BIM技術在襄陽東站幕墻項目中的應用

程希奇 李 蓓 陳炳任 邱繼 徐志良

(中建深圳裝飾有限公司，深圳 518035)

引言

“BIM技術是中國建造的起步，數(shù)字建造是我們目標”，這是筆者參加“第六屆BIM技術國際交流會”[1]后最真切的感受，幕墻在建筑領域中，具有“小工業(yè)”、“裝配式設計制造”之稱，幕墻工業(yè)化發(fā)展已經(jīng)成為行業(yè)的發(fā)展趨勢[2]。BIM以其可視化、可協(xié)調(diào)、參數(shù)化等特點，有效減少幕墻設計變更、結(jié)構碰撞、施工返工，參數(shù)化實現(xiàn)深化出圖下料，有效提高項目質(zhì)量與效率，保證建筑外觀效果與設計建造質(zhì)量。BIM技術是幕墻數(shù)字化設計建造進程中必不可少的，對提升幕墻項目的設計標準、安裝質(zhì)量、工程進度具有重大意義，為項目實現(xiàn)降本增效。本文從襄陽東站幕墻的深化設計、出圖下料與施工指導等方面闡述在鐵路站房類建筑幕墻[3]設計建造中的應用，參數(shù)化技術輔助幕墻深化，點集工作流程實現(xiàn)自動化下料，模擬和指導裝配式施工等技術的應用思路，對今后鐵路站房、大型場館等空間桁架類的幕墻工程設計施工具有參考意義。

1 項目簡介

1.1 項目概況

襄陽東站位于襄陽東津新區(qū)，選址于內(nèi)環(huán)南線東延伸段和中環(huán)東線交會處的西北側(cè)，東津大橋東側(cè)約7km處，襄陽技師學院東津校區(qū)北側(cè)。

襄陽東站(圖1)的設立將凸顯襄陽市東津新區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢，從而為新區(qū)帶來更大的人流、物流、信息流，促進東津新區(qū)的快速發(fā)展。襄陽東站將形成集高鐵、城市軌道交通、公交車、長途客車、出租車、城市航站樓于一體的綜合交通樞紐，實現(xiàn)多種交通方式“無縫對接”和“零距離換乘”，成為湖北襄陽的“新門戶”和“新地標”，也將成為全國高速鐵路網(wǎng)的重要樞紐節(jié)點。

圖1 襄陽東站效果圖

襄陽東站建筑總面積222 600m2，主站房88 178m2，高架夾層預留商業(yè)及高架層馬道12 085m2，高架人行平臺12 646m2，建筑總高度49.801m，屋面最高點標高50.100m，幕墻最高點40m，總面積66 927m2。

襄陽東站造型以現(xiàn)代時尚、簡潔大氣為主，采用“束腰形”平面，弧形線條增加了站房的動感和可識別性，同時也添加了襄陽文化元素。此次襄陽東站的設計方結(jié)合襄陽的地域和文化特征，提出了“一江兩岸、漢水之城”的設計創(chuàng)意，讓高鐵站較好地體現(xiàn)了漢水文化、古城文化、圖騰文化、襄陽東大門等元素和特征。

1.2 幕墻系統(tǒng)概況

襄陽東站從上至下分為檐口、高架屋、采光頂飄帶、站臺站、出站層(圖2)。

圖2 襄陽東站區(qū)域劃分

幕墻系統(tǒng)類型有玻璃幕墻、鋁板幕墻、石材幕墻、鋁格柵。檐口為全鋁板幕墻系統(tǒng)，高架層為鋁板裝飾柱幕墻系統(tǒng)、玻璃幕墻系統(tǒng)； 采光頂飄帶為玻璃幕墻系統(tǒng)、鋁板幕墻系統(tǒng)； 站臺層為玻璃幕墻系統(tǒng)、鋁板幕墻系統(tǒng)、石材幕墻系統(tǒng)； 出站層為玻璃幕墻系統(tǒng)、鋁板幕墻系統(tǒng)、石材幕墻系統(tǒng)、鋁格柵幕墻系統(tǒng)(圖3)。

圖3 襄陽東站幕墻系統(tǒng)

