BIM技術(shù)在寧波城市展覽館幕墻工程中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的提高,建筑設(shè)計方法、設(shè)計理念的革新以及施工技術(shù)的進步,建筑幕墻從單一化、規(guī)整化向多元化、復(fù)雜化發(fā)展,許多建筑表皮呈現(xiàn)為無規(guī)則的異形形態(tài)。但是越來越復(fù)雜的異型表皮造型給設(shè)計、施工帶來了一系列難題,傳統(tǒng)的二維軟件已無法滿足此類工程的設(shè)計、材料加工、放線定位和現(xiàn)場安裝等要求,需要借助三維參數(shù)化模型來實現(xiàn)。BIM技術(shù)的出現(xiàn)促使了二維圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槿S參數(shù)化設(shè)計的發(fā)展,使得設(shè)計、施工，乃至整個建筑工程質(zhì)量和效率有了顯著提高,這對于整個建筑行業(yè)來說是一次真正的參數(shù)化、信息化革命[1]。

目前我國建筑BIM的應(yīng)用還處于發(fā)展階段,幕墻BIM技術(shù)更是處于初步探索階段,應(yīng)用還有很大的局限性,還沒有專業(yè)的幕墻BIM軟件支持和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)參考。各幕墻單位基本都是借助建筑BIM軟件、造型軟件或機械參數(shù)化設(shè)計軟件共同使用來實現(xiàn),其應(yīng)用程序比較繁雜,效率較低,甚至很多幕墻BIM應(yīng)用只處于三維可視化階段,并沒有賦予模型構(gòu)件、材料參數(shù)化的屬性,僅僅可應(yīng)用于碰撞檢查、視覺展示或表皮分格。BIM技術(shù)在幕墻全生命周期中的應(yīng)用技術(shù)尚待進一步研究[2]。

1 工程概況

寧波城市展覽館作為寧波市的城市客廳,將以先進的展示手段展示寧波城市發(fā)展歷程和未來愿景,是宣傳寧波城市魅力的“金名片”,也是國內(nèi)新一代城市規(guī)劃展示中心的典范。工程位于寧波行政中心南側(cè),東部新城中央走廊、行政中心軸交匯位置。地下1層,地上4層,建筑面積23 622 m2,其中地上建筑面積18 687 m2,建筑高度24 m。外立面由雙層曲面幕墻組成,內(nèi)層為曲面明框玻璃幕墻和鋁板幕墻,外層為環(huán)繞玻璃幕墻,疏密不斷變化的異形鱗片狀彩釉陶土板幕墻,立面輪廓為多角度曲面扭曲變換,猶如一條淺綠色漂浮著的絲帶。工程效果圖見圖1。

工程形體復(fù)雜,根據(jù)翼片位置分為5個區(qū)塊,幕墻總面積13 315 m2。其中玻璃種類有16種,共1 679塊,每塊玻璃規(guī)格尺寸均不相同；異形彩釉陶板規(guī)格7 459種,共27 883塊,每兩塊陶板之間通過插芯進行裝配組合,形成一個安裝單元。鋼立柱均為空間多段扭轉(zhuǎn)拼接,鋼橫梁兩端為異形切口,鋁合金配件截面尺寸各不相同,材料規(guī)格繁多,安裝定位為空間異形結(jié)構(gòu),設(shè)計加工、材料調(diào)配、儲運、施工難度極大。特別是陶板與玻璃面的距離以及陶板之間雙向間距、規(guī)格均在變化,加之主體結(jié)構(gòu)形體復(fù)雜,施工誤差相對較大,給幕墻設(shè)計、加工、儲運、放樣和安裝帶來了非常大的難度,傳統(tǒng)的二維設(shè)計已無法滿足施工要求。

圖1 寧波城市展覽館效果圖

2 異型曲面幕墻工程實施過程中對BIM的需求

2.1 設(shè)計需求

異型幕墻一般來說構(gòu)造復(fù)雜,曲率變化多,采用常規(guī)的二維圖紙無法準(zhǔn)確表達設(shè)計信息,有些曲面無法按照數(shù)學(xué)方程進行曲率分析和曲面優(yōu)化；難以判斷幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)、景觀結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系和預(yù)留空間是否足夠等問題。

