BIM技术在异形幕墙中的应用研究

任秔怿，肖宜盟，郑文豫，丁 轲，邢利英，鲁 菁

(1.南阳师范学院,河南 南阳 473061; 2.中国电子系统工程第二建设公司,江苏 无锡 214000)

0 引言

随着我国经济的快速发展,建筑行业在国民经济中的重要地位进一步稳固,推动了幕墙行业的发展。与此同时,越来越多的异形曲面幕墙应用于综合体、大剧院等建筑物,其施工难度和管理难度较大,仅靠传统的二维技术已经无法保证项目的施工质量及管理水平,因此需要依靠BIM技术解决上述问题,国内外已有部分学者对此做了研究。

王桂玲[1]认为利用BIM技术可视化和模拟性的优势特点,可以对施工难点进行模拟并针对出现的问题及时做出调整,提升了施工的管理优化水平,进一步缩减工期,节约成本。陈亮等[2]将参数化BIM软件RIHNO应用于施工过程,解决了复杂环境下幕墙附着结构表面精准定位、幕墙-结构合理性检查优化、幕墙构件智能拆分等难题。张怡等[3]以国家速滑馆项目为例,从深化设计阶段、构件加工阶段、施工阶段着手,基于扫描复测和BIM参数化设计,使模型数据传递至加工生产,实现了幕墙精准高效施工。骆晓辉等[4]针对实际项目,将BIM技术应用于钢框架结构体系的幕墙附属结构,包括深化设计过程中相关构件节点设计原理及节点形式的选用。

在国内,BIM技术在异形建筑幕墙中的应用尚未有具体的标准和成熟的体系参考,所以解决BIM技术在异形建筑幕墙的全生命周期中的合理高效应用至关重要[5]。本文将以宜都市大剧院为例,分析该项目施工过程中的难点,并对BIM技术在异形幕墙设计阶段、施工阶段及运维阶段的应用进行研究,以期为类似工程的研究提供思路与参考。

1 工程概况

宜都市大剧院作为市民综合活动中心(如图1所示)是当地对外进行文化交流的重要载体,项目位于湖北省宜都市姚家店镇刘家嘴村,总建筑面积约为10.82万m2,内含会展中心和市民活动中心两个建筑工程项目,其建筑面积分别为33 730 m2和74 492 m2。

宜都市大剧院分为体育区和文化区,其中体育区包含B1体育馆和B2射击馆两个建筑单体,建筑面积分别为20 172 m2和2 620 m2。文化区包含大剧院、图书馆、博物馆、文化馆和高配压电室5个建筑单体,其建筑面积分别为18 066 m2,11 242 m2,7 632 m2,14 462 m2和258 m2,其中大剧院主体结构分为上下两部分,地上建筑面积约14 386 m2,地下建筑面积约3 680 m2。

2 项目难点

异形体幕墙空间的造型特殊性导致整个建筑幕墙工程的施工难度大幅度提升。本项目的结构类型为钢筋混凝土框架结构,桩基选用预应力管桩,其幕墙及外墙均为外部平滑的曲面,单元构件较多且每个构件的曲面曲率各不相同,其中曲面异形幕墙的节点处理尤为困难,在二维平面及三维空间上均存在一定程度的误差。如果构件安装精度不高,将会导致建筑外部表面参差不齐。因此在该剧院施工阶段,保证其造型美观以及幕墙嵌板、外墙的自然对接等存在一定难度。

为解决上述问题,保证该剧院项目的高质量和美观性,方便后续的运营维护,需建立该剧院的BIM模型。本文利用Revit软件,采用体量建模方式对湖北省综合大剧院进行建模研究。

3 BIM技术在项目中的应用

3.1 设计阶段

本项目的幕墙及外墙均为曲面,其曲线方程难以确定,因此建立曲面幕墙和外墙存在困难。利用Revit软件中内建体量的方式绘制出与图纸同比例的曲线,在立面创建参照平面,并在该平面放置参照点以确定外部轮廓形状,通过Revit自适应幕墙网格建立幕墙族,如图2所示。

将生成的实体形状载入到项目中,选中创建完成的体量,载入幕墙嵌板并参数化修改网格的布局、间距、尺寸等类型属性,所得的湖北省综合大剧院幕墙系统和建筑表皮如图3,图4所示。利用BIM体量技术进行设计,能够减少异形体建筑设计的时间成本,且能更直观地处理内部空间与外皮表面的关系。通过墙面的曲线设计来围合出室内空间的不同功能区域,更加巧妙的连接各个功能区,将每一个空间充分利用起来。最终所得的湖北省综合大剧院建筑模型如图5所示。

