BIM技術對異型建筑表皮設計施工帶來的變革
一.引言
隨著經濟發展水平的提高，建筑設計方法、設計理念的革新以及施工技術的進步，建筑幕墻從單一化、規整化向多元化、復雜化發展，許多建筑表皮呈現為無規則的異形形態。越來越復雜的異型表皮造型給設計、施工帶來了一系列難題，傳統的二維軟件已無法滿足此類工程的設計、材料加工、放線定位和現場安裝等要求，需要借助三維參數化模型來實現。BIM技術的出現促使了二維圖紙轉變為三維參數化設計的發展，使得設計、施工、乃至整個建筑工程施工質量和施工效率有了顯著提高，對于整個建筑行業來說是一次真正的參數化、信息化革命。
二.BIM技術在建筑表皮設計施工過程中的應用
1. BIM技術在異型采光頂設計階段運用
在空間異型項目中，傳統的二維軟件已經無法滿足此類項目的設計，加工，定位，安裝等要求，通過BIM技術的介入，實現三維可視化建模，指導設計出圖。并且在設計階段進行合理優化，有效降低材料加工以及施工難度，縮短施工周期，節約材料以及施工成本。尤其是異型雙曲玻璃幕墻，由于玻璃材質本身特性，給加工施工帶來很大難度，雙曲玻璃板塊加工成本高昂，成品率低，加工精度誤差大，運輸，安裝成本高。并且與板塊相關的所有鋁合金輔材都需要特殊加工。綜合上述所有因素，在雙曲幕墻設計階段就需要對幕墻進行合理優化，降低施工難度，節約材料成本，縮短施工周期，提高施工質量。寧波北侖中國港口博物館A穹頂，該穹頂面積1411㎡。包含雙曲面板415塊，796㎡;單曲面板162塊，615㎡。對原模型進行翹曲只分析，控制翹曲值范圍，通過平面擬合雙曲面的方式有效降低加工施工難度，節約材料成本與施工成本。
圖1 曲面翹曲分析優化
圖2 批量編號以及數據提取
圖3 施工照片
2. BIM技術在建筑幕墻工程施工下料中的運用
空間異型幕墻施工過程中定位復雜，幕墻立面位置以及角度均在不段變化，立柱與主體結構之間連接點種類繁多，沒有規律，測量放樣和空間定位難度非常大，難以確定安裝，需要借助BIM三維模型提取安裝控制點數據通過點位數據進行精 確定位放樣，在后期施工過程中進行精 確安裝。在異型幕墻工程中材料種類多，加工數據多，并且同種材料包含多種加工數據，這對下料帶了挑戰;BIM技術的介入使得下料簡單化,批量化，并且準確率得到很大的提升;通過BIM技術進行參數化建模，利用BIM模型批量提取構件編號以及加工參數，在安裝過程中通過構件編號進行精 確安裝。通過BIM技術指導幕墻工程施工下料，有效降低施工難度,縮短施工周期,節約施工成本。
3. BIM技術在寧波市城市展覽館項目中的應用
該工程地下1層，地上4層，建筑面積23622㎡，其中地上建筑面積18687㎡，建筑高度24m。外立面由雙層曲面幕墻組成，內層為曲面明框玻璃幕墻和鋁板幕墻，外層為環繞玻璃幕墻，疏密不斷變化的異形鱗片狀彩釉陶土板幕墻，立面輪廓多角度曲面扭曲變換。工程形體復雜，幕墻總面積13315㎡。其中玻璃種類有16種，共1679塊，每塊玻璃規格尺寸均不相同;異形彩釉陶板規格7459種，27883塊，每兩塊陶板之間通過插芯進行裝配組合，形成一個安裝單元。
圖4 工程效果圖
圖5 定位點以及坐標提取
圖6 構件參數化
圖7 玻璃幕墻構件參數化建模
圖8 陶板幕墻構件參數化建模
圖9 構件參數提取
異形彩釉陶板規格7459種，27883塊。種類多，規格尺寸多，陶板與陶板之間通過鋁合金插芯進行規律性裝配，插芯通過連接件與橫梁進行連接;如果人為手動一個板塊一個板塊進行處理，將嚴重影響施工周期，而且工作量大;通過計算機VB編程處理，用計算機語言驅動軟件進行BIM模型的搭建自動判斷陶土板以及插芯的尺寸長度，裝配類型，連接位置以及安裝定位等參數。
圖10 計算機編程輔助建模
圖11 安裝效果圖
