BIM在成都東部新區(qū)規(guī)劃展示中心幕墻工程中的應(yīng)用

陸林楓 孫志剛

(中建深圳裝飾有限公司，深圳 518035)

引言

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指一種將全部設(shè)計(jì)要素作為某個(gè)函數(shù)的變量，通過設(shè)計(jì)函數(shù)或者算法將相關(guān)變量關(guān)聯(lián)起來，通過輸入?yún)?shù)便可自動(dòng)生成模型的設(shè)計(jì)方法[1]。在信息化發(fā)展的大背景下，非線性建筑設(shè)計(jì)正由過去的邊緣狀態(tài)逐漸走上主流的設(shè)計(jì)舞臺[2]。在各大項(xiàng)目逐漸趨于曲面漸變和自由機(jī)理造型的今天，參數(shù)化設(shè)計(jì)已是一個(gè)不能避開的設(shè)計(jì)手段。本文通過采用Rhino及其參數(shù)化設(shè)計(jì)插件Grasshopper，并輔以相關(guān)的二次開發(fā)工具，對異型建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、下料、施工等方面的應(yīng)用實(shí)施進(jìn)行深入介紹。相對于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)建模，基于Grasshopper的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：可編譯性、可視性、可擴(kuò)展性[3]。希望以此拋磚引玉，能夠?yàn)閺V大幕墻BIM設(shè)計(jì)師在異型曲面項(xiàng)目中提供經(jīng)驗(yàn)，并能帶來實(shí)質(zhì)效率提升。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

成都東部新區(qū)規(guī)劃展示中心幕墻工程位于四川省成都市空港新城絳溪南片區(qū)，機(jī)場南線北側(cè)，總建筑面積為1.62萬m2，幕墻面積約2萬m2。本工程的設(shè)計(jì)理念來源于成都的市花——芙蓉花，結(jié)合中國古老元素，通過建筑體現(xiàn)綻放于成都東部新區(qū)。建筑底部設(shè)計(jì)為矩形底座，上面承托5個(gè)結(jié)合新發(fā)展理念建造的“花瓣”小展廳(創(chuàng)新新城展廳、協(xié)調(diào)新城展廳、綠色新城展廳、開放新城展廳、共享新城展廳)，項(xiàng)目頂部方案設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目頂部方案設(shè)計(jì)圖

1.2 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

與規(guī)則型體設(shè)計(jì)不同的是，復(fù)雜型體設(shè)計(jì)會出現(xiàn)許多無法用以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)直接套用的軸線、網(wǎng)格系統(tǒng)[4]。本項(xiàng)目主要有如下幾處特點(diǎn)和難點(diǎn)：

(1)造型復(fù)雜系統(tǒng)繁多

幕墻系統(tǒng)主要分為以下多種類型：花瓣造型位置采用了雙曲幻彩蜂窩鋁板的雙層幕墻系統(tǒng)和外傾雙曲玻璃幕墻系統(tǒng)； 幻彩蜂窩鋁板幕墻護(hù)欄系統(tǒng)； 穿孔鋁板幕墻系統(tǒng)； 直面吊掛全玻璃幕墻系統(tǒng)； 直面T型鋼玻璃幕墻系統(tǒng)。整體造型無明顯規(guī)律，系統(tǒng)交接面異常繁多，不僅方案設(shè)計(jì)困難，而且全雙曲材料的加工和安裝也同樣具有挑戰(zhàn)性。由于異形曲面結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的三維關(guān)系，建模時(shí)容易出錯(cuò)[5]。

(2)深化下料周期短

項(xiàng)目工期緊張，對于深化下料的周期要求非常緊迫，故本項(xiàng)目采用深化設(shè)計(jì)與BIM模型同步開展。前期先進(jìn)行表皮梳理和板塊劃分，并制作主要構(gòu)件的初始模型，同時(shí)通過模型研究各個(gè)交接面的方案設(shè)計(jì)，并檢查幕墻構(gòu)件與結(jié)構(gòu)及其他構(gòu)件之間的干涉關(guān)系，及時(shí)變更圖紙方案。確認(rèn)無明顯問題后，通過原參數(shù)化程序圖逐步將模型細(xì)節(jié)升級達(dá)到最終下料的程度，并直接從模型中提取相關(guān)數(shù)據(jù)和圖表，大大縮短了設(shè)計(jì)下單的周期，為后續(xù)加工生產(chǎn)提供了更充裕的時(shí)間。

