范凱興
(西安航天神舟建筑設(shè)計院有限公司,陜西 西安 710075)
為使建筑外墻具備節(jié)能、安全、美觀等多個功能,現(xiàn)代大空間、大跨度和高層建筑的設(shè)計常采用帶有裝飾效果的輕質(zhì)幕墻作為建筑物的表面墻體。幕墻一般由結(jié)構(gòu)框架(支撐裝置和系統(tǒng))和鑲嵌版材組成,對主體具有一定的位移能力和形變能力,具有強勁、輕盈、美觀、安全、吸聲、設(shè)計靈活等特點。幕墻范圍主要包括建筑的外墻、采光頂和棚頂及室內(nèi)裝飾墻,支撐結(jié)構(gòu)現(xiàn)在廣泛使用鋼結(jié)構(gòu),面板按材質(zhì)一般分為玻璃、金屬板、石材板等。
建筑幕墻作為建筑的“面子”,建筑設(shè)計師和業(yè)主越來越重視提高建筑的使用及觀賞價值。形狀不規(guī)則新奇的外墻一般稱為異形幕墻,其材料復(fù)雜、有凹有凸、有曲有折。建筑造型新穎多變、標新立異、環(huán)境色彩鮮艷明快,為現(xiàn)代化城市面貌增加了藝術(shù)效果。
但是在異形幕墻的設(shè)計過程中,傳統(tǒng)軟件其二維表現(xiàn)方式已難以滿足當前復(fù)雜、多樣的造型設(shè)計要求,不能清晰簡潔地呈現(xiàn)出設(shè)計意圖和創(chuàng)意。對于某些沒有重復(fù)模塊的異型建筑,由于每個構(gòu)件的編號必須保證唯一性才能保證現(xiàn)場準確安裝施工,而傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄保存混亂無序很容易導(dǎo)致失誤和返工,因此二維的設(shè)計顯然完全無法滿足現(xiàn)代建筑設(shè)計需求。
BIM(Building Information Modeling)即建筑信息化模型,是一種廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計和施工全生命周期中用于工程設(shè)計和建造管理的技術(shù)工具,利用建筑物的各種設(shè)計元素、組件信息、協(xié)作工序等信息搭建三維模型完成建筑對象數(shù)據(jù)化3D展示。BIM能可視化立體化地顯示幕墻系統(tǒng)的設(shè)計效果,也能實現(xiàn)幕墻與其他專業(yè)設(shè)計施工之間的協(xié)調(diào)配套,從而能夠保障幕墻系統(tǒng)的材料采購,利用建筑物數(shù)據(jù)不斷地完善、豐富、理順設(shè)計方案和施工時序,具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性和關(guān)聯(lián)性等特點。在復(fù)雜建筑幕墻系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用BIM技術(shù),為尺寸精準設(shè)計、材料采購、組件構(gòu)件加工、質(zhì)量控制、降低成本、方便施工裝配和后期維護等提供了有效保障。
基于BIM技術(shù)開發(fā)的軟件較多,通常工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計時建筑設(shè)計公司使用Bentley的Architecture系列較多,建筑單專業(yè)或系統(tǒng)設(shè)計常使用Graphisoft的Archi-CADBentley和Autodestk的Revit Architecture等,民用建筑常選用Autodestk的Revit系列,建筑物復(fù)雜、異形程度較高的設(shè)計可選用Gehry Technologies的Digital project等軟件。此類基于BIM技術(shù)的軟件可以支撐建筑設(shè)計及使用運維全生命周期,構(gòu)建3D數(shù)字模型、可視化繪制仿真建筑物的每一處設(shè)計細節(jié),能夠有效滿足二維設(shè)計工具的不足。BIM系統(tǒng)能使設(shè)計對象中各類管道、門窗、墻柱、內(nèi)部構(gòu)造、裝飾物等參數(shù)化和圖形化,從而達到材料、規(guī)格、外觀、構(gòu)造等精準設(shè)計,減少返工誤時成本提高等不必要的損失,是當今設(shè)計師高效、低碳設(shè)計的最佳工具之一。
