BIM技術(shù)在異形幕墻中的應(yīng)用研究

任秔懌，肖宜盟，鄭文豫，丁 軻，邢利英，魯 菁

(1.南陽(yáng)師范學(xué)院,河南 南陽(yáng) 473061; 2.中國(guó)電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)公司,江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,建筑行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位進(jìn)一步穩(wěn)固,推動(dòng)了幕墻行業(yè)的發(fā)展。與此同時(shí),越來(lái)越多的異形曲面幕墻應(yīng)用于綜合體、大劇院等建筑物,其施工難度和管理難度較大,僅靠傳統(tǒng)的二維技術(shù)已經(jīng)無(wú)法保證項(xiàng)目的施工質(zhì)量及管理水平,因此需要依靠BIM技術(shù)解決上述問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)此做了研究。

王桂玲[1]認(rèn)為利用BIM技術(shù)可視化和模擬性的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),可以對(duì)施工難點(diǎn)進(jìn)行模擬并針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)做出調(diào)整,提升了施工的管理優(yōu)化水平,進(jìn)一步縮減工期,節(jié)約成本。陳亮等[2]將參數(shù)化BIM軟件RIHNO應(yīng)用于施工過(guò)程,解決了復(fù)雜環(huán)境下幕墻附著結(jié)構(gòu)表面精準(zhǔn)定位、幕墻-結(jié)構(gòu)合理性檢查優(yōu)化、幕墻構(gòu)件智能拆分等難題。張怡等[3]以國(guó)家速滑館項(xiàng)目為例,從深化設(shè)計(jì)階段、構(gòu)件加工階段、施工階段著手,基于掃描復(fù)測(cè)和BIM參數(shù)化設(shè)計(jì),使模型數(shù)據(jù)傳遞至加工生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)了幕墻精準(zhǔn)高效施工。駱曉輝等[4]針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目,將BIM技術(shù)應(yīng)用于鋼框架結(jié)構(gòu)體系的幕墻附屬結(jié)構(gòu),包括深化設(shè)計(jì)過(guò)程中相關(guān)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理及節(jié)點(diǎn)形式的選用。

在國(guó)內(nèi),BIM技術(shù)在異形建筑幕墻中的應(yīng)用尚未有具體的標(biāo)準(zhǔn)和成熟的體系參考,所以解決BIM技術(shù)在異形建筑幕墻的全生命周期中的合理高效應(yīng)用至關(guān)重要[5]。本文將以宜都市大劇院為例,分析該項(xiàng)目施工過(guò)程中的難點(diǎn),并對(duì)BIM技術(shù)在異形幕墻設(shè)計(jì)階段、施工階段及運(yùn)維階段的應(yīng)用進(jìn)行研究,以期為類似工程的研究提供思路與參考。

1 工程概況

宜都市大劇院作為市民綜合活動(dòng)中心(如圖1所示)是當(dāng)?shù)貙?duì)外進(jìn)行文化交流的重要載體,項(xiàng)目位于湖北省宜都市姚家店鎮(zhèn)劉家嘴村,總建筑面積約為10.82萬(wàn)m2,內(nèi)含會(huì)展中心和市民活動(dòng)中心兩個(gè)建筑工程項(xiàng)目,其建筑面積分別為33 730 m2和74 492 m2。

宜都市大劇院分為體育區(qū)和文化區(qū),其中體育區(qū)包含B1體育館和B2射擊館兩個(gè)建筑單體,建筑面積分別為20 172 m2和2 620 m2。文化區(qū)包含大劇院、圖書館、博物館、文化館和高配壓電室5個(gè)建筑單體,其建筑面積分別為18 066 m2,11 242 m2,7 632 m2,14 462 m2和258 m2,其中大劇院主體結(jié)構(gòu)分為上下兩部分,地上建筑面積約14 386 m2,地下建筑面積約3 680 m2。

2 項(xiàng)目難點(diǎn)

