數(shù)字化技術(shù)在建筑設(shè)計與施工建造中的應(yīng)用

馮小敏 中央美術(shù)學(xué)院

1.建筑數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的意義

20世紀90年代中后期，美國及歐洲部分建筑學(xué)院開始進行有關(guān)數(shù)字化技術(shù)發(fā)展成果在建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用探索，其中以倫敦AA建筑學(xué)院、美國麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)建筑學(xué)院、加泰羅尼亞理工大學(xué)尤為突出，這些學(xué)校已具有豐富的理論研究成果，相關(guān)技術(shù)及理論在實際工程中有所實踐。國外設(shè)計機構(gòu)如SOM、AECOM等大型工程設(shè)計集團對數(shù)字技術(shù)在建筑方案設(shè)計、方案深化、施工配合等領(lǐng)域的運用較早，已積累大量項目經(jīng)驗。國內(nèi)對建筑數(shù)字化信息模型的運用多停留在3D階段，缺少參數(shù)化在施工建造等多專業(yè)領(lǐng)域運用的研究。同時建筑與結(jié)構(gòu)等多專業(yè)參數(shù)化互動優(yōu)化設(shè)計方面的研究非常匱乏。國內(nèi)建筑數(shù)字技術(shù)的發(fā)展具有以下重要意義。

1.1 提升工程效率

現(xiàn)代社會建筑功能與建筑形態(tài)趨向復(fù)雜化發(fā)展，多專業(yè)協(xié)同設(shè)計難度及施工難度均大幅增加，數(shù)字化技術(shù)的運用順應(yīng)建筑復(fù)雜化及社會多樣化的發(fā)展規(guī)律。同時能夠快速解決多專業(yè)協(xié)同優(yōu)化等技術(shù)問題，提升設(shè)計效率與現(xiàn)場施工速度。

1.2 減少資源浪費

全球范圍內(nèi)每年會由于建筑信息傳達的錯誤以及多專業(yè)銜接的不暢導(dǎo)致數(shù)額巨大的建筑資源浪費。其中建筑拆改、材料切分浪費、重復(fù)施工等浪費現(xiàn)象尤為嚴重。數(shù)字模型在設(shè)計前期的應(yīng)用能有效提升建筑師對工程的把控度，提升工程節(jié)點及建筑細部精確度，使數(shù)據(jù)傳遞更加便捷準確，實現(xiàn)工程信息從單專業(yè)設(shè)計到多專業(yè)配合的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1.3 人性化需求

傳統(tǒng)建筑設(shè)計流程需要大量的人力投入，設(shè)計修改和設(shè)計變更造成大量的人力成本浪費,從設(shè)計至施工流程缺少人性化考慮。通過引入數(shù)字模型技術(shù)，實現(xiàn)圖紙的快速修改與快速出圖，同時通過數(shù)字化模型信息系統(tǒng)的應(yīng)用能夠極大輔助工程師進行施工信息讀取，實現(xiàn)工作效率與建筑質(zhì)量的完美提升。

2.建筑數(shù)字化技術(shù)特點分析

2.1 可視性

建筑信息模型通過數(shù)字化云渲染技術(shù)可以快速生成建筑渲染效果，便于對建筑空間與細部進行研究，節(jié)約人力物力時間成本。利用VR數(shù)字技術(shù)輔助設(shè)計，將搭建的三維數(shù)字空間模型與VR設(shè)備連接，實現(xiàn)對建筑室內(nèi)外各個空間的直觀體驗。同時在項目現(xiàn)場結(jié)合5D體驗對施工團隊進行安全教育，有效提升項目施工安全等級。同時借助全息投影技術(shù)，數(shù)字建筑模型能夠呈現(xiàn)出具有真實空間維度的立體影像。使建筑的展示與表達更為直觀，也使施工團隊對建筑整體效果有全面而細致的把握。

2.2 模擬性

基于數(shù)字化建筑模型，可運用數(shù)字化模擬軟件，對建筑進行環(huán)境分析模擬。風(fēng)環(huán)境模擬階段，利用軟件對建筑的風(fēng)壓及周邊風(fēng)速進行分析，確保方案的可行性。后期為了獲得更加精準的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)，可通過3D打印技術(shù)建造超精度實體模型，對建筑形體進行風(fēng)洞試驗，測算數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入建筑模型進行造型優(yōu)化設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)及形體設(shè)計更加安全經(jīng)濟。室內(nèi)聲環(huán)境模擬階段，根據(jù)建筑功能及使用要求，在數(shù)字模型中放置聲源，進行聲環(huán)境模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果，確定空間體積、墻壁與吊頂材料的吸聲系數(shù)，以確保空間滿足其不同使用狀態(tài)下的聲學(xué)要求。室內(nèi)采光模擬階段,對數(shù)字化建筑模型室內(nèi)空間進行采光模擬，根據(jù)不同房間的功能調(diào)整各朝向窗戶尺寸，使采光與照明系統(tǒng)相互補充平衡，實現(xiàn)采光效率的最優(yōu)化。