(1)合理的建筑表皮分格。由于對幕墻結(jié)構(gòu)、板材大小不熟悉,因此通常建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師提供的模型對建筑表皮是不進行分格的。在異形幕墻設(shè)計時,為了精準展示出建筑物造型外觀,需要由專業(yè)幕墻設(shè)計師根據(jù)幕墻板材實際的大小對建筑模型的表皮進行合理精確的劃分、定分和深化設(shè)計,并以此優(yōu)化形狀規(guī)格,減少非標準、規(guī)則化面板、構(gòu)件、卡扣的返工,提高弧形幕墻板材的利用率,達到降低工程造價的目標。
(2)避免設(shè)計沖突和交叉。由于主體為鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜建筑設(shè)計,通常涉及的專業(yè)多、綜合程度高、時間要求緊,因此專業(yè)間的配合不會太通暢。會存在幕墻表面對建筑結(jié)構(gòu)的尺寸不匹配、龍骨和結(jié)構(gòu)之間有干涉、表面排水溝和主體桁架存在干涉等沖突交叉情況,需要設(shè)計師對幕墻和主體結(jié)構(gòu)進行碰撞分析,避免主體工程完成時再次對幕墻面板或支撐結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。提高專業(yè)間的配合緊密度,有助于保證施工效率和質(zhì)量。
圖1 某A建筑物異形幕墻表皮分格設(shè)計效果
以某高層A建筑物的幕墻設(shè)計為例,該建筑物造型獨特新穎,建筑物外部幕墻主要使用異形的玻璃幕墻。幕墻設(shè)計過程為使用Autodestk公司的Revit專業(yè)BIM軟件搭建該建筑物的公用軸網(wǎng)、標高等作為建筑結(jié)構(gòu)三維模型,制作幕墻平面圖紙并據(jù)此創(chuàng)建玻璃幕墻體量,利用幕墻設(shè)計圖紙使用Rhino犀牛軟件借助Grasshopper插件創(chuàng)建玻璃幕墻表皮(見圖1),將玻璃幕墻表皮導(dǎo)入建筑結(jié)構(gòu)三維模型中,可以直觀地看出關(guān)聯(lián)設(shè)計的碰撞交叉問題,找出設(shè)計缺陷。幕墻設(shè)計優(yōu)化過程:將曲面玻璃墻面板優(yōu)化為平面,各類空間坐標為可自動更新,在Revit軟件中添加玻璃面板尺寸;在Rhino中進行參數(shù)設(shè)計和表皮優(yōu)化,將玻璃幕墻表皮優(yōu)化成加工生產(chǎn)方便的平面玻璃面板,較大面積的玻璃面板可使用插件進行分割設(shè)計以便于生產(chǎn)和安裝,重新生成新的建筑物三維模型和玻璃幕墻模型,優(yōu)化之后再次檢查設(shè)計交叉碰撞問題,確認無誤后在圖紙上標注各個立面。施工人員可以根據(jù)圖紙進行放線,生產(chǎn)廠家可以根據(jù)幕墻面板清單進行生產(chǎn),以此提高工作效率,降低設(shè)計和施工成本,確保A建筑物的幕墻設(shè)計效果達到要求。同時Revit可以導(dǎo)入其他協(xié)同軟件如3DMAX等獲取更高品質(zhì)的渲染圖,精美直觀地向業(yè)主方演示幕墻設(shè)計的效果和施工步驟。
在幕墻面板及支撐架構(gòu)下料階段,利用基于RIM技術(shù)的軟件提供的物料清單,可以快速生產(chǎn)玻璃、鋁材、鋼材、石材等的詳細下料清單,提高下料和預(yù)加工的準確度,為復(fù)雜材料和規(guī)格的板面加工爭取時間、提供精準的加工生產(chǎn)數(shù)據(jù)依據(jù),提高人力、物料、時間的有效協(xié)同配置,減少誤差大的廢料、圖紙重復(fù)修改和加工周期不足引起的建設(shè)成本增加。
