BIM技术在宁波城市展览馆幕墙工程中的应用

随着经济发展水平的提高,建筑设计方法、设计理念的革新以及施工技术的进步,建筑幕墙从单一化、规整化向多元化、复杂化发展,许多建筑表皮呈现为无规则的异形形态。但是越来越复杂的异型表皮造型给设计、施工带来了一系列难题,传统的二维软件已无法满足此类工程的设计、材料加工、放线定位和现场安装等要求,需要借助三维参数化模型来实现。BIM技术的出现促使了二维图纸转变为三维参数化设计的发展,使得设计、施工，乃至整个建筑工程质量和效率有了显著提高,这对于整个建筑行业来说是一次真正的参数化、信息化革命[1]。

目前我国建筑BIM的应用还处于发展阶段,幕墙BIM技术更是处于初步探索阶段,应用还有很大的局限性,还没有专业的幕墙BIM软件支持和应用标准参考。各幕墙单位基本都是借助建筑BIM软件、造型软件或机械参数化设计软件共同使用来实现,其应用程序比较繁杂,效率较低,甚至很多幕墙BIM应用只处于三维可视化阶段,并没有赋予模型构件、材料参数化的属性,仅仅可应用于碰撞检查、视觉展示或表皮分格。BIM技术在幕墙全生命周期中的应用技术尚待进一步研究[2]。

1 工程概况

宁波城市展览馆作为宁波市的城市客厅,将以先进的展示手段展示宁波城市发展历程和未来愿景,是宣传宁波城市魅力的“金名片”,也是国内新一代城市规划展示中心的典范。工程位于宁波行政中心南侧,东部新城中央走廊、行政中心轴交汇位置。地下1层,地上4层,建筑面积23 622 m2,其中地上建筑面积18 687 m2,建筑高度24 m。外立面由双层曲面幕墙组成,内层为曲面明框玻璃幕墙和铝板幕墙,外层为环绕玻璃幕墙,疏密不断变化的异形鳞片状彩釉陶土板幕墙,立面轮廓为多角度曲面扭曲变换,犹如一条浅绿色漂浮着的丝带。工程效果图见图1。

工程形体复杂,根据翼片位置分为5个区块,幕墙总面积13 315 m2。其中玻璃种类有16种,共1 679块,每块玻璃规格尺寸均不相同；异形彩釉陶板规格7 459种,共27 883块,每两块陶板之间通过插芯进行装配组合,形成一个安装单元。钢立柱均为空间多段扭转拼接,钢横梁两端为异形切口,铝合金配件截面尺寸各不相同,材料规格繁多,安装定位为空间异形结构,设计加工、材料调配、储运、施工难度极大。特别是陶板与玻璃面的距离以及陶板之间双向间距、规格均在变化,加之主体结构形体复杂,施工误差相对较大,给幕墙设计、加工、储运、放样和安装带来了非常大的难度,传统的二维设计已无法满足施工要求。

图1 宁波城市展览馆效果图

2 异型曲面幕墙工程实施过程中对BIM的需求

2.1 设计需求

异型幕墙一般来说构造复杂,曲率变化多,采用常规的二维图纸无法准确表达设计信息,有些曲面无法按照数学方程进行曲率分析和曲面优化；难以判断幕墙结构与主体结构、景观结构的相对位置关系和预留空间是否足够等问题。

2.2 加工需求

构件材料种类、规格、加工参数多。构件均为不规则形体,难以在传统的设计图纸上描述相关加工参数,需要利用可视化参数化BIM三维模型对构件进行归类、编码,快速批量提取相应的加工、装配数据。

2.3 施工需求

幕墙立面位置以及角度均在不断变化,立柱与主体钢结构之间连接点种类繁多,没有规律,测量放样和空间定位难度非常大,难以确定安装,需要借助BIM三维模型提取安装控制点数据。

2.4 使用维护需求

构件材料种类繁多,借助BIM技术进行统一编码,赋予材料参数化属性,便于运营阶段利用模型辅助管理维护、检修、更换、整改。

3 建筑幕墙BIM技术的综合应用

3.1 BIM技术应用流程

针对项目实施要求制定有针对性的幕墙BIM实施计划及流程,协助幕墙设计、形体优化、提取构件加工、骨架安装定位信息等,缩短现场安装周期,加快施工进度,提高施工质量[3]。具体流程见图2。