4. BIM技術在異型金屬屋面工程中的應用
寧波奧體中心綜合館屋面金屬板幕墻工程面積約為25859m2;屋面幕墻工程由直立鎖邊屋面子系統與開放式裝飾鋁單板子系統組成。其中屋面工程包含12287塊大小不同的多邊形組成，曲面造型復雜，定位點多，安裝控制點多大2萬多個，板塊尺寸各不相同。BIM技術的應用使得多種類,多規格,定位難度大,下料尺寸多的空間異型項目的施工，定位，加工難度大大降低，大大縮短施工周期，有效節約施工成本。通過BIM模型提取構件編號信息加工信息,有效的避免數據丟失數據錯亂，減少從設計到加工各個環節中的材料浪費。
圖12 效果圖
圖13 屋面系統效果圖
通過BIM技術按照構造系統對主檁條和次檁條參數化建模，通過BIM模型提取主龍骨關鍵位置控制點，將控制點轉換為空間坐標值，通過全站儀對控制點進行精 確放樣，保證龍骨安裝的準確性，通過BIM模型提取龍骨編號,長度,半徑,打孔位置等參數在工廠進行加工，通過定位點在現場進行吊裝。通過BIM技術指導加工施工保證了加工,安裝準確性，提高了施工效率，有效縮短施工周期，降低施工成本。
圖14檁條BIM模型以及定位
利用BIM技術對屋面開放式裝飾鋁單板系統進行參數化建模。基于屋面主次檁條BIM模型搭建裝飾鋁單板BIM模型;根據幕墻分割線搭建鋁板骨模型，搭建鋁板BIM模型;對所有構件進行編號提取加工尺寸進行加工，提取控制點定位數據，根據點位進行放樣定位。運輸到現場后按照編號進行快速安裝。
圖15鋁板BIM模型
圖16編號以及數據提取
圖17施工效果
5. BIM技術在異型清水混凝土結構設計施工過程中的應用
寧波奧體中心游泳館跳水池擁有9個跳臺，其中包括2個1m跳臺，3個2.6m板臺，1個3m跳臺，1個5m跳臺，1個7.5m跳臺以及1個10m跳臺。其中跳臺為空間多曲面清水混凝土空腔結構，空間感強，成型要求高，施工難度大。
圖18 跳臺BIM模型
利用BIM技術針對設計的空間定位坐標進行三維建模，通過BIM模型提取不同標高位置處的橫截面，根據橫截面與標高制作相應模板支模。
圖19 橫截面控制框架
圖20 曲面控制框架
圖21 現場支模
圖22 模板內外效果
圖23 模型與完工效果對比
三.BIM技術帶來的實際效益
1、BIM技術在復雜幕墻工程中的應用，進行合理的分格和形體優化，利用平板擬合雙曲面造型，明顯降低成本材料成本與施工成本;
2、BIM技術在復雜幕墻工程中的應用，相比傳統方法，減少現場加工量，所有構件均在工廠批量化加工有效縮短施工工期，提高構件成品率;
3、BIM技術在復雜幕墻工程中的應用，通過BIM技術指導幕墻工程施工，做到空間定位參數化信息化，批量化，保證了形體造型，幕墻工程構建參數化誤差值控制在5mm以內，空間尺寸誤差率控制在3%以內;
4、BIM技術在復雜幕墻工程中的應用，各成品構件運至直接安裝，有效節約人工成本。
5、BIM技術在復雜幕墻工程中的應用，設計階段與結構、安裝、暖通、景觀設計協調，杜絕了不同專業之間的沖突，將可能發生的為題在設計階段提前解決，基本上消 除了施工過程中的設計變更，減少材料浪費;
在幕墻行業，我們需要不斷探索新的應用模式，將中國強大的機械工業信息技術，通過BIM技術引入到建筑行業;提高協同效率，減少在幕墻設計，施工過程中的資源浪費;提高幕墻施工質量，縮短施工周期，降低施工成本;在基建狂魔的道路上探索出一條低成本，高 效率，高質量具有中國特色的光明大道。
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作者：胡正平 徐增建來源：中國幕墻網2019年會論文集
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