能夠深度全面完整地展示幕墻信息,包括基本的形狀、尺寸、材質(zhì)、幕墻的熱傳系數(shù)、防水性能、抗風壓強度、施工工藝等多種信息,有助于幕墻板塊、構(gòu)件的無紙化工廠下料預(yù)加工。能夠全方位呈現(xiàn)出復(fù)雜的施工節(jié)點、卡扣方案、更換維護工藝等,從而可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題,及時對關(guān)聯(lián)專業(yè)設(shè)計中存在的交叉工序、施工施工等位進行糾偏,具有精確、直觀、清晰的特點。
使用物料造價、重量、材質(zhì)、熱共性、編號等真實非幾何屬性參數(shù),快速仿真并模擬計算幕墻的造型、節(jié)能、經(jīng)濟、疏散、安全等重要指標,仿真施工進度、系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作等,便于及時優(yōu)化關(guān)聯(lián)指標采取最合適的設(shè)計方案,并提高設(shè)計和施工協(xié)同工作的效率和質(zhì)量,提前確認位置關(guān)系減少技術(shù)干擾沖突,為幕墻實際安裝施工提供良好的作業(yè)環(huán)境。
幫助幕墻設(shè)計師在相關(guān)設(shè)計工作中信息共享,促進了墻面造型、外部空間、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物料材質(zhì)等多專業(yè)參與方之間順暢溝通和高度契合,借助BIM系統(tǒng)能夠有效解決多專業(yè)設(shè)計時的融合糾錯、板塊優(yōu)化設(shè)計、算量型材、參數(shù)調(diào)整等交叉問題,為促進幕墻系統(tǒng)精細化施工和確保相關(guān)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量符合標準奠定基礎(chǔ)。
BIM能夠自動生成幕墻設(shè)計成果中的多角度平面圖、俯視圖、剖面圖、軸側(cè)圖等,當幕墻龍骨或某構(gòu)件或建筑架構(gòu)參數(shù)修改時,相關(guān)聯(lián)的所有成果圖將自動可視化修正,提高了幕墻設(shè)計工作效率,避免了傳統(tǒng)方式下的漏改、改錯等設(shè)計疏忽。數(shù)字化、可視化的設(shè)計深化內(nèi)容可以指導(dǎo)施工,確保施工人員掌握要點,利用坐標數(shù)據(jù)可以控制安裝精度和允許偏差可控,提高施工作業(yè)效率、確保可靠性和工期可控。
在建筑幕墻設(shè)計方面,建造綠色建筑是每位業(yè)主、設(shè)計、物資、施工的共同目標,BIM三維虛擬建模技術(shù)的發(fā)展,有效促進了設(shè)計工作模式和建筑質(zhì)量的技術(shù)改革,基于BIM技術(shù)開發(fā)的軟件成為建筑行業(yè)的主流設(shè)計軟件將會是必然發(fā)展方向。BIM技術(shù)應(yīng)用在幕墻系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)了技術(shù)管理的合理性、精準性和科學(xué)性,能夠有效解決異形復(fù)雜幕墻工程設(shè)計深化不足、施工材料損耗高、信息化程度不夠等實際問題。BIM技術(shù)在高層復(fù)雜建筑設(shè)計中的應(yīng)用,為有效實現(xiàn)設(shè)計、施工、供貨等綜合性管理目標提供了技術(shù)平臺和解決工具。設(shè)計公司、業(yè)主單位和政府單位應(yīng)共同深入把握和引領(lǐng)BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢,重視BIM技術(shù)在幕墻系統(tǒng)設(shè)計、施工安裝和后期維護中的重要意義,推動我國建筑行業(yè)信息化、綠色化、科技化健康平穩(wěn)發(fā)展。