BIM技術(shù)在河南省科技館新館建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用

李海祥 王燦燦 劉 倩 張經(jīng)緯 張書斌

(中建深圳裝飾有限公司，深圳 518000)

引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，BIM技術(shù)在建筑上的應(yīng)用愈加廣泛，設(shè)計(jì)方式也逐漸形成從傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)到三維設(shè)計(jì)的革命性轉(zhuǎn)變。BIM技術(shù)以可視化[1]、批量化等優(yōu)點(diǎn)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，在異形建筑上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為提高河南省科技館新館建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率，保證現(xiàn)場(chǎng)施工安裝定位的準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證工程實(shí)施進(jìn)度，本工程采用Rhino(犀牛)平臺(tái)和其Grasshopper參數(shù)化插件，參與到建筑整體效果表現(xiàn)、幕墻設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)深化、參數(shù)程序自動(dòng)下料、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工等各個(gè)階段，為本項(xiàng)目以及后續(xù)異形場(chǎng)館類項(xiàng)目均提供了有力的技術(shù)支持。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

河南省科技館新館(如圖1所示)建設(shè)項(xiàng)目坐落于鄭州市鄭東新區(qū)白沙園區(qū)象湖湖畔(金水大道以北，錦繡路以東，象湖以西)規(guī)劃用地面積134.4畝，建設(shè)用地面積81.68畝。本項(xiàng)目建筑高度43.0m，地下1層，地上4層(不包括北側(cè)夾層，包括后共計(jì)8層)，規(guī)劃用地面積為89 620.94m2，建設(shè)用地面積54 447.73m2。秉承“具備國(guó)際視野，彰顯中國(guó)氣質(zhì)，富有河南特色，符合大眾審美”的建設(shè)理念，以“國(guó)際一流、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先”為建館目標(biāo)，堅(jiān)持“適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀”的建筑方針，著力打造立足河南、服務(wù)中原、輻射全國(guó)的特大型、智能化、智慧型科技館，使其成為中部地區(qū)重要的科學(xué)傳播中心，提升公眾科學(xué)素質(zhì)的科普教育基地，激發(fā)青少年科學(xué)興趣的創(chuàng)新實(shí)踐基地，促進(jìn)創(chuàng)新型河南建設(shè)的科技交流基地，打造成為河南省會(huì)鄭州的新地標(biāo)和科技文化休閑的5A級(jí)旅游景區(qū)。

圖1 河南省科技館新館效果圖

1.2 幕墻系統(tǒng)概況

本項(xiàng)目主要分為內(nèi)外兩側(cè)，內(nèi)層主要采用三明治保溫一體板和玻璃兩套幕墻系統(tǒng)，外層則為不規(guī)則漸變角度可調(diào)陽(yáng)極氧化鋁板系統(tǒng)。內(nèi)層玻璃系統(tǒng)位置對(duì)應(yīng)外層翻轉(zhuǎn)板角度呈漸變10°～90°，內(nèi)層三明治板位置對(duì)應(yīng)外層翻轉(zhuǎn)板固定角度為10°;內(nèi)外兩套系統(tǒng)既相互獨(dú)立，又完整一體(如圖2～3所示)。

圖2 河南省科技館外層翻轉(zhuǎn)板劃分

圖3 河南省科技館外層翻轉(zhuǎn)板模型效果

根據(jù)內(nèi)外層構(gòu)造可以大致分為：

1)漸變位置

漸變角度翻轉(zhuǎn)板位置由內(nèi)而外分別為基層骨框架—內(nèi)層防水層—外層翻轉(zhuǎn)板撐桿—外層翻轉(zhuǎn)板(如圖4所示)；

圖4 漸變位置系統(tǒng)劃分

2)固定位置

固定角度翻轉(zhuǎn)板位置由內(nèi)而外分別為基層龍骨框架—內(nèi)層防水層—外層翻轉(zhuǎn)板撐桿—外層翻轉(zhuǎn)板(如圖5所示)。

