BIM在雄安商服中心幕墻工程中的設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用

邱繼衠 楊 英

(中建深圳裝飾有限公司，深圳 518035)

引言

住建部等九部門日前聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》)，提出以新型建筑工業(yè)化帶動(dòng)建筑業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)。其中，裝配式建筑被頻繁提及[1]。

裝配式建筑是我國(guó)建筑業(yè)推進(jìn)建筑工業(yè)化進(jìn)程的一個(gè)很明確的方向，它的特點(diǎn)是建筑材料更多地采用工廠加工拼裝成型的建筑單元模塊，在施工中以建筑單元的形式進(jìn)行規(guī)模化的安裝，省卻了繁雜的現(xiàn)場(chǎng)工序開(kāi)展環(huán)節(jié)，對(duì)施工工作面的需求也較常規(guī)方式更低，是一種行之有效的提升施工效率的手段。

1 BIM技術(shù)與裝配式技術(shù)在幕墻工程領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

在裝配式建筑的施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)能夠很好地將施工全過(guò)程模擬出來(lái)，逐一演示施工中可能出現(xiàn)的各類問(wèn)題，提前制定好解決這些問(wèn)題的有效對(duì)策，及時(shí)地改進(jìn)并完善現(xiàn)有的施工方案，最大限度地降低施工中出現(xiàn)事故的概率，同時(shí)也很好地控制了資源的消耗情況[2]。

對(duì)于幕墻工程而言，其裝配式施工的實(shí)施往往采用幕墻面板和幕墻龍骨提前組裝的形式形成單元板塊。目前單元式玻璃幕墻的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，多見(jiàn)于各大超高層玻璃幕墻寫(xiě)字樓的工程。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展和工程經(jīng)驗(yàn)的反復(fù)積累，目前的裝配式技術(shù)已經(jīng)能在更廣泛的場(chǎng)景下發(fā)揮作用。

在當(dāng)前的幕墻工程領(lǐng)域中，BIM應(yīng)用有兩個(gè)主流平臺(tái)——Revit和Rhino。二者各有特色，Revit的特點(diǎn)在于全專業(yè)的管理和整合，Rhino的特點(diǎn)在于分析、表現(xiàn)、參數(shù)化能力強(qiáng)大，自由度高。

目前國(guó)內(nèi)的異形幕墻工程對(duì)Rhino的使用日益廣泛，其強(qiáng)大的功能適合于幕墻的精準(zhǔn)建模，用以為建筑的加工和施工環(huán)節(jié)提供充分可靠的數(shù)據(jù)參數(shù)，經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐，這種BIM應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。

對(duì)于本項(xiàng)目雄安商服中心項(xiàng)目會(huì)展樓幕墻工程，幕墻施工的重難點(diǎn)是檐口雙曲面格柵造型鋁板的裝配式施工實(shí)現(xiàn)，在此過(guò)程中BIM技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，為設(shè)計(jì)和施工的推進(jìn)起到了關(guān)鍵的助力作用。

相比一些發(fā)達(dá)國(guó)家，例如法國(guó)、德國(guó)、日本等，我國(guó)在研究裝配式方面還處于起步階段，技術(shù)體系有待完善并且應(yīng)用范圍也不夠廣泛[3]。 國(guó)內(nèi)對(duì)于雙曲面檐口的設(shè)計(jì)施工較多采用框架式做法，采取裝配式施工的工程實(shí)踐在近幾年中逐漸增多，對(duì)于裝配式施工在實(shí)際工程中的占比也有提高的趨勢(shì)。筆者曾服務(wù)的襄陽(yáng)東站項(xiàng)目，檐口東西面采用框架式施工，南北面采用裝配式施工。而本文的雄安商務(wù)服務(wù)中心項(xiàng)目則采用全檐口的裝配式設(shè)計(jì)與施工。

武漢東西湖體育中心項(xiàng)目中對(duì)檐口也有單元式施工的實(shí)踐，其實(shí)施思路為：為保證工期節(jié)點(diǎn)，將三維建模應(yīng)用至地面單元體拼裝，先在檐口模型中將檐口每榀龍骨的進(jìn)出尺寸、相對(duì)標(biāo)高高差及軸線點(diǎn)位尺寸放出，然后根據(jù)數(shù)據(jù)在地面進(jìn)行組裝，最后以單元式龍骨整體吊裝的施工工藝進(jìn)行施工，保證地面焊接龍骨與鋼結(jié)構(gòu)完美對(duì)接，且地面焊接、整體吊裝的方式安全可靠，同時(shí)費(fèi)用降低、雨季適用，節(jié)省了大量工期[4]。

