BIM技術(shù)在異形雙曲面清水混凝土施工應(yīng)用

陳群源

（上海城建信息科技有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，公眾審美眼光日益提升，橫平豎直的建筑外觀逐漸難以滿足公眾的審美需求，不拘一格的異形建筑越來(lái)越多地出現(xiàn)在公眾的視野。然而異形建筑的建造過(guò)程往往會(huì)遇到定位困難、材料浪費(fèi)的難題。該文主要分析異形雙曲面清水混凝土工程利用BIM技術(shù)解決施工放樣定位、材料加工遇到的問(wèn)題。

1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是建筑設(shè)計(jì)信息的重要模式，是一種工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用方式。通過(guò)建筑工程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)化管理的應(yīng)用，構(gòu)建三維模型輔助設(shè)計(jì)施工深化。從構(gòu)件的導(dǎo)向方式入手，結(jié)合電腦輔助操作設(shè)計(jì)規(guī)范方法，使建筑模型直觀地呈現(xiàn)。BIM技術(shù)能夠幫助建筑企業(yè)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)施工管理。從建筑設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分析，到建筑施工的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的融合，構(gòu)建三維模型化的數(shù)據(jù)庫(kù)評(píng)估。傳統(tǒng)的建筑繪圖制造主要是通過(guò)點(diǎn)、線、面進(jìn)行體系化元素分析，而B(niǎo)IM技術(shù)可視化、參數(shù)化設(shè)計(jì)操作更加具有塑造性。該技術(shù)通過(guò)幾何設(shè)計(jì)方式，能夠?qū)⒏黝愋畔?shù)據(jù)建立模型，確定實(shí)際設(shè)計(jì)施工過(guò)程中最優(yōu)的方案，重視多領(lǐng)域可塑性水平的評(píng)估分析，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)數(shù)據(jù)信息化的融合評(píng)測(cè)，滿足多數(shù)據(jù)可能性的測(cè)定優(yōu)化。

2 項(xiàng)目概況

榮成少年宮項(xiàng)目位于榮成市奧體中心南，櫻花湖公園東，由綜合館、科技館、圖書館、游泳館4個(gè)場(chǎng)館組成，不同場(chǎng)館間均分布著拱形通道、球體、傘形柱等異形構(gòu)件，地上3層、地下1層，分為游泳館、科技館、圖書中心、藝術(shù)培訓(xùn)、兒童活動(dòng)、動(dòng)感劇場(chǎng)、綜合服務(wù)等，建筑面積4.8萬(wàn)m2，清水混凝土展開(kāi)面積3.3萬(wàn)m2（如圖1）。

圖1 建筑剖面圖

3 項(xiàng)目難點(diǎn)分析及解決辦法

榮成少年宮由于清水混凝土均為異形雙曲面飾面清水混凝土構(gòu)件，其中拱形通道、圓筒剪力墻、錐形筒剪力墻、游泳館傘形柱、科技館球體、雙曲面出入口及外墻造型復(fù)雜且允許誤差低，該工程拱形通道分雙曲面結(jié)構(gòu)和單曲面構(gòu)件2種，共計(jì)8處，其中最大拱形通道為編號(hào)T2直徑達(dá)20m，長(zhǎng)約48.9m，兩邊分別設(shè)置有不同尺寸耳門。針對(duì)該工程存在超大截面拱形通道、球體、傘形柱等異形清水混凝土構(gòu)件對(duì)模板、鋼筋下料與敷設(shè)要求高的特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)施工前采用BIM可視化軟件對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，該項(xiàng)目主要采用Rhino、Grasshopper軟件對(duì)其模板與鋼筋體系進(jìn)行建模、拆分、編號(hào)，確保各種類型構(gòu)件模板、鋼筋現(xiàn)場(chǎng)拼縫準(zhǔn)確及精度滿足要求，由于采用參數(shù)化建模分割及材料編碼，減少了由于分割不合理造成的材料損耗，施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)模型構(gòu)件導(dǎo)出的編碼圖，有序調(diào)配材料并分配到各個(gè)施工班組進(jìn)行搭接拼裝，提高現(xiàn)場(chǎng)人員工作效率。