圖5 漸變位置系統(tǒng)劃分

2 項(xiàng)目重難點(diǎn)分析

參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中主要分析項(xiàng)目重難點(diǎn)，解決各項(xiàng)問(wèn)題：

(1)整個(gè)項(xiàng)目有4萬(wàn)余塊翻轉(zhuǎn)板，尺寸均不相同，這就需要在后期下料階段對(duì)翻轉(zhuǎn)板塊進(jìn)行參數(shù)化批量建模和數(shù)據(jù)提??；

(2)眼睛位置漸變角度17 000余塊翻轉(zhuǎn)板的原始翻轉(zhuǎn)角度為10°～90°離散型翻轉(zhuǎn)，即有無(wú)數(shù)種角度，會(huì)造成連接件調(diào)節(jié)無(wú)法保證整體效果，對(duì)此情況，通過(guò)參數(shù)化BIM技術(shù)，規(guī)整翻轉(zhuǎn)板翻轉(zhuǎn)角度為10°～90°共計(jì)9種整十角度(如圖6～7所示)；

圖6 翻轉(zhuǎn)板角度優(yōu)化前

圖7 翻轉(zhuǎn)板角度優(yōu)化后

(3)上下檐口位置翻轉(zhuǎn)板為保證整體外觀效果，需保證立面與屋面板圓滑過(guò)渡，而內(nèi)部基層鋼龍骨為平折角過(guò)渡，針對(duì)這一情況，需建立LOD400[2]深度撐桿模型，并提供準(zhǔn)確定位點(diǎn)與加工數(shù)據(jù)(如圖8所示);

圖8 撐桿線模及實(shí)體模型

(4)由于建筑師對(duì)外觀效果要求極高，外層翻轉(zhuǎn)板厚度需做到輕盈靈動(dòng)，從原始厚重感逐步深化至最終效果(如圖9所示)；

圖9 翻轉(zhuǎn)板龍骨優(yōu)化過(guò)程

(5)翻轉(zhuǎn)板支撐桿爪臂，既要實(shí)現(xiàn)10°～90°角度可調(diào)，還需保證效果圓滑，以符合項(xiàng)目整體的外觀效果(如圖10所示)；

圖10 翻轉(zhuǎn)板爪臂優(yōu)化過(guò)程

(6)圭表塔為整體扭曲上升造型，觀光層位置為雕刻穿孔造型，其他位置為整體穿孔造型。通過(guò)參數(shù)化BIM技術(shù)，生成漸變效果穿孔(如圖11～12所示)。

圖11 圭表塔底部穿孔造型

圖12 圭表塔整體穿孔造型

3 BIM應(yīng)用目標(biāo)

(1)效果把控

運(yùn)用BIM可視化技術(shù)，設(shè)計(jì)階段通過(guò)效果圖表現(xiàn)的形式呈現(xiàn)出項(xiàng)目最終效果；在深化階段，通過(guò)方案模擬實(shí)時(shí)調(diào)整模型，把控項(xiàng)目的整體效果不變，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案與項(xiàng)目效果同時(shí)推進(jìn)。

(2)深化設(shè)計(jì)

配合深化設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從方案設(shè)計(jì)階段的可行性分析、各系統(tǒng)施工方案模擬等方面入手，優(yōu)化細(xì)部節(jié)點(diǎn)，推進(jìn)方案進(jìn)行。

(3)碰撞檢測(cè)

集合各專業(yè)施工模型和幕墻各系統(tǒng)構(gòu)件，進(jìn)行碰撞檢測(cè)和干涉檢查，排除幕墻各系統(tǒng)構(gòu)件之間碰撞以及不同專業(yè)設(shè)計(jì)方案可能出現(xiàn)的碰撞問(wèn)題。

(4)參數(shù)化下料

針對(duì)內(nèi)層玻璃及三明治板系統(tǒng)、中層翻轉(zhuǎn)板撐桿系統(tǒng)、外層翻轉(zhuǎn)板系統(tǒng)以及圭表塔龍骨和穿孔板等系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)化BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)下料過(guò)程的參數(shù)化、批量化。

