【BIM案例研究】MARRIOTT饭店改建(3D扫描+预制+LEED)

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一、项目概况

Toronto National Building建造于1982年,虽然座落于波特兰商业区的中心但却有将近20年未使用。在2009年,终于由SERA的建筑师设计并改建为一栋现代饭店—万豪饭店(见图一和图二)后重新启用。项目主要参与者见表一。在现有的13层建筑物上增加了3个楼层,整个外墙拆除后全部翻新,增加新的系统以满足饭店需求,根据新的结构负载及现行建筑法规而将现有的结构升级。拆除毗邻的3层楼建筑物,取而代之的是一个全新且提供停车场、公共空间以及室内活动区的4层楼建筑物。


图一 主要入口的视觉模拟图


图二 使用Revit建模的多功能饭店

 


表一 项目概览

此项目设计最根本的决定应该是选择改建而不是拆除。这项决定是为了寻求资源使用最小化,因而带来一系列整合新系统至现有结构方面的挑战。一个完整的3D建筑扫描使精确而可靠的几何图形得以发展。同一系列的BIM模型是作为结构评估,节能分析,承包商间协调等信息的主要来源。这个项目提供了一个重建商业结构模型和使用BIM获得LEED认证的良好范例。

二、项目目标

   城市冲击

这间饭店座落于商业区的核心且邻近大众运输购物中心,将旅客转往机场与其它城市,振兴周边地区并复原已萧条的街角区域。

   结构回收

确认现有结构所包含的能源价值,以及比较改建与拆除建筑物这两项方案所涉及的成本之后,设计团队选择改建而不是重新建造一个全新的建筑物。这栋建筑物被视为冻结资金,并正寻求新的投资以成为具生产力的建筑物。建筑再利用也是一种能尽量减小因施工而影响毗邻商家的生意,缩短施工时间以及缓解当地交通中断问题的方法。

   永续发展设计

业主和设计团队想证明,饭店业也有可能成为一栋高性能的绿色建筑。而又须在完成的同时,也实现品牌标准并提供旅客舒适性。

   资源利用效率

由于饭店是24小时都在消耗资源的建筑物,在设计上就必需专注于能源和用水之营运效率。材料的选择上需着重于室内空气品质。目标包括避免在客户入住率高的区域排放污染物质,空调区域平衡中央空调系统以提供客人活动区域新鲜空气。另一个目标是充分地利用自然光以减少能源损耗,需通过仔细协调建筑外观和内部布局来实现。综合上述的目标后,业主和建筑师想要获得一项高级的LEED认证。

三、设计方法

   面临的挑战

主要面临的挑战是更换整个外墙,在现有13层楼的结构之上增加3个楼层,重新设计及更换建筑外皮(见图三),完全翻新内部的结构,并安装全新的机械系统。但也必需拆除相邻的3层楼的结构,取而代之的是一栋新的4层楼高的结构从后方支撑饭店,并把两个结构功能结合在一个建筑物内。

 


图三 建筑过程的时序

   外观设计

为平衡房间内日照的需求,所以在外观设计上,采用低的窗墙比。他们决定将窗户设置在靠近房间的天花板,并使标准尺寸的窗口能引入的日照达到最大值以达到此平衡。除此之外,新的外观还包括高性能的镶嵌玻璃和不透明表面上做更佳的绝缘。

   系统

为了这家有256间客房的饭店,除设置中央空调设备和热水系统之外,还附加有一个热回收系统。结合这些系统后,相较于美国热冷冻空调工程协会(ASHRAE)的基准,还减少了30%的能源使用率。

   设计工作流程

一般的设计流程(见图四)包含两个主要阶段:审视过程并提供现有结构准确和可靠的描述,以及从共同资料来源衍生出的各种不同的BIM模型之间的互动过程。这些阶段在之后的两节会作描述。此外,这个项目管理使用Newforma(一个项目/文件管理工具)在设计过程中追踪项目文件与档案。

 


图四 一般设计流程

四、扫描现有结构

原始建筑物的施工质量非常地差。这栋建筑物从未得到建筑使用执照,并且从建造完成后闲置了将近二十年。为了解建筑物的现有状况,因此进行一项完整的结构体雷射扫描工作。Hoffman建筑公司作为本项目的总承包商亦负责这项扫描工作。这并不包含在原始的投标中,但总承包商考量现有结构的复杂性,与业主协议在此项目中提供这项服务。Hoffman具有雷射扫描的经验并由他们自己来提供这项服务。他们使用Leica Scan station time-on-fly的扫描仪来进行这项工作。使用Cloudworx软件产生一组描述现有建筑物的几何表面,并标示及整合点云资料。

