[摘要] 信息技术的浪潮正在席卷全球，对于建筑领域，各种三维数字化设计软件在建筑师的创作过程中扮演着越来越重要的角色，帮助他们张开想象的翅
信息技术的浪潮正在席卷全球，对于建筑领域，各种三维数字化设计软件在建筑师的创作过程中扮演着越来越重要的角色，帮助他们张开想象的翅膀，将虚拟变为现实。国内外的一些前卫建筑师，已经将软件与人的智慧进行完美结合，创造出前所未有的建筑形象和空间体验。当然，传统的社会观念、行业体制、设计方法和施工手段仍然制约着建筑师的探索，尤其是在大体量建筑的设计建造中。在上海欧特克中国研究院的支持下，敦煌莫高窟游客中心的施工图设计成功应用 Autodesk Revit 2010 测试版软件，为建筑师提供了全新的体验。这其间的收获有经验，也有教训，值得我们了解和分享。
地处戈壁边缘，面对茫茫大漠，敦煌莫高窟游客中心如同风吹过沙丘一般从大地中生长出来，蜿蜒起伏，自由奔放。几组自由曲面的屋顶不断交织、扭转、分离，有的甚至开满孔洞，像沙漏一样落地。室内主要公共空间将结构的曲面井字梁暴露出来，如同洞窟中的藻井分格。立面窗户借鉴洞窟在崖壁上开洞的方式，在双层墙体上设置弧形倒角的外龛……这些复杂的形体变化赋予这组建筑极具特色的外观，但是同时也成为施工图设计中的难点。考虑到造价和当地的施工水平的限制，我们选择现浇钢筋混凝土而非钢结构作为建筑的主体结构材料，因此三维空间曲面混凝土造型的定位，就成为需要解决的核心问题。如何建模，如何定位，如何能在任意位置切出剖面、引出节点详图，如何保证对将来施工具有实际的指导作用，这些实实在在的问题已经冲淡了方案阶段的创作激情，必须静下心来一一解决。
三维建模
三维建模是本次施工图设计最关键的任务。我们希望应用 R e v it 能够准确描述三维形体和空间，并转换成二维图形语言进行准确定位，利用 B I M 的优势提高工作效率，便于修改，减小工作强度。首先明确工作思路：将复杂任务依据一个统一的逻辑结构进行拆分，分解为几个中等难度的工作包；继续向深度扩展，形成金字塔式的树状逻辑结构，将中等难度工作包细化为很多个简单工作，并规范化一系列简单动作，用以保证简单工作的完成质量；依照逻辑结构逆向组合工作成果，最终得到解决方案。具体分为以下几个步骤：第一步，参照一般施工中混凝土模板的尺寸，我们采用 2m×2m 的格网轴线，作为整个建筑平面及空间的基本定位尺度，所有的定位都与这套轴网发生关系；第二步，将垂直墙体和曲面屋顶分离开，分别由两个人去完成；第三步，将曲面屋顶按一定规律继续分解，逐个建模，再重新拼装，完成整个模型。
复杂的曲面模型被彻底拆分为许多基本的单元构件（图片来源：百度）
曲面屋顶及三维空间曲梁
首先我们分解工作模型。先依照结构变形缝将较长的屋面一分为二，形成东、西两区，再按照形体分合的变化不同分解为一个个单独的曲面屋顶，最后将独立出来的曲面屋顶解体成为基本的结构构件——主梁、次梁、板、女儿墙和架空屋面板。于是，复杂的曲面模型被彻底拆分为许多基本的单元构件。
在分解模型之后，我们对基本单元构件进行分区定义和编号分组。编号是在轴线这个基本逻辑层面下增设的一个附属逻辑，这个工作步骤确立本案每一个基本构成元素的唯一性和空间确定性，以便以后进行工作成果的检查与修改。我们将全部构成元素列出一个完整的表格，在表格中可以看到每一个元素的制作负责人、完成程度、区域位置以及难度。于是我们小组的每个模型制作成员手中都有一张分区组合图，这就相当于一份地图。这份地图清晰地量化出这项复杂的建模工作如何分工，每人的工作量是多少，如何组合已建成的模块，我们做到什幺位置了，还差哪些区域，哪儿出现问题，每个构件需要花多长时间，还需要多少时间等等。同时，这种工作方法还有一个好处，就是当我们面对一个个基本模块时，初次看到整体复杂形体时的恐惧消失了，取而代之的是思考如何制作这些个难度不一的元素。我们一个一个地完成基本元素的模型制作，如果碰到非常复杂但又无法继续拆解的单元（例如井字梁和漏斗），我们就把这个困难的构建建模传到 Autodesk 技术部门，请他们想办法共同解决，如果他们也没辙，甚至可以动用美国总部的资源。这里可以看到任务拆分的另一个好处——便于工作外包。
