周肖飛 張世豪 唐 干 嚴(yán)光芒 俞 露 蔣 微

(中建八局裝飾工程有限公司，上海 201206)

引言

在建筑幕墻中，BIM技術(shù)應(yīng)用也比較廣泛，如上海中心、中國(guó)尊、深圳平安金融大廈、銀河SOHO等建筑均應(yīng)用了BIM技術(shù)輔助建造，通過BIM技術(shù)應(yīng)用，解決了復(fù)雜幕墻設(shè)計(jì)難度大、加工精度要求高、施工安裝管理難、運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度大等難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了幕墻工程的智慧建造。在幕墻設(shè)計(jì)階段，BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)能力為方案多次修改提供高效的方法，其可視化功能也能夠讓業(yè)主和建筑師快速理解并確定方案提供可能性[1]。在深化階段，應(yīng)用BIM技術(shù)全系統(tǒng)建模和協(xié)同作業(yè)，進(jìn)行碰撞檢測(cè)、輔助深化、結(jié)構(gòu)計(jì)算、節(jié)點(diǎn)模擬、出施工圖[2]。本文通過BIM技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計(jì)相融合的創(chuàng)新技術(shù)在超高層雙曲面異形幕墻的深化設(shè)計(jì)，工廠預(yù)拼裝，出圖下料，施工管理等階段的實(shí)質(zhì)性應(yīng)用展開深入研究。創(chuàng)新使用Revit 2019、Rhino 6.0兩大軟件平臺(tái)聯(lián)動(dòng)工作，利用BIM移動(dòng)終端及云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智慧工地的現(xiàn)代化管理，在保證工期的前提下，對(duì)質(zhì)量、安全強(qiáng)力監(jiān)管。希望能給廣大幕墻設(shè)計(jì)師對(duì)了解BIM參數(shù)化技術(shù)在雙曲面異形幕墻設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)和出圖下料階段帶來幫助和借鑒。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

埃及新首都CBD標(biāo)志塔位于埃及開羅市以東45km處，新首都CBD項(xiàng)目是一個(gè)具有里程碑意義的綜合開發(fā)項(xiàng)目，建成后將成為新的行政首都，是埃及文化和進(jìn)步的象征。該工程于2018年5月正式開始施工，預(yù)計(jì)將于2021年竣工。其中ICONIC TOWER總高度385m，位于即將建造的中央商務(wù)區(qū)中軸線位置，是一幢由五星級(jí)酒店、公寓、辦公及商業(yè)等多種功能區(qū)域組成的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)的地標(biāo)性建筑，建成后將為非洲第一高樓，成為整個(gè)中央商務(wù)區(qū)的焦點(diǎn)。標(biāo)志塔效果圖如圖1所示。

圖1 效果圖

1.2 專業(yè)工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1)工程體量大

幕墻形式復(fù)雜多樣，整個(gè)建筑外表皮主要由玻璃幕墻、GRC遮陽線條組成，總展開面積約13萬m2。

幕墻系統(tǒng)樣式豐富，其中FS-01塔樓標(biāo)準(zhǔn)單元幕墻系統(tǒng)，采用隱框單元幕墻形式，透明部位采用中空Low-e透明玻璃，層間位置采用GRC懸挑裝飾線條整體安裝； FS-02塔樓弧形單元幕墻系統(tǒng)，采用隱框單元幕墻形式，幕墻面材全部為中空Low-E透明彎弧玻璃，鋁型材單元框架拉彎豎向安裝懸挑裝飾線條； FS-03 塔樓全隱框單元幕墻系統(tǒng)，采用全隱框單元幕墻形式，幕墻面材全部為中空Low-E透明玻璃； FS-04 塔樓頂部采光天窗，采用半隱框框架幕墻系統(tǒng)，并設(shè)置冷凝水收集排放裝置。天窗玻璃采用中空夾膠玻璃，夾膠面朝向室內(nèi)； FS-05 裙樓框架玻璃幕墻系統(tǒng)，采用全隱框框架幕墻系統(tǒng)，玻璃采用中空Low-E透明玻璃； FS-06 主入口雨蓬，雨蓬支撐結(jié)構(gòu)采用鋼骨架外包金屬板的形式，玻璃采用夾膠彩釉透明玻璃。

