BIM融合工業(yè)數(shù)字化的創(chuàng)新技術(shù)在幕墻出圖下料中的應(yīng)用

(中建深圳裝飾有限公司,深圳 518035)

引言

2017年，國家出臺(tái)了《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51212-2016[1]、《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51235-2017[2]兩項(xiàng)BIM標(biāo)準(zhǔn), 為行業(yè)提供了規(guī)范性指導(dǎo)，同時(shí)在《建筑工程設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用指南(第二版)》[3]等相關(guān)書籍中也明確了建筑的全生命周期流程，并介紹了BIM在建筑行業(yè)各領(lǐng)域中應(yīng)用[4]，不管是在工程設(shè)計(jì)、施工還是項(xiàng)目管理等方面都展現(xiàn)出BIM的巨大應(yīng)用價(jià)值。在建筑幕墻中，BIM技術(shù)應(yīng)用也比較廣泛，如上海中心、中國尊、深圳平安金融大廈、銀河SOHO等建筑均應(yīng)用了BIM技術(shù)輔助建造，通過BIM技術(shù)應(yīng)用，解決了復(fù)雜幕墻設(shè)計(jì)難度大、加工精度要求高、施工安裝管理難、運(yùn)營維護(hù)難度大等難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了幕墻工程的智慧建造[5]。

在幕墻設(shè)計(jì)階段，BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)能力為方案多次修改提供高效的方法，其可視化功能也能夠讓業(yè)主和建筑師快速理解并確定方案提供可能性[6]。在深化階段，應(yīng)用BIM技術(shù)全系統(tǒng)建模和協(xié)同作業(yè)，進(jìn)行碰撞檢測、輔助深化、結(jié)構(gòu)計(jì)算、節(jié)點(diǎn)模擬、出施工圖[5]。在施工階段，結(jié)合三維掃描、動(dòng)畫模擬、AR/VR等技術(shù)，輔助項(xiàng)目管理和施工指導(dǎo)，確保工程質(zhì)量與工期進(jìn)度；通過BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)輔助實(shí)現(xiàn)構(gòu)件批量材料下單與指導(dǎo)不規(guī)則放置的材料空間定位。

在建筑幕墻項(xiàng)目中，有大量的工作是在出圖下料，下料工作量的占比還會(huì)隨著項(xiàng)目復(fù)雜程度的增加而提高，特別是遇上深化改圖后，會(huì)造成改動(dòng)部分需重新修改加工圖紙、料單等，而且現(xiàn)有的工作流程各式各樣，大都以完成實(shí)際項(xiàng)目為唯一目標(biāo)，效果難以量化。本文圍繞BIM融合工業(yè)數(shù)字化的創(chuàng)新技術(shù)在單元幕墻出圖下料中的應(yīng)用展開研究，測試并總結(jié)了一套基于Rhino軟件和Autodesk Inventor軟件的出圖下料技術(shù)流程，拋磚引玉，希望能幫助廣大幕墻設(shè)計(jì)師了解和利用BIM融合工業(yè)數(shù)字化的創(chuàng)新技術(shù)，解決幕墻出圖下料階段的效率問題。

1 單元幕墻出圖下料存在的問題

一是單元板塊組裝復(fù)雜、要求精度高，型材的開孔、避位等需要非常精準(zhǔn)。

二是單元板塊組框圖、加工圖復(fù)雜，二維圖紙效率低，不夠直觀。

三是組裝清單和下料單內(nèi)容多，可能會(huì)出現(xiàn)遺漏和錯(cuò)誤，要求設(shè)計(jì)師非常細(xì)心。

四是深化改圖后對(duì)出圖下料影響較大，改動(dòng)部分需重新出圖下料，造成工作量增加。

2 國內(nèi)幕墻出圖下料主要技術(shù)路線介紹

2.1 基于Revit出圖下料

Revit在建筑土建與裝飾下料應(yīng)用比較多也比較成熟，大部分是通過從模型中提取信息，利用明細(xì)表統(tǒng)計(jì)功能導(dǎo)出工料明細(xì)表，然后基于模型生成二維或三維圖紙[7]；相對(duì)復(fù)雜的工程，則需要通過建立數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化算法和編寫Revit二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)出圖下料[8]。