接下来就可以依据分区图制作基本构件了。由于时间有限，经过欧特克技术人员的简单培训，我们项目组的成员只能硬着头皮上马，边学边干。具体步骤分为：以方案模型为基础，切取截面并描绘；根据构件编号，以曲面截面为基础逐一制作构件曲面；将曲面导入 Pr o j ect 环境并根据统一的坐标网格定位；根据每个构件性质，赋予它们梁板柱的特性，并将墙体附着在屋面上。我们大部分时间都是在重复以上四个步骤，但是由于建筑形体非常自由，没有重复构件，因此基本构件的数量极多，工作量很大。不用说，在建模过程中，我们遇到了许多困难。其中难度最大的三个内容，一是接待大厅屋面井字梁，二是回程部分的院落“漏斗”，三是空间曲梁。对于井字梁的制作过程，如何解决撕裂的曲面，在接触点保持曲率一致，如何应用 UV 线进行分格和调整，制作族文件并应用于曲面，都让我们花了大力气。同样，漏斗的制作也很费劲，如何分解制作不同曲率的曲面，如何将族文件的模块赋予到曲面上并相互连接顺畅，其间反反复复地尝试了许多遍。空间曲梁相对较容易一些，因为它的生成依赖于曲面屋顶，由于梁顶与屋面顶标高相同，因此提取已生成的屋面构件，在平面内找出梁的中心线，以柱子的中点为梁的两端点（梁居柱中的情况下），梁投影在空间的端点由此确定，在屋面构件的空间平面内用连续的点连接生成空间多异线，根据结构高度，沿着 z轴方向拷贝梁的实际高度，连接两条多异线围合的线框，生成曲梁的中心截面，导入到 R ev i t 模型内，给梁的厚度赋值，于是空间曲梁便生成了（图 5）。墙体、楼梯、窗户应当说，R e v i t 在规则几何体建模方面几乎没有什幺障碍，其常规构件库已经比较丰富了。垂直墙体的高度、厚度可以通过参数驱动进行修改，并具有延伸、倒角功能。楼梯的参数设置很细，踏步、栏杆、扶手等都能方便快速地建起来。唯一的难度在于，像洞窟这样具有弧形倒角的外龛和窗户，则需要专门制作相应的族文件。一旦把族文件做好，即可在不同位置和高度安插到墙体，并通过参数改变窗洞的大小和比例，非常方便。
完成的效果自然越符合设计要求（图片来源：百度）
定位
为曲面屋面板、曲梁、任意断面进行空间定位这个问题，是 R e v i t 最终没能解决的问题。事实上我们利用了 Rhino 结合 Grasshopper 脚本，才完成了最后的空间定位这个工作，解决问题的关键在于插件 Grasshopper 的脚本，由于所有的空间定位都是依靠编排好的脚本来进行计算的，计算脚本完全因结构构件类型而异，因此必须先编排好脚本，由脚本计算出结构构件的三维定位，才能够向结构专业提图。
定位具体步骤分为：第一，提取 R e v i t 中需要定位的结构构件，导出 CAD 格式文件；第二，在 Rhino 中导入 CAD 文件，在 Grasshopper 窗口环境下，由已编排好的脚本计算空间定位点的高度；第三，在 R h i n o 中导出 C A D 格式的文件，整理后提给结构专业。所有平面定位都是以 2m×2m 网格为基础的，因此空间定位点也以此为依据，从而形成2m×2m×2m 的空间网格坐标系统（涵盖建筑整体），所有结构构件如异形屋面板、曲梁等均置于这个空间网格中，定位点投影在网格的坐标都是（x，y，z）的模式，x 与 y 方向上的间距均为 2m，z 方向上的高度在 R h i n o 中由 G r a s s h o p p er 计算得出，定位问题就此完成。定位的精准度完全依赖于选取的网格坐标，网格单位越小，则定位越精准，尤其对于形体比较复杂的建筑来说，定位点越多，越有利于施工，完成的效果自然越符合设计要求。