2 項目重難點分析

結(jié)合BIM模型組織對項目進行重難點分析，確定項目的重難點主要有：

(1)幕墻系統(tǒng)種類繁多，造型及要求高。包含明框玻璃、彩粙玻璃、采光頂、斜面玻璃、鋁板裝飾柱、石材、鋁格柵等類型；

(2)檐口鋁板系統(tǒng)東西面跨度325m，南北面跨度198m，每個分格的直面板旋轉(zhuǎn)1度，拼接成圓弧面，需要對圓弧面優(yōu)化成直面板進行加工安裝(圖4)；

圖4 檐口鋁板系統(tǒng)

(3)檐口鋁板系統(tǒng)東西面中間位置內(nèi)傾，而兩側(cè)為豎直面，從中間向兩側(cè)扭轉(zhuǎn)過渡(圖5)；

圖5 檐口鋁板系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)面

(4)檐口與高架層、站臺層的分縫需要豎向?qū)R，確保整體的外觀效果(圖6)；

圖6 分縫外觀效果

(5)檐口鋁板系統(tǒng)在東西側(cè)曲面扭轉(zhuǎn)位置與南北側(cè)弧面相交，優(yōu)化及安裝必須保證兩個面的平滑效果，給設計與加工帶來困難(圖7)；

圖7 檐口鋁板曲面扭轉(zhuǎn)位置與弧面相交

(6)玻璃系統(tǒng)與鋁板裝飾柱大樣節(jié)點復雜，傳統(tǒng)二維圖紙難于表達清楚，在溝通與設計上難度增大(圖8)；

圖8 玻璃幕墻系統(tǒng)節(jié)點

(7)檐口鋁板系統(tǒng)及采光頂飄帶鋁板懸挑系統(tǒng)安裝在空間網(wǎng)架上，安全系數(shù)低、時間緊，造成施工難度大，需要運用施工模擬確定施工方案及指導施工。

3 BIM應用目標

(1)解決設計碰撞問題：建立施工應用LOD400精度模型[4]，根據(jù)提供的建筑、機電、結(jié)構模型進行碰撞檢查，解決設計中的干涉問題[5]。

(2)推進深化設計：配合項目進行異形玻璃采光頂、檐口鋁板系統(tǒng)、懸挑鋁板系統(tǒng)、鋁板裝飾柱系統(tǒng)的優(yōu)化工作，協(xié)助解決金屬屋面與采光頂、檐口等系統(tǒng)的收口問題。

(3)實現(xiàn)數(shù)字化下料：針對采光頂、檐口鋁板系統(tǒng)、懸鋁板系統(tǒng)、鋁板裝飾柱等復雜幕墻實現(xiàn)數(shù)字化下料[6]。

(4)實現(xiàn)施工指導：根據(jù)項目施工重難點，運用BIM技術完成檐口鋁板系統(tǒng)的裝配式單元劃分、空間安裝定位等問題，制作裝配式安裝模擬動畫[7]，實現(xiàn)裝配式施工指導。

4 BIM技術應用

BIM技術應用簡要思路：BIM深化設計階段，通過建立幕墻BIM模型與外部、內(nèi)部模型進行碰撞檢查，解決存在的設計問題； 通過節(jié)點、大樣模型配合設計師完成幕墻深化設計。下料及施工指導階段，通過編寫參數(shù)化程序?qū)η孢M行區(qū)域劃分，針對各個區(qū)域進行曲面分析、圓柱面檢測、單雙曲優(yōu)化和曲面分割，完成鋁板下料； 疏理施工重難點，運用BIM技術完成裝配式施工單元劃分、空間定位和動畫模擬，實現(xiàn)施工指導(圖9)。

圖9 BIM技術應用思路

4.1 深化設計階段BIM技術應用

4.1.1 運用BIM碰撞檢查技術，解決設計干擾問題

為核對圖紙，解決建筑、結(jié)構與幕墻專業(yè)的干擾碰撞問題，確保深化圖紙正確，通過建立出站層、站臺層、高架層及檐口、采光頂?shù)哪粔IM模型，加載建筑、結(jié)構、機電模型，運用BIM三維可視化設計和碰撞檢查技術[8]，共解決碰撞干擾的設計問題126項(圖10)。

圖10 BIM碰撞檢查

4.1.2 檐口鋁板系統(tǒng)分析與優(yōu)化

運用Rhino的曲面分析模塊，建立檐口鋁板系統(tǒng)，編寫參數(shù)化程序?qū)︿X板檐口不同位置曲面曲率進行分析：直面板約占58.3%，單曲面板約占40.5%，雙曲面板約占1.2%(圖11)，為解決檐口鋁板系統(tǒng)優(yōu)化問題提供依據(jù)。