(2)出圖周期短

本工程屋面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工期緊迫，設(shè)計(jì)圖與深化設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，過程中設(shè)計(jì)圖修改多，從而導(dǎo)致深化設(shè)計(jì)工作重復(fù)量大，難以進(jìn)行全面深化。深化設(shè)計(jì)進(jìn)度緩慢，對(duì)制作廠構(gòu)件加工進(jìn)度存在較大影響。此外，收到設(shè)計(jì)圖后，節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行工藝評(píng)審，坐標(biāo)的導(dǎo)入建模及坐標(biāo)的導(dǎo)出作業(yè)量大，耗時(shí)較長(zhǎng)。

(3)施工難度大

由于塔樓幕墻設(shè)計(jì)為雙曲面造型，因此對(duì)施工精度要求高，安全施工難度也就變大。由于幕墻形式的多樣性和復(fù)雜性，若使用傳統(tǒng)的技術(shù)方法難以達(dá)到預(yù)期的效果。為了清楚明確各個(gè)分區(qū)的施工順序，展現(xiàn)工程施工的步驟以及各個(gè)重要里程碑節(jié)點(diǎn)工程的形象進(jìn)度和相關(guān)專業(yè)的進(jìn)展程度，利用BIM模型的三維可視化及4D模擬功能，將重點(diǎn)工程施工階段清晰表現(xiàn)出來，用一系列的三維形象示意圖展示各階段工程形象進(jìn)度。

(4)材料加工周期長(zhǎng)，運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)大

由于設(shè)計(jì)造型復(fù)雜，材料品種繁多，加上本項(xiàng)目又是在海外，而很多幕墻構(gòu)件的加工生產(chǎn)都需要在國(guó)內(nèi)完成，導(dǎo)致采購(gòu)時(shí)間緊，加工運(yùn)輸周期長(zhǎng)。在材料運(yùn)輸方面需從國(guó)內(nèi)廠家先運(yùn)送至上海洋山港，然后途徑臺(tái)灣海峽到南海領(lǐng)域，穿越馬六甲海峽，橫渡印度洋，進(jìn)入紅海抵達(dá)蘇哈納港到達(dá)埃及，再通過陸運(yùn)送至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)送環(huán)節(jié)較多，存在諸多不確定因素，給項(xiàng)目帶來許多不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。

3 組織與應(yīng)用環(huán)境

3.1 應(yīng)用目標(biāo)

傳統(tǒng)的二維圖紙無法清晰準(zhǔn)確地展示雙曲面異形幕墻的各種構(gòu)件和外觀效果，我們通過運(yùn)用專業(yè)BIM軟件發(fā)揮其“所見即所得”的優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)視覺效果更易于表達(dá)，便于深化設(shè)計(jì)工作的開展，能更高效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。并與傳統(tǒng)幕墻出圖下料方法流程進(jìn)行對(duì)比，體現(xiàn)BIM融合工業(yè)數(shù)字化的創(chuàng)新技術(shù)在單元幕墻出圖下料中的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)[3]。

在傳統(tǒng)幕墻工作中，我們經(jīng)常會(huì)碰到分格非標(biāo)，深化驗(yàn)證低效，加工圖紙多，數(shù)據(jù)提取困難等問題，通過BIM技術(shù)的引入我們可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少錯(cuò)漏碰缺，從而保證加工精度。

3.2 團(tuán)隊(duì)構(gòu)成

項(xiàng)目BIM應(yīng)用組織體系，分為BIM項(xiàng)目管理層、BIM實(shí)施層和BIM應(yīng)用層三個(gè)體系。

根據(jù)本工程特點(diǎn)，組建BIM專業(yè)實(shí)施團(tuán)隊(duì)。設(shè)有BIM項(xiàng)目經(jīng)理、BIM工程師、BIM駐場(chǎng)工程師，為項(xiàng)目BIM技術(shù)的研究提供充分的保障。