2 雄安商服中心的項(xiàng)目概況

雄安商務(wù)服務(wù)中心項(xiàng)目(會(huì)展中心樓)位于河北省保定市容城縣。該工程建筑基底面積8 962.43m2，總建筑面積89 842.69m2。建筑層數(shù)(地下/地上)：2/3層(局部有夾層)。幕墻形式包括：鋁型材框架系統(tǒng)、單元幕墻系統(tǒng)、主入口大雨棚系統(tǒng)、鋁板造型系統(tǒng)、屋頂采光頂、屋頂格柵、屋頂陶瓦、防火幕墻、石材幕墻、觀光電梯等。整體效果如圖1所示。

圖1 雄安商務(wù)服務(wù)中心項(xiàng)目整體效果圖

3 裝配式施工的應(yīng)用背景

本項(xiàng)目是雄安新區(qū)成立以來(lái)建立的第一個(gè)會(huì)展項(xiàng)目，工期要求緊，工程量大，檐口設(shè)計(jì)難度高。管理團(tuán)隊(duì)與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了周密的考慮，最終決定采用對(duì)整個(gè)檐口進(jìn)行裝配式吊裝的方式來(lái)施工，來(lái)保證國(guó)家新區(qū)建筑新成員盡早亮相。相比于傳統(tǒng)建筑方式，裝配式建筑在建設(shè)前期所需成本相對(duì)較高，建設(shè)相關(guān)工作量較大[5]。

作者在BIM服務(wù)于大型場(chǎng)站項(xiàng)目的檐口設(shè)計(jì)已有經(jīng)驗(yàn)，曾在襄陽(yáng)東站幕墻工程中進(jìn)行過(guò)工程實(shí)踐，技術(shù)儲(chǔ)備已經(jīng)充足，完成此BIM應(yīng)用的關(guān)鍵就是對(duì)檐口區(qū)域的整體設(shè)計(jì)下單任務(wù)提供效率和精確性的支撐。

檐口整體造型效果如圖2，檐口采用鋁版折彎成格柵造型的方式，檐口板跨越三個(gè)大折面，三個(gè)折面在走勢(shì)上均為雙曲面。在北凹槽區(qū)位與立面存在大量異形收口。出于工期和設(shè)計(jì)難度方面的雙重考慮，本項(xiàng)目檐口部分宜采用BIM建模+參數(shù)化下單的方式完成。

圖2 檐口造型效果

4 BIM結(jié)合裝配式的具體應(yīng)用

由于檐口全區(qū)均采用裝配式施工做法，不留收邊收口，施工過(guò)程需要一次成活。這使得在實(shí)際施工之前，就應(yīng)對(duì)整個(gè)檐口范圍進(jìn)行考慮，解決轉(zhuǎn)角部位的裝配實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)分格模數(shù)應(yīng)用于各區(qū)域后是否能夠良好銜接，轉(zhuǎn)角與標(biāo)準(zhǔn)單元、標(biāo)準(zhǔn)與凹槽單元、凹槽單元內(nèi)部等各個(gè)裝配之間實(shí)現(xiàn)嚴(yán)絲合縫、互不干涉的準(zhǔn)確鄰接關(guān)系，格柵造型的流暢性等問(wèn)題均需要在BIM運(yùn)用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。

4.1 全區(qū)域裝配式單元的BIM實(shí)施

經(jīng)過(guò)BIM放樣，最終施工的單元裝配分區(qū)如圖3，實(shí)現(xiàn)了檐口全部板塊均采用裝配式整體吊裝的形式施工，一次成活。

圖3 檐口裝配式單元分布

優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)角裝配單元的實(shí)現(xiàn)，之后以標(biāo)準(zhǔn)裝配的方式沿著轉(zhuǎn)角單元向中部進(jìn)行排布，在南北面因?yàn)榘疾墼煨偷拇嬖冢罁?jù)實(shí)際設(shè)計(jì)規(guī)格增減單元的模數(shù)，并盡量避免異形單元，同時(shí)盡量避免出現(xiàn)過(guò)大的單元，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的單元向設(shè)計(jì)方進(jìn)行二次提資，經(jīng)反饋后采用定制化的結(jié)構(gòu)布置方式。

