正向BIM設(shè)計(jì)技術(shù)在復(fù)雜幕墻設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用
——以青島萬(wàn)達(dá)東方影都大劇院及秀場(chǎng)項(xiàng)目為例

王 祥 |常 琦 |郝 行 |高山興 |李 偉 |

隨著非線性設(shè)計(jì)與數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜異形曲面也越來(lái)越多地應(yīng)用于各種大型展覽類地標(biāo)建筑之中。以雙曲面為代表的復(fù)雜結(jié)構(gòu)幕墻形態(tài)，也為各類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程管理、模型優(yōu)化、精確的構(gòu)件加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝提出了巨大的挑戰(zhàn)。隨著鳳凰中心[1]、哈爾濱大劇院[2]、梅溪湖國(guó)際文化藝術(shù)中心[3]、上海中心[4]等大量高難度建筑工程的出現(xiàn)，以BIM（Building Information Modeling）作為工程項(xiàng)目全流程控制和設(shè)計(jì)施工管理的統(tǒng)一工作平臺(tái)，通過(guò)以模型為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)理念（Model-based Design），以實(shí)現(xiàn)建筑信息的集成為特征，也為復(fù)雜項(xiàng)目全流程一體化的建筑設(shè)計(jì)、施工、管理提供了重要的方法和工具支持。本文以一個(gè)具體工程案例的BIM應(yīng)用剖析，試圖著重分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)幕墻在前期設(shè)計(jì)優(yōu)化和后期施工統(tǒng)籌等過(guò)程中的應(yīng)用方式和發(fā)展前景。

1 項(xiàng)目概況

青島萬(wàn)達(dá)東方影都大劇院及秀場(chǎng)項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“本項(xiàng)目”）位于青島市黃島區(qū)西海岸經(jīng)濟(jì)新區(qū)中央商務(wù)區(qū)內(nèi)，北側(cè)為濱海路，往北為靈山灣，整體地域位于人工填海區(qū)域。項(xiàng)目所處整體的工程建設(shè)目標(biāo)為打造一系列用于國(guó)際電影節(jié)展示的文化旅游建筑群，本項(xiàng)目建筑在功能上作為本電影節(jié)的主會(huì)場(chǎng)建筑使用，日常則作為地方文化演出和音樂(lè)會(huì)等功能的主要演出場(chǎng)館。

項(xiàng)目由大劇院項(xiàng)目、秀場(chǎng)項(xiàng)目以及相關(guān)配套設(shè)施組成，建筑總面積11.38萬(wàn)m2。其概念設(shè)計(jì)以回應(yīng)沿海地方文化的地方符號(hào)入手，采用“碧海銀螺”的設(shè)計(jì)理念，將兩座主要場(chǎng)館建筑（大劇院和秀場(chǎng)）定義為兩個(gè)相互輝映的海螺形態(tài)。兩座建筑采用類似的螺旋式空間曲線形態(tài)，在幕墻設(shè)計(jì)上，大劇院采用層疊的鋁板造型，而秀場(chǎng)則選用全玻璃幕墻的基本形式，用不同的肌理圖案將海螺所呈現(xiàn)的自然形態(tài)進(jìn)行表達(dá)（圖1）。

圖1 青島萬(wàn)達(dá)東方影都大劇院及秀場(chǎng)項(xiàng)目總體鳥(niǎo)瞰圖

2 BIM技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)幕墻設(shè)計(jì)建造中的必要性

BIM技術(shù)特別是以模型信息為主導(dǎo)的工作方式在復(fù)雜幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中具有完備性高、關(guān)聯(lián)性和一致性強(qiáng)、交互性好等重要特征[5]。面對(duì)自由造型的曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中以平立面表達(dá)為主的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難滿足對(duì)其多樣的幕墻單元形態(tài)的幾何描述，同時(shí)也無(wú)法套用任何單一的基本幾何原型。這些問(wèn)題也給幕墻從整體結(jié)構(gòu)到單一構(gòu)件的設(shè)計(jì)、出圖、加工等建造環(huán)節(jié)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。因此，在設(shè)計(jì)前期，設(shè)計(jì)師便決定利用正向化參數(shù)設(shè)計(jì)的手段，通過(guò)數(shù)字模型的方式對(duì)方案的總體及細(xì)節(jié)進(jìn)行全面的考慮。而這種以BIM為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法也為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工以及管理等全過(guò)程控制，以及設(shè)計(jì)方、施工方、建設(shè)方等多單位的協(xié)同工作創(chuàng)造了有利的平臺(tái)，并且取得了良好的效果。具體而言，本項(xiàng)目采用BIM技術(shù)進(jìn)行跨專業(yè)協(xié)同的主要特征體現(xiàn)在以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題和必要性上。