(3)施工難度較大

項(xiàng)目的花瓣造型為完全雙曲造型，且無明顯規(guī)律特征，因此對施工精度要求非常高。項(xiàng)目采用節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與BIM施工模擬相結(jié)合，所有桿件的定位數(shù)據(jù)完全由模型導(dǎo)出，以保證現(xiàn)場安裝與模型在可調(diào)節(jié)的誤差范圍內(nèi)。

2 BIM參數(shù)化實(shí)施過程

2.1 表皮優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是控制工程造價(jià)。在前期幕墻板塊劃分之前，先對建筑模型進(jìn)行曲率分析，以此來判斷曲面的質(zhì)量，從而分析出曲面是否滿足生產(chǎn)的最低要求[6]。

建筑形體表面是有若干張自由組合而成的連通曲面[7]，如圖2所示。采用曲面控制點(diǎn)柔化算法，對有明顯問題的曲面先進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，使其外觀平順、結(jié)構(gòu)線合理，如圖3～圖4所示，同時(shí)檢測表皮與結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系，以避免后續(xù)嚴(yán)重的碰撞干涉問題。

圖2 局部表皮曲率圖(優(yōu)化前)

圖3 局部表皮曲率圖(優(yōu)化后)

圖4 板塊分縫后效果圖

對于外傾的雙曲玻璃系統(tǒng)則采用單曲圓柱面擬合的方式，在誤差允許的范圍內(nèi)將其優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)周期和成本。同時(shí)將玻璃板優(yōu)化情況在模型中用顏色加以區(qū)分，以可視化的方式將優(yōu)化情況展示出來，方便設(shè)計(jì)和加工人員進(jìn)行直觀地檢查，如圖5～圖6所示。

圖6 玻璃曲面優(yōu)化程序圖

圖5 玻璃曲面優(yōu)化過程圖

板塊劃分后，便可以通過程序?qū)⑺忻姘逡来握归_，并排列生成加工圖以及尺寸標(biāo)注。此過程完全自動(dòng)化，當(dāng)方案修改后，只需局部進(jìn)行調(diào)整后，便可以重新生成新的加工圖數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 玻璃展開加工圖

2.2 桿件優(yōu)化

項(xiàng)目花瓣造型為自由雙曲面，因此不僅此位置所有面材均為雙曲面，其連接龍骨位置也全部為扭曲桿件。

第一步優(yōu)化：依據(jù)蜂窩鋁板的強(qiáng)度，將蜂窩鋁板四邊固定改為兩邊固定，如圖8 所示，同時(shí)將雙曲拉彎的矩管龍骨更改為圓管加抱箍組件，如圖9所示。由于圓管截面適合多重安裝角度，該方案將龍骨的加工和鋁板安裝難度大大降低。

圖8 優(yōu)化前蜂窩板節(jié)點(diǎn)方案

圖9 優(yōu)化后蜂窩板節(jié)點(diǎn)方案

第二步優(yōu)化：截面改為圓管后，其中心線依然為樣條曲線，并不適合加工，故使用圓弧逼近來代替曲線更為有利[8-9]， 如圖10所示。通過二次開發(fā)，創(chuàng)新地采用牛頓迭代法，給定初始條件(圓管最大長度5 500mm，拱高偏差10mm)，然后在計(jì)算機(jī)的計(jì)算下得出分段后的圓弧圓管模型，并通過模型提取相應(yīng)的加工長度和拉彎半徑，如圖11所示。

圖10 原始圓管中心線曲率分析

圖11 圓管中心線分段圓弧化后(不同顏色代表不同的圓管)

