孝感文化中心異形GRC幕墻建造技術(shù)BIM應(yīng)用

趙全斌李金光耿直楊勇

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.中交第四公路工程局有限公司，北京100022)

0 引言

在實(shí)現(xiàn)公共建筑使用功能的前提下，為追求獨(dú)特的建筑效果，體現(xiàn)每棟建筑物的個(gè)性，出現(xiàn)了大批異形立面的大型公共建筑。采用高性能玻璃纖維增強(qiáng)混凝土GRC(Glass Fiber Reinforced Concrete)板等異形幕墻板進(jìn)行立面裝飾，在文化中心、體育館、紀(jì)念館等大型公共建筑上取得了良好的效果。

建筑信息化模型BIM(Building Information Modeling)以其可視化、協(xié)同效率高、參數(shù)化及對(duì)項(xiàng)目全生命周期的關(guān)注贏得了建筑行業(yè)市場(chǎng)的認(rèn)可，借助BIM技術(shù)的可視化、精細(xì)化、信息化特點(diǎn)，讓多維模型信息聯(lián)合模擬成為一種可能[1-2]。BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)公建以及裝配式、幕墻等諸多項(xiàng)目中扮演輔助的角色，但其在深化設(shè)計(jì)、解決現(xiàn)場(chǎng)施工碰撞方案、施工協(xié)調(diào)、施工預(yù)算、質(zhì)量管理等方面的表現(xiàn)已展示出其潛質(zhì)[3-6]。GRC幕墻板在南京青奧會(huì)議中心、辛亥革命博物館等項(xiàng)目中均應(yīng)用良好[7-8]，而B(niǎo)IM技術(shù)在國(guó)內(nèi)玻璃幕墻項(xiàng)目中已有較成熟的應(yīng)用[9-13]，但在異形GRC幕墻項(xiàng)目中應(yīng)用不多且標(biāo)準(zhǔn)體系不甚完善[14-15]。文章針對(duì)公共建筑—孝感文化中心復(fù)雜雙曲異形GRC幕墻項(xiàng)目，將BIM技術(shù)應(yīng)用于精細(xì)化建模、幕墻深化設(shè)計(jì)與分析、現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用的幕墻建造全過(guò)程。

1 孝感文化中心項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目介紹

孝感文化中心位于湖北省孝感市東城新區(qū)，規(guī)劃用地為17.33 hm2，項(xiàng)目總建筑面積＞13萬(wàn) m2。工程包含10大功能、3組建筑。以A座大劇院、B座音樂(lè)廳為中心，C座博物館與D座圖書(shū)館、方志館、檔案館位于東側(cè)靜區(qū)，相對(duì)獨(dú)立，E座科技館、規(guī)劃展覽館與F座群藝館、青少年宮及婦兒中心位于西側(cè)動(dòng)區(qū)。該項(xiàng)目幕墻造型復(fù)雜，曲面轉(zhuǎn)角流暢，窗戶(hù)錯(cuò)落鑲嵌，外墻及屋面主要采用GRC幕墻系統(tǒng)，系統(tǒng)包括二次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、防水系統(tǒng)、GRC板系統(tǒng)等，屬于國(guó)內(nèi)面積較大的單體GRC幕墻項(xiàng)目(如圖1所示)。

圖1 孝感文化中心項(xiàng)目示意圖

1.2 項(xiàng)目重難點(diǎn)分析

項(xiàng)目幕墻為異形建筑幕墻設(shè)計(jì)，其造型新穎、系統(tǒng)構(gòu)造層次多、技術(shù)要求高；GRC幕墻施工工序多、施工難度大，面板與骨架二次深化設(shè)計(jì)要求高，加工工藝及其定位、下單以及安裝和維修復(fù)雜；項(xiàng)目要求精細(xì)化管理，其施工工期、質(zhì)量要求高；施工過(guò)程均需要三維模型完成，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)與圖紙均無(wú)法滿(mǎn)足需求。因此，應(yīng)用BIM技術(shù)，制定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)流程，借助三維可視化特點(diǎn)模擬、協(xié)調(diào)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，使細(xì)部節(jié)點(diǎn)充分展現(xiàn)得以指導(dǎo)施工，從而提升施工水平、提高建筑質(zhì)量，保證建筑的合理性、美觀性。

2 異形GRC幕墻建造技術(shù)BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 項(xiàng)目BIM實(shí)施方案