2.1 曲面造型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)把控難度大

為實(shí)現(xiàn)既有的設(shè)計(jì)理念，大劇院和秀場(chǎng)采用螺旋上升的復(fù)雜曲線形式，并使用橫縱向復(fù)合鋁板幕墻結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)該造型。這種構(gòu)造形式?jīng)Q定了生產(chǎn)時(shí)大多數(shù)鋁板和玻璃為雙曲面形態(tài)，同時(shí)需要定制化處理，施工時(shí)相應(yīng)構(gòu)件的復(fù)雜程度及安裝精度要求都很高。同時(shí)這種定制化與復(fù)雜性也意味著優(yōu)化調(diào)整方案時(shí)需要對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，極大地提升了方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化迭代成本。

2.2 幕墻現(xiàn)場(chǎng)安裝定位困難

本項(xiàng)目幕墻施工階段需要完成大量異形鋁板和異形玻璃的安裝定位工作，同時(shí)面臨著施工誤差導(dǎo)致的碰撞問(wèn)題。這對(duì)構(gòu)件定位、現(xiàn)場(chǎng)安裝等工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。此外，工程人員還需考慮施工定位、復(fù)核等問(wèn)題，上述因素造成幕墻施工的整體難度較高。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)整體施工精度要求高

大劇場(chǎng)和秀場(chǎng)建筑的鋼結(jié)構(gòu)形式多樣復(fù)雜：結(jié)構(gòu)選用臺(tái)塔鋼結(jié)構(gòu)，其形式為大截面和小截面H型次梁屋蓋結(jié)構(gòu)組成，觀眾廳鋼結(jié)構(gòu)形式為縱向片式H型鋼桁架和水平聯(lián)梁組合屋蓋結(jié)構(gòu)，桁架最大跨度為50m，前廳外框柱為弧形管桁架鋼柱和單根弧形方管柱，柱間為圓管鋼梁連接。項(xiàng)目總用鋼量超3000t，如此復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中變形控制難度較大，為保證安全性，施工過(guò)程中對(duì)用鋼量、位移控制、同步性等方面的精度要求很高。

3 正向BIM設(shè)計(jì)中的參數(shù)化方法和優(yōu)化策略

由于復(fù)雜形態(tài)大型公共建筑的特征，其設(shè)計(jì)過(guò)程中往往存在大量可變的設(shè)計(jì)變量，并且在形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)的組織上也存在著復(fù)雜的邏輯關(guān)系，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段也往往造成了對(duì)于一體化設(shè)計(jì)流程中很多關(guān)鍵細(xì)節(jié)的疏漏。在這一點(diǎn)上，現(xiàn)代BIM設(shè)計(jì)研究中的正向設(shè)計(jì)手段提出了一種基于模型思維和一體化數(shù)據(jù)傳輸流程的新型設(shè)計(jì)方法，其強(qiáng)調(diào)從設(shè)計(jì)初期甚至設(shè)計(jì)策劃階段開(kāi)始，便強(qiáng)調(diào)一種以BIM模型為核心的數(shù)據(jù)、軟件和技術(shù)的整合，從而以此對(duì)方案設(shè)計(jì)施工的全流程實(shí)現(xiàn)全盤控制和總體優(yōu)化[6]。本項(xiàng)目中以Rhinoceros參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件為前期的主要設(shè)計(jì)平臺(tái)，以Revit, Catia等施工優(yōu)化軟件為后期施工管理的模型平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程的BIM數(shù)據(jù)傳遞，并從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始便加入了相關(guān)的參數(shù)定義方法和優(yōu)化策略的整合。