異形體幕墻空間的造型特殊性導(dǎo)致整個(gè)建筑幕墻工程的施工難度大幅度提升。本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),樁基選用預(yù)應(yīng)力管樁,其幕墻及外墻均為外部平滑的曲面,單元構(gòu)件較多且每個(gè)構(gòu)件的曲面曲率各不相同,其中曲面異形幕墻的節(jié)點(diǎn)處理尤為困難,在二維平面及三維空間上均存在一定程度的誤差。如果構(gòu)件安裝精度不高,將會(huì)導(dǎo)致建筑外部表面參差不齊。因此在該劇院施工階段,保證其造型美觀以及幕墻嵌板、外墻的自然對(duì)接等存在一定難度。

為解決上述問(wèn)題,保證該劇院項(xiàng)目的高質(zhì)量和美觀性,方便后續(xù)的運(yùn)營(yíng)維護(hù),需建立該劇院的BIM模型。本文利用Revit軟件,采用體量建模方式對(duì)湖北省綜合大劇院進(jìn)行建模研究。

3 BIM技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)階段

本項(xiàng)目的幕墻及外墻均為曲面,其曲線方程難以確定,因此建立曲面幕墻和外墻存在困難。利用Revit軟件中內(nèi)建體量的方式繪制出與圖紙同比例的曲線,在立面創(chuàng)建參照平面,并在該平面放置參照點(diǎn)以確定外部輪廓形狀,通過(guò)Revit自適應(yīng)幕墻網(wǎng)格建立幕墻族,如圖2所示。

將生成的實(shí)體形狀載入到項(xiàng)目中,選中創(chuàng)建完成的體量,載入幕墻嵌板并參數(shù)化修改網(wǎng)格的布局、間距、尺寸等類型屬性,所得的湖北省綜合大劇院幕墻系統(tǒng)和建筑表皮如圖3,圖4所示。利用BIM體量技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),能夠減少異形體建筑設(shè)計(jì)的時(shí)間成本,且能更直觀地處理內(nèi)部空間與外皮表面的關(guān)系。通過(guò)墻面的曲線設(shè)計(jì)來(lái)圍合出室內(nèi)空間的不同功能區(qū)域,更加巧妙的連接各個(gè)功能區(qū),將每一個(gè)空間充分利用起來(lái)。最終所得的湖北省綜合大劇院建筑模型如圖5所示。

在不影響建筑物日照間距的情況下,在劇院的頂部加一段玻璃斜窗(如圖6所示)。實(shí)現(xiàn)了建筑物面積最大化,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)日照模擬分析發(fā)現(xiàn)(如圖7所示),增加斜窗后綜合大劇院的采光充足,改善了隔熱保溫的問(wèn)題,同時(shí)使屋頂具有良好的防水效果。

在幕墻的施工與裝飾裝修階段,常常發(fā)生幕墻與其他建筑構(gòu)件之間發(fā)生碰撞的問(wèn)題。在本工程的深化設(shè)計(jì)階段,利用BIM技術(shù),在Navisworks軟件中進(jìn)行碰撞檢查、凈高分析等,根據(jù)得出的碰撞報(bào)告,在施工前及時(shí)協(xié)調(diào)各專業(yè)部門修改解決碰撞問(wèn)題,避免返工、延誤工期、增加成本等問(wèn)題,保證幕墻施工的完整性[6]。

3.2 施工階段

在本項(xiàng)目施工前期,將BIM模型以及三維場(chǎng)地布置模型結(jié)合。根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境情況,在綜合大劇院的三維BIM模型中預(yù)先建立施工場(chǎng)地模型,直觀展示和驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)布置,輔助進(jìn)行尺寸量取、行車空間模擬、場(chǎng)地合理性驗(yàn)證等工作,確定異形體建筑各專業(yè)的空間位置關(guān)系。本項(xiàng)目的三維場(chǎng)地布置模型如圖8所示。

對(duì)照湖北省綜合大劇院的BIM模型,確保單元體幕墻與湖北省綜合大劇院之間能夠準(zhǔn)確連接。對(duì)本項(xiàng)目模型與單元體幕墻位置進(jìn)行二次復(fù)核校驗(yàn),確認(rèn)無(wú)誤后,利用BIM體量對(duì)異形體建筑表皮進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)提取,通過(guò)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編號(hào),能夠方便快捷地找到需要修改的構(gòu)件,避免二維平面圖紙修改構(gòu)件信息時(shí)的不便。