項(xiàng)目幕墻工程實(shí)施之前就單獨(dú)構(gòu)建了BIM應(yīng)用的組織架構(gòu)，制定了詳細(xì)的實(shí)施策劃和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。BIM應(yīng)用團(tuán)隊(duì)結(jié)合項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)明確了BIM應(yīng)用的目標(biāo)和責(zé)任劃分，將精細(xì)化管理作為實(shí)施的重中之重，計(jì)劃在GRC幕墻系統(tǒng)的二次深化設(shè)計(jì)、加工制造、施工過(guò)程力學(xué)分析、復(fù)雜工程節(jié)點(diǎn)與工序模擬等方面進(jìn)行應(yīng)用BIM技術(shù)，借助這一技術(shù)指導(dǎo)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)綠色施工、質(zhì)量管理及進(jìn)度控制，提升項(xiàng)目的整體管理能力。

2.2 項(xiàng)目BIM軟硬件配置

項(xiàng)目實(shí)施所使用的軟件見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目BIM軟件使用列表

項(xiàng)目BIM硬件重點(diǎn)配置:ThinkPad X1 Carbon 2臺(tái)，雙核，酷睿七代i7-7500U處理器，Graphics 620核芯顯卡，512GB ssd。

2.3 項(xiàng)目BIM標(biāo)準(zhǔn)制定

建筑信息模型的標(biāo)準(zhǔn)制定有助于項(xiàng)目形成有機(jī)、系統(tǒng)的建模環(huán)境，制定建模標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系到團(tuán)隊(duì)協(xié)同及各分項(xiàng)工程協(xié)同，主要包括文件夾標(biāo)準(zhǔn)化、模型命名標(biāo)準(zhǔn)化、圖紙命名標(biāo)準(zhǔn)化、命名規(guī)則一致性。項(xiàng)目幕墻由GRC幕墻、玻璃幕墻和鋁單板幕墻組成，特制定了詳細(xì)的BIM建模標(biāo)準(zhǔn)。表2、3分別為項(xiàng)目構(gòu)件設(shè)計(jì)深度等級(jí)和幕墻建模標(biāo)準(zhǔn)。

表2 構(gòu)件設(shè)計(jì)深度等級(jí)表

表3 GRC幕墻建模標(biāo)準(zhǔn)表

3 異形GRC幕墻建造技術(shù)BIM應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目精細(xì)化建模

項(xiàng)目重點(diǎn)針對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)及異形幕墻制定建模標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行精細(xì)化建模，創(chuàng)建模型采用典型BIM軟件進(jìn)行，從軸網(wǎng)建立開(kāi)始，通過(guò)文件鏈接的方式搭建整體模型，采用多人協(xié)同完成。完成的模型如圖2～4所示。

圖2 單體建筑BIM模型示意圖

圖3 單體結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖4 建筑結(jié)構(gòu)幕墻精細(xì)化整體模型示意圖

3.2 幕墻深化設(shè)計(jì)與分析

3.2.1 雙曲幕墻模型二次深化

雙曲幕墻二次深化設(shè)計(jì)按以下步驟完成建模:(1)把方案設(shè)計(jì)幕墻外輪廓導(dǎo)入，并設(shè)定不同的圖層加以區(qū)分；(2)根據(jù)幕墻厚度，確定幕墻外輪廓線(xiàn)和主要的控制點(diǎn)；(3)通過(guò)放樣并掃掠，外輪廓線(xiàn)形成的面即最終模型，是非均勻有理B樣條曲線(xiàn)形成的曲面模型。E館的二次深化圖如圖5所示。

使用參數(shù)化技術(shù)，創(chuàng)建雙曲幕墻表面分割，并通過(guò)批量添加共享組參數(shù)的方式建立幕墻面板的編碼，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)編碼相結(jié)合控制完成幕墻面板編碼。

圖5 幕墻二次深化圖(以E館為例)

3.2.2 施工過(guò)程受力校核與有限元分析

采用二次開(kāi)發(fā)工具，將前期建模數(shù)據(jù)流導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析，并將有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)返回到建筑信息模型中，從而實(shí)現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)在整個(gè)施工全過(guò)程中的“閉環(huán)”。圖6為選取的典型幕墻板和背腹鋼架的受力分析。

