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Arup打造「水立方( Water Cube )」

 

Arup 從國立游泳中心的 3D 模型製作出各種不同的上彩( renderings )Arup 贏得奧運會游泳中心設計金牌獎

獲得北京 2008 年奧運會國立游泳中心的設計合約,這的確是一項值得金牌殊榮的任務。不過,利用 MicroStation 和 Bentley Structural 軟體的協助, Arup 和澳洲雪梨的建築事務所 PTW 、以及來自北京和深圳的 CSCEC 共同合作,擊敗了其他 10 家入圍者,贏得這個聲名卓著的世界級專案。

Arup 的「水立方」設計,靈感來自於有機細胞的天然圖案以及肥皂泡泡的形成。在這個中心的藍色泡泡牆之內,是奧運會游泳和潛水競賽將使用的游泳池,以及 17000 個觀眾席位。

很短時間內就需要 3D 模型

這項專案分為兩個階段:競賽和設計。在競賽階段,設計之中有一大部份在此時就已經創作出來,不過主要的工作是,要發展出一個方法,以讓 Arup 在提出簡報之前就能在最短的時間內製作出 3D 模型和工程圖。在第二階段, Arup 將最後的地理特徵、計算結果、和設計等都編列進去,讓專案更加完整。

針對高難度計畫書的解決方案

位於這個中心正門上方的「洞穴餐廳」,以 3D上彩方式呈現的景像建築結構是 3D 的維倫第爾式空間樑架( Vierendeel space frame ),每邊都是 175 公尺,高 35 公尺,基本單位是一個由 12 個五邊形和兩個六邊形所組成的幾何細胞,在 3D 空間中一直重覆,沒有留下任何閒置空間。覆蓋這個樑架的是半透明的泡泡,或者稱為四氟乙烯聚合物枕( ETFE pillows )。

Arup 使用 Bentley Structural 和 MicroStation TriForma 來製作一個 3D 陣列細胞,將其轉動約兩軸,然後為建築物作造型。其餘元件的切削表面形成這個混合式結構的 凸緣( flanges ),而內部元件則形成網狀。

根據 Arup 資深 3D 技術人員 Stuart Bull 的描述,製作模型和文件的過程就像是一份「駭人的計畫書」。 Arup 創作了 3D 中線的線狀架構( wireframe ),並將其匯出到結構分析程式中進行工程處理。經過分析的模型被輸出到一個文字檔案中,包含有幾何和結構構材( structural member )設計資料。

接下來, Arup 編寫了一個 MicroStation VBA 程序程式( routine ),它使用文字檔案來製作一個完整鋼筋結構( steel stucture )的 3D 模型。只要啟用 MicroStation Development Language ( MDL )功能,這個模型就可以被創作成適合的平面、立體、或結構原件。

「使用 VBA 語言來創作我們的幾何形狀這種功能非常重要,它提供了我們從工程和分析模型和我們的工作 3D CAD 模型之間的聯結。」 Bull 表示。在這個結構當中有超過 22000 支橫樑和 12000 個節點,用 VBA 常式所作的自動化操作為 Arup 節省了好幾個月原先手動製作 3D 模型的時間。

Arup 、 PTW 、和 CSCEC 也必需提供他們設計的實體模型,這是競賽的其中一部份;他們將一份 3D 結構模型儲存為光固化立體造型( stereolithography , STL )檔案,來製作一個快速的原型模型,就這樣完成了。

實體模型是在一個叫作 SLA 的過程之中製作出來,在這個過程中,依照 STL 檔案資訊,以雷射將液態環氧樹脂( epoxy resin )硬化,用以製作半透明的塑膠。這個模型是在最後的競賽階段時提出。

以3D等角投影視角圖呈現北京游泳中心結構模型成功的因素

雖然這項專案預定的完成時間要到 2006 年, Arup 的設計和文件輸入在 2004 年夏季期間就結束了。 Arup 正繼續進行其他專案,其中包括為著名的雪梨歌劇院可能的修繕製作 3D 模型;在此同時, Bull 也仔細思考是什麼因素造就了北京游泳中心專案的成功。

「 Bentley Structural 的功能,例如自動繪圖擷取,大幅減低了製作 2D 文件所需要的時間。因為我們不必擔心這一部份的工作量,所以就可以全心放在 3D 模型上。」他表示。「而且使用 MicroStation VBA 常式來自動製作結構模型,也為我們節省了許多時間。」

「此外,還能夠將檔案儲存成其他格式,讓我們能夠很快就以客戶和顧問所需要的格式提出工程圖給他們。而且,我們不必放棄 Bentley 解決方案所提供的加強功能。」 Bull 說明。「這點非常重要。如果我們當時所使用的是其他的套裝軟體,就不可能製作出這麼複雜的幾何形狀和文件,還要和結構分析作整合,尤其僅有的時間又那麼短。」

據 Arup 網站上的資料,他們「經過激烈的競爭」而贏得這個「夙負盛名」的獎項。Arup 採取「獨特的作法來使用 MicroStation 」, CAD 經理 Steve Pennell 表示。「也可以說,我們把這個產品的功能發揮到極致了。」

相關聯結:


專案名稱:中國北京國立游泳中心

專案執行機構:Arup

賓特利2004 BE 獎項類別:建築和工程建築資訊模型( BIM )

專案目標:為北京 2008 年奧運會設計國立游泳中心,是一座被半透明四氟乙烯聚合物( ETFE )泡泡所覆蓋相當引人注目的「水立方」,有 17000 個座位

專案簡介:這個結構是 3D 的維倫第爾式空間樑架( Vierendeel space frame ),每邊都是 175 公尺,高 35 公尺,基本單位是一個由 12 個五邊形和兩個六邊形所組成的幾何細胞,在 3D 空間中一直重覆,沒有留下任何閒置空間。製作模型和文件的過程是一份「駭人的計畫書」,這是一位 Arup 的技術人員所說的。

所使用的賓特利系統產品:Bentley MicroStationMicroStation TriFormaBentley Structural

圖片來源: Arup-PTW-CSEC

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