(5)指導(dǎo)施工

建立LOD400深度模型，支撐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工安裝定位所需數(shù)據(jù)，并且通過(guò)施工模擬仿真動(dòng)畫，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，運(yùn)用BIM技術(shù)完成三端塔位置裝配式安裝方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配式安裝作業(yè)。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用

BIM技術(shù)貫穿于項(xiàng)目施工的全生命周期[3]，實(shí)施思路簡(jiǎn)化為：項(xiàng)目前期充分與建筑師、顧問(wèn)、總包各方溝通，確定項(xiàng)目整體和細(xì)部效果，明確后續(xù)BIM工作實(shí)施思路，并且確定各部分材料和設(shè)計(jì)方案推進(jìn)工作； 中期階段通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案大樣節(jié)點(diǎn)的建模模擬，推進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，通過(guò)參數(shù)化程序分析、優(yōu)化各系統(tǒng)后續(xù)實(shí)施主要構(gòu)件； 后期下料階段通過(guò)參數(shù)化程序建立項(xiàng)目各系統(tǒng)參數(shù)化信息模型，提供各材料參數(shù)化及圖紙，指導(dǎo)完成設(shè)計(jì)下料工作。同時(shí),通過(guò)參數(shù)化信息模型提供現(xiàn)場(chǎng)施工所需各項(xiàng)數(shù)據(jù)，完成現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)指導(dǎo)(如圖13所示)。

圖13 BIM實(shí)施流程

(1)建立各部分基層龍骨模型，根據(jù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案完成現(xiàn)場(chǎng)裝配式施工組裝方案模型和相應(yīng)點(diǎn)位點(diǎn)數(shù)據(jù)工作(如圖14所示)；

(2)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總包鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)偏差過(guò)大的問(wèn)題，項(xiàng)目采用三維掃描儀[4]配合全站儀返尺得到總包鋼構(gòu)實(shí)際點(diǎn)云模型，運(yùn)用Rhino+Grasshopper參數(shù)化程序擬合重建得到鋼龍骨模型，確保整體效果前提下重建內(nèi)外層表皮(如圖15所示)；

圖15 返尺重建主體鋼構(gòu)

(3)運(yùn)用BIM參數(shù)化程序，對(duì)內(nèi)層玻璃表皮系統(tǒng)進(jìn)行重建(如圖16所示)及下料數(shù)據(jù)提取工作，以保證實(shí)際下料的玻璃構(gòu)件與龍骨關(guān)系復(fù)合設(shè)計(jì)方案，從而保證項(xiàng)目可順利實(shí)施，并且在最大限度上節(jié)省設(shè)計(jì)下料時(shí)間。后續(xù)再根據(jù)擬合重建模型，同樣運(yùn)用參數(shù)化程序批量提取玻璃下料尺寸及定位數(shù)據(jù)(如圖17所示)；

圖16 GH程序擬合重建內(nèi)層玻璃

圖17 參數(shù)化提取加工數(shù)據(jù)及玻璃加工圖

(4)內(nèi)層三明治板位置，根據(jù)三明治板自身只能做平板且必須是矩形的特殊屬性，通過(guò)參數(shù)化程序，在內(nèi)層扭曲面上最大程度劃分三明治板板塊(如圖18所示)，并且精準(zhǔn)定位外層翻轉(zhuǎn)板撐桿在三明治板上的孔位，得到最精確的下料及安裝定位模型(如圖19所示)；

圖18 三明治板劃分

圖19 三明治板編號(hào)及撐桿開孔定位

(5)由于項(xiàng)目整體為異形造型的特性，翻轉(zhuǎn)板撐桿加工上存在切角，定位上為三維空間定位，這就無(wú)法使用傳統(tǒng)定位圖紙進(jìn)行施工，針對(duì)這一問(wèn)題運(yùn)用BIM技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)位置采用參數(shù)化線模模型提供撐桿加工和定位數(shù)據(jù)，在檐口等角度變化較大位置采用參數(shù)化實(shí)體模型進(jìn)行加工數(shù)據(jù)和實(shí)際施工模擬工作(如圖20所示)；

