BIM技術在復雜異形超高層幕墻項目中的應用
——以武漢長江航運中心為例

應俊

（湖北高藝裝飾工程有限公司，武漢 430000）

1 項目概況及難點

1.1 項目概況

武漢長江航運中心項目位于武漢市江漢區(qū)民生路與沿江大道交匯處，毗鄰繁華的漢口商圈江漢路。其中超高層塔樓共66層，總高度335.85 m，結構高度為301.1 m，地上建筑面積173 699.37 m2。建筑整體造型新穎，樓層平面為四角倒角的正方形截面，倒角部分自下而上逐漸加大，最后在東南、西北兩方向上收出一個曲面坡屋頂，整體效果氣勢磅礴（見圖1）。

圖1 武漢長江航運中心效果圖及BIM模型圖

1.2 項目難點

本項目總體建筑高度高，幕墻體量大，塔樓部分幕墻面積約70 000 m2，其中立面區(qū)域整體為單元式玻璃幕墻，頂部曲面斜坡為構件式玻璃幕墻。由于每個樓層平面倒角處輪廓均不同，所以立面倒角造型處單元板塊每塊均不一樣，設計、加工難度巨大。塔冠的曲面斜坡屋頂，造型復雜，且與立面單元式幕墻相交接，精度要求極高。以傳統(tǒng)二維手段難以精準高效完成設計工作，BIM技術的引入，成功使項目化繁為簡，實施效率得到極大提升。

2 BIM技術的應用

2.1 表皮模型的構建

通過建筑施工圖建立項目表皮模型是幕墻BIM技術實施的基礎。依據(jù)建筑施工圖中提供的建筑造型相關信息，使用三維建模軟件完成建筑表皮的復建?？梢栽诮＿^程中發(fā)現(xiàn)圖紙存在的問題，并及時進行梳理糾正。

表皮模型也是后期幕墻深化的基礎，基于已經(jīng)完成的表皮，可以進行碰撞分析、優(yōu)化分析及構造分析等針對本項目的幕墻方案基礎研究，通過直觀的數(shù)據(jù)，反映幕墻方案的可行性以及可優(yōu)化方向，使方案修改做到有的放矢。從頂端把控整體設計流程，極大地提升了設計效率。

2.2 碰撞檢測

碰撞檢測在幕墻項目中具有極其重要的作用，通過建模模擬幕墻表皮與結構、幕墻自身系統(tǒng)交接處的理論空間狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)空間中存在干涉的位置，并進行相應修改，避免后期施工過程中才暴露問題，影響現(xiàn)場施工進度，造成物料和人力的浪費。

對于本項目，立面倒角及塔冠處為曲面造型，主體結構均是異形結構，通過已經(jīng)構建完成的項目表皮模型明確主體結構的控制面，與建筑結構模型合模，發(fā)現(xiàn)在塔冠異形鋼結構處存在多處結構穿出結構控制面的問題。經(jīng)與設計院溝通，逐一完成碰撞的消除，為項目后期的順利推進奠定了基礎。

2.3 自動出圖系統(tǒng)的應用

塔樓立面為單元式玻璃幕墻系統(tǒng)，倒角部位每個幕墻板塊形狀都不一樣，且與大面相交處有轉角板塊，此處的單元板塊設計極為復雜，每個板塊都需要一套單獨的加工圖和組件圖，工作量巨大。

基于BIM建?？蓞?shù)化的優(yōu)勢，在此處運用自研參數(shù)化自動出圖系統(tǒng)，通過Rhino+grasshopper平臺，完成此處非標準單元板塊的建模，并直接從模型中導出每個主要構件的加工圖。此項技術的運用，極大地提升了該復雜部位的設計效率，節(jié)省了人力，保證了出圖的精確度。