高密度的点云资料可以整合建筑物的新设计与原有状况。

   扫描程序

在地面平整度阶段,每个楼层(共14层)会进行4次的扫描。在外观阶段则是4个立面各进行2次的扫描。从这些扫描所得到的资料再整合成一个描绘现有状况的大规模点云图(见图五)。这些信息被载入到Cloudworx软件中,以便能深入了解现有建筑物几何图形的不规则楼板边线、柱位以及核心墙。Cloudworx可以汇出到AutoCAD(ADC,2010)以达到更佳的软件互通性。Hoffman建筑公司决定将原始点云图以楼层来作分割,这样可以简化可利用的资料数量。并可产生每块天花、地板、墙以及柱子。这样做的目的是使其可视化并清除原来设定的点,并确定主要的图形特征。

 


图五 整合后的3D扫描图形

   产生表面

通过切割点云资料可加速制作2D图,并提供任何特定截面图一个高解析度的图腾。那些剖面可经绘制后成为平面图与剖面图的草图。

Leica Cloudworx允许用户横切点云图来定义平面,选择一个平面并使用外部点来作为2D模拟的参考。透视图的可视化也可以将2D的切面从原来的位置来作移动。虽然Cloudworx只允许一次进行一个剖面,但它的可移动性功能弥补了这个缺点。这个动态的2D点云剖面推动了手动建模过程。他们描绘切面的线或折线,并运用附加的缩放和捕捉的功能(loudworx,2002)。这些表面是由手动描绘线或折线所产生。这整个过程带来正确的成果以及减少重新建模过程中的人工输入。

由于扫描所得的点云资料并没有任何代表物件的结构,所以表面建模是以逐层来完成。大量的细节需通过扫描纪录,并且它们还需要人工检阅来作鉴定。在图六的下方可注意到周围的树木也一并被截取了。在经过结构化与整理后,新版的楼层平面都被储存在同一档案中以保持相关位置方面的一致性。

 


图六 分层建模过程。(左上)全部楼层的点云图;(右上)除去屋顶的视觉图;(左下)表面模型;(右下)楼面资料库

虽然我们可以在点云资料中识别各个元素,但以目前的技术仍无法进行自动且精确的标识。因此,这个扫描阶段是非常耗费人力而且易产生人为错误、误解或对扫描资料有错误的解读。然而,这些工具及其相关方法对于复杂的结构提供了一个相当正确的描绘。

   点网格修正

在模拟楼板、墙壁、天花板、柱和其它重要建筑功能的表面后,整套的楼层扫描资料被整合在同一档案中,以便追踪它们的一致性、查找错误及潜在的空间分层变化(见图七)。



图七 整齐的点网格楼板立面图

根据修正过的表面图形,新的网格点以固定的间隔形成。这个详尽的分析资料发现两个楼层之间有几个地方有最多3英寸柱位的差距,而楼板边线的下垂却多达4英寸。Hoffman的营运经理Dale Stenning,在2009年Leica Geosystems HDS的全球用户会议上指出:万一我们没有早点注意到柱子的差距,那么等我们之后才发现时,那么将会面临一个巨大的问题。对于定义预制板外观边线而言,由此产生出的不规则楼板形状是很关键的。在面板安装过程中所发现的这些尺寸变化,可能会极大地影响安装过程以及其密封性能。

五、外观预制模板

在第二阶段,不同的分包商为了不同目的而搭建了几个不同的模型,所有的模型都是根据扫描过程所得的建筑结构描绘资料所搭建。Revit BIM的模型是为了支持设计而搭建。这个模型是成本估算、决定相关材料规格、能源以及耗水量等信息的主要来源。Revit也定义整个MEP系统。最后,为了进行项目协调与规划,在Navisworks将整套的模型进行整合(Navisworks,2010)。从那一刻开始,Navisworks模型推动着各个不同模型之间一个重覆而相互作用的过程。它还可检查与不断地改进主要的Revit 3D模型。

从2D轮廓到3D实体模型

从已修正的网格点手动追踪规则的线与折线,来正确地描绘外观的边线。这一套新的AutoCAD 2D图档被传递给外观面板制造商Niradia EnterprisesInc.,用来建立他们自己的现有结构实体模型。他们使用AutoCAD,2008与Pro-Steel这个附加软件来管理钢筋的配置以及生成物料清单。

每个楼层的扫描信息都提供给设计团队宝贵的结构资料。由于现有结构的缺陷,建筑物外表不能在现有结构载重之上再増加过多的重量。此外,由于现有后张预应力楼板的性质,导致设计不能拆除现有楼板边缘°设计团队需要在现有结构的限制内找到一个解决方案。