4.2 各裝配的單元化

標(biāo)準(zhǔn)化裝配式單元，在檐口的轉(zhuǎn)角、凹槽之外的大面區(qū)域采用，這也是BIM設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。如圖4所示，一個(gè)含百葉的鋁板裝配單元及其龍骨布置方式。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)裝配單元的構(gòu)成

這里利用了點(diǎn)集流的方式，點(diǎn)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(diǎn)集的路徑篩選，直接改變受影響的下料板塊。由于拓?fù)潢P(guān)系得以保持，下料模型、圖紙、數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了按修改同步更新，極大提升了下料效率[6]。

將40個(gè)點(diǎn)視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裝配單元的約束點(diǎn)集，如圖5。

圖5 40個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的裝配單元

圖6 含百葉裝配單元的設(shè)計(jì)范圍

設(shè)計(jì)算法可以求解出面板的邊線位置進(jìn)而生成面板模型，以及內(nèi)部的幕墻龍骨。這個(gè)算法同時(shí)運(yùn)用于42個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裝配單元，只需生成42×40個(gè)點(diǎn)集即可。

這樣做的最大優(yōu)點(diǎn)是將幕墻位置數(shù)據(jù)和幕墻組裝邏輯分開(kāi)存儲(chǔ)，將二者連結(jié)為一個(gè)可以實(shí)時(shí)變化的生成系統(tǒng)，便于過(guò)程版的調(diào)試和最終版的快速生成、也便于后期加工信息輸出。

算法邏輯的逆推理的過(guò)程如下：

1)求出百葉的四個(gè)約束頂點(diǎn)，如圖7；

圖7 百葉生成的約束頂點(diǎn)

2)實(shí)現(xiàn)從四點(diǎn)生成百葉模型的單元算法，如圖8；

圖8 四點(diǎn)百葉單元算法

3)以立面圖中的控制位置、四點(diǎn)成矩形關(guān)系，鋁板寬度模數(shù)，百葉高度約束等信息，編制程序求解精確的四個(gè)控制點(diǎn)，如圖9。

圖9 求解四點(diǎn)的約束關(guān)系

轉(zhuǎn)角單元的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，圖10-11分別為其外側(cè)和內(nèi)側(cè)的構(gòu)造設(shè)計(jì)情況。

圖10 外完成面鋁板設(shè)計(jì)

圖11 內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

對(duì)于此類特殊區(qū)域建模，以邊發(fā)現(xiàn)問(wèn)題邊解決問(wèn)題的方式完成正向設(shè)計(jì)。

需要考慮的重難點(diǎn)如下：

1)以結(jié)構(gòu)計(jì)算通過(guò)的龍骨理論布置方法，套用于此部位，迭代至可行；

2)豎向龍骨在大曲率位置的定位，如何滿足施工便利性；

3)兩個(gè)立面龍骨與斜向格柵龍骨的連接方式；

4)鋁板在靠近斜向格柵端部的避縫問(wèn)題。

凹槽區(qū)域的單元設(shè)計(jì)范圍，如圖12所示位于南北兩側(cè)，凹槽單元的拼接關(guān)系如圖12色塊顯示。

圖12 凹槽區(qū)域的分布位置

銜接關(guān)系是此類多收口區(qū)域裝配式做法的關(guān)鍵，確保相鄰單元的收邊龍骨互不干涉，又充分滿足后續(xù)收邊板的安裝需求，是此過(guò)程的重點(diǎn)，最終的布置如圖13，此種單元分區(qū)方式充分利用了標(biāo)準(zhǔn)單元的9分格做法，在特殊轉(zhuǎn)角處特殊處理，最大限度地利用了標(biāo)準(zhǔn)裝配方案。

圖13 北凹槽局部裝配關(guān)系

4.3 數(shù)字化鋁板下單

檐口鋁板中，采用裝配式吊裝的鋁板有4 326塊，與頂部屋面收口的2 924塊，與三層立面幕墻收口的593塊，共計(jì)7 043塊，所有鋁板均為帶有多個(gè)折面的異形板，涉及加工的邊長(zhǎng)、角度參數(shù)非常多，大量涉及加工的數(shù)據(jù)量，使得下料難度高。以如圖14所示的典型鋁板為例，單塊鋁板的造型折面有8個(gè)，同時(shí)擁有大量特殊角度，最終實(shí)際鋁板的加工參數(shù)有23個(gè)邊長(zhǎng)和12個(gè)角度之多。