主要技術(shù)路線：在Revit創(chuàng)建體量進(jìn)行幕墻表皮分割，創(chuàng)建幕墻單元板塊族自適應(yīng)生成幕墻BIM模型，并通過Revit明細(xì)表功能統(tǒng)計(jì)幕墻材料。由于Revit軟件局限性，不能出型材加工圖，這種方法適用于主材的提料、幕墻網(wǎng)格劃分、編號(hào)等信息的提取，配合CAD或其他平臺(tái)使用出加工圖。

2.2 基于Catia(DP)出圖下料

Catia主要是通過二次開發(fā)，利用相關(guān)API開發(fā)出對(duì)應(yīng)專業(yè)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)[9]，其出圖下料技術(shù)在建筑的梁、柱等框架結(jié)構(gòu)[10]得到廣泛應(yīng)用。

主要技術(shù)路線：在Catia(DP)創(chuàng)建幕墻表皮或通過犀牛導(dǎo)入，通過衍生功能生成幕墻BIM模型，通過編寫程序生成料單和輸出型材加工圖。

2.3 基于Pro-E出圖下料

主要技術(shù)路線：通過CAD圖紙建立幕墻模型，使用二次開發(fā)外部插件，實(shí)現(xiàn)單元幕墻整體立面生成、單元板塊裝配、自動(dòng)切割、堅(jiān)固和開孔、輸出加工圖和統(tǒng)計(jì)料單等功能。

3 BIM融合工業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用環(huán)境

通過行業(yè)了解與市場調(diào)查，目前應(yīng)用到建筑幕墻下料的BIM軟件與工業(yè)數(shù)字化軟件有以下幾種[11](表1)。

表1 建筑幕墻BIM軟件

BIM軟件主要實(shí)現(xiàn)幕墻項(xiàng)目整體模型數(shù)據(jù)及后期下料單整合，工業(yè)數(shù)字化軟件主要實(shí)現(xiàn)單元板塊的模型建立、切割緊固及加工圖制作、BOM表。不同公司對(duì)于平臺(tái)的選擇均有不同，作者綜合考慮選擇了Rhino/Grasshopper+Inventor組合的綜合平臺(tái)。主要有以下方面因素。

一是Rhino在幕墻出圖下料方面優(yōu)于Revit。Rhino+Grasshopper的參數(shù)化平臺(tái)具有可編譯性、可視性、可擴(kuò)展性，是當(dāng)前復(fù)雜建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛應(yīng)用的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具[12]。在幕墻建模能力上超出Revit+Dynamo平臺(tái)不少，使得Rhino很適合用來解決復(fù)雜的問題，通用性更強(qiáng)[13]。

二是Inventor作為Autodeskt系列中的一款工業(yè)數(shù)字化軟件，其操作方式與CAD類似，人員掌握快，并且與BIM的數(shù)據(jù)交換也比較簡單，零部件可以直接轉(zhuǎn)換為REVIT的族或?qū)С銎渌袷健?/p>

三是REVIT的線不能短于0.8mm，一直以來無法解決，不適合復(fù)雜幕墻的出圖出料。

四是Inventor與Rhino兩個(gè)軟件加起來的性價(jià)比相對(duì)于Catia和Pro-E更有優(yōu)勢。

五是Inventor與Rhino數(shù)據(jù)交換可以是IFC[14]等多種通用格式，在后期建立協(xié)作平臺(tái)、開發(fā)模型數(shù)據(jù)庫、數(shù)字樣機(jī)等系統(tǒng)開發(fā)方面適用性更強(qiáng)。