2.3 高效性

數(shù)字化設(shè)計模式將建設(shè)單位、設(shè)計方、總包和分包等單位的協(xié)同工作統(tǒng)一在數(shù)字三維模型平臺上進行，提升了項目整體的管理水平。同時可使用云端數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)在移動終端對模型進行實時查看與快速修改，方便多專業(yè)溝通與設(shè)計管理、統(tǒng)籌的便捷高效。

3.建筑數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用方法

3.1 建立基礎(chǔ)數(shù)字化建筑模型

在建筑設(shè)計前期階段，對建筑形體進行幾何分析，搭建基礎(chǔ)幾何數(shù)字信息模型。在方案深化過程中，運用橢圓方程、圓弧方程、拋物線函數(shù)、三角函數(shù)、等對造型進行分析，同時對形體進行有理化分解。通過參數(shù)控制生成多種模型方案，結(jié)合采光模擬與風(fēng)環(huán)境模擬的結(jié)果，選取最優(yōu)形體方案。

3.2 多專業(yè)信息協(xié)同優(yōu)化

多專業(yè)協(xié)同是數(shù)字化工程技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。工程師可使用Revit作為多類型數(shù)字化模型軟件協(xié)同運用的中樞平臺，結(jié)合多種軟件進行協(xié)同設(shè)計。將各專業(yè)構(gòu)件的幾何數(shù)據(jù)、材質(zhì)信息及相關(guān)物理特性等進行整合，構(gòu)建綜合性項目數(shù)據(jù)庫和虛擬化三維模型，借助數(shù)字信息平臺，進行快速編輯。各專業(yè)主體文件可根據(jù)工程要求獨立設(shè)計，模型通過協(xié)同設(shè)計平臺連接并自動更新個體文件，實現(xiàn)全專業(yè)信息實時共享。

3.3 管線綜合檢測

建筑數(shù)字信息模型技術(shù)可以幫助設(shè)計人員從三維視角觀察錯綜復(fù)雜的管道空間關(guān)系，并通過Navisworks等軟件進行管線碰撞模擬，各專業(yè)設(shè)計人員只需通過碰撞報告，核對碰撞點，進行同步修改與文件的實時更新，提高設(shè)計精準度。二次砌體工程深化在綜合管線排布完成并經(jīng)批復(fù)后，開始繪制管井預(yù)埋套管圖及墻體的二次深化，從而有效減少現(xiàn)場管線碰撞率，提高建筑空間利用率。

3.4 數(shù)字建造與逆向工程

針對數(shù)字信息模型利用幾何分析方法對建筑各結(jié)構(gòu)構(gòu)件、預(yù)制墻體、建筑幕墻、室內(nèi)精裝構(gòu)件等進行分析，結(jié)合數(shù)字化建筑工業(yè)產(chǎn)品的制造方法，如數(shù)控機床、沖壓、五軸切割技術(shù)、3D打印、激光掃描技術(shù)等，對各部分材料及尺寸進行逆向優(yōu)化設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計階段，通過研究各部分鋼梁的加工方法以及加工設(shè)備承載尺寸后，將三維梁體進行數(shù)字模型有理化拆分，以滿足設(shè)備機械加工要求，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)自動加工標(biāo)準化管理。幕墻逆向設(shè)計階段，通過對曲面鋁板加工工藝以及無模多點成型機工藝數(shù)據(jù)的了解，綜合加工成本，運用逆向設(shè)計的思路對鋁板劃分優(yōu)化，鋁板曲率優(yōu)化，鋁板尺寸優(yōu)化。在室內(nèi)構(gòu)件逆向優(yōu)化階段，當(dāng)土建施工及鋼結(jié)構(gòu)拼裝完成后，使用三維激光空間掃描儀對結(jié)構(gòu)進行掃描，在計算機中對掃描模型與數(shù)字化室內(nèi)空間模型進行比對，提前預(yù)知施工誤差，同時對預(yù)制構(gòu)件面板進行快速修改與優(yōu)化，節(jié)約時間與成本。

3.5 費用精確控制

數(shù)字化信息模型具有全面的工程信息，包含了幾何信息、材料信息、產(chǎn)品信息、施工信息等。建筑師可以利用程序自動導(dǎo)出各部分清單列表，進行快速的成本統(tǒng)計。當(dāng)單專業(yè)信息模型發(fā)生修改時，可以快速得到施工費用統(tǒng)計結(jié)果。同時可利用數(shù)字信息模型結(jié)合項目進度進行各階段建筑材料采購費用統(tǒng)計，實現(xiàn)項目支出的精確控制[3]。

4.結(jié)束語

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的進步，設(shè)計與建造智能化發(fā)展將日趨完善。數(shù)字化技術(shù)將為工程領(lǐng)域創(chuàng)造更美好的發(fā)展前景，為中國的智慧城市建設(shè)提供科學(xué)有序的方法，使之走上健康發(fā)展之路。