2.2 加工需求

構(gòu)件材料種類、規(guī)格、加工參數(shù)多。構(gòu)件均為不規(guī)則形體,難以在傳統(tǒng)的設(shè)計圖紙上描述相關(guān)加工參數(shù),需要利用可視化參數(shù)化BIM三維模型對構(gòu)件進行歸類、編碼,快速批量提取相應(yīng)的加工、裝配數(shù)據(jù)。

2.3 施工需求

幕墻立面位置以及角度均在不斷變化,立柱與主體鋼結(jié)構(gòu)之間連接點種類繁多,沒有規(guī)律,測量放樣和空間定位難度非常大,難以確定安裝,需要借助BIM三維模型提取安裝控制點數(shù)據(jù)。

2.4 使用維護需求

構(gòu)件材料種類繁多,借助BIM技術(shù)進行統(tǒng)一編碼,賦予材料參數(shù)化屬性,便于運營階段利用模型輔助管理維護、檢修、更換、整改。

3 建筑幕墻BIM技術(shù)的綜合應(yīng)用

3.1 BIM技術(shù)應(yīng)用流程

針對項目實施要求制定有針對性的幕墻BIM實施計劃及流程,協(xié)助幕墻設(shè)計、形體優(yōu)化、提取構(gòu)件加工、骨架安裝定位信息等,縮短現(xiàn)場安裝周期,加快施工進度,提高施工質(zhì)量[3]。具體流程見圖2。

圖2 幕墻BIM應(yīng)用流程

3.2 碰撞檢查

設(shè)計階段首先將幕墻BIM模型、主體鋼結(jié)構(gòu)、土建結(jié)構(gòu)以及景觀BIM模型進行整合,進行碰撞檢查和施工預(yù)留空間數(shù)據(jù)測量。對碰撞信息以及預(yù)留間隙值進行整理和分析,提出合理的調(diào)整方案,使主體結(jié)構(gòu)在設(shè)計和施工過程中及時進行優(yōu)化調(diào)整,避免施工完成后返工,在保證原建筑設(shè)計效果的前提下有效地減少材料浪費,降低施工成本。幕墻BIM模型見圖3。

圖3 幕墻BIM整體模型

3.3 幕墻系統(tǒng)構(gòu)造驗證

由于造型復(fù)雜,設(shè)計階段需要對幕墻系統(tǒng)構(gòu)造進行驗證,避免后續(xù)施工過程帶來不必要的返工。根據(jù)幕墻構(gòu)造節(jié)點1∶1搭建三維實體模型。玻璃幕墻主要驗證位置包括:圓弧位置,大面轉(zhuǎn)折位置,折角位置,上下拼接面位置等；陶土板幕墻主要驗證位置包括:上下立柱拼接,不規(guī)則圓弧,陶板面板與插芯之間的組裝,組裝后的陶板與橫梁之間的連接。通過對特殊位置的一系列建模驗證發(fā)現(xiàn)問題,及時提出解決方案。幕墻基本構(gòu)造見圖4。

圖4 幕墻系統(tǒng)構(gòu)造

3.4 曲面分析優(yōu)化

為保證在工程整體效果的前提下順利施工,降低成本。首先對雙曲玻璃面板和陶板排布進行合理優(yōu)化,將雙曲面玻璃全部優(yōu)化為平板玻璃；通過微調(diào)陶板位置及間隙以適應(yīng)雙曲造型。最后再次分析優(yōu)化后的板塊是否合理,擬合度是否圓滑平順,能否滿足加工、安裝需要,確認(rèn)后正式進行幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造的細(xì)部設(shè)計,從而降低了工程造價。