4 BIM融合工業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)主要技術(shù)流程

依據(jù)項(xiàng)目的建筑幕墻平立面圖、大樣圖、節(jié)點(diǎn)圖或建筑提供的幕墻模型，通過Rhino/Grasshopper建立參數(shù)化建筑幕墻結(jié)構(gòu)化模型[15]，生成BIM模型數(shù)據(jù)，通過工業(yè)數(shù)字化軟件Inventor建立單元模型與BIM模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，編寫參數(shù)化程序自動(dòng)提取整合后的數(shù)據(jù)，生成幕墻料單與加工圖。

圖1 出圖下料技術(shù)流程

5 BIM融合工業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)出圖下料全過程

作者經(jīng)過多個(gè)幕墻工程項(xiàng)目模擬測試驗(yàn)證，基于BIM融合工業(yè)數(shù)字化的創(chuàng)新技術(shù)完合可以應(yīng)用于各類單元幕墻，下面以某超高層復(fù)雜單元幕墻出圖下料為例進(jìn)行闡述。

5.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目塔樓高468m，是世界第七、中國第四、西部第一高樓，塔樓位于北側(cè)(如圖2所示)。

幕墻范圍：主要有大廈塔樓立面幕墻、入口門廳、雨棚幕墻等。

建筑高度：塔樓是468m高，101層綜合體，低區(qū)為甲級(jí)辦公空間，中區(qū)為高端行政公館，頂部為五星酒店和天際會(huì)所。

主體結(jié)構(gòu)：核心筒+鋼骨柱+外伸臂桁架+環(huán)帶桁架+外圍斜撐。

幕墻系統(tǒng)：塔樓玻璃單元系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)層)、塔樓玻璃單元系統(tǒng)(底部大堂)、塔樓玻璃單元系統(tǒng)(設(shè)備層)、塔樓裝飾槽單元系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)層)、塔樓玻璃單元系統(tǒng)(塔冠)、塔樓底部雨篷系統(tǒng)、塔樓底部門廳系統(tǒng)。

圖2 項(xiàng)目效果圖

5.2 項(xiàng)目重難點(diǎn)

(1)建筑外形復(fù)雜多變

建筑外形由16個(gè)角連接而成的24邊形，由底向頂漸變縮小，單元幕墻在每一層的頂?shù)壮叽缇胁煌兓?圖3)。相鄰的軸線單元幕墻分內(nèi)傾與外傾，內(nèi)外傾角度隨高度變化而變化，內(nèi)外傾單元板塊過渡使用平行斜面裝飾槽單元系統(tǒng)拼接，同一傾面的單元板塊過渡使用兩種不同尺寸直面裝飾槽單元系統(tǒng)拼接，裝飾槽交匯處使用單獨(dú)的三角形裝飾槽單元系統(tǒng)(圖4)。

圖3 項(xiàng)目模型頂視圖

圖4 幕墻系統(tǒng)傾斜面及拼接方式

(2)幕墻下料工程量巨大

成都綠地某大廈塔樓共468m,101層，幕墻系統(tǒng)共分7大類，涵括單元幕墻與框架幕墻，單元幕墻系統(tǒng)中又劃分矩形、梯形、內(nèi)傾、外傾等多種類型，初步估算約15 000塊標(biāo)準(zhǔn)單元板需要出圖下料。

(3)單元板構(gòu)造復(fù)雜，技術(shù)先進(jìn)

一是立面燈槽單元不銹鋼板、鋁板為空間異形面板，全部需要三維建模展開輔助出圖下料。

二是立面三角單元板塊鋁合金型材種類繁多，切角為復(fù)合角，型材拼接類型多、使用鋼件種類多，面材復(fù)雜，需要三維放樣下單。

三是局部大堂位置采用鋼板肋與不銹鋼拉桿系統(tǒng)，鋼板肋及與主體巨柱連接鋼轉(zhuǎn)接件需要三維建模(鋼板肋的連接孔位及幕墻轉(zhuǎn)接件孔位全部需在三維表達(dá)清楚)精準(zhǔn)定位下單；不銹鋼拉桿全部需根據(jù)結(jié)構(gòu)返尺，三維放樣下單。