2.3 鋼架出圖

蜂窩板連接的橫向鋼圓管由鋼板支撐于縱向方通之上，但由于項(xiàng)目整體造型奇特且變化多樣，所以每一處剖面都不相同，導(dǎo)致縱向分格處的鋼架形態(tài)也各不相同，給BIM建模增加了難度，如圖12～圖14所示。在本項(xiàng)目BIM參數(shù)化實(shí)施過程中，先對每處剖面進(jìn)行分析，然后歸類劃分，將剖面樣式盡可能地減少，最終提高了參數(shù)化建模的優(yōu)勢。

圖12 幕墻分區(qū)及分格劃分依據(jù)

圖13 幕墻鋼龍骨完整模型

圖14 幕墻護(hù)欄鋼龍骨局部模型

模型建立的過程中，將鋼架工作平面參數(shù)存儲于對應(yīng)的鋼架模型中。當(dāng)參數(shù)化BIM模型建立完成后，針對程序生成的部分有問題的位置進(jìn)行手工修改調(diào)整以滿足施工要求，如圖15所示。最后按施工批次，依次對鋼架編號，并批量生成鋼架加工圖，如圖16所示。

圖15 鋼架局部展開圖

圖16 鋼架局部加工圖

2.4 現(xiàn)場安裝

在BIM的實(shí)施過程中，BIM模型對于現(xiàn)場安裝及協(xié)調(diào)是必不可少的一環(huán)，無論是構(gòu)件安裝還是返尺校核，都應(yīng)有BIM模型的參與。由于前期模型采用了參數(shù)化的方式，對構(gòu)件進(jìn)行了排序及編號，讓構(gòu)件順序清晰明了，方便現(xiàn)場工人查找。同時(shí)，對需要打點(diǎn)定位的構(gòu)件，使用模型快速提取關(guān)鍵點(diǎn)位，并對點(diǎn)位進(jìn)行子序列編號，如圖17所示。

圖17 型鋼控制點(diǎn)模型編號

3 BIM參數(shù)化應(yīng)用效果

與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比較，BIM正向設(shè)計(jì)的水平、質(zhì)量和效率均有提高，專業(yè)協(xié)作更加完善，內(nèi)容表達(dá)更加豐富，其優(yōu)勢公共建筑已有明顯體現(xiàn)[10]。

本工程基于Rhino軟件的模型，通過Grasshopper插件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化、調(diào)整，基本完美地復(fù)原了建筑裝飾效果，如圖18～圖19所示。

圖18 項(xiàng)目竣工模型渲染圖(二層)

4 結(jié)語

成都東部新區(qū)規(guī)劃展示中心幕墻項(xiàng)目具備較高的復(fù)雜性，包含了復(fù)雜幕墻、復(fù)雜空間、鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、混合結(jié)構(gòu)等各方面，使用了包括AutoCAD、Rhino、Grasshopper等多個(gè)軟件。項(xiàng)目注重把握生成思維、曲面設(shè)計(jì)、邏輯優(yōu)化、算法研究、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工程對接這六大環(huán)節(jié)[11]，確保了在各個(gè)設(shè)計(jì)階段良好的實(shí)用性，同時(shí)保持與各專業(yè)之間的緊密聯(lián)系及反饋機(jī)制。

本團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用BIM技術(shù)解決了該項(xiàng)目異形造型所帶來的各種困難，在保證工期的同時(shí)也保證了施工的精度和質(zhì)量，同時(shí)采用二次開發(fā)解決了設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中的難點(diǎn)問題，將參數(shù)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提升到一個(gè)新的高度。整個(gè)項(xiàng)目的BIM應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)主要可以歸納為以下五點(diǎn)：

(1)復(fù)雜的建筑形體、空間的精確定位與信息傳遞；

(2)雙層三維幕墻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析與成本控制；

(3)整體結(jié)構(gòu)體系的建立及一體化表皮設(shè)計(jì)；

(4)依托BIM模型進(jìn)行多專業(yè)的整合及驗(yàn)證工作；

(5)基于Rhino和Grasshopper平臺的二次開發(fā)工具。

BIM技術(shù)現(xiàn)已成為設(shè)計(jì)師們需要掌握的必備技能，希望本工程的BIM應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)ζ渌愋晚?xiàng)目提供啟發(fā)與借鑒。