3.1 異形構(gòu)件模板體系參數(shù)化分割

榮成少年宮特有的異形雙曲面結(jié)構(gòu)，幾乎沒(méi)有橫平豎直的結(jié)構(gòu)體，這導(dǎo)致項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體施工過(guò)程模板加工異常復(fù)雜，施工過(guò)程通過(guò)BIM模型多次推敲，尋求最美觀最合理的模型布置方案，與設(shè)計(jì)方多次協(xié)同溝通，共同探討參數(shù)化設(shè)置規(guī)則，以參數(shù)化模型為基礎(chǔ)建立了跨越專業(yè)、跨越團(tuán)隊(duì)、跨越地區(qū)的溝通平臺(tái)。設(shè)計(jì)方實(shí)時(shí)對(duì)所有深化設(shè)計(jì)成果及各部位的施工節(jié)點(diǎn)及轉(zhuǎn)折變化關(guān)系進(jìn)行審查復(fù)核。深化設(shè)計(jì)生成指導(dǎo)施工的圖紙?jiān)谡麄€(gè)施工過(guò)程十分重要，包括模板下料，安裝及最終效果都有具體的體現(xiàn)。圖紙深化以施工模型為基準(zhǔn)，通過(guò)犀牛軟件將施工工藝的做法反應(yīng)到具體模型，利用犀牛軟件“攤平可展開(kāi)的曲面”命令，將3D實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為2D加工圖紙。圖紙導(dǎo)出后根據(jù)模型實(shí)物編號(hào)，將每個(gè)導(dǎo)出的CAD模塊整合、編號(hào)[1]。項(xiàng)目施工準(zhǔn)備階段BIM咨詢方、設(shè)計(jì)方、施工方3方進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的集中辦公深化設(shè)計(jì)配合和校對(duì)，將拱形通道、球體等結(jié)構(gòu)模型拆解。模板體系現(xiàn)場(chǎng)加工利用Grasshopper軟件將參數(shù)化模型分割、編號(hào)、攤平、導(dǎo)出二維加工圖紙（如圖2、圖3），確保所有禪縫交圈，將排板誤差降低到零。通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)分割的模板體系使模板切割利用率達(dá)到最高，降低模板損耗率。一線施工人員只需要持有模板拼接圖，調(diào)取已經(jīng)切割好的模板，已 “搭積木”的方式根據(jù)相應(yīng)編號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)拼裝。

圖2 拱形通道深化設(shè)計(jì)排版圖

圖3 球體深化設(shè)計(jì)排版圖

通過(guò)前期對(duì)模型的深化搭建，使設(shè)計(jì)成果在Rhino軟件自帶插件Grasshopper的智能“拆分”功能形成模板加工圖，將生成的CAD圖紙導(dǎo)入全自動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)床，機(jī)床控制主機(jī)識(shí)別雕刻路徑信息，每片模板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精確雕刻，保證尺寸準(zhǔn)確，切口平整，且誤差控制在2mm內(nèi)。雕刻過(guò)程工人對(duì)逐個(gè)片模型進(jìn)行編碼，安裝現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)模板編號(hào)參照三維模型構(gòu)件的編號(hào)情況，有序調(diào)配材料分配到各個(gè)施工區(qū)域，施工班組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搭接拼裝，有效提高現(xiàn)場(chǎng)人員工作效率，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該項(xiàng)目利用參數(shù)化模型導(dǎo)出2000余張深化圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

