基于BIM技術的建筑方案豎向合理性研究

馬錦,王剛

(重慶市勘測院,重慶 401120)

0 引 言

建筑方案豎向設計是規劃場地設計中一個重要的組成部分,它直接影響著眾多的環境因素、環境外貌、空間的構成和空間感受[1]。建筑方案豎向設計對景觀中自然設計要素起支配作用,某一特定環境的豎向變化,就意味著該地區的空間輪廓、外部形態,以及其他處于該區域中的自然要素功能的變化,因此,建筑方案豎向設計成為規劃場地設計中最基礎、最重要的一環[2]。山地城市具有立體多維的特征,地形地貌復雜、高差起伏大使得地塊豎向設計要求高、設計難度大[3],合理利用地形,優化豎向設計,是達到工程合理、造價經濟、景觀優美的重要途徑,也是面向管理層面豎向審查的重要環節之一[4]。因此,在規劃設計階段充分考慮建筑方案豎向設計,對一些不利于建設的地塊加以適當的改造[5];或提出一些工程措施,減少土石方工程量,合理、正確地評價山地城市建筑方案豎向合理性[2,3],提高建筑方案豎向審批的管理效率,成為亟待解決的問題。近年來,隨著BIM參數化建模技術的快速發展,為這一問題的解決提供了技術手段。

參數化設計是由變量化設計發展而來的,主要應用于計算機繪圖、三維建模等方面,為了提高模型修改和生成效率,減少手動,實現設計自動化而出現的技術[6]。BIM作為一個將參數和行為關聯的復合模型,BIM參數化建模技術不僅可以將建筑物直觀展現出來,通過創建和修改構件的幾何、材質、通用信息等參數,獲得精準的模型,還能進行數據分析,如碰撞檢測、空間分析、結構靜力分析、動力分析等[7]。另外,給關聯的參數賦予意義,實現對真實世界空間的虛擬模擬。

本文面向山地城市立體多維的特征,采用BIM參數化建模技術,基于設計圖紙等數據,參考相關規范及標準,構建山地城市建筑方案豎向合理性評估指標體系,對建筑豎向合理性開展評估,通過動態反饋調節機制,從源頭控制,促進規劃建筑方案落地實施。

1 研究方法及數據來源

1.1 數據來源

本文所使用建筑方案設計圖紙數據,該數據用來采用BIM參數化建模技術構建三維建筑模型;采用1m分辨率DEM數據,該精度滿足分析研究區基礎地形地貌;實景三維數據,該精度滿足分析建設前期原始地形地貌。

1.2 研究方法

(1)BIM參數化建模法

BIM參數化建模是一種計算機輔助的設計方法。在BIM參數化建模環境里,零件是由特征組成的,特征由正空間或負空間構成,正空間特征是指真實存在的塊,負空間特征是指切除或減去的部分[7]。本文采用基于草圖的建筑方案BIM參數化建模(圖1),草圖是與實體模型相關聯的二維圖形,它的平面可以進行尺寸驅動,通過對草圖對象上所添加約束方式或約束值的修改來改變設計參數,從而改變對象特征。通過對草圖上創建的截面曲線進行拉伸、旋轉和掃描等操作生成參數化實體模型,提取模型中的截面曲線的參數和拉伸參數來實現整個模型的驅動[7]。

圖1 基于草圖的BIM參數化建模法

(2)指標評價法

建筑豎向設計和場地坡地、場地分臺、擋墻和邊坡相關,通過梳理相關文獻規定規范,綜合研究建筑方案豎向設計的影響因素,本文從建筑方案自然地形、契合度、宜居性和景觀性四個方面,構建建筑方案豎向合理性研究指標體系。該指標由4個一級指標,15個二級指標構成。指標如表1所示。

表1 建筑方案豎向合理性研究指標體系

2 技術路線

本文通過分析原始地形和規劃設計方案進行分析,基于所構建的建筑方案豎向合理性評價的指標體系,從基礎地形、契合度、宜居性和景觀性四個方面,采用BIM參數化建模方法,對建筑方案豎向合理性進行半自動分析評估,輸出評估分析結果報告,根據評價結結果,發現問題,提出設計優化建議,進行反饋調節,促進建筑方案合理性規劃實施。技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線

3 建筑方案豎向合理性研究

3.1 研究區概況

本文選取東展均和建筑方案為案例進行建筑方案豎向合理性研究。該建筑方案位于重慶市渝北區(圖3),處于建筑居住區,屬于城市建設地塊,用地面積約88畝,現狀用地類型為正在建設區域,建設方向為居住區及商業配套功能,周邊交通條件良好,保證了片區的交通區位和可達性。