二维图纸生成
在传统的二维设计中，平、立、剖面图往往是分开画的。画剖面的时候，要把平面图转来转去，上下对位才能把一个剖面图画出来。当建筑空间复杂，层数很多时，往往画得晕头转向，还容易出错。最要命的是当所有的图纸画得差不多了，突然平面改了，您还得花大量时间重新对位，修改剖面，同时相关的标注、文字、节点详图一起连锁反应，都得改。在 Re v it 中，所有的平面、立面、剖面、详图、尺寸标注都与三维模型紧密关联，模型的任何地方发生修改，所有图纸全部自动更新，这样不仅能节省大量时间，大大提高效率，还不用担心遗漏修改。在本项目中，由于曲面屋顶的变化丰富，在任意一处的剖面都不一样，事先也不能完全确定需要剖切的位置，因此这种关联的功能显示出了非常准确和即时显示的好处。我们只需要做好关联的设置，即可放心地进行模型的修改了。比较遗憾的是，由于模型中不同构件，如屋面板和墙体属性不同，不能很好地倒角相交，使得生成的剖面图不太符合我们的制图标准，而且目前软件的本土化程度还远远未达到我们传统的表达习惯，最后我们不得不回到 CAD 中，将图纸重新整理输出。
Revit 软件的优缺点
功能强大，界面直观，协同设计。Revit 在协同设计上的确为各专业提供了一个工作平台，各专业可以在同一软件平台上进三维协同设计，这一点前景非常好。但是由于与中国市场的设计需求尚有较大的差距，目前除了建筑专业之外，其它专业都因一些基本需求没有达到要求而不得不放弃使用。
BIM 是 Autodesk 公司创建 Revit 软件的根本目的，是相对于二维设计的一次变革。它试图将所有与建筑相关的信息都集中在一份文件中，包括建筑、结构、水、暖、电，不管在设计阶段、施工阶段还是将来运营阶段，这些信息都能根据任何情况进行修改调整，保持持续更新。传统设计中的蓝图和洽商分离的状态可以得以整合，而建筑的改造也会直接以最新一版图纸作为设计的基础，而不用花大量时间重新核对错误百出的老图与无数张洽商单。这对于所有相关行业来讲，是一个很大的优势。但是，要做到这一点，理论上就要求 B I M 模型应最大可能地包括所有信息，换句话说，各专业设计人员要将全部内容表达出来，在施工过程中，任何一项洽商都需要在同一模型中修改。
Revit在协同设计上的确为各专业提供了一个工作平台（图片来源：百度）
对于施工图设计来讲，三维模型可以关联所有的平、立、剖图纸，能避免传统设计中可能出现的改了这儿，忘了那儿的现象，大大提高出图效率，这是 Revit 作为三维设计软件的优势。有较强的曲线建模能力，通过方法的探索能生成复杂形体，但是曲面建模尚需改进。就参数化设计的使用程度而言，Revit 能方便地对建筑构件的尺寸进行改变，也可以通过族文件对局部构件进行参数驱动控制，对于形体较为简单的建筑，它的表现应该不错。
根据本案的实际情况，当三维模型转化为二维图纸时，存在一个最基本的问题，就是针对中国市场施工图设计的本土化计问题，应当适应各专业的相关国家标准（计算标准、制图标准），与当前工程师的制图习惯相结合。传统的制图标准已经在工程师、施工单位间进行了多年的使用，作为外来版本的 R e v i t 软件，有很多地方需要根据中国的情况进行再研发，这也是我们建议欧特克中国研究院在下一阶段花大力气解决的重要问题。
来源：《设计与研究》; 作者：吴斌、赵晓刚、张汝冰;