原来的面板设计是以统一的边线为基础,但这个高解晰度的测量图显示沿着楼板边线的形状是非常不规则。所幸的是,在实际制造之前,点云网格的精细度能完全地显示出这些不规则变化,如图八所示,这个楼板使用了一个新的顶部并加以运用而免于改变立面图。


图八 楼板边线的详图显示倾斜的楼板、填平楼板的新顶部以及承载墙板的边缘墙

用Hoffman的话来说,使用雷射扫描就是在BIM的模型上增加了一道现实层,因为现实通常是与虚拟模型有着很大的差异。尽管这一过程提供了正确的结果,但却是极其耗费人力,因为基本上2D档案与3D实体模型都是手动创建的。

预制外观面板之安装

预制面板是Niradia公司(www.niradia.com)在加拿大制造的。Niradia是Performance Contracting,Inc.的分包商,Performance Contracting,Inc.则为HoffmanConstruction的分包商。预制面板系统的选择是取决于现有结构的有限承载能力以及重量相对较轻的系统。关于面板主要所面临的工程挑战是容许现有相互不平整的水平面板,同时保持建筑物边界皆在同一平面上。边缘墙板/楼板边线浇置位置在建筑边界上,使预制板能分层且一致地承受重量(见图九)。由于在做内部边缘墙板框时发生了错误,使他们不得不修整一些向内凸出的边缘墙板。

 


图九 预制面板的安装过程

这些大约300个预制好的面板中,包含了外墙内部中内建的金属立筋。这些面板以三种基本样式组成:两侧有标准面板的窗口、右侧为标准面板而左侧为开槽面板的窗口、左侧为标准面板而右侧为开槽面板的窗口。这些面板在整个外观上交错着,面板的尺寸是标准的并有一些例外。面板是从第2层开始并在基部做了特殊的细节处理,而且无论在什么情况下都能满足现有的状况。由于从第12层及其上的每一层高度逐渐变大,所以第12层的面板也需要加高。同时女儿墙墙板的面板也变得较高。由于角落的状况不同,所以有特别的面板以及与之相应的细节设计。强烈的水平楼层线表达现有的结构,同时垂直图案的交替窗口则表示蜂窝式的饭店房间。这个重复的面板系统是使用喷砂和涂料来做表面处理。安装的过程是既快速又顺利。

六、从Revit到LEED认证

LEED认证

由美国绿色建筑协会(U.S.Green Building Council)制定的Leadership inEnergy and Environmental Design program(或称LEED),它包含以下几个方面:能源和用水、碳排放、室内环境质量以及环境的影响。LEED计划定义了一个体系,以实现更多永续设计方案、施工过程以及整个建筑生命周期的维护。关于现有结构重复使用的原始设计决定,对尽量减少对环境的影响以及施工过程中资源利用做出了一个重大贡献。SERA的建筑师所面临的挑战,是在饭店业传统高耗能与符合绿色LEED标准之间做出平衡。从扫描资料所建立的Revit模型,是作为在节约用水及内部空气质量上取得LEED认证的主要信息来源。在节约能源的方面,利用Revit模型(见图二)作为此次Trane Trace™(Trane-2008)所开发能源模型的基础。

节约用水

经由在所有客房内安装二段式抽水马桶、低流量的省水器并搭配低流量的内部装置,饭店减少了26%的用水量。这个减量对传统上有高用水需求的建筑来说是相当明显的。

空气质量

材料的选择上着重于可回收的含量、区域性材料以及是否影响住户的健康。客房墙面的覆盖层为非PVC材质,家具也没有添加尿素甲醛,提供了一个健康的环境让客人居住。

能源模型

能源模型包括:

•高性能玻璃

•提高建筑隔热

•高效照明

•高效的中央空调设备

•高效热水器

•热气回收系统

能源建模的工作以TraneTrace™为基础,并根据CAD模型输入建筑设计信息。Trace没办法从Revit输入有效和可靠的信息,所以顾问们必须手动输入这些能源资料。能源分析的额外费用是$20,850,这与节省相比是很有吸引力的,因为预计此建物在十年内光在公用事业费用上即可节省60万美元。另一个能源建模工作的好处是,因为能源模型需要所有分包商的信息,所以需要整个设计与建筑团队的共同合作。在整个能源建模的过程中,他们有机会在设计过程早期发现冲突并加以解决,而不是之后才在现场发现。