圖11 檐口鋁板曲面階差分析

檐口鋁板東西面扭轉(zhuǎn)位置與南北面底部雙曲面位置相交接，一方面要確保交接位置質(zhì)量效果和便于施工，另一方面優(yōu)化需要確保扭轉(zhuǎn)面的順滑性。

優(yōu)化過程中，與建筑設計師溝通確認，以交接面的線為基準線，進行優(yōu)化。利用參數(shù)化計算出最接近基準線線型的圓弧線，通過圓弧線把南北面底部的雙曲面優(yōu)化為單曲面和直板面，確保底部的順滑度。扭轉(zhuǎn)位置雙曲面的調(diào)整需要不同分割線的進出位置，在保證順滑度的同時優(yōu)化為平直面，通過退火模擬算法計算調(diào)整頂面線，部分雙曲面板優(yōu)化為單曲面，部分可以優(yōu)化為平直面，經(jīng)過計算，通過調(diào)整豎直分割線，實現(xiàn)了雙曲面全部優(yōu)化為平直面(圖12)。

圖12 檐口鋁板交接位置優(yōu)化

4.1.3 外觀方案優(yōu)化

(1)檐口鋁板與高架層斜面玻璃系統(tǒng)分縫外觀優(yōu)化，通過BIM參數(shù)化技術，提取檐口弧線與高架層弧線進行分析，根據(jù)編寫的算法進行分割，實現(xiàn)鋁板檐口與高架層的分縫對齊外觀效果(圖13)。

圖13 檐口鋁板系統(tǒng)與高架層對縫方案

(2)高架層與站臺層層間鋁板系統(tǒng)外觀方案優(yōu)化，由于高架層鋁裝飾柱整體為類扇形的彎弧，原方案中層間鋁板分縫與出站層鋁板為錯縫情況，影響整體效果，利用BIM技術，以裝飾柱中線為定量進行分格調(diào)整，確保了出站層每塊鋁板對應1個裝飾柱的分格效果(圖14)。

圖14 層間鋁板系統(tǒng)對縫方案

4.1.4 幕墻系統(tǒng)節(jié)點優(yōu)化

按照業(yè)主要求，站臺層、出站層玻璃幕墻系統(tǒng)中需增加防火設計，通過BIM參數(shù)化模擬分析(圖15)，在玻璃幕墻系統(tǒng)中增加鋁合金隔斷可以達到業(yè)主需要的防火設計要求(圖16)。

圖15 玻璃幕墻防火設計熱工模擬

圖16 防火幕墻方案

4.1.5 采光頂飄帶懸挑鋁板系統(tǒng)優(yōu)化

采光頂飄帶懸挑鋁板系統(tǒng)是順飄帶走勢向外懸挑的架空造型(圖17)，經(jīng)過前期碰撞檢查調(diào)整后，懸挑上下面均為單曲面，為確保安裝效果和降低成本，對懸挑上面下進行平面優(yōu)化。

圖17 采光頂飄帶懸挑鋁板系統(tǒng)

通過等距切割取樣后，進行四邊面分析，檐口上曲面圓弧半徑較大，調(diào)整為平板后整體過度比較緩和，拼接的順滑度與原曲面基本無誤差，上曲面鋁板可以統(tǒng)一優(yōu)化為平面板(圖18)。

檐口下曲面橫向分格間距較大，通過曲面分析后，優(yōu)化成平板的效果無法滿足設計要求，最終保留曲面原有的弧度，采用單曲面的密拼做法，保證了檐口圓滑過渡的效果(圖19)。

圖18 優(yōu)化前后的平面鋁板效果

圖19 下曲面優(yōu)化后的效果

4.2 BIM參數(shù)化點集出圖下料

在鋁板系統(tǒng)下料中，鋁板板塊多樣，規(guī)格多種，為提高工作效率，我們研究出參數(shù)化點集工作流的出圖下料方式。在以往的參數(shù)化下料中，板塊的改動影響尺寸規(guī)格，需要調(diào)整參數(shù)進行下料，增加了下料的步驟和時間。點集工作流的方式不需要改變模型再重新拆模、排序、下料，采用點集的路徑篩選，直接改變受影響的下料板塊。由于拓撲關系得以保持，下料模型、圖紙、數(shù)據(jù)實現(xiàn)了按修改同步更新，極大提升了下料效率。點集工作流python程序及完整工作流程如圖20-21。