圖3 東展均和建筑方案區位圖

3.2 基礎地形分析

基于GIS空間分析方法,采用的DEM數據對東展均和原始地塊進行高程分析、坡度分析(圖4)。分析結果表明,該地塊原始地貌豎向標高約在290～365 m之間,地塊所處區域整體地勢起伏不平,豎向落差約為20～30 m之間。坡度處于0°～67°在之間不等,其中15°以下占比43.6%。

圖4 基礎地形分析

3.3 豎向合理性評估結果

(1)建筑方案與原始地形關系

原始地形采用實景三維技術,進行 1∶1真實還原,還原結果表明,東展均和地塊所在區域呈現北高難低,東高西低的原始地形格局。

通過BIM參數化建模技術,將東展均和建筑方案進行三維還原,將三維模型成果和原始地形與真實坐標疊合分析比對(圖5)。結果表明,設計方案西側和東側建筑正負零標高與原始地形契合度較好,沒有較大程度侵占原始地形。南側建筑,若按照方案設計圖紙進行修建,則需進行大量開挖,產生高邊坡、高擋墻等支護結構。

圖5 建筑設計方案與原始地形關系

(2)設計地形正負零層和原始地形關系

將東展均和建筑方案二維CAD圖紙和三維設計方案成果比對。分析結果表明,二維CAD圖紙和三維設計方案成果一致性較高,表明基于BIM參數化建模模型還原度高。

設計正負零層與原始地形三維成果進行對比(圖6)。結果表明,地塊范圍內西側和東側設計地形正負零層地形與原始地形契合度較高,中間偏南側與東北側與原始地形契合度較低,若按照設計修建,將產生大量的土石方挖填量、產生高邊坡。

圖6 建筑設計地形與原始地形關系

(3)建筑方案豎向契合度評估

依據所構建的指標體系,對東展均和建筑方案進行契合度評估。評估結果表明,該建筑方案按照設計圖紙進行修建,則產生高切坡、高填方共有2處,總數量小于3處,說明該建筑方案與自然地形貼合度較好;方案整體存在4處高邊坡,根據《城鄉建設用地豎向規劃規范(CJJ83-2016)》[9],該建筑方案景觀待優化;方案存在擋土墻共6處,其中高于 6 m的擋土墻有4處,地塊內部存在高擋墻情況,評估結果表明該方案建筑內部景觀待優化;根據分臺契合度評估指標,結果如圖7所示,藍色區域代表契合度較好,區域最小高差小于 5 m,總數量共4處,紅色區域代表契合度弱,區域最小高差在5～20 m之間,總數量共5處。

圖7 東展均和建筑方案契合度評估結果

(4)建筑方案宜居性評估

依據所構建的建筑方案豎向合理性評估指標體系,對東展均和建筑方案進行宜居性進行評估。評估結果表明,在設計方案中,該地塊內共設置兩處垂直電梯,參考《住宅設計規范》[10],能滿足住宅用戶的需求;通過對步行空間評估發現,在整個地塊中,其中有兩處步道寬度>2,坡度大雨35%,超過設計規范?？傮w評估結果如圖8所示。

圖8 東展均和建筑方案宜居性評估結果

4 結論與展望

本文探索構建了山地城市建筑方案豎向合理性評估的指標體系,以渝北區東展均和建設地塊為研究試點,評價山地城市建筑方案豎向合理性,得出以下結論。

(1)本文以滿足建構筑物功能布置要求、充分利用自然地形、節約土石方工程量、滿足技術規范為原則,采用BIM參數化建模技術,通過設計圖紙、三維建模、豎向評估、反饋設計、優化提升的模式,完成了東展均和建筑地塊的豎向合理性評估。評估結果表明,高擋墻、高邊坡對地形契合度影響較大,原始地形取決于設計豎向的合理性。

(2)本文采用BIM參數化建模技術,完成了東展均和地塊豎向合理性評價。本次評價參考相關豎向規范,結合定性分析和定量計算,提高了建筑方案豎向評價的合理性。但是,目前合理性評估結果是人工參與和半自動化評價綜合作用的過程,后續研究重點放在完善指標體系,構建建筑豎向自動化合理性評估過程,通過輸入設計方案,自動化評估,一鍵輸出評估成果,全方位、智慧化輔助建筑方案審查。