2.4 單元板塊自動編號系統(tǒng)與二維碼識別的結合

本項目由于體量巨大，倒角區(qū)域板塊每塊不一樣，所以邏輯清晰的編號系統(tǒng)將有利于材料從加工到組裝，再到現(xiàn)場安裝各個環(huán)節(jié)的物料管控。采用參數(shù)化的編號自動生成技術可以使編號靈活地與目標構件相對應，適應性強，且對應關系準確，避免了人為編號時可能出現(xiàn)的錯漏。

為了方便現(xiàn)場板塊的信息識別，基于參數(shù)化自動編號系統(tǒng)與二維碼批量生成系統(tǒng)的聯(lián)動，將單元板塊的批次、編號、面積、樓層、位置等信息直接導入二維碼中，將二維碼張貼于板塊側邊，便于板塊在堆疊狀態(tài)下，現(xiàn)場施工人員能對板塊信息進行快速查詢。

2.5 塔冠曲面的優(yōu)化

塔冠部位是整體建筑造型的亮點，從立面的倒角逐漸向上收出一個曲面坡屋面。以曲面UV坐標系來分析曲面，展開水平方向為U方向，類似于平面坐標系中的X軸方向；與U垂直的方向為V方向，可以類比平面坐標系的Y軸方向。屋面曲面在沿U方向上曲率為0，在沿V方向上存在曲率且曲率大小不斷變化，不具有固定半徑，曲面整體為可展開的復雜單曲面。為方便幕墻的實施，降低總體曲面成本，需要對曲面進行優(yōu)化，按照曲面曲率的分析結果，結合曲面橫向分格的情況，將曲面分為3個區(qū)域(見圖2)，上、下區(qū)域曲面變化較大，宜重新優(yōu)化為單一半徑的標準單曲區(qū)域，中間區(qū)域由于單位長度上曲率半徑變化相對較小，所以將該區(qū)域的板塊按分格排布優(yōu)化為平面板塊，以折線拼接模擬出曲面造型。此優(yōu)化方案在完美復現(xiàn)建筑師構思效果的同時更加貼合幕墻的深化需求，使該部位曲面幕墻綜合難度大大降低，也使造價更加合理。

圖2 優(yōu)化分區(qū)示意

2.6 塔冠型材的優(yōu)化

本項目塔冠部位型材狀態(tài)復雜，原始豎向分格線為雙向彎弧的空間曲線，在曲面彎弧方向上，分格線順著曲面造型彎曲，在逐漸由窄變寬斜坡展開面上，分格線彎曲發(fā)散。水平方向分格線為直線。對幕墻施工而言，此時豎向分格線的雙向彎曲狀態(tài)會使玻璃加工裁片時出現(xiàn)大量弧邊，大批豎龍骨加工都需要進行雙向彎扭，加工難度極高。

經(jīng)過分析，每個標準分格內(nèi)，豎向分格線在展開面上因為發(fā)散而形成的弧度相對較小，除了曲面與立面相接邊界位置的豎向分格線外，非邊界區(qū)域的豎向分格線消除該方向上的弧度對整體效果無影響。因此，結合曲面的優(yōu)化結果，消除展開面方向弧度后，平面區(qū)域豎向分格線變?yōu)橹本€，標準單曲面區(qū)域的豎向分格線為單向彎弧曲線。但由于單曲面區(qū)域豎向分格線不是沿著垂直于單曲面母線方向排布，而是與柱面母線存在一個夾角，所以此時的單向彎弧曲線不具有固定的彎弧半徑，同一曲線每個位置的半徑不一樣。而且由于同標高區(qū)間內(nèi)每根分格線與基礎柱面母線的夾角均不一樣，就導致即使將變半徑曲線全部擬合成單一半徑圓弧，每根豎向分格線的長度和彎弧半徑依舊不同。這種情況將會給幕墻施工時物料管控和材料提取帶來極大不便，特別是此處位于超高層頂部，高空施工作業(yè)風險大。為了降低現(xiàn)場施工人員的操作難度，此處運用grasshopper的參數(shù)化手段，對豎向龍骨進行進一步的優(yōu)化，充分運用龍骨拱高允差，將2 000余根豎向龍骨優(yōu)化為平面彎弧的單曲龍骨且半徑種類僅為5種。對于邊界位置因造型需要而無法優(yōu)化的少量雙向彎弧龍骨，則提供加工模型，由專門廠家根據(jù)模型進行加工。

