BIM技術(shù)在復(fù)雜外形建筑深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馮友平

中鐵建設(shè)集團(tuán)南方工程有限公司 廣東 廣州 511400

1 工程概況

某長(zhǎng)影“環(huán)球100”項(xiàng)目中國(guó)影視博物館，建筑占地面積3 325.97 m2，建筑總面積7 318.6 m2，地上建筑面積5533.3 m2，地下建筑面積1785.3 m2，建筑高度14.65 m。項(xiàng)目位于中國(guó)村中心位置且靠近多個(gè)主題概念廣場(chǎng)，因此確保博物館達(dá)到與所在區(qū)域和樂園整體同等水平的主題細(xì)化是十分重要的。項(xiàng)目的重點(diǎn)為外裝飾構(gòu)造設(shè)計(jì)，具有整體概念效果圖細(xì)節(jié)多、材料層面復(fù)雜、空間變化大、預(yù)制構(gòu)件造型繁多且相同類型均為不同尺寸等諸多特點(diǎn)，也成為BIM技術(shù)應(yīng)用解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

工程主體為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，外裝飾設(shè)計(jì)由下至上分層，外墻為仿石材GRFC材料，屋頂裝飾為鋼構(gòu)架龍骨和低輻射率玻璃幕墻，外裝飾主龍骨為多種型號(hào)規(guī)格的空心鋼材管門框架、仿木材PVC包裝，其中框架頂及側(cè)邊分別由纖維水泥嵌板和仿木材GRFC連接，入口裝飾由仿木材GRFC通過單元塊拼裝組成，尾部及側(cè)翼由空心鋼材管門框架和透明PVC膜組成。通過BIM技術(shù)應(yīng)用對(duì)外裝飾分層建模，結(jié)合族模型的方式對(duì)其組成的構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并生成，進(jìn)而能清晰地表達(dá)出詳細(xì)的建筑實(shí)體信息 （圖1）。

圖1 外形設(shè)計(jì)分層示意

2 BIM技術(shù)設(shè)計(jì)深化的應(yīng)用實(shí)施情況

項(xiàng)目前期圖紙信息較少，業(yè)主要求做出詳細(xì)的施工策劃（外裝飾）、工程量統(tǒng)計(jì)，并為后期深化設(shè)計(jì)提供參考思路，我們嚴(yán)格按照平面圖尺寸、剖面圖節(jié)點(diǎn)的高度及效果圖中構(gòu)件的分布進(jìn)行分層搭建，通過確定各層構(gòu)件位置、方向、尺寸數(shù)據(jù)，按照施工工藝路徑設(shè)置族參數(shù)，由不同族構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制拼裝組成外裝飾部件，最后采用其他軟件進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化、定點(diǎn)定位，生成外裝模型。

2.1 關(guān)鍵坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取

根據(jù)平面圖、立面圖和部分詳圖，按照外裝飾分解構(gòu)件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，2座建筑共有55根不同規(guī)格的空心鋼材管門框架主龍骨，需讀取其平面位置、規(guī)格尺寸、轉(zhuǎn)角高度及頂點(diǎn)標(biāo)高數(shù)據(jù)，并列表匯總（圖2）。同理，頭部分解為9層構(gòu)件，分別讀取其周長(zhǎng)、厚度、深度、標(biāo)高等數(shù)據(jù)（圖3）；尾部分別讀取每塊梯形夾板尺寸、標(biāo)高、仰角等數(shù)據(jù)，以及鋼材龍骨規(guī)格尺寸、標(biāo)高、周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)（圖4）；低輻射率玻璃幕墻分別讀取平面尺寸、折角高度、路徑頂點(diǎn)高度和分隔間距等數(shù)據(jù)（圖5）；側(cè)翼鱗片分別讀取多邊形尺寸、連接高度及仰角等數(shù)據(jù)（圖6）。其他構(gòu)件，包括頂部仿木材GRFC鱗片，以及與鋼材管框架連接的纖維水泥嵌板、仿木材GRFC嵌板，按形狀尺寸一致均勻排布處理，讀取構(gòu)件連接的仰角大小即可。

圖2 空心鋼材管門框架 （主龍骨）

圖3 頭部仿木材GRFC板 （正面）

圖4 尾部空心鋼材 框架和PVC膜

圖5 低輻射率 玻璃幕墻

圖6 側(cè)翼鱗片空心鋼材 框架和PVC膜

2.2 工藝路徑族參數(shù)設(shè)置

2.2.1 空心鋼材管門框架的族制作

空心鋼材管門框架族的制作應(yīng)用自適應(yīng)公制常規(guī)模型族樣板，設(shè)置兩自適應(yīng)點(diǎn)間的距離為報(bào)告參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)及門架高度添加公式，計(jì)算單榀門框架長(zhǎng)度。設(shè)置好門框架的高度變化及路徑，根據(jù)自適應(yīng)應(yīng)用原理自動(dòng)放置門框架。