(6)由于本工程整體造型為異形扭曲曲面，40 000余塊外層翻轉(zhuǎn)板尺寸各不相同，漸變角度和固定角度翻轉(zhuǎn)板方案差異很大，再加上內(nèi)部龍骨組框需配合每個(gè)翻轉(zhuǎn)板進(jìn)行組裝，項(xiàng)目采用參數(shù)化圖紙和模型，對(duì)40 000余塊各不相同的翻轉(zhuǎn)板進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)提取工作，并且通過(guò)三維模型形式導(dǎo)出現(xiàn)場(chǎng)編號(hào)模型，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人安裝工作(如圖21～22所示)；

圖22 翻轉(zhuǎn)板參數(shù)化體圖紙

(7)中庭位置采光穹頂為扭曲曲面形狀，雨水匯集及排水方向難以確定，后期可能出現(xiàn)積水漏水隱患，運(yùn)用BIM參數(shù)化插件，對(duì)屋面采光穹頂位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)雨水模擬分析，得出雨水流向及雨水匯集點(diǎn)，排除積水漏水隱患(如圖23所示)；

圖23 動(dòng)態(tài)雨水分析

(8)圭表塔所有鋼龍骨全站儀返尺，輸入BIM軟件擬合圭表塔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)模型，對(duì)比理論鋼結(jié)構(gòu)，進(jìn)行核對(duì)擬合調(diào)整(如圖24所示)，再通過(guò)參數(shù)化BIM軟件Rhino+Grasshopper進(jìn)行參數(shù)批量化的轉(zhuǎn)接件、龍骨、表皮等建模、下料、定位工作(如圖25～26所示)；

圖24 圭表塔龍骨及表皮建模

圖25 圭表塔數(shù)據(jù)提取及編號(hào)生成

圖26 圭表塔數(shù)據(jù)提取及編號(hào)生成

(9)在項(xiàng)目的各系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中，由于龍骨差異較大、撐桿類型復(fù)雜繁多、翻轉(zhuǎn)板形狀各異等各種因素，這使得項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程更加艱難，為了提高BIM工作效率，針對(duì)BIM實(shí)施過(guò)程中遇到的難題，進(jìn)行了對(duì)Rhino及Grasshopper插件的C#和Python二次開發(fā)工作，對(duì)難以處理的各個(gè)位置運(yùn)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言自動(dòng)處理，極大地提高了BIM工作效率(如圖27所示)。

圖27 C#插件二次開發(fā)代碼及應(yīng)用

5 結(jié)語(yǔ)

河南省科技館新館工程，從前期設(shè)計(jì)階段到項(xiàng)目落地實(shí)施均應(yīng)用到了BIM參數(shù)化技術(shù)[5]，實(shí)現(xiàn)了異形場(chǎng)館類項(xiàng)目的數(shù)字化設(shè)計(jì)和參數(shù)化下料的應(yīng)用目標(biāo)，進(jìn)一步完善了BIM標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)； 在BIM方案設(shè)計(jì)、曲面優(yōu)化、參數(shù)化程序開發(fā)、龍骨整體吊裝、BIM指導(dǎo)安裝定位、參數(shù)化BIM的應(yīng)用方面極大地推動(dòng)了本項(xiàng)目的順利履約[6]。這也是我司繼重慶來(lái)福士、西安游泳館、中建科技館、鳳凰山體育中心等重大項(xiàng)目后的又一典型空間異形幕墻項(xiàng)目，該項(xiàng)目的落實(shí)又進(jìn)一步積累了在幕墻設(shè)計(jì)施工和BIM標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為推動(dòng)幕墻行業(yè)BIM水平的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。