此處BIM技術的運用在充分考慮施工難度的情況下，將異形復雜型材的加工變得簡單可行。

2.7 結構的復核與空間定位數(shù)據(jù)支持

塔樓主體立面部位為單元式幕墻系統(tǒng)，高度高，造型復雜，角部區(qū)域為每塊不一樣的異形板塊，且單元式幕墻板塊在車間加工，現(xiàn)場安裝方式為上下、左右插接，對安裝精度的要求極高，基本沒有很大的靈活調(diào)整空間，所以對主體結構邊梁的精度也有較高要求。為保證單元幕墻定位安裝準確，需要制訂專屬的結構校核方案。

本項目單元式幕墻采取結構粗校核與精確糾偏結合的漸進式放線定位模式。首先，從三維模型中剖出埋件定位圖紙，定位圖紙以軸網(wǎng)為參照，在圖中標記每個幕墻預埋件的位置，現(xiàn)場施工人員根據(jù)軸網(wǎng)關系對幕墻預埋件進行平面放線，確定預埋件的位置。此項工序在完成預埋件埋設的同時，也起到對結構邊梁粗校核的作用。如結構邊梁存在較大的偏差，可以進行及時修正補救。預埋件埋設完成后，便可以進行幕墻板塊的安裝定位預放線。基于模型中提取的每一個幕墻板塊定位點的空間坐標，施工人員通過全站儀精準地找到對應位置并做上固定標記，此步驟將是后期單元板塊安裝的參考基準，只要吊裝時板塊上的特征點與預置的固定標記相重合，則可以判斷單元幕墻已經(jīng)精準安裝。以預埋件的埋設放線取代專門的結構偏差測量來校核結構主體的完成度，減少了重復勞動，提升了整體施工的效率。

塔冠曲面斜坡采用構件式幕墻系統(tǒng)，通常構件式幕墻系統(tǒng)會具更大的靈活性，對結構誤差的調(diào)節(jié)余量較單元式幕墻系統(tǒng)會有優(yōu)勢，但由于曲面斜坡屋面下方的主體結構為異形鋼結構，通常施工誤差會大于一般形式主體結構，所以為保證幕墻系統(tǒng)間過渡交接平滑，需要預先對結構進行復測以確定構件式幕墻轉接系統(tǒng)的調(diào)節(jié)幅度，以適應結構偏差。本項目最復雜部位的結構復測，采取了對結構交點空間坐標信息復核的方式。使用全站儀，準確地測量出鋼結構交點位置的空間坐標，并與模型中對應位置的空間坐標進行比對，計算出其偏差距離。通過理論與實際數(shù)據(jù)的對比，有針對性地推進轉接方案調(diào)整與優(yōu)化，加強了幕墻系統(tǒng)對于異形結構的適應性。

3 結語

近年來，BIM技術在幕墻領域中有著越來越重要的地位。由于幕墻項目難度的不斷提高，使得傳統(tǒng)設計施工手段越來越難以應對，BIM技術以其強大的空間分析能力，參數(shù)化的模型快速構建能力和針對性的需求數(shù)據(jù)置入與提取能力契合了現(xiàn)今高難度項目的設計、施工需求；在幕墻項目整體設計方案的宏觀制定、數(shù)據(jù)分析支持、加工下料、物料管控及現(xiàn)場放線定位等幕墻設計、施工全流程中都起著非常重要的引導作用。類似于武漢長江航運中心這類具有大量非標準板塊的超高層異形項目，BIM技術的運用可以顯著提升項目的設計效率，優(yōu)化項目的設計方案，節(jié)省成本造價，輔助項目管理，保證項目總體工期。