3.1 幕墻設(shè)計(jì)階段的BIM應(yīng)用

（1）方案快速調(diào)整和優(yōu)化

為滿足大劇院幕墻螺旋上升的復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)需求，項(xiàng)目中采用三維建模軟件Rhinoceros中的Grasshopper插件對(duì)整個(gè)外立面幕墻的形態(tài)邏輯進(jìn)行參數(shù)化建模，在實(shí)現(xiàn)了基本幾何元素的模型表達(dá)之外，主要針對(duì)曲線的布置走向，切分方式和主要控制線進(jìn)行了一體化的邏輯定義，從而實(shí)現(xiàn)了利用控制參數(shù)對(duì)于整體形態(tài)的定義和快速調(diào)整，便于后續(xù)BIM模型的調(diào)整與協(xié)同（圖2）。

圖2 青島萬(wàn)達(dá)東方影都大劇院建筑的曲面形態(tài)BIM模型（左）和參數(shù)化邏輯（右）

與此同時(shí)，兩建筑的外立面設(shè)計(jì)均使用Grasshopper定義了相關(guān)的四邊形幕墻板材的生成算法，利用參數(shù)化建模方式實(shí)現(xiàn)了后期模型快速調(diào)整和平板化優(yōu)化的高效反饋。例如在大劇院建筑的深化設(shè)計(jì)時(shí)為平衡成本，其幕墻外覆板材從最初的全雙曲面鋁板優(yōu)化成50%單曲板+50%平板，出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)問(wèn)題后又經(jīng)協(xié)商改為三角平板（圖3），此過(guò)程可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，相較于傳統(tǒng)的手工圖紙修改，一方面完成了大量復(fù)雜曲面造型的算法實(shí)現(xiàn)；另一方面又大大提升了方案調(diào)整效率。又如在幕墻玻璃的深化設(shè)計(jì)過(guò)程中，為解決最初方案的支點(diǎn)排列不規(guī)則問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員通過(guò)調(diào)整Grasshopper程序重新定義玻璃爪件支點(diǎn)的排列規(guī)則，進(jìn)而一次性生成全部支點(diǎn)模型，過(guò)程便捷高效。

圖3 青島萬(wàn)達(dá)東方影都大劇院建筑的幕墻板材優(yōu)化（左）和三角化修改（右）

在秀場(chǎng)建筑的外立面設(shè)計(jì)中，由于整體形態(tài)在初始設(shè)計(jì)中被定義為曲率處處不同的負(fù)高斯曲率雙曲面，也給后續(xù)加工帶來(lái)了巨大的難度，同時(shí)造成幕墻加工成本極高的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和形態(tài)需求定義的基本設(shè)計(jì)原則，通過(guò)Grasshopper輔助的設(shè)計(jì)邏輯建立，幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程將傳統(tǒng)的通過(guò)正交UV方向定義的基本曲面形態(tài)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了面向建造的正向設(shè)計(jì)優(yōu)化。在曲面建立的過(guò)程中，首先對(duì)于原曲面的UV網(wǎng)格進(jìn)行點(diǎn)云化處理（圖4a），設(shè)計(jì)端通過(guò)角度控制定義新的基準(zhǔn)曲線（圖4b），根據(jù)“z”字形的主要控制邊線確定外掛板材的主要控制點(diǎn)ABC（圖4c）。通過(guò)三點(diǎn)平面的構(gòu)建，將此平面與通過(guò)擬新建點(diǎn)的豎向分隔面和水平分隔面相交，形成新的點(diǎn)D并通過(guò)四點(diǎn)確定平面的基本形態(tài)。通過(guò)相應(yīng)的衍生方法，在算法控制下即形成了整體平板化構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)（圖4d）。在整體過(guò)程中，兩建筑的整體幕墻結(jié)構(gòu)、構(gòu)造連接、關(guān)鍵構(gòu)件的形態(tài)控制和優(yōu)化全部通過(guò)同一軟件，利用了同樣的邏輯算法定義完成（圖5），一方面優(yōu)化的主體結(jié)構(gòu)與幕墻之間的連接構(gòu)造清晰易讀，使后續(xù)施工得到了基本的保障，同時(shí)優(yōu)化后的面板拼縫嚴(yán)密，不存在翹曲，也優(yōu)化了整體項(xiàng)目的工程及加工預(yù)算。類似BIM正向模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)也使整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、施工等全流程的實(shí)現(xiàn)可以得到順利有效的推進(jìn)。