能源建模的工作相较于典型建筑的能源消耗可节省30%(见图十)。虽然这个论述证明其有能力提供有价值的成果(即LEED认证),但这样的过程并没有促进设计与分析之间的反馈,在现实面背后的相互作用之下,使得每一次的设计变更又是一个新的分析循环,及为了能源分析所必须进行资料的手动输入。

 


图十 能源模型分析结果

LEED分析结果

Courtyard是万豪国际饭店集团中第一个获得LEED金级认证的。它首开先例的说明了在没有忽视产业营运实务与标准的情况之下,中等规模饭店也可以有高水平表现。

尽管事实上永续发展需要额外的投资(图十一,软硬件成本费用),Oregon州为此提出奖励补助开办费使十年后此建物将能在公用事业费用上节省超过$675,000。预估从营运第一年起,每年的能源节约和耗水量减少分别为30%与26%。室内材料表面排放量是以Revit模型为基础做估计,并保证提供客人和员工一个健康的室内环境。为了获得LEED金级证书所支出的额外费用只占总工程成本的1.2%



图十一 为达到LEED标准的额外投资

设计团队还制作了专门针对饭店管理产业的(SERA,2010)项目LEED成本/效益分析(图十二)。节税折旧假定为线性折旧法,税率为42%,建筑物寿命为40年,设备寿命为7年。项目团队声称在此项目有关绿色环保措施方面的支出会有26%的投资回报率(假定公用事业费的增加为2%)。这项研究已经在业内获得好评,而且它为饭店管理产业进一步追求LEED而言提供了有用的信息资源。

 


图十二 LEED/永续发展成本的利润率分析

七、分包商协调

团队协调

此项目是在有限的时间内开发:设计耗时约7个月,并在约19个月内建造完成。为了简化协调的过程并减少所需的工作量,项目团队决定使用一个中央档案控制系统。在研究几个不同的方案之后,团队决定采用Newforma来进行(Newforma,2010)。这使得他们可以从同一个地方进行存档与使用所有产出的档案(文档、模型、简报等)。这样可简化管理工作,因为它们可以从中央应用程序发出与收到传真、正式文档集以及FTP类型大档案的传输等。

Navisworks模型是不同分包商之间的一个主要界面。这是SERA及项目顾问第一次联合使用Navisworks。Navisworks模型(图十三)能整合相异处,并分别地详述从原始扫描结构图形所导出的Revit模型,以帮助能及早进行冲突与碰撞检测工作。研究小组发现机械系统与宴会厅现有结构之间存在着冲突,这若是在施工阶段才解决那么费用将会是非常昂贵。Navisworks的功能是使团队能在设计阶段积极主动,而非在施工期间才作反应。SERA团队指出,「……在设计阶段得到你想要的,而不是之后生活在你不想要的地方。」因此,设计团队在整个过程中使用Revit模型并不断地作改进。这个整合的Navisworks模型也被应用于4D排程,用以促进施工过程与异地组件的预制工作。Navisworks模型使设计团队能更加弹性的与在此项目中的机械系统、能源、低电压、管道、中央空调等的各个顾问彼此合作。施工过程的模拟可更加深刻的理解施工过程的复杂性,以及在施工期间预测潜在的冲突上有更佳的表现,以帮助减少延迟及程序化问题。Navisworks和Newforma之间不能自动作连结。

 


图十三 承包商用来协调排程的Navisworks模型

八、经验学习

扫描

如何从正在进行时的3D扫描点云资料中辨认出物体?尽管目前转译的准确度很高,而且现有工具及相关的方法也能为复杂的结构提供说明,但它仍然是极其需要人力、易产生人为错误、误解或误解信息的来源。虽然使用者可以很直观地辨识元素,但以目前的技术仍无法自动执行此辨识工作。发展过程在顶点(点)、边缘(线)和表面(平面)之后,可能是使BIM物件能由扫描过程迈向自动化并促进建筑革新的一个研究领域。

设计和评估的相互作用

如何提高设计与评估之间的信息交流?目前的过程阻碍了这些过程之间的互动。使用Revit进行设计时,在能源消耗方面使用Trane作分析或在冲突检测方面使用Navisworks进行。这些平行性与需要重复地在Trane Trace手动输出/输入相当数量的信息,这提高了合作风险并使过程变得更缓慢,也减少了设计过程中各个不同项目方面的反馈。

外观模型同步

如何同步不同领域中所有种类的B1M模型?从相同的3D扫描资料制作出一致的模型是为了各种不同目的。然而,相同的信息来源在之后却开始分歧。可以同时让其他设计团队透过Newforma档案管理系统检视并行的设计开发之过滤过程,大幅改善沟通、同步进行建筑模型,并有助于支持及时设计反馈。

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