3.5 埋件以及立柱放樣定位

整合幕墻與鋼結(jié)構(gòu)BIM模型,根據(jù)立柱編號對埋件從下而上進行編號,利用BIM軟件確定幕墻立柱與鋼結(jié)構(gòu)之間的相對關(guān)系,準(zhǔn)確定位幕墻連接件與埋件。為減少現(xiàn)場焊接導(dǎo)致的鋼結(jié)構(gòu)變形以及現(xiàn)場焊接量,將編號后的埋件點及埋件規(guī)格提供給鋼結(jié)構(gòu)單位進行加工,要求在工廠加工過程中對埋件進行焊接。鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后對實際埋件中心進行復(fù)測,測出理論坐標(biāo)點與實際安裝完成坐標(biāo)點的差值；將每一個測量點的差值反饋到BIM模型中,利用修正后的BIM模型,批量提取立柱在實際埋件點標(biāo)高處的定位點(模點,前口中心點,后口中心點),將立柱定位點轉(zhuǎn)換為X、Y、Z坐標(biāo)值,供現(xiàn)場進行幕墻立柱安裝放樣。對于一些特別復(fù)雜系統(tǒng)通過BIM模型提前進行施工過程預(yù)演,及時發(fā)現(xiàn)施工過程中的問題,有針對性地制定施工方案,指導(dǎo)現(xiàn)場施工。幕墻立柱BIM模型見圖5。

3.6 BIM參數(shù)化,信息化,批量化進行構(gòu)件加工以及數(shù)據(jù)提取

用傳統(tǒng)的方法制作加工圖以及整理異形構(gòu)件加工數(shù)據(jù),工作量大、效率低,會嚴(yán)重影響施工進度,且數(shù)據(jù)校核難度大,準(zhǔn)確度也存在很大的問題。利用BIM技術(shù),則很好地解決了此問題。

在BIM模型的制作與搭建之前,做好充足的準(zhǔn)備工作。第一步,按材料類別進行劃分：連接件,玻璃幕墻立柱,玻璃幕墻橫梁,鋁合金型材,玻璃面板,鋁板,鍍鋅鐵皮,陶土板立柱,陶土板橫梁,陶土板面板,陶土板插芯等。第二步,按材料特征細(xì)分：連接件分為單支座,雙支座；玻璃立柱分為直立柱,兩段拼接扭轉(zhuǎn)拼接立柱,三段拼接立柱；對上述所有不同材料按照加工類別進行分類,不同的分類對應(yīng)不同的加工類型,就需要不同的加工圖紙。將同種類型的加工數(shù)據(jù)設(shè)置為參數(shù)變量,變量是由BIM模型對應(yīng)的實體模型自動提取。最終出加工圖的方式為一張加工圖紙對應(yīng)一個類別和一批加工數(shù)據(jù)。將生成的加工數(shù)據(jù)進行整理,并由施工現(xiàn)場進行抽查檢測以確保項目實施的準(zhǔn)確性。這種方式簡單、高效、快捷、準(zhǔn)確,并且在局部調(diào)整過程中有很大的優(yōu)勢。以玻璃面板為例，具體情況見圖6～8。

圖6 玻璃面板參數(shù)化設(shè)計

圖7 玻璃、陶板幕墻立柱模型

圖8 陶板分類

陶板按照切割樣式和組合情況可歸類為圖8中的15大類,以陶板引導(dǎo)線為參照,陶板板塊按照一定的規(guī)律通過鋁合金插芯進行自由裝配,組裝完成后與橫梁進行連接。通過C++/VB編寫計算機程序?qū)λ刑瞻逡龑?dǎo)曲線進行判斷,自動篩選種類并且按照規(guī)律自動組裝,并且生成對應(yīng)的加工數(shù)據(jù)、切割數(shù)據(jù)、打孔數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù),以及定位數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)自動編號提取整理為數(shù)據(jù)表格,進行加工、組裝、安裝等。見圖9、圖10。

圖9 陶板引導(dǎo)線以及板塊參數(shù)化生成

圖10 玻璃分割線以及玻璃鋁板模型

3.7 計算機語言C++&VB在BIM技術(shù)上的拓展與應(yīng)用

陶板與陶板之間通過鋁合金插芯進行裝配,插芯通過連接件與橫梁進行連接；如果人為手動一個板塊一個板塊進行處理,將嚴(yán)重影響施工周期,而且容易出錯；通過計算機編程搭建BIM模型→經(jīng)過前期分類歸類→編寫VB程序→驅(qū)動計算機生成BIM模型→加工數(shù)據(jù)提取整理。程序可以自動判斷陶土板以及插芯的尺寸長度、裝配類型、打孔位置以及安裝定位,快速進行數(shù)據(jù)提取,并且進行分類整理。待對數(shù)據(jù)抽查確認(rèn)無誤后分批歸類出圖,因而有效地減少數(shù)據(jù)提取與整理的工作量,大大提高了工作效率,且準(zhǔn)確率高。