圖4 秀場(chǎng)建筑的外立面玻璃幕墻的平板化生成邏輯構(gòu)建與形態(tài)生成

圖5 大劇院建筑的幕墻整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的參數(shù)化定義及封樣模型實(shí)現(xiàn)

（2）指導(dǎo)幕墻施工

BIM模型在指導(dǎo)幕墻施工過(guò)程中也發(fā)揮了特有的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的幕墻施工安裝過(guò)程，節(jié)省安裝時(shí)間和成本。一方面，通過(guò)BIM可以精確算出曲面板材的弧長(zhǎng)、邊長(zhǎng)等尺寸，板材尺寸通過(guò)GH進(jìn)行提取后，可直接導(dǎo)入下游軟件生成CAD加工圖紙，并可批量生成，實(shí)現(xiàn)快速精確出圖，精確控制板材加工（圖6）。另一方面，通過(guò)GH插件，工程人員可精確計(jì)算出板塊的定位坐標(biāo)及相應(yīng)板材的面積、個(gè)數(shù)等數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)全站儀定位，指導(dǎo)板材、龍骨和面板的安裝（圖7）。

圖6 數(shù)字模型和算法控制的精確板材構(gòu)造控制、快速出圖和加工輔助

圖7 Grasshopper實(shí)現(xiàn)的板材快速統(tǒng)計(jì)和板件坐標(biāo)信息

3.2 幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用

（1）一體化模型構(gòu)建

大劇院和秀場(chǎng)建筑的幕墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量超過(guò)3000t，主要分布于兩建筑的臺(tái)塔、觀眾廳和前廳中。在項(xiàng)目策劃階段，設(shè)計(jì)師就建立了利用多軟件、一體化和數(shù)字化的模型設(shè)計(jì)流程，其中融合了Rhinoceros、Catia、Tekla、Revit等行業(yè)常用軟件，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的一體化協(xié)同工作方法和基于各種現(xiàn)場(chǎng)管理移動(dòng)終端的配套軟件功能。在團(tuán)隊(duì)組織中，以項(xiàng)目部門組織的BIM總監(jiān)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)，并由總包BIM協(xié)調(diào)管理，通過(guò)模型交流反饋的機(jī)制實(shí)現(xiàn)一體化模型的構(gòu)建。

以大劇院的幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程為例，在建筑師和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的共同參與下，項(xiàng)目前期采用Rhinoceros和Grasshopper為平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)單元?jiǎng)澐帧⒅鹘Y(jié)構(gòu)梁構(gòu)件尺寸及形式、次級(jí)構(gòu)件及構(gòu)造體系等進(jìn)行了完整定義，并建立了深入詳細(xì)的結(jié)構(gòu)整體模型，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算以及構(gòu)造深化加工使用（圖8）。該階段的鋼結(jié)構(gòu)模型為整個(gè)項(xiàng)目的重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建造的參考模型，服務(wù)于后續(xù)的結(jié)構(gòu)深化交底、結(jié)構(gòu)與設(shè)備碰撞檢測(cè)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件下料生產(chǎn)和最終的施工安裝之中，為整個(gè)項(xiàng)目的調(diào)整交流提供了必要條件。

圖8 大劇院幕墻鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的BIM模型參數(shù)化構(gòu)建