5.3 幕墻BIM與工業(yè)數(shù)字化融合創(chuàng)新技術(shù)出圖下料流程

5.3.1結(jié)構(gòu)化單元幕墻

(1)結(jié)構(gòu)化單元幕墻的意義

常規(guī)CAD圖紙的文字標(biāo)注方式，是基于圖紙標(biāo)注進(jìn)行多圖表達(dá)的，設(shè)計(jì)師僅能通過肉眼篩選、人工計(jì)數(shù)等方式來統(tǒng)計(jì)和篩分不同類型和數(shù)量的板塊。而所謂結(jié)構(gòu)化的單元幕墻，則是指在Rhino模型中，基于數(shù)據(jù)、整體存在的單元?jiǎng)澐中问?，板塊的分類信息與模型數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的，這就為我們后續(xù)下料過程中的統(tǒng)計(jì)搜集工作，進(jìn)行了鋪墊。

(2)結(jié)構(gòu)劃分的方法(圖5)

我們通過依據(jù)CAD圖紙或建筑模型，確定幕墻的準(zhǔn)確幾何尺寸，把標(biāo)準(zhǔn)單元板塊與非標(biāo)準(zhǔn)單元板塊分類放置，把相同尺寸規(guī)格的單元板塊放于相同圖層。

其次，通過尺寸和單元幕墻的不同做法來區(qū)分單元板塊類型。

最后，可以使用Grasshopper進(jìn)行處理，創(chuàng)建出尺寸和所有做法完全一樣的圖層，用于放置相同的單元板塊。

圖5 結(jié)構(gòu)化劃分模型

(3)自適應(yīng)梯形板塊的歸類(圖6)

梯形板塊屬于尺寸差異化很多的類型，由于做法完全一樣，又有足夠的相似性，同做法不同尺寸的體形板塊仍然會(huì)暫存在同一圖層，方便后續(xù)提資給Inventor軟件進(jìn)行自適應(yīng)板塊創(chuàng)建。

圖6 自適應(yīng)梯形板塊提資

(4)最終分類完成的結(jié)構(gòu)化模型

最終的結(jié)構(gòu)化模型，同過圖層名稱和顏色來存放單元板塊，點(diǎn)選單個(gè)單元板即可根據(jù)圖層名稱獲知其單元類型(圖7)，直觀的多色彩顯示可以了解板塊類型的分布情況(圖8),從根源上避免了文字圖例標(biāo)注。

圖7 獲取圖層名

圖8 板塊的分色顯示

5.3.2 建模組框，模擬切割加工

(1)建模入庫

根據(jù)CAD型材圖、節(jié)點(diǎn)圖創(chuàng)建型材、膠條模型，并發(fā)布到BIM中心資源庫，實(shí)現(xiàn)協(xié)同下料，減少建模工作量。項(xiàng)目上所有設(shè)計(jì)師基于BIM中心資源庫進(jìn)行建模組框，族庫修改時(shí)所有人都能同步修改(圖9、10)。

圖9 建立型材零件模型

圖10 零件發(fā)布到中心資源庫

(2)建立骨架與面板模型

依據(jù)BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行建立自適應(yīng)骨架與面板模型，每個(gè)結(jié)構(gòu)放置基準(zhǔn)節(jié)作為參考組框的參照依據(jù)(圖11、12)。

(3)單元組框

根據(jù)骨架進(jìn)行單元板塊模型的組框，在骨架基準(zhǔn)點(diǎn)上放置型材、膠條、面板等零件，實(shí)現(xiàn)單元組框(圖13、14)。

圖11 自適應(yīng)骨架模型

圖12 自適應(yīng)玻璃面板模型

圖13 放置型材及面板零件

圖14 單元組框部件

(4)切割與避位開孔

對(duì)單元組框部件進(jìn)行切割與避位開孔，按照組裝單元板的切割及避位開孔要求，進(jìn)行型材切割、開孔與緊固(圖15、16、17)。

圖15 型材切割前

圖16 型材切割后

圖17 型材避位、開孔及緊固

5.3.3 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，自動(dòng)下料

(1)關(guān)聯(lián)BIM模型數(shù)據(jù)