3.8 樣板施工預(yù)演及數(shù)據(jù)驗證

幕墻構(gòu)件的所有加工數(shù)據(jù)都從BIM模型中自動批量提取,為了保證數(shù)據(jù)的可靠性,大面積施工前首先在有代表性的位置進行樣板施工,作為正式施工的預(yù)演和對數(shù)據(jù)可靠性的驗證,發(fā)現(xiàn)施工中可能出現(xiàn)的問題,樣板包含了工程中的所有幕墻系統(tǒng),包含玻璃幕墻、陶板幕墻、開啟窗、消防救援口、曲率過度線等。通過樣板的實施,驗證了施工方法的可靠和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,為后續(xù)正式施工奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

本工程幕墻設(shè)計階段通過與鋼結(jié)構(gòu)、土建、安裝和景觀專業(yè)BIM模型的整合,并根據(jù)現(xiàn)場提供的主體結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)修正后進行各專業(yè)協(xié)調(diào)設(shè)計,模擬施工過程中各材料的碰撞錯位情況,及早發(fā)現(xiàn)問題并予以改正,杜絕返修、變更。利用三維模型的可視功能針對設(shè)計中的難點重點進行專項分析,優(yōu)化設(shè)計構(gòu)造和防水措施。利用參數(shù)化設(shè)計軟件和參數(shù)化曲率分析功能優(yōu)化形體和面板分格,采用平面玻璃擬合雙曲造型,通過調(diào)整陶板長度、板塊縫隙寬度來保證形體的平順連續(xù),適應(yīng)鱗片幕墻圓潤光滑的造型。加工階段利用CAA二次開發(fā),配合C++/VB編程插件應(yīng)用程序?qū)ν?guī)格產(chǎn)品進行歸并,分區(qū)編號,批量導(dǎo)出所有材料加工細(xì)部參數(shù),并批量轉(zhuǎn)化為DWG文件和XLS文件,將三維空間模型通過平面視圖、標(biāo)注整理成CAD加工圖指導(dǎo)加工,實現(xiàn)了所有骨架、玻璃面板、陶板單元均在工廠加工完成,現(xiàn)場直接安裝,無論是對材料的加工、打包運輸、組裝還是安裝位置的調(diào)控均做到了精確控制,減少周轉(zhuǎn)時間,提高工作效率,降低現(xiàn)場勞動強度,節(jié)約人工成本。安裝階段直接提取幕墻的安裝控制坐標(biāo)點數(shù)據(jù),將BIM控制點位參數(shù)信息轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(X、Y、Z)三維坐標(biāo)值,通過可視化模型指導(dǎo)現(xiàn)場精確放樣確定點位、安裝,及時根據(jù)BIM數(shù)據(jù)對現(xiàn)場實際尺寸復(fù)核糾查,控制施工精度。運營階段可利用模型的可視化和參數(shù)化功能,直接提取對應(yīng)材料編號相關(guān)信息參數(shù),輔助后續(xù)管理維護、檢修、整改。幕墻BIM技術(shù)在幕墻工程設(shè)計、施工中的成功應(yīng)用,不僅降低了工程成本,加快了施工進度,而且提高了施工精度,保證了工程質(zhì)量,取得了良好的效果，可供類似幕墻工程設(shè)計、施工參考。

參 考 文 獻

[1] 徐增建,許必強,劉金貴，等. 寧波·中國港口博物館雙曲玻璃穹頂設(shè)計與施工[J].施工技術(shù),2016,45(6):7-10.

[2] 王德勤,王琦.關(guān)于異型幕墻的概念和分類組合形式的探討[J].幕墻設(shè)計,2014(2):12-20．

[3] 張旺春.橢球形曲面點式玻璃幕墻施工工藝與質(zhì)量控制研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2011．