图2 幕墙BIM应用流程

3.2 碰撞检查

设计阶段首先将幕墙BIM模型、主体钢结构、土建结构以及景观BIM模型进行整合,进行碰撞检查和施工预留空间数据测量。对碰撞信息以及预留间隙值进行整理和分析,提出合理的调整方案,使主体结构在设计和施工过程中及时进行优化调整,避免施工完成后返工,在保证原建筑设计效果的前提下有效地减少材料浪费,降低施工成本。幕墙BIM模型见图3。

图3 幕墙BIM整体模型

3.3 幕墙系统构造验证

由于造型复杂,设计阶段需要对幕墙系统构造进行验证,避免后续施工过程带来不必要的返工。根据幕墙构造节点1∶1搭建三维实体模型。玻璃幕墙主要验证位置包括:圆弧位置,大面转折位置,折角位置,上下拼接面位置等；陶土板幕墙主要验证位置包括:上下立柱拼接,不规则圆弧,陶板面板与插芯之间的组装,组装后的陶板与横梁之间的连接。通过对特殊位置的一系列建模验证发现问题,及时提出解决方案。幕墙基本构造见图4。

图4 幕墙系统构造

3.4 曲面分析优化

为保证在工程整体效果的前提下顺利施工,降低成本。首先对双曲玻璃面板和陶板排布进行合理优化,将双曲面玻璃全部优化为平板玻璃；通过微调陶板位置及间隙以适应双曲造型。最后再次分析优化后的板块是否合理,拟合度是否圆滑平顺,能否满足加工、安装需要,确认后正式进行幕墙结构构造的细部设计,从而降低了工程造价。

3.5 埋件以及立柱放样定位

整合幕墙与钢结构BIM模型,根据立柱编号对埋件从下而上进行编号,利用BIM软件确定幕墙立柱与钢结构之间的相对关系,准确定位幕墙连接件与埋件。为减少现场焊接导致的钢结构变形以及现场焊接量,将编号后的埋件点及埋件规格提供给钢结构单位进行加工,要求在工厂加工过程中对埋件进行焊接。钢结构安装完成后对实际埋件中心进行复测,测出理论坐标点与实际安装完成坐标点的差值；将每一个测量点的差值反馈到BIM模型中,利用修正后的BIM模型,批量提取立柱在实际埋件点标高处的定位点(模点,前口中心点,后口中心点),将立柱定位点转换为X、Y、Z坐标值,供现场进行幕墙立柱安装放样。对于一些特别复杂系统通过BIM模型提前进行施工过程预演,及时发现施工过程中的问题,有针对性地制定施工方案,指导现场施工。幕墙立柱BIM模型见图5。

3.6 BIM参数化,信息化,批量化进行构件加工以及数据提取

用传统的方法制作加工图以及整理异形构件加工数据,工作量大、效率低,会严重影响施工进度,且数据校核难度大,准确度也存在很大的问题。利用BIM技术,则很好地解决了此问题。

在BIM模型的制作与搭建之前,做好充足的准备工作。第一步,按材料类别进行划分：连接件,玻璃幕墙立柱,玻璃幕墙横梁,铝合金型材,玻璃面板,铝板,镀锌铁皮,陶土板立柱,陶土板横梁,陶土板面板,陶土板插芯等。第二步,按材料特征细分：连接件分为单支座,双支座；玻璃立柱分为直立柱,两段拼接扭转拼接立柱,三段拼接立柱；对上述所有不同材料按照加工类别进行分类,不同的分类对应不同的加工类型,就需要不同的加工图纸。将同种类型的加工数据设置为参数变量,变量是由BIM模型对应的实体模型自动提取。最终出加工图的方式为一张加工图纸对应一个类别和一批加工数据。将生成的加工数据进行整理,并由施工现场进行抽查检测以确保项目实施的准确性。这种方式简单、高效、快捷、准确,并且在局部调整过程中有很大的优势。以玻璃面板为例，具体情况见图6～8。