根據(jù)本項(xiàng)目圖紙的設(shè)計(jì)要求,利用GLS插件以BIM體量的方式,對(duì)玻璃嵌板、門嵌板、窗嵌板等不同構(gòu)件按照X,Y,Z軸順序依次編號(hào),能夠幫助施工人員準(zhǔn)確掌握構(gòu)件的安裝位置和信息,把握施工過(guò)程中的難點(diǎn)、要點(diǎn),為施工階段提供了有效的數(shù)據(jù)分析及計(jì)算,避免施工過(guò)程階段的建筑材料浪費(fèi)和施工工期延誤。部分幕墻嵌板編號(hào)如圖9所示。

針對(duì)本項(xiàng)目高空作業(yè)時(shí)難度大、危險(xiǎn)性高,幕墻安裝技術(shù)要求高等問(wèn)題,利用BIM技術(shù),可在施工前對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬,及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中潛在的問(wèn)題,提前預(yù)防。同時(shí)利用BIM技術(shù)可以生成詳細(xì)的施工動(dòng)畫,分析施工過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn),增強(qiáng)不同專業(yè)的協(xié)同,減少頻繁交叉施工,合理分配資源,鏈接工作過(guò)程,對(duì)施工人員進(jìn)行三維技術(shù)交底,指導(dǎo)施工人員精細(xì)施工。在施工過(guò)程中,通過(guò)施工模擬,可清楚地看到幕墻的施工進(jìn)度,實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃與工程構(gòu)件的動(dòng)態(tài)鏈接。同時(shí)利用BIM5D技術(shù)對(duì)比實(shí)際進(jìn)度,動(dòng)態(tài)預(yù)覽施工現(xiàn)狀,反映施工整體進(jìn)展?fàn)顩r,為施工組織安排調(diào)整提供保障。同時(shí)利用移動(dòng)APP提高施工現(xiàn)場(chǎng)與各方的信息傳遞效率,保證幕墻在施工過(guò)程中的安全性、完整性和高效性。

3.3 運(yùn)維階段

該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工之后進(jìn)行竣工驗(yàn)收,將各種施工圖紙、建筑表皮模型、體量構(gòu)件等信息匯總,由于數(shù)據(jù)信息和資料繁多,可利用BIM技術(shù)來(lái)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行運(yùn)營(yíng)維護(hù)[7]。

BIM體量形成的建筑表皮,可對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,通過(guò)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存,實(shí)現(xiàn)了BIM應(yīng)用之間的聯(lián)動(dòng)[8]。利用BIM技術(shù),可以對(duì)湖北省綜合大劇院建筑進(jìn)行樓層、體積、面積等形式分析,導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)據(jù),供業(yè)主方或運(yùn)營(yíng)方對(duì)樓房數(shù)據(jù)進(jìn)行了解。同時(shí)將建筑構(gòu)件信息及已購(gòu)入的設(shè)備信息錄入至設(shè)備管理系統(tǒng),以便后期進(jìn)行管理和維護(hù)。

對(duì)比傳統(tǒng)的異形體建筑,BIM技術(shù)具有獨(dú)特的立體三維模式,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑的可視化管控。將可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況進(jìn)行模擬,根據(jù)顯示在三維模型中的事故區(qū)域,模擬出最佳逃生方式,保障建筑物內(nèi)人員的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將BIM技術(shù)應(yīng)用于宜都市大劇院建筑幕墻的設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)維階段,解決了異形曲面幕墻定位難、安裝難、管理難等問(wèn)題,減少了異形體建筑設(shè)計(jì)的時(shí)間成本,避免了施工過(guò)程階段的建筑材料浪費(fèi)和施工工期延誤,并且能夠?qū)ㄖ?shí)施可視化管控,從而保障建筑物內(nèi)人員生命及財(cái)產(chǎn)安全。