（2）工程量分析和構(gòu)件精確分布算量

除一體化模型等應(yīng)用之外，項(xiàng)目在進(jìn)行幕墻鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)時(shí)，利用BIM模型精確分析鋼結(jié)構(gòu)工程量（幕墻、特設(shè)、埋件等），在此基礎(chǔ)上檢查碰撞后生成結(jié)構(gòu)加工圖。大劇院和秀場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所需基本的結(jié)構(gòu)構(gòu)件相對(duì)較多，其中臺(tái)塔埋件包含特設(shè)埋件、馬道埋件、柵頂層埋件、臺(tái)塔屋頂鋼梁埋件；觀眾廳埋件包含屋頂桁架埋件、屋頂次梁埋件；前廳埋件則包含柱底錨栓、屋頂梁埋件?；贐IM模型的構(gòu)件信息也使大量的結(jié)構(gòu)埋件在建造過(guò)程中的必要點(diǎn)位、安裝次序以及基本構(gòu)件尺寸的整理統(tǒng)計(jì)成為可能，并更有效地為整個(gè)施工準(zhǔn)備過(guò)程提供更為高效的統(tǒng)籌手段。

4 施工過(guò)程中的BIM管控

4.1 幕墻鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的BIM應(yīng)用

（1）鋼結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程模擬

由于整體鋼結(jié)構(gòu)采用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為預(yù)制裝配化構(gòu)件，其組件的安裝方式也是在工廠中進(jìn)行局部拼裝，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體吊裝。因此，結(jié)構(gòu)施工中BIM的主要應(yīng)用在于對(duì)吊裝和安裝過(guò)程的精細(xì)化分析和現(xiàn)場(chǎng)管理。通過(guò)BIM模型結(jié)合有限元及結(jié)構(gòu)軟件的綜合應(yīng)用，在設(shè)計(jì)過(guò)程中即實(shí)現(xiàn)了整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中觀眾廳、前廳等空間多榀桁架和梁架系統(tǒng)的分步施工過(guò)程模擬和分析（圖9）。通過(guò)吊裝過(guò)程的工況分析和模擬，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程中不同階段的內(nèi)力和位移響應(yīng)，決定整體結(jié)構(gòu)的具體分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以及多組構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安裝方案。從而更好地對(duì)結(jié)構(gòu)施工的安全性和穩(wěn)定性做出預(yù)測(cè)，以及在具體的施工過(guò)程中指導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定位和連接次序。

圖9 大劇院建筑觀眾廳和前廳鋼結(jié)構(gòu)的安裝步驟模擬分析

（2）鋼結(jié)構(gòu)安裝全過(guò)程的BIM掃描

復(fù)雜異形幕墻鋼結(jié)構(gòu)體系對(duì)于幾何形狀的要求較高，而在大劇院鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中，大量預(yù)制構(gòu)件的施工安裝誤差積累以及結(jié)構(gòu)卸載后由于沉降和變形引起的幾何形變，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身的承載力以及后續(xù)幕墻板材的安裝帶來(lái)很大問(wèn)題。因此，在施工過(guò)程中，工程人員不斷對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行三維掃描，同時(shí)根據(jù)BIM模型在現(xiàn)場(chǎng)利用移動(dòng)終端軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)點(diǎn)位誤差對(duì)照分析（圖10）。在本項(xiàng)目中，三維掃描工作中布站掃描共計(jì)65站，累計(jì)掃描15天，累計(jì)作業(yè)人數(shù)45人，搜集整理點(diǎn)云過(guò)程數(shù)據(jù)文件共40G，產(chǎn)生實(shí)體掃描模型2個(gè)，過(guò)程報(bào)告1份。

圖10 基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程三維掃描和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量取

根據(jù)結(jié)構(gòu)掃描生成的實(shí)體模型保留了工程實(shí)體施工階段的全部物理信息數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)化、提取、統(tǒng)計(jì)并作為各項(xiàng)模型處理分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（圖11）。與設(shè)計(jì)模型對(duì)比分析后，得出相應(yīng)報(bào)告：點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差在-30mm～0范圍內(nèi)的比例約為42.4%，0～30mm范圍內(nèi)的比例約為55%，合計(jì)偏差±30mm范圍內(nèi)的比例約為97.4%。

圖11 鋼結(jié)構(gòu)掃描點(diǎn)云處理以及和BIM模型的誤差比較分析

利用BIM相關(guān)模型數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目也實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁(yè)版的結(jié)構(gòu)掃描誤差協(xié)同指揮系統(tǒng)。網(wǎng)頁(yè)版結(jié)構(gòu)整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)可在文件內(nèi)任意測(cè)量所有數(shù)據(jù)、添加注釋等，為幕墻裝修等后續(xù)施工提供真實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為大劇院鋼結(jié)構(gòu)與外立面的工序移交提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)保留施工過(guò)程中的施工數(shù)據(jù)，同時(shí)為后期鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的保養(yǎng)維護(hù)提供更為直觀有效的參考。