圖20 python點集篩選代碼

圖21 參數(shù)化點集工作流程

下面以最復雜的高架層鋁板裝飾柱中的ZSZLB-5-10-6編號鋁板，也即第5根裝飾柱、第10層、第6塊平邊四邊(含弧邊)板為例，介紹點集工作流程的部分下料細節(jié)。

對于這樣的板塊，關鍵信息為四條邊的邊長、弧邊的半徑。應鋁板加工廠技術員的要求，對每塊板的各邊長、對角線長、弧半徑(如果有)等信息作為一行數(shù)據(jù)進行批量輸出[9](圖22)。在以往的工作流程中，類似弧邊的半徑出現(xiàn)變化或尺寸規(guī)格調(diào)整，那么需要重新調(diào)整參數(shù)、拆模、排序等操作，通過點集工作流可以實現(xiàn)自動化處理。

圖22 裝飾柱鋁板下料信息

為方便同類型板依次加工和提高現(xiàn)場物料管理、施工組織，通過調(diào)整輸出表格的編號順序，以同柱子每層相同位置的板塊為相鄰行的順序輸出表格(編號保持不變)，提升了加工廠技術處理的效率(圖23)。

4.3 裝配式施工指導

檐口鋁板系統(tǒng)安裝施工比較復雜，以普通框架式幕墻安裝方法實現(xiàn)難度大，一是空間桁架測量過程中測量點定位難[10]，二是工人安裝過程中安全風險系數(shù)高，三是項目工期緊張。為確保項目如期、安全高質(zhì)量完成，參考我司在重慶來福士、深圳國際會展中心等多個項目中應用裝配式[11]單元的思路，運用BIM技術進行裝配式施工指導(圖24)。

圖23 裝飾柱鋁板下料參數(shù)化程序

圖24 運用BIM技術討論裝配式單元劃分

根據(jù)模擬的空間環(huán)境和吊裝數(shù)據(jù)，最終確定每4個豎向分格作為1個單元，利用BIM參數(shù)化技術處理龍骨的斷開位置及龍骨切割尺寸，提高單元組裝的效率； 與現(xiàn)場測量相結(jié)合，確定龍骨在空間桁架的焊接點位，導出定位數(shù)，指導現(xiàn)場進行裝配式施工[12](圖25-26)。

圖25 單元化吊裝點位及數(shù)據(jù)

圖26 現(xiàn)場吊裝

5 項目經(jīng)驗分享

(1)項目前期與項目部、總包、設計院充分溝通，確認BIM技術應用的目標、內(nèi)容、思路與方法，做好項目管理[13]，確保工作效率。

(2)由于目前沒有統(tǒng)一的BIM應用技術平臺，在不同平臺文件互轉(zhuǎn)時，需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)信息標準及轉(zhuǎn)換文件格式[14]。

(3)項目體量較大，多個BIM平臺應用，需要處理好協(xié)同[15]中心集文件，避免出現(xiàn)材質(zhì)、命名等信息不同的問題。

(4)在下料過程中，一方面要按業(yè)主要求執(zhí)行，另一方面要考慮施工的可行性，確保下料板材符合要求，能夠安裝。

(5)要與加工廠密切配合，檢查加工廠返回的各項加工數(shù)據(jù)正確。

(6)復雜部位需要測量返點，應與測量師溝通測量返點數(shù)據(jù)類型，并且配圖標示返點位置，以確保數(shù)量的正確。

6 結(jié)語

襄陽東站是我司繼深圳國際會展中心項目后，又一個空間異形幕墻項目，此類項目主要存在空間曲面優(yōu)化、分割、收口和施工組織難等情況，幕墻系統(tǒng)是直面拼接弧面，特別是在采光頂懸挑、鋁板裝飾柱、鋁板檐口等位置，我們在項目中通過BIM參數(shù)化技術，無論是在建模優(yōu)化，還是數(shù)據(jù)提取的過程中都發(fā)揮出非常重要的作用，可以說參數(shù)化技術是可以保證項目順利進行的基礎，為我們的工作提供了一個有效的方法。利用參數(shù)化技術，省去很多重復性的工作，提高工作效率。在項目中我們還嘗試使用不同BIM平臺之間的協(xié)同工作，并且在這種模式下總結(jié)了BIM技術應用的優(yōu)缺點和相應技術流程，努力推動數(shù)字化設計建造向前邁進。