由于大面積清水混凝土施工對(duì)澆筑過(guò)程模板的穩(wěn)定性要求高的要求，該項(xiàng)目為了保證異形雙曲面的表觀形態(tài)，單獨(dú)建立了數(shù)字化的定位體系及數(shù)字圓盤定位體系，解決空間形態(tài)的定位問(wèn)題。確保項(xiàng)目拼縫準(zhǔn)確及精度，該項(xiàng)目創(chuàng)造性采用了雙層優(yōu)質(zhì)模板體系，底層襯板為受力的12mm厚或17mm厚優(yōu)質(zhì)覆膜板，面板為量身定制的6mm厚優(yōu)質(zhì)清水專用覆膜板，安裝拼縫大小控制在0.5mm；通過(guò)雙層面板的應(yīng)用，該項(xiàng)目拼縫優(yōu)良率達(dá)到了95%以上。

3.2 數(shù)字化定位放樣

該項(xiàng)目空間跨度最大的是游泳館區(qū)域，整個(gè)區(qū)域僅靠6根開(kāi)花型巨柱支撐，傘形柱形態(tài)各異，雙面曲線的結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的手段難以放樣，因此每根柱體都需要建立一套數(shù)字化定位體系及數(shù)字圓盤定位體系，解決空間形態(tài)的定位問(wèn)題。傘形柱施工放樣前運(yùn)用BIM技術(shù)在Rhino軟件自帶插件Grasshopper中對(duì)柱體定位點(diǎn)進(jìn)行“等分”，將每根傘形柱平均拆分出1580個(gè)定位點(diǎn)（如圖4），施工現(xiàn)場(chǎng)將全站儀與Grasshopper插件之間實(shí)現(xiàn)雙向通信，將控制點(diǎn)實(shí)時(shí)投影到地面形成二維軸測(cè)網(wǎng)精準(zhǔn)定位，定位過(guò)程每個(gè)控制點(diǎn)都至少完成2次校核，發(fā)現(xiàn)誤差及時(shí)調(diào)整，確保每個(gè)定位點(diǎn)做到精準(zhǔn)定位，另外拱形通道整體通過(guò)主控線及輔助線來(lái)控制這個(gè)施工流程，測(cè)量員采用全站儀及水平儀來(lái)輔助整體施工，要求點(diǎn)、線、坐標(biāo)、尺寸、標(biāo)高等必須精準(zhǔn)。根據(jù)已知標(biāo)高點(diǎn)，利用3D-2D軟件對(duì)不同標(biāo)高做輔助切線，從而得到地面投影控制線，控制拱形通道過(guò)程放樣施工。拱形通道測(cè)量放線根據(jù)其平面圖紙，施工全站儀根據(jù)具體尺寸、節(jié)點(diǎn)在施工場(chǎng)地放樣。具體采用全站儀先將定位鋼管定位，拱形通道定位鋼管為沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊縱向搭設(shè)，間距為沿每根緊貼拱形通道殼體的橫桿搭設(shè)，然后根據(jù)深化圖紙定型的木質(zhì)背楞，沿定位鋼管按加固要求間距，以背楞編號(hào)依次對(duì)不規(guī)則拱形通道敷設(shè)定型[1]。

圖4 傘形柱構(gòu)件定位實(shí)例

清水混凝土面對(duì)裝飾裝修施工工藝要求高，不能進(jìn)行二次剔鑿，對(duì)機(jī)電末端的定位要求極高，異型構(gòu)件的空間定位利用傳統(tǒng)二維圖紙很容易造成定位錯(cuò)誤，該項(xiàng)目采用BIM進(jìn)行精確定位在設(shè)計(jì)階段將界面預(yù)留的水暖電洞口、智能化設(shè)備攝像頭、控制盤等考慮在內(nèi)，通過(guò)模型預(yù)留洞口進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計(jì)表達(dá)，有效避免傳統(tǒng)施工時(shí)臨時(shí)鑿洞對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響。