通過編寫iLogic規(guī)則關(guān)聯(lián)BIM模型數(shù)據(jù)，通過BIM模型數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)適應(yīng)單元板塊的所有變化，利用BOM表自動(dòng)導(dǎo)出所有單元板塊的數(shù)據(jù)表。如果加工廠支持?jǐn)?shù)字化樣機(jī)技術(shù)，還可以打包模型數(shù)據(jù)(包含單類型、BOM表、加工圖)直接發(fā)送給加工廠，可以提高加工效率(圖18、19)。

圖18 關(guān)聯(lián)BIM模型數(shù)據(jù)

圖19 BOM表導(dǎo)出CSV數(shù)據(jù)表

(2)生成料單

把導(dǎo)出的單元板塊數(shù)據(jù)表通過Grasshopper及Python程序，將所有對(duì)應(yīng)數(shù)量的單元板匯總，提取下料需要的字段，編寫程序生成下料單(圖20、21、22)。

圖20 制作料單總表

圖21 玻璃料單

圖22 型材料單

5.3.4 加工圖制作

使用Inventor的工程圖功能生成組框圖與型材加工圖。Inventor中創(chuàng)建的圖紙都是基于模型的，圖紙與模型、BOM表實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，模型中的型材、膠條、面板等，經(jīng)過模擬切割、開孔后的信息，也會(huì)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)到加工圖中。另外表達(dá)視圖功能還能生成模擬動(dòng)畫，針對(duì)復(fù)雜單元板塊可以輸出組框模擬動(dòng)畫，方便工廠安裝與加工(圖23、24、25)。

圖23 型材加工圖

圖24 玻璃加工圖

圖25 單元組框圖

6 BIM融合工業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用效果

(1)數(shù)據(jù)更加精確

通過創(chuàng)新技術(shù)出具的提料單、下料單和組框清單，在數(shù)據(jù)上更加準(zhǔn)確、集成一體，精確度可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，并且通過標(biāo)準(zhǔn)單元板塊衍生出的梯形單元幕墻，所有數(shù)據(jù)全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，減少因手工計(jì)算可能出現(xiàn)的誤差。

(2)效率更高

我們選取某超高層復(fù)雜單元幕墻項(xiàng)目10層的工作量，與項(xiàng)目上的幕墻設(shè)計(jì)下料組同時(shí)展開下料工作，通過與傳統(tǒng)出圖下料對(duì)比測試，融合創(chuàng)新技術(shù)的效率比傳統(tǒng)出圖下料的效率更高。

表2 出圖下料效率對(duì)比

7 結(jié)語

通過超高層復(fù)雜單元幕墻項(xiàng)目出圖下料測試，BIM融合工業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)與傳統(tǒng)出圖下料方式相比更精確，效率更高，在一定的程度上可以降低項(xiàng)目的成本，減少工作量，釋放項(xiàng)目人員工作壓力，提高項(xiàng)目進(jìn)度，其效果是顯而易見的。平臺(tái)在擴(kuò)展性方面也比較強(qiáng)，可以與常見的BIM軟件進(jìn)行相互傳遞數(shù)據(jù)，可以將單元加工數(shù)據(jù)直接發(fā)送給工廠進(jìn)行數(shù)字化加工，還可以通過二次開發(fā)，開發(fā)相應(yīng)的插件和平臺(tái)，進(jìn)一步提升企業(yè)的數(shù)字化建設(shè)。

BIM技術(shù)與工業(yè)數(shù)字化技術(shù)相融合將會(huì)是今后建筑行業(yè)創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展的方向之一，特別是在裝配式、鋼結(jié)構(gòu)、幕墻這類工程項(xiàng)目上，其作用更為明顯。在技術(shù)日益更新的今天，只有做到不斷地融合創(chuàng)新，才能讓我們立足行業(yè)橋頭。