圖14 典型鋁板的造型示意

解決辦法是定制一張具有編號(hào)、加工圖號(hào)、35個(gè)加工參數(shù)的加工信息表，如圖15所示，邊長(zhǎng)控制板塊大小，二面角控制格柵朝向，平面角控制各面銜接妥當(dāng)，充足的參數(shù)保證了板塊尺寸的精準(zhǔn)定制。

圖15 典型鋁板的加工信息表

4.4 可視化校核鋁板尺寸、查找物料

為了便于設(shè)計(jì)對(duì)加工參數(shù)正確性的檢驗(yàn)，在三維模型上使用空間標(biāo)注的形式對(duì)數(shù)據(jù)和編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行可視化顯示，可以讓檢查校核工作也更加直觀，如圖16所示，邊長(zhǎng)、二面角、平面角的參數(shù)編號(hào)與數(shù)值均直觀展示在三維模型上，設(shè)計(jì)校對(duì)只需將Exel數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)板塊信息在模型對(duì)應(yīng)位置查看即可，無(wú)需二次手動(dòng)量取數(shù)據(jù)，尤其是二面角的數(shù)據(jù)不易量取，此種方法節(jié)省了很多校對(duì)時(shí)間。

圖16 尺寸參數(shù)的編號(hào)和數(shù)值直接展示的可視化分析

鋁板下單的重點(diǎn)是加工圖號(hào)對(duì)應(yīng)了不同的角碼布置方式，鋁板編號(hào)對(duì)應(yīng)了裝配式定位的組裝依據(jù)。同樣使用Rhino的dottext對(duì)象來(lái)進(jìn)行可視化的編排，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)檢查工作和項(xiàng)目組裝裝配單元時(shí)的重要依據(jù)，如圖17所示每個(gè)板塊所用的加工圖類型和編號(hào)高亮顯示之后，可以輕易看出每種板塊所用加工圖角碼連接方式是否正確。

圖17 加工圖與編號(hào)對(duì)照可視化分析

4.5 裝配式龍骨的提料、裁切與定位

建好的裝配式模型中，要輸出工程組裝需要的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行龍骨組裝，以剖面圖來(lái)對(duì)龍骨的尺寸和定位關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的表達(dá)，總計(jì)640個(gè)剖面圖全部藉由參數(shù)化程序?qū)崿F(xiàn)生成，如圖18。以所有龍骨所在的工作平面，定位圖元到平面上一字排開(kāi)的方式，出圖效率遠(yuǎn)高于手動(dòng)從模型上量取繪制。

圖18 批量生成的裝配龍骨剖面圖集

在此基礎(chǔ)上，為了符合現(xiàn)場(chǎng)組裝單元的便捷性，將單元按照大斜面為基底進(jìn)行放置，以此輸出CAD圖紙，如圖19。這種更符合現(xiàn)場(chǎng)操作直覺(jué)的方式對(duì)于施工的效率帶來(lái)了很大的便利性，這還便于對(duì)場(chǎng)地的利用，直接在三層吊裝檐口下方進(jìn)行組裝，減少運(yùn)輸距離，即裝即吊，工作面得到有效利用，如圖20為現(xiàn)場(chǎng)組裝與吊裝的作業(yè)情況。

圖19 將單元板塊躺平放置出圖，便于現(xiàn)場(chǎng)量取

圖20 現(xiàn)場(chǎng)組裝與吊裝的作業(yè)情況

4.6 預(yù)焊龍骨的BIM設(shè)計(jì)

當(dāng)需要控制整體輪廓時(shí)，若施工人員沒(méi)有做好屋面施工與鋼結(jié)構(gòu)的協(xié)作工作，則無(wú)法保證鋼結(jié)構(gòu)模型、屋面構(gòu)造模型以及概念模型的有效結(jié)合[7]。非裝配式的主龍骨也采用BIM預(yù)演。將鋼結(jié)構(gòu)的施工模型載入Rhino后獲得其網(wǎng)格模型。為了便于現(xiàn)場(chǎng)的施工，將“H”形狀的龍骨焊接定位，與鋼結(jié)構(gòu)工字鋼進(jìn)行頂?shù)讓?duì)齊的模擬，找到最合理的布置方式，既能滿足頂面水溝的布置空間，又不與鋁板下傾完成面發(fā)生干涉。通過(guò)對(duì)Mesh與Plane的多重運(yùn)算，求解出最便于現(xiàn)場(chǎng)施工的H型主龍骨吊裝位置，并與裝配式的鋁板及龍骨進(jìn)行干涉檢查調(diào)優(yōu)，最終因地制宜地定出焊接位置，如圖21。