在不影响建筑物日照间距的情况下,在剧院的顶部加一段玻璃斜窗(如图6所示)。实现了建筑物面积最大化,产生良好的经济效益。通过日照模拟分析发现(如图7所示),增加斜窗后综合大剧院的采光充足,改善了隔热保温的问题,同时使屋顶具有良好的防水效果。

在幕墙的施工与装饰装修阶段,常常发生幕墙与其他建筑构件之间发生碰撞的问题。在本工程的深化设计阶段,利用BIM技术,在Navisworks软件中进行碰撞检查、净高分析等,根据得出的碰撞报告,在施工前及时协调各专业部门修改解决碰撞问题,避免返工、延误工期、增加成本等问题,保证幕墙施工的完整性[6]。

3.2 施工阶段

在本项目施工前期,将BIM模型以及三维场地布置模型结合。根据现实环境情况,在综合大剧院的三维BIM模型中预先建立施工场地模型,直观展示和验证现场布置,辅助进行尺寸量取、行车空间模拟、场地合理性验证等工作,确定异形体建筑各专业的空间位置关系。本项目的三维场地布置模型如图8所示。

对照湖北省综合大剧院的BIM模型,确保单元体幕墙与湖北省综合大剧院之间能够准确连接。对本项目模型与单元体幕墙位置进行二次复核校验,确认无误后,利用BIM体量对异形体建筑表皮进行定位和数据提取,通过对构件进行编号,能够方便快捷地找到需要修改的构件,避免二维平面图纸修改构件信息时的不便。

根据本项目图纸的设计要求,利用GLS插件以BIM体量的方式,对玻璃嵌板、门嵌板、窗嵌板等不同构件按照X,Y,Z轴顺序依次编号,能够帮助施工人员准确掌握构件的安装位置和信息,把握施工过程中的难点、要点,为施工阶段提供了有效的数据分析及计算,避免施工过程阶段的建筑材料浪费和施工工期延误。部分幕墙嵌板编号如图9所示。

针对本项目高空作业时难度大、危险性高,幕墙安装技术要求高等问题,利用BIM技术,可在施工前对施工过程进行模拟,及时发现施工过程中潜在的问题,提前预防。同时利用BIM技术可以生成详细的施工动画,分析施工过程中的技术难点和重点,增强不同专业的协同,减少频繁交叉施工,合理分配资源,链接工作过程,对施工人员进行三维技术交底,指导施工人员精细施工。在施工过程中,通过施工模拟,可清楚地看到幕墙的施工进度,实现进度计划与工程构件的动态链接。同时利用BIM5D技术对比实际进度,动态预览施工现状,反映施工整体进展状况,为施工组织安排调整提供保障。同时利用移动APP提高施工现场与各方的信息传递效率,保证幕墙在施工过程中的安全性、完整性和高效性。

3.3 运维阶段

该项目在设计、施工之后进行竣工验收,将各种施工图纸、建筑表皮模型、体量构件等信息汇总,由于数据信息和资料繁多,可利用BIM技术来对项目进行运营维护[7]。

BIM体量形成的建筑表皮,可对信息数据进行整理,通过BIM数据库进行储存,实现了BIM应用之间的联动[8]。利用BIM技术,可以对湖北省综合大剧院建筑进行楼层、体积、面积等形式分析,导出相应的数据,供业主方或运营方对楼房数据进行了解。同时将建筑构件信息及已购入的设备信息录入至设备管理系统,以便后期进行管理和维护。

对比传统的异形体建筑,BIM技术具有独特的立体三维模式,能够实现对建筑的可视化管控。将可能发生的危险情况进行模拟,根据显示在三维模型中的事故区域,模拟出最佳逃生方式,保障建筑物内人员的生命及财产安全。

4 结语

本文将BIM技术应用于宜都市大剧院建筑幕墙的设计阶段、施工阶段和运维阶段,解决了异形曲面幕墙定位难、安装难、管理难等问题,减少了异形体建筑设计的时间成本,避免了施工过程阶段的建筑材料浪费和施工工期延误,并且能够对建筑实施可视化管控,从而保障建筑物内人员生命及财产安全。