（3）管線施工過(guò)程中的BIM應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)施工后的管線施工往往是BIM模型對(duì)于碰撞檢測(cè)等功能的重要應(yīng)用方向。本項(xiàng)目中也大量應(yīng)用了相關(guān)技術(shù)，從施工過(guò)程深化設(shè)計(jì)中的綜合排布，到模型審核技術(shù)交底，再到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)量復(fù)核中都完整地參考了一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中的管線排布模型。

通過(guò)施工BIM模型與設(shè)計(jì)模型、工程安裝的對(duì)比，可以有效地對(duì)管線施工的具體調(diào)整策略進(jìn)行優(yōu)化。例如經(jīng)過(guò)對(duì)比工程人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型未充分考慮施工及檢修空間，因此在施工模型中為后期管線安裝及檢修流出了300～200mm的檢修空間（圖12）；以及因未充分考慮通道風(fēng)盤的安裝及風(fēng)口的空間位置引起的管線碰撞，可以通過(guò)對(duì)于模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析有效調(diào)整風(fēng)管的具體形態(tài)和安裝策略。

圖12 優(yōu)化管道檢修空間過(guò)程前后的BIM模型對(duì)比

4.2 幕墻施工過(guò)程中的BIM應(yīng)用

（1）利用BIM模型復(fù)測(cè)主體幕墻鋼結(jié)構(gòu)

幕墻施工的尺寸數(shù)據(jù)與主題結(jié)構(gòu)的施工誤差分析密切相關(guān)，因此，在結(jié)構(gòu)施工掃描的實(shí)測(cè)模型與BIM模型之上，幕墻施工前再次組織了實(shí)際工況的結(jié)構(gòu)復(fù)測(cè)，并將復(fù)測(cè)模型與兩個(gè)BIM模型進(jìn)行對(duì)比，再將超出幕墻容差范圍的部位進(jìn)行細(xì)化調(diào)整（圖13）。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和Grasshopper中的預(yù)設(shè)參數(shù)邏輯，可以快速生成最終安裝構(gòu)件的基本幾何信息，結(jié)合Catia模型，便可實(shí)現(xiàn)快速的板件數(shù)據(jù)提取、深化和圖紙導(dǎo)出的功能。此外，項(xiàng)目中還通過(guò)BIM模型提取放線的點(diǎn)坐標(biāo)，便于施工定位、復(fù)核。例如在主體幕墻結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，工程人員通過(guò)BIM模型在建筑物周圍引測(cè)50個(gè)坐標(biāo)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放線。通過(guò)這些控制點(diǎn)將外立面劃分為50個(gè)單元，在單元內(nèi)消化安裝誤差，進(jìn)而保證了最終的整體施工精度。

圖13 復(fù)測(cè)模型和理想模型的數(shù)據(jù)對(duì)比

（2）深化加工圖

與幕墻結(jié)構(gòu)安裝相似，幕墻構(gòu)件的加工質(zhì)量也直接決定了安裝后的實(shí)際效果。在本項(xiàng)目建造過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通過(guò)CATIA軟件，精準(zhǔn)提取板件、構(gòu)件的加工數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了精確詳圖的自動(dòng)化和一鍵化導(dǎo)出。例如由表皮模型對(duì)龍骨進(jìn)行參數(shù)化建模，并根據(jù)BIM模型導(dǎo)出閃電型鋼龍骨的二維加工圖，以及根據(jù)表皮模型深化鋁板加工參數(shù)，生成精確的鋁板加工圖（圖14）。根據(jù)相關(guān)圖紙，BIM模型可以實(shí)現(xiàn)輕松的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，使加工單位可以快速準(zhǔn)確地對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的預(yù)制幕墻構(gòu)件進(jìn)行加工。