圖21 預(yù)焊龍骨的BIM定位模型

同樣以導(dǎo)出剖面圖的方式提供H型主龍骨的加工尺寸信息，并在平面內(nèi)表達(dá)出排布位置，如圖22。

圖22 導(dǎo)出預(yù)焊龍骨的平面定位圖

4.7 掛接點(diǎn)的定位指導(dǎo)

在三維模型中直接根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，對(duì)裝配式龍骨的掛接點(diǎn)進(jìn)行圖示，輸出為平面圖紙，便于現(xiàn)場(chǎng)施工安裝時(shí)查閱，如圖23。解決了雙曲屋面測(cè)量定位體系復(fù)雜、屋面各點(diǎn)標(biāo)高難以控制及各類材料用量計(jì)算難度大精度低等施工技術(shù)難點(diǎn)，使整個(gè)建造過(guò)程更加高效精準(zhǔn)[8]。

圖23 導(dǎo)出掛接點(diǎn)定位圖

4.8 BIM應(yīng)用于裝配式施工的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

本項(xiàng)目的BIM應(yīng)用，對(duì)于整個(gè)檐口區(qū)域的所有鋁板和龍骨施工都進(jìn)行了有效指導(dǎo)，鋁板面材面積達(dá)到了10 000m2以上，是一次大規(guī)模的異形曲面鋁板幕墻的裝配式施工實(shí)踐，對(duì)全局的應(yīng)用都發(fā)揮了重要作用，為裝配式建筑精益建造取得實(shí)效提供了有力的信息保障[9]。 圖24為實(shí)際施工質(zhì)量控制的照片。

圖24 吊裝單元的工程質(zhì)量控制

BIM技術(shù)在本項(xiàng)目的實(shí)踐，證明了BIM的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力在裝配式施工中的發(fā)力點(diǎn)：

(1)精確性。借助完成的BIM模型可以對(duì)項(xiàng)目的重點(diǎn)或難點(diǎn)部分進(jìn)行可建性模擬[10]。在建構(gòu)邏輯上相似，空間幾何上差異化的幕墻裝配單元，無(wú)論其面材造型形式有多復(fù)雜，無(wú)論其龍骨組織形式如何多樣，都可以從理論上找到一種基于關(guān)鍵點(diǎn)約束的生成邏輯，算法從過(guò)程上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)參數(shù)從成果上輸出差異化與定制化，借助點(diǎn)圖元的幾何特性實(shí)現(xiàn)幕墻產(chǎn)品細(xì)節(jié)的精確性，創(chuàng)造高質(zhì)量幕墻施工的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

(2)高效性。裝配式設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，需要裝配單元的各種類型加工材料提前在工廠加工完畢，并同時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行最終組裝，這樣提升了施工效率，減少了施工措施成本。但同時(shí)也將大量設(shè)計(jì)工作前置，尤其是裝配單元內(nèi)部的大量加工件的精細(xì)化加工數(shù)據(jù)必須在很短的時(shí)間內(nèi)完成出具，這對(duì)于效率有非常高的需求，參數(shù)化的能力為批量生成提供了技術(shù)支撐，把盡可能多的工作交給計(jì)算機(jī)完成，來(lái)為設(shè)計(jì)進(jìn)度保駕護(hù)航。

(3)延展性。本項(xiàng)目的BIM實(shí)施過(guò)程，是轉(zhuǎn)角→標(biāo)準(zhǔn)→凹槽→下收口→上收口的順序來(lái)進(jìn)行的，非標(biāo)準(zhǔn)單元與標(biāo)準(zhǔn)單元穿插進(jìn)行，對(duì)與參數(shù)化的程序管理帶來(lái)一定難度。但先難后易的做法，也有利于摸清邏輯，為標(biāo)準(zhǔn)化單元算法從邏輯上有個(gè)預(yù)演，也是為一種不錯(cuò)的工作流程。BIM作為新興技術(shù)，其能力還并未完全發(fā)揮出來(lái)，只有BIM技術(shù)在裝配式工程中能有更廣泛的應(yīng)用，項(xiàng)目施工人員能對(duì)BIM有更多的了解，更有助于施工與BIM技術(shù)的同步提升，發(fā)掘更多管理中可優(yōu)化的點(diǎn)，讓裝配式施工技術(shù)少走彎路，朝著工業(yè)化、智能定制化的方向不斷發(fā)展。