2.2.2 頭部仿木材GRFC板的族制作

根據(jù)頭部各層單元構(gòu)件關(guān)鍵數(shù)據(jù)，導(dǎo)入CAD正立面圖作為參照平面和原點(diǎn)，應(yīng)用自適應(yīng)公制常規(guī)模型族樣板，設(shè)置相應(yīng)板塊參數(shù)，通過放樣融合生成子族，再以放置參照平面的方式組成整體，最終鏡像對(duì)稱形成頭部模型。

2.2.3 尾部仿木材GRFC板和PVC膜的族制作

尾部翼板根據(jù)尺寸、傾斜角度應(yīng)用自適應(yīng)公制常規(guī)體量模型建立族樣板，按每塊板厚度中心線設(shè)置參照平面，在參照平面放樣融合厚度一致的翼板。同理，設(shè)置體量模型參數(shù)建立鋼材框架龍骨和PVC膜（圖7）。

圖7 尾部翼板、鋼龍骨及PVC膜族模型

2.2.4 側(cè)翼鋼材框架和PVC膜的族制作

側(cè)翼板包括四邊形和五邊形2種類型，應(yīng)用自適應(yīng)公制常規(guī)模型族樣板，設(shè)置單個(gè)構(gòu)件側(cè)框長(zhǎng)度為報(bào)告參數(shù)，生成的族模型按安裝路徑鏈接成組。

2.2.5 纖維水泥嵌板的族制作

纖維水泥嵌板分為屋面嵌板、側(cè)面嵌板及尾部嵌板，應(yīng)用基于填充圖案的公制常規(guī)模型族樣板制作嵌板子族，添加長(zhǎng)度、寬度參數(shù)均為共享的報(bào)告參數(shù)，在標(biāo)注時(shí)標(biāo)注兩點(diǎn)的距離，在標(biāo)注兩點(diǎn)的距離時(shí)注意拾取的工作平面。

2.2.6 鱗片的族制作

應(yīng)用基于填充圖案的公制常規(guī)模型族樣板制作鱗片子族，按高度、頂點(diǎn)高差、高度差、頂點(diǎn)高度差及投影寬度設(shè)置族共享參數(shù)，將完成的共享鱗片子族載入可參變的鱗片族中。

2.2.7 玻璃幕墻的族制作

應(yīng)用體量模型制作幕墻，根據(jù)圖紙確定幕墻位置尺寸，以幕墻分割線放樣融合，形成幕墻整體，再用幕墻系統(tǒng)進(jìn)行平均分隔。

2.3 族構(gòu)件預(yù)制拼裝

2.3.1 空心鋼材管門框架與纖維水泥嵌板、鱗片、側(cè)翼框膜的預(yù)制拼裝

根據(jù)已建好的單元構(gòu)件族模型，按照自動(dòng)原點(diǎn)到原點(diǎn)精確導(dǎo)入的CAD參照平面圖，將空心鋼材管門框架族模型按照其關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)制拼裝，準(zhǔn)確完成主龍骨系統(tǒng)的建模（圖8）。

圖8 空心鋼材管門框架體系建模

根據(jù)自適應(yīng)族樣板特性，將每個(gè)面分割成需要的數(shù)量，填充相應(yīng)的嵌板，即在項(xiàng)目中根據(jù)路徑和關(guān)鍵坐標(biāo)放置纖維水泥嵌板（圖9）。

圖9 纖維水泥嵌板拼裝完成

同理，根據(jù)自適應(yīng)族樣板特性，將每個(gè)面分割成圖紙中規(guī)定的數(shù)量，按路徑和關(guān)鍵坐標(biāo)填充并完成相應(yīng)鱗片的放置，以空心鋼材平面為參照平面完成放置。

2.3.2 頭部預(yù)制拼裝

頭部構(gòu)件按自適應(yīng)常規(guī)樣板特性和分層搭建方式，以自動(dòng)原點(diǎn)到原點(diǎn)導(dǎo)入的CAD參照平面圖為基準(zhǔn)點(diǎn)，分別將單元構(gòu)件族組合預(yù)制為子族層，最終完成系統(tǒng)拼裝。

2.3.3 尾部預(yù)制拼裝

尾部應(yīng)用交點(diǎn)方式進(jìn)行預(yù)制組合，設(shè)置參照基準(zhǔn)點(diǎn)完成最終拼裝。

2.4 協(xié)同檢查

復(fù)雜外形各層構(gòu)件預(yù)制拼裝完成后，將其鏈接成工作組，完成整體模型的建立，應(yīng)用協(xié)同設(shè)計(jì)對(duì)各層系統(tǒng)及整體進(jìn)行碰撞檢查，排除沖突和鏈接誤區(qū)，提高模型與圖紙信息的精確程度（圖10）。

