完成从方案设计到施工图设计的全过程任务[4]。与传统二维设计相比较，BIM正向设计的水平、质量和效率均有提高，专业协作更加完善，内容表达更加丰富，其优势公共建筑已有明显体现[5]。

借助于BIM参数化设计可实现乒乓球馆复杂形体的可视化，通过参数调整，进行设计深化，满足设计理念，弥补传统设计的不足； 通过参数化模型的模拟分析，检查设计阶段存在的问题，避免不必要的损失，节约施工成本； 进行参数化模型的优化设计，根据构件的具体参数规格，运用BIM模型中的数字信息对构件进行预制生产、加工和组装，降低施工难度，缩短工期； 同时BIM参数化设计，可以实现建筑信息在乒乓球馆的设计、施工和运行维护等各个阶段传递，为各个阶段进行决策提供依据，实现全生命周期的信息化管理。

由此可见，BIM参数化设计是本项目在现阶段数字化条件下最恰当合理的表达方式，既可以实现场馆设计理念和功能要求，又能体现亚组委高效节俭的建造要求。

本项目BIM参数化的工作以中国电建华东勘测院EPC总包为核心，浙江省建筑设计研究院配合设计阶段BIM应用，浙江兴盛工程配合施工阶段BIM应用，杭州吉易建筑科技统筹本项目设计施工一体化BIM技术执行，从而实现了该项目BIM参数化技术全过程的落地实施。项目中主要应用的参数化BIM软件如表1所示。

表1 项目涉及主要参数化BIM软件

3 BIM参数化建模应用

3.1 建筑体量BIM参数化应用

本工程将乒乓球馆原方案造型所有的空间控制点赋予函数关系，通过参数化的方式在三维空间对各控制点进行优化调整，实现建筑立面非逻辑性异形造型设计，保证乒乓球馆的设计理念前提下，协调落实各专业施工图设计与施工。BIM方案模型可作为幕墙、结构、给排水、电气等专业的基础模型。乒乓球馆建筑体量可分为四个部分，分别进行参数化建模。下文介绍立面幕墙体系(包括金属幕墙和玻璃幕墙)找形及优化和异形屋面排水解决方案两个方面。

图4 乒乓球馆建筑外表面结构分解图

3.1.1 立面幕墙体系找形及优化

乒乓球馆立面幕墙分为玻璃幕墙和金属幕墙两种材质。原方案设计幕墙分割为方案意向切割，在施工图阶段，从综合生产材料预制标准型需求和设计落地性考虑，需要对整体外立面幕墙的分割做合理性安排。工程通过参数化函数运算，在复杂的异形空间中计算出最合适的分割方式，在视觉误差允许的情况下，规格尽可能统一，实现最大多数的标准型分割与局部异形定制。参数化幕墙设计的优势在于一旦参数化程序完成，仅通过参数调整便可快速、方便地实现多方案比较[6]。因此通过参数化BIM设计可满足异形曲面幕墙在设计、加工、施工和维护等实施阶段的需求[7]。

本项目大面积的菱形玻璃幕墙，根据原始菱形玻璃幕墙概念设计草图，通过平板玻璃组成原始双曲面造型，确定基础菱形单片玻璃找形逻辑，采用三点对齐的方式将这一整体对齐到相对水平面上，并结合钢结构单层斜交弯扭网格结构进行统筹设计，考虑国内单板玻璃加工条件，确定单片玻璃长轴不超过6m，短轴不超过2.5m，将BIM基本模型通过参数化技术进行初步划分(如图5)； 分析模型中相邻两个玻璃板块的阶差是渐变的，每两个板块之间都不一样，在确保整体造型不产生明显变化的情况下，同时满足单片幕墙尺寸要求，则单片板长，板宽和阶差尺寸三者为函数关系，利用函数关系建立逻辑关系电池图(如图6)。跟随参数变化，上万块板之间数据联动，参数化计算得到每块板长度与阶差具体的数值，生成符合幕墙规范的经济性深化模型。

图5 玻璃幕墙参数化设计模型生成过程图

图6 玻璃幕墙网格划分逻辑关系电池图

除玻璃幕墙以外，乒乓球馆大面叠披铝板幕墙，铝板整体外挂于建筑主体钢结构外侧，主要分为两个部分，分别是上半区与下半区，形式为鱼鳞状，设计要求形体为双曲面。根据原始鳞片金属幕墙概念设计方案，乒乓球馆确定基础金属幕墙设计逻辑，通过对国内外阳极氧化铝板厂家多方征询，明确单板尺寸控制在2mx1m，根据金属幕墙龙骨与钢构搭接关系，编写构造细节逻辑，生成相关模型，如图7。铝板面板利用铝合金龙骨链接，每个小单元板块与其它板块均有重叠部分，整体呈弧形状态。通过BIM模型参数化方式确定每个小板块的翘曲值，与图纸中标准节点对比进行分析，得出叠被铝板板块翘曲具体情况，对铝板进行编号以便加工安装，其中最大翘曲值为80mm。图8为参数化模型生成上部金属幕墙板块分布云图和板块统计表。