圖6 幕墻施工過(guò)程受力分析圖

3.3 現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用

3.3.1 模型擬合

項(xiàng)目雙曲異型GRC幕墻外形極為復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工需要具有可視化、精確的三維模型實(shí)體。結(jié)合項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)BIM軟件對(duì)中心幕墻進(jìn)行三維模型的優(yōu)化，將項(xiàng)目幕墻的整體三維幕墻輪廓、各控制點(diǎn)的坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)、幕墻裝飾分格、幕墻各部位細(xì)部節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造及相應(yīng)位置關(guān)系等進(jìn)行可視化擬合，并將施工實(shí)際數(shù)值與三維模型中的理論數(shù)值做對(duì)比分析，施工過(guò)程中不斷調(diào)整、消化、整合誤差，使最終異形幕墻空間定位最大限度的滿(mǎn)足BIM模型所建立的虛擬建筑建造。

3.3.2 指導(dǎo)幕墻鋼構(gòu)件龍骨制作及其空間定位

異型復(fù)雜幕墻面層板分項(xiàng)構(gòu)造及外形均非常復(fù)雜，幕墻各構(gòu)造的支撐鋼構(gòu)件龍骨的相對(duì)位置和角度均不同且定位困難，利用BIM精細(xì)化模型進(jìn)行碰撞檢查，精確定位各相互矛盾節(jié)點(diǎn)并及時(shí)調(diào)整。項(xiàng)目通過(guò)提取BIM模型的幕墻支撐鋼構(gòu)件龍骨加工尺寸圖和根部預(yù)埋件的定位數(shù)據(jù)及龍骨拼接點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)，得到主結(jié)構(gòu)的偏差數(shù)據(jù)，極大地提高了龍骨制作精度和準(zhǔn)確度，很好地指導(dǎo)了龍骨制作和安裝就位，如圖7、8所示。

圖7 預(yù)埋件示意圖

圖8 龍骨制作空間定位示意圖

3.3.3 提取面板的加工尺寸及空間定位

項(xiàng)目異型幕墻面板構(gòu)造十分復(fù)雜且幕墻板塊大多為非平面板，現(xiàn)場(chǎng)施工放樣定位均難以精確把控。在具體施工過(guò)程中使用了幕墻面板的BIM精細(xì)化模型進(jìn)行材料下單，并對(duì)施工安裝進(jìn)行了指導(dǎo)，大大提高了材料下單速度及安裝精度，加快了施工進(jìn)度。

3.3.4 施工過(guò)程與復(fù)雜施工節(jié)點(diǎn)工序模擬

BIM施工模擬是關(guān)于建筑設(shè)施的物理性能和各方面屬性的綜合性直觀表述，其針對(duì)復(fù)雜幕墻工程將項(xiàng)目進(jìn)行建造過(guò)程與復(fù)雜施工節(jié)點(diǎn)工序模擬，使項(xiàng)目管理人員可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的掌控建造進(jìn)度，確定最好的建造順序和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，快速優(yōu)化資源配置，并為制定物資供給計(jì)劃提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考，如圖9、10所示。

圖9 實(shí)際施工過(guò)程與虛擬建造過(guò)程對(duì)比圖

圖10 施工過(guò)程與復(fù)雜施工節(jié)點(diǎn)工序模擬圖

4 結(jié)語(yǔ)

孝感文化中心項(xiàng)目建筑外形復(fù)雜，其雙曲異形GRC幕墻構(gòu)造層次多且構(gòu)件繁多復(fù)雜，使用BIM技術(shù)建立精細(xì)化BIM系列模型，以模型精細(xì)化指導(dǎo)幕墻建造全過(guò)程。項(xiàng)目各方在幕墻工程實(shí)施之前構(gòu)建基于BIM應(yīng)用的組織架構(gòu)，制定了詳細(xì)可行的實(shí)施策劃和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合項(xiàng)目的重難點(diǎn)明確BIM應(yīng)用的目標(biāo)和責(zé)任劃分，這些均有力的保證項(xiàng)目BIM應(yīng)用的順利進(jìn)行。

基于BIM技術(shù)的精細(xì)化管理，在高性能玻璃纖維增強(qiáng)混凝土GRC幕墻系統(tǒng)的二次深化設(shè)計(jì)、加工制造、建造過(guò)程力學(xué)分析、復(fù)雜工程節(jié)點(diǎn)與工序模擬等方面進(jìn)行BIM技術(shù)應(yīng)用，有力的保證了項(xiàng)目的建造質(zhì)量和工期。借助BIM技術(shù)來(lái)指導(dǎo)項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)綠色施工、質(zhì)量管理及進(jìn)度控制，提升了項(xiàng)目的整體管理能力。下一步，BIM應(yīng)用實(shí)施的工作重點(diǎn)將放在平臺(tái)建設(shè)和面向運(yùn)維的模型搭建和應(yīng)用等方面。