3.3 異型鋼筋精確下料

該項(xiàng)目異形清水混凝土構(gòu)件外觀樣式復(fù)雜，項(xiàng)目幾乎沒(méi)有1根標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度尺寸的鋼筋，國(guó)內(nèi)外常規(guī)的鋼筋計(jì)算軟件均無(wú)法計(jì)算鋼筋下料長(zhǎng)度，只能使用BIM軟件，通過(guò)先建模后分析，由于鋼筋布置結(jié)構(gòu)樣式息息相關(guān)，項(xiàng)目前期已經(jīng)通過(guò)Rhino軟件搭建結(jié)構(gòu)模型，所以鋼筋模型的建立可以在已經(jīng)搭建的結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行，反過(guò)來(lái)有利于驗(yàn)收鋼筋模型是否超出結(jié)構(gòu)輪廓（如圖5）。鋼筋模型搭建完畢后，根據(jù)工程施工進(jìn)展需要對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的每一根橫向、豎向鋼筋進(jìn)行編號(hào)，通過(guò)Rhino軟件自帶明細(xì)表功能對(duì)鋼筋長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)，Rhino軟件內(nèi)可以選擇對(duì)應(yīng)鋼筋，明細(xì)表內(nèi)即可高亮顯示鋼筋長(zhǎng)度，現(xiàn)場(chǎng)加工人員根據(jù)明細(xì)表長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋切割精確下料。該項(xiàng)目采用Rhino對(duì)鋼筋模型搭建統(tǒng)計(jì)，使得現(xiàn)場(chǎng)鋼筋敷設(shè)鏈接緊密，縮短施工周期，確保清水混凝土的完成質(zhì)量。根據(jù)估算該項(xiàng)技術(shù)將節(jié)約施工工期40d左右，節(jié)省測(cè)量定額工約200個(gè)（如圖6）。

圖5 傘形柱鋼筋布置

圖6 傘形柱鋼筋綁扎

3.4 雙層模板拼接體系

大面積清水混凝土施工不僅對(duì)澆筑過(guò)程模板的穩(wěn)定性要求高的要求，而且為了保證異形雙曲面的表觀形態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，該項(xiàng)目創(chuàng)造性采用了雙層優(yōu)質(zhì)模板體系，底層襯板為受力的12mm厚或17mm厚優(yōu)質(zhì)覆膜板，面板為量身定制的6mm厚優(yōu)質(zhì)清水專用覆膜板，安裝拼縫大小控制在0.5mm，通過(guò)雙層面板的應(yīng)用該項(xiàng)目拼縫優(yōu)良率達(dá)到了95%以上（如圖7）。同時(shí)清水混凝土面對(duì)裝飾裝修施工工藝要求高，不能進(jìn)行二次剔鑿，對(duì)機(jī)電末端的定位要求極高，異型構(gòu)件的空間定位利用傳統(tǒng)二維圖紙很容易造成定位錯(cuò)誤，該項(xiàng)目采用BIM進(jìn)行精確定位，在設(shè)計(jì)階段將界面預(yù)留的水暖電洞口、智能化設(shè)備攝像頭、控制盤等考慮在內(nèi)（如圖8），通過(guò)模型預(yù)留洞口進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計(jì)表達(dá)，有效避免傳統(tǒng)施工時(shí)臨時(shí)鑿洞對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響。

圖7 雙層模板拼接體系

圖8 末端定位

4 結(jié)語(yǔ)

山東榮成市少年宮項(xiàng)目采用BIM技術(shù)輔助施工，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用實(shí)踐，建立了一套成熟的技術(shù)應(yīng)用體系，充分發(fā)揮BIM技術(shù)虛擬建造的優(yōu)勢(shì)，成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型施工深化出圖、模板體系、鋼筋體系構(gòu)件編碼和精準(zhǔn)下料、結(jié)合自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床切割物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精細(xì)化應(yīng)用，有效減少異形構(gòu)件施工過(guò)程材料浪費(fèi)。相信隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷推廣和行業(yè)相關(guān)制度的完善，BIM技術(shù)將被更加廣泛地應(yīng)用到工程項(xiàng)目上，該項(xiàng)目結(jié)合BIM技術(shù)的精細(xì)化施工管理將為行業(yè)內(nèi)同類型項(xiàng)目建設(shè)提供借鑒參考。