图7 金属幕墙参数化设计模型建立

图8 上部金属幕墙板块分布云图和板块统计表

图9 屋面排水解决方案

3.1.2 异形屋面排水解决方案

乒乓球馆屋面基础曲面为空间NURBS曲面，在确定基础曲面形状的同时，屋面的雨水排放是必须要考虑的问题。首先将屋面元素从上到下分解为：直立锁边屋面、直立锁边檩条、屋面网架二次结构和屋面网架结构四个部分，对檐口、直立锁边屋面和屋面二次结构进行建模和优化设计。根据屋顶排水坡度设计要求，通过对曲面的分析，最终确定上下两层采用扇板形式天沟排水，满足排水要求。

3.2 结构体系BIM参数化应用

乒乓球馆上部屋盖空间网架为正交正放四角锥双层网架，跨度约为90m，连接节点采用螺栓球和焊接球两种节点型式。下部玻璃幕墙采用单层变曲面弯扭斜交网格结构，造型复杂，设计难度大； 金属幕墙采用折线矩形钢管框架结构。图10为乒乓球馆屋盖和幕墙结构体系分解图。因乒乓球馆自身异形曲面的复杂性，导致屋盖和幕墙钢结构采用传统的设计和建模方式难度大效率低。在此情况下，若采用参数化设计方法，可快速实现结构模型与建筑模型的有效互动，提高模型生成和修改速度，从而提高工作效率。

图10 乒乓球馆屋盖和幕墙结构体系分解图

3.2.1 屋盖异形网架结构参数化应用

根据项目外方设计理念，乒乓球馆金属屋面造型是不规则非线性表面，屋面网架结构属于异形空间网架结构，结构设计必须建立与其相协调的空间网格模型，才能实现建筑外形和结构骨架的高度统一。

首先基于屋面平面几何模型，将结构逻辑归纳并输入计算机，通过参数化软件来实现逻辑化参数建模，进行曲面网格划分，根据网格节点确定每根上弦杆的支撑点位置，再以此为依据确定下弦杆支撑点和腹杆，然后删除重复杆件和连接边缘杆件，根据结构设计师要求，初步确定网架关键截面结构高度，确定网架上弦杆与屋面完成面相对距离，确定网架下弦杆与内场吊顶的相对距离，创建完成屋面网架结构参数化几何模型。将此网架结构单线几何模型导入分析软件进行结构计算，根据支承条件和荷载作用赋予杆件截面规格，确保结构的受力状态、变形等满足规范要求，从而生成结构BIM模型，完成屋面网架结构深化设计，如图11所示。根据建筑造型调整和结构优化设计，利用调整相应参数不断修改完善网架结构几何模型，通过多次尝试，最终确定本屋盖网架结构经济合理的最优高度方案(图12)。

图11 参数化屋盖网架结构单线图和杆件图

图12 屋面网架剖断面示意图

图13 幕墙内部网架结构参数化模型分析

在屋盖网架结构设计中，充分利用参数化建模成果进行结构设计和优化，具有网格划分效果好、修改便捷等优点，弥补了原有传统结构设计计算软件网格划分大小不一、模型修改难度大的不足[8]，显著提高了非线性不规则屋面网架结构的设计效率，既满足了结构设计要求，又实现了建筑设计理念，同时大大缩短了设计周期。

3.2.2 幕墙内部网架结构参数化应用

本项目采用参数化技术手段，根据设计师提供的定位平面和网架结构逻辑关系，对设计方案进行结构建立模型，并结合玻璃幕墙构件划分原则，将网架结构模型在计算机中具象化呈现出来，生成参数化结构单线图，结构设计师以此为基础，采用有限元分析法对模型进行优化计算，生成结构杆件图。经过参数化模型和深化计算模型多次比对调整，最终运用能得到既保证结构计算合理，又使钢材用量最省的精准的网架设计方案。对于本工程非线性造型的特点，采用参数化构建结构网架模型，有效弥补了传统结构计算软件在此方面的不足，大大提高了工作效率。

4 结语

本文介绍了BIM参数化技术在2022年杭州亚运会乒乓球馆的设计过程中的应用，从乒乓球馆非线性形体特点出发，介绍了参数化技术在该项目立面幕墙体系的找形与优化、异形屋面排水解决方案、幕墙和屋盖的结构框架参数化设计几个方面的应用。得出如下结论：

(1)本项目中BIM参数化正向设计实现了立面复杂异形玻璃幕墙和金属幕墙的优化，通过BIM信息化数字加工确定每块幕墙板的形状、位置和规格，缩短了设计周期，为后续幕墙的深化设计和生产加工安装提供了准确完备的模型基础。

(2)通过参数化建模解决了异形屋面排水问题，既实现了建筑形体设计理念，又满足了建筑功能要求。

(3)通过参数化设计得到合理的结构模型，可根据建筑、结构专业要求，迅速响应修改模型，大大提高工作效率，最终实现结构最优化设计，同时利用模型中的数字信息进行杆件生产加工，最大程度地节约建造成本，缩短施工周期。

(4)对于复杂的非线性建筑项目，成熟的参数化设计为项目顺利落地实施，有效节省成本，降低工程施工难度等方面提供有力的技术保证。