BIM項(xiàng)目經(jīng)理為項(xiàng)目BIM總負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)執(zhí)行、指導(dǎo)、協(xié)調(diào)BIM相關(guān)工作。具體工作有任務(wù)分配、資源協(xié)調(diào)、進(jìn)度及質(zhì)量控制，參加重要的項(xiàng)目協(xié)調(diào)會(huì)等來保證模型正確反映設(shè)計(jì)、施工信息。BIM工程師負(fù)責(zé)進(jìn)行專業(yè)BIM模型搭建，BIM模型日常管理，配合專項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工管理，及時(shí)將更新的設(shè)計(jì)信息、討論意見、現(xiàn)場(chǎng)變更等反映到BIM模型中，確保設(shè)計(jì)與施工的可行性及精確性。BIM駐場(chǎng)工程師負(fù)責(zé)進(jìn)駐項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)辦公，收集施工現(xiàn)場(chǎng)信息，輔助業(yè)主、設(shè)計(jì)院、BIM顧問等單位的模型瀏覽與問題查看，配合發(fā)包人各部門與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)單位解決各類設(shè)計(jì)深化、施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、模型移交及使用過程中出現(xiàn)的問題，并參加專項(xiàng)項(xiàng)目協(xié)調(diào)會(huì)。

3.3 軟硬件環(huán)境

硬件選擇主要根據(jù)不同人員的工作職責(zé)對(duì)電腦需求的不同進(jìn)行配備。對(duì)于需要對(duì)大部分的BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用操作的人員，配備配置較高的工作站，其他人員根據(jù)工作的需求和BIM建模的復(fù)雜程度配置相應(yīng)的臺(tái)式電腦，筆記本電腦及其他BIM延伸應(yīng)用設(shè)備。

目前常用幾何造型軟件有Revit 2019、Sketchup 2019、Rhino 6.0和FormZ等[4]。本工程的軟件以從設(shè)計(jì)到施工階段應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為突出的Revit 2019為主，對(duì)于異形雙曲面幕墻則用Rhino 6.0來完成曲面造型分析，然后再采用IFC格式進(jìn)行信息模型傳遞。項(xiàng)目協(xié)同工作選用中建八局自主研發(fā)的C8BIM工作平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量安全、物料跟蹤和項(xiàng)目資料的全過程管理。

4 BIM應(yīng)用

4.1 BIM建模

塔樓幕墻造型設(shè)計(jì)為雙曲面異形，根據(jù)自由曲線的建模特點(diǎn)，本工程使用Rhino 6.0軟件進(jìn)行幕墻全系統(tǒng)參數(shù)化建模，模型精度可達(dá)到0.001mm。在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。使用Rhino 6.0軟件快速生成二次鋼結(jié)構(gòu)、檁條等構(gòu)件，經(jīng)碰撞檢測(cè)無誤后，從施工模型中直接導(dǎo)出CAD2019文件，完成施工圖的導(dǎo)出。BIM導(dǎo)出施工圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)出施工圖紙

4.2 BIM應(yīng)用情況

(1)BIM+VR創(chuàng)新應(yīng)用

利用VR技術(shù)，對(duì)視覺效果進(jìn)行展示，沉浸式體驗(yàn)工程完工后的觀感效果，互動(dòng)體驗(yàn)各功能[5]，深化設(shè)計(jì)師對(duì)照虛擬現(xiàn)實(shí)文件查看裝飾完成后的真實(shí)效果，針對(duì)不符合設(shè)計(jì)意圖或效果欠佳的部位，進(jìn)行記錄調(diào)整。做到在施工前就對(duì)項(xiàng)目完成后的效果有所管控，提前規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷，最大程度地還原設(shè)計(jì)理念。

(2)幕墻方案設(shè)計(jì)—曲面優(yōu)化

通過Rhino 6.0的可視化編程插件Grasshopper 1.0對(duì)幕墻面板的曲率進(jìn)行分析，進(jìn)行面板優(yōu)化。將部分雙曲面幕墻面板優(yōu)化為平板單元幕墻，為施工創(chuàng)造便利條件。將所有典型的節(jié)點(diǎn)大樣，通過搭建BIM模型來實(shí)現(xiàn)可視化操作，并用顏色區(qū)分不同的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，使系統(tǒng)構(gòu)件更加直觀形象。曲面優(yōu)化如圖3、圖4所示，節(jié)點(diǎn)詳圖如圖5、圖6所示。