圖10 三維模型

2.5 工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

建筑實(shí)體工程量的統(tǒng)計(jì)是前期策劃的重點(diǎn)，其涉及材料構(gòu)造形式、型號(hào)和數(shù)量，通過BIM技術(shù)應(yīng)用樣板族精確建模，同時(shí)應(yīng)用族參數(shù)設(shè)置，確保構(gòu)件尺寸變化時(shí)仍能滿足工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度要求，最終通過明細(xì)表的方式自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出各類構(gòu)件的工程量。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用效果

前期策劃中，應(yīng)用BIM技術(shù)不僅解決了因圖紙不全、工程信息不完善等問題導(dǎo)致的“三項(xiàng)策劃”（施工組織策劃、成本策劃、資金策劃）開展困難的問題，而且在模型建立方面具有可視化、精確度高、信息全面和直觀清晰等優(yōu)勢(shì)。更重要的是，模型的數(shù)據(jù)模擬真實(shí)建筑實(shí)體效果，工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、參數(shù)設(shè)置變化協(xié)調(diào)修改等功能得到業(yè)主的高度認(rèn)可，對(duì)其有效、準(zhǔn)確、快速?zèng)Q策起到了積極作用，同時(shí)也為后期施工策劃和深化設(shè)計(jì)提供了更多的思路和方法。

3.1 族模型設(shè)置參數(shù)變化，構(gòu)件工廠化預(yù)制拼裝

博物館項(xiàng)目外裝飾異形空間變化復(fù)雜，二維平面圖無法表達(dá)造型信息，通過建立子族的方式，給每個(gè)子族添加參數(shù)信息，再結(jié)合二維圖平面尺寸組合單元族，將不同種類材質(zhì)的族團(tuán)以點(diǎn)、線及面的方式放置于導(dǎo)入的平面圖中，最終鏈接成整體。每個(gè)子族都嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸要求建立，并配有編號(hào)和參數(shù)，施工模擬精確度較高，可直接作為工廠化預(yù)制加工清單，通過深化設(shè)計(jì)后的各構(gòu)件連接方式和安裝角度最終完成現(xiàn)場(chǎng)拼裝。

3.2 三維模型可視化，數(shù)據(jù)信息自動(dòng)化

三維模型可快速、清晰地表達(dá)各構(gòu)件的信息，協(xié)助業(yè)主直觀、準(zhǔn)確地把握整體造型的難度和做法，后期深化設(shè)計(jì)時(shí)完善局部細(xì)節(jié)并以3DMax建模、渲染、動(dòng)畫等方式展現(xiàn)。BIM技術(shù)的應(yīng)用，不僅能通過三維協(xié)同平臺(tái)建模，還能精確、快速地獲得技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、工程量等信息，完全掌握各構(gòu)件的變化并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，方便業(yè)主控制建筑施工規(guī)模和成本，后期可生成材料用量表，并結(jié)合多種軟件平臺(tái)優(yōu)化建造方案。

3.3 專業(yè)配合，軟件協(xié)同

Revit軟件建立的建筑模型直觀可視，各專業(yè)建模可同時(shí)進(jìn)行，隨時(shí)檢查異形空間高度、曲線變化情況。應(yīng)用Naviswork、3DMax、Dynamo等軟件對(duì)整體模型進(jìn)行渲染、漫游、動(dòng)畫模擬、碰撞檢查、協(xié)同出圖等分析判斷，協(xié)助業(yè)主對(duì)施工方案確定、圖紙審查、成本測(cè)算及深化設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行決策。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)應(yīng)用推動(dòng)了建筑業(yè)信息化發(fā)展進(jìn)程，工程項(xiàng)目的全生命周期管理已逐步完善，設(shè)計(jì)與施工不再互相脫節(jié)，而是全面促進(jìn)和配合[1-2]。隨著參與各方的數(shù)量增多，數(shù)據(jù)建造將實(shí)現(xiàn)無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、三維審圖模式和智能化成果交付轉(zhuǎn)型升級(jí)。

本工程的BIM技術(shù)應(yīng)用充分符合這一思路。隨著業(yè)主對(duì)投資項(xiàng)目管理的日益成熟，前期策劃要求逐步提高，需要施工方協(xié)助解決的問題不斷增多。BIM技術(shù)的應(yīng)用促成了項(xiàng)目的合作與發(fā)展，攻破復(fù)雜外形建筑的施工難題，實(shí)現(xiàn)資源整合與信息共享。