图6 玻璃面板参数化设计

图7 玻璃、陶板幕墙立柱模型

图8 陶板分类

陶板按照切割样式和组合情况可归类为图8中的15大类,以陶板引导线为参照,陶板板块按照一定的规律通过铝合金插芯进行自由装配,组装完成后与横梁进行连接。通过C++/VB编写计算机程序对所有陶板引导曲线进行判断,自动筛选种类并且按照规律自动组装,并且生成对应的加工数据、切割数据、打孔数据、装配数据,以及定位数据,将数据自动编号提取整理为数据表格,进行加工、组装、安装等。见图9、图10。

图9 陶板引导线以及板块参数化生成

图10 玻璃分割线以及玻璃铝板模型

3.7 计算机语言C++&VB在BIM技术上的拓展与应用

陶板与陶板之间通过铝合金插芯进行装配,插芯通过连接件与横梁进行连接；如果人为手动一个板块一个板块进行处理,将严重影响施工周期,而且容易出错；通过计算机编程搭建BIM模型→经过前期分类归类→编写VB程序→驱动计算机生成BIM模型→加工数据提取整理。程序可以自动判断陶土板以及插芯的尺寸长度、装配类型、打孔位置以及安装定位,快速进行数据提取,并且进行分类整理。待对数据抽查确认无误后分批归类出图,因而有效地减少数据提取与整理的工作量,大大提高了工作效率,且准确率高。

3.8 样板施工预演及数据验证

幕墙构件的所有加工数据都从BIM模型中自动批量提取,为了保证数据的可靠性,大面积施工前首先在有代表性的位置进行样板施工,作为正式施工的预演和对数据可靠性的验证,发现施工中可能出现的问题,样板包含了工程中的所有幕墙系统,包含玻璃幕墙、陶板幕墙、开启窗、消防救援口、曲率过度线等。通过样板的实施,验证了施工方法的可靠和数据的准确性,为后续正式施工奠定了基础。

4 结 语

本工程幕墙设计阶段通过与钢结构、土建、安装和景观专业BIM模型的整合,并根据现场提供的主体结构实测数据修正后进行各专业协调设计,模拟施工过程中各材料的碰撞错位情况,及早发现问题并予以改正,杜绝返修、变更。利用三维模型的可视功能针对设计中的难点重点进行专项分析,优化设计构造和防水措施。利用参数化设计软件和参数化曲率分析功能优化形体和面板分格,采用平面玻璃拟合双曲造型,通过调整陶板长度、板块缝隙宽度来保证形体的平顺连续,适应鳞片幕墙圆润光滑的造型。加工阶段利用CAA二次开发,配合C++/VB编程插件应用程序对同规格产品进行归并,分区编号,批量导出所有材料加工细部参数,并批量转化为DWG文件和XLS文件,将三维空间模型通过平面视图、标注整理成CAD加工图指导加工,实现了所有骨架、玻璃面板、陶板单元均在工厂加工完成,现场直接安装,无论是对材料的加工、打包运输、组装还是安装位置的调控均做到了精确控制,减少周转时间,提高工作效率,降低现场劳动强度,节约人工成本。安装阶段直接提取幕墙的安装控制坐标点数据,将BIM控制点位参数信息转化为现场(X、Y、Z)三维坐标值,通过可视化模型指导现场精确放样确定点位、安装,及时根据BIM数据对现场实际尺寸复核纠查,控制施工精度。运营阶段可利用模型的可视化和参数化功能,直接提取对应材料编号相关信息参数,辅助后续管理维护、检修、整改。幕墙BIM技术在幕墙工程设计、施工中的成功应用,不仅降低了工程成本,加快了施工进度,而且提高了施工精度,保证了工程质量,取得了良好的效果，可供类似幕墙工程设计、施工参考。

参 考 文 献

[1] 徐增建,许必强,刘金贵，等. 宁波·中国港口博物馆双曲玻璃穹顶设计与施工[J].施工技术,2016,45(6):7-10.

[2] 王德勤,王琦.关于异型幕墙的概念和分类组合形式的探讨[J].幕墙设计,2014(2):12-20．

[3] 张旺春.椭球形曲面点式玻璃幕墙施工工艺与质量控制研究[D].西安:西安建筑科技大学,2011．