圖3 曲面優(yōu)化圖

圖4 曲面優(yōu)化GH參數(shù)化邏輯圖

圖6 節(jié)點(diǎn)詳圖

(3)工廠加工階段

加工階段幕墻BIM應(yīng)用主要為幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)、加工圖制作、模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字化加工、GRC幕墻預(yù)制加工。加工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中，以深化設(shè)計(jì)BIM模型為基礎(chǔ)，在BIM模型中導(dǎo)出構(gòu)件，面板相關(guān)編號(hào)圖、加工圖、加工明細(xì)清單。通過構(gòu)件級(jí)的BIM模型可以精確地導(dǎo)出幕墻系統(tǒng)的面板等相關(guān)的加工、定位數(shù)據(jù)。運(yùn)用BIM軟件對(duì)幕墻標(biāo)準(zhǔn)板塊進(jìn)行模擬組裝，通過模擬演示為工廠預(yù)制化加工生產(chǎn)提供高效的技術(shù)支持。通過BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)輔助實(shí)現(xiàn)構(gòu)件批量材料下單與指導(dǎo)不規(guī)則放置的材料空間定位[6]。導(dǎo)出加工圖如圖7，幕墻定位數(shù)據(jù)如圖8所示，幕墻預(yù)拼裝如圖9所示。

圖7 導(dǎo)出加工圖

圖8 幕墻數(shù)據(jù)定位圖

圖9 幕墻預(yù)拼裝圖

(4)施工階段

圖10 幕墻預(yù)拼裝圖

施工階段幕墻BIM應(yīng)用，通過構(gòu)件級(jí)的BIM模型可以精確地統(tǒng)計(jì)幕墻系統(tǒng)的面板、型材、預(yù)埋件等的工程量。對(duì)于幕墻埋件的板塊位置，使用參數(shù)化軟件自動(dòng)生成板塊安裝定位點(diǎn)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)形狀復(fù)雜的板塊固定碼件的定位安裝。幕墻單元板塊位置是由固定碼件位置決定的，本項(xiàng)目上下層固定碼水平坐標(biāo)是不一致的，通過提取BIM模型中固定碼的位置，使用參數(shù)化軟件自動(dòng)生成碼件安裝定位點(diǎn)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的固定碼定位安裝。

(5)施工方案模擬動(dòng)畫

超高層項(xiàng)目，垂直運(yùn)輸是進(jìn)度控制的關(guān)鍵。通過BIM模擬和合理安排，能夠強(qiáng)化垂直運(yùn)輸功能，提高垂直運(yùn)輸效率。本項(xiàng)目利用BIM技術(shù)分別對(duì)塔樓低區(qū)高區(qū)的幕墻運(yùn)輸安裝，塔冠裝飾造型的安裝以及整個(gè)項(xiàng)目施工進(jìn)度都進(jìn)行了動(dòng)畫模擬。垂直運(yùn)輸模擬動(dòng)畫如圖10所示。

4 應(yīng)用效果

通過幕墻BIM技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)階段參數(shù)化、加工階段數(shù)字化、施工階段信息化，加快了進(jìn)度，節(jié)約了大量物料和人工費(fèi)。例如，在幕墻方案設(shè)計(jì)上，原設(shè)計(jì)采用的是1.2m懸挑，根據(jù)BIM模擬，我們說服建筑師將裝飾條縮小到了750mm，不僅大幅降低了直接成本(約600萬元)，還便于運(yùn)輸和安裝，也降低了間接成本100萬元。

5 總結(jié)

本工程就實(shí)現(xiàn)建筑工程上下游對(duì)接和項(xiàng)目施工全過程精益化管理的BIM應(yīng)用目標(biāo)，確定在施工中主要應(yīng)用的BIM模型細(xì)度需達(dá)到LOD350的標(biāo)準(zhǔn)[7]。創(chuàng)新使用Revit 2019、Rhino 6.0兩大平臺(tái)聯(lián)動(dòng)工作，利用BIM技術(shù)細(xì)分各類幕墻系統(tǒng)，出具節(jié)點(diǎn)大樣模型并形成族庫，便于我司今后在類似工程的使用。在項(xiàng)目施工前期進(jìn)行曲率分析，優(yōu)化幕墻板塊，并最終指導(dǎo)加工，提前發(fā)現(xiàn)各專業(yè)間的碰撞問題，以便我司項(xiàng)目部與總包單位及各分包單位協(xié)調(diào)。在項(xiàng)目管理上利用BIM移動(dòng)終端及云平臺(tái)，在保證工期的前提下，對(duì)質(zhì)量、安全、強(qiáng)力監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)智慧工地的現(xiàn)代化管理。我司未來基于BIM技術(shù)近一步研究和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：施工現(xiàn)場(chǎng)信息管理、RFID技術(shù)結(jié)合、施工圖文件管理、可視化施工質(zhì)量監(jiān)控等[8-10]。