圖14 由復(fù)測(cè)后BIM模型導(dǎo)出的二維鋁板加工圖

（3）指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工

在本項(xiàng)目的安裝施工過(guò)程中，工程人員利用BIM模型提取空間坐標(biāo)點(diǎn)位作為施工依據(jù)，特別是對(duì)于非模塊化構(gòu)件、異形構(gòu)件等安裝難度較大的部分，BIM模型的模擬性有助于提升工作效率。例如在幕墻龍骨安裝時(shí)預(yù)先對(duì)異形板塊BIM模型進(jìn)行分析，對(duì)碰撞的地方盡心匯總后提前確定處理方案（圖15）；對(duì)部分三角鋁板進(jìn)行BIM模型剖切分析，顯示三角鋁板擬合曲面所呈現(xiàn)的不同效果，進(jìn)而指導(dǎo)安裝方式。此外工程人員還按照引測(cè)控制點(diǎn)與各單元龍骨之間的空間位置關(guān)系指導(dǎo)測(cè)量放線，通過(guò)三維轉(zhuǎn)二維的測(cè)量放線手段降低測(cè)量放線的技術(shù)難度、提高功效。

圖15 在BIM模型中分析異形構(gòu)件碰撞處

5 應(yīng)用成果

5.1 BIM應(yīng)用的創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目在立足項(xiàng)目全生命周期實(shí)現(xiàn)BIM一體化應(yīng)用的基本目標(biāo)外，主要強(qiáng)調(diào)了參數(shù)化輔助的正向BIM設(shè)計(jì)方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)幕墻設(shè)計(jì)施工中的重要作用，提出了以設(shè)計(jì)邏輯構(gòu)建的設(shè)計(jì)方法，并因此實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的快速生成、修改和反饋機(jī)制。以設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的新型BIM應(yīng)用方法，一方面改變了傳統(tǒng)BIM實(shí)踐浮于設(shè)計(jì)翻模、誤差碰撞檢測(cè)等只存在于施工后期的應(yīng)用局限；另一方面也為拓展BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)、設(shè)計(jì)方法提供了啟發(fā)性的實(shí)踐案例。

5.2 BIM應(yīng)用的效果

BIM技術(shù)在青島萬(wàn)達(dá)東方影都大劇院及秀場(chǎng)的應(yīng)用，體現(xiàn)了BIM技術(shù)在提升方案優(yōu)化效率、增加施工精度、增強(qiáng)多工種協(xié)同性及實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目成本風(fēng)險(xiǎn)的有效管控方面的作用。在兩座主要建筑的外立面平板優(yōu)化一個(gè)專項(xiàng)的BIM應(yīng)用上，其實(shí)現(xiàn)的具體經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)6000萬(wàn)人民幣，并大大加快了整個(gè)設(shè)計(jì)-反饋的工作流程。在整個(gè)項(xiàng)目上，大量BIM平臺(tái)研發(fā)和施工應(yīng)用也為后續(xù)類似工程建設(shè)提供了重要參考。

結(jié)語(yǔ)

青島萬(wàn)達(dá)東方影都大劇院及秀場(chǎng)工程為我國(guó)重要的大型復(fù)雜異形公共建筑的代表，其在幾何形態(tài)和施工過(guò)程的復(fù)雜度也使其成為了我國(guó)類似大型公共建筑和工業(yè)建筑的重要參考。本研究從多個(gè)角度介紹了一種正向BIM設(shè)計(jì)手段在此類建筑設(shè)計(jì)施工一體化流程中的應(yīng)用案例，提供了一種基于模型的、利用現(xiàn)代參數(shù)化設(shè)計(jì)手段的復(fù)雜建筑設(shè)計(jì)施工的重要方法。隨著B(niǎo)IM技術(shù)在我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)中慢慢成為重要的發(fā)展目標(biāo)和方向，本研究中結(jié)合前沿技術(shù)和實(shí)際工程的具體落地應(yīng)用，也將為我國(guó)類似工程項(xiàng)目的發(fā)展提供重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以形成BIM在設(shè)計(jì)一體化流程中全面應(yīng)用的良性循環(huán)。

資料來(lái)源：

文中圖片均為作者自繪。