孝感文化中心異形GRC幕墻建造技術BIM應用

趙全斌李金光耿直楊勇

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101；2.中交第四公路工程局有限公司，北京100022)

0 引言

在實現公共建筑使用功能的前提下，為追求獨特的建筑效果，體現每棟建筑物的個性，出現了大批異形立面的大型公共建筑。采用高性能玻璃纖維增強混凝土GRC(Glass Fiber Reinforced Concrete)板等異形幕墻板進行立面裝飾，在文化中心、體育館、紀念館等大型公共建筑上取得了良好的效果。

建筑信息化模型BIM(Building Information Modeling)以其可視化、協同效率高、參數化及對項目全生命周期的關注贏得了建筑行業市場的認可，借助BIM技術的可視化、精細化、信息化特點，讓多維模型信息聯合模擬成為一種可能[1-2]。BIM技術在國內公建以及裝配式、幕墻等諸多項目中扮演輔助的角色，但其在深化設計、解決現場施工碰撞方案、施工協調、施工預算、質量管理等方面的表現已展示出其潛質[3-6]。GRC幕墻板在南京青奧會議中心、辛亥革命博物館等項目中均應用良好[7-8]，而BIM技術在國內玻璃幕墻項目中已有較成熟的應用[9-13]，但在異形GRC幕墻項目中應用不多且標準體系不甚完善[14-15]。文章針對公共建筑—孝感文化中心復雜雙曲異形GRC幕墻項目，將BIM技術應用于精細化建模、幕墻深化設計與分析、現場施工應用的幕墻建造全過程。

1 孝感文化中心項目概況

1.1 項目介紹

孝感文化中心位于湖北省孝感市東城新區，規劃用地為17.33 hm2，項目總建筑面積＞13萬 m2。工程包含10大功能、3組建筑。以A座大劇院、B座音樂廳為中心，C座博物館與D座圖書館、方志館、檔案館位于東側靜區，相對獨立，E座科技館、規劃展覽館與F座群藝館、青少年宮及婦兒中心位于西側動區。該項目幕墻造型復雜，曲面轉角流暢，窗戶錯落鑲嵌，外墻及屋面主要采用GRC幕墻系統，系統包括二次結構系統、保溫系統、防水系統、GRC板系統等，屬于國內面積較大的單體GRC幕墻項目(如圖1所示)。

圖1 孝感文化中心項目示意圖

1.2 項目重難點分析

項目幕墻為異形建筑幕墻設計，其造型新穎、系統構造層次多、技術要求高；GRC幕墻施工工序多、施工難度大，面板與骨架二次深化設計要求高，加工工藝及其定位、下單以及安裝和維修復雜；項目要求精細化管理，其施工工期、質量要求高；施工過程均需要三維模型完成，傳統的二維設計與圖紙均無法滿足需求。因此，應用BIM技術，制定項目標準流程，借助三維可視化特點模擬、協調、優化設計，使細部節點充分展現得以指導施工，從而提升施工水平、提高建筑質量，保證建筑的合理性、美觀性。

2 異形GRC幕墻建造技術BIM組織與應用環境

2.1 項目BIM實施方案

項目幕墻工程實施之前就單獨構建了BIM應用的組織架構，制定了詳細的實施策劃和實施標準。BIM應用團隊結合項目的重點和難點明確了BIM應用的目標和責任劃分，將精細化管理作為實施的重中之重，計劃在GRC幕墻系統的二次深化設計、加工制造、施工過程力學分析、復雜工程節點與工序模擬等方面進行應用BIM技術，借助這一技術指導項目現場綠色施工、質量管理及進度控制，提升項目的整體管理能力。

2.2 項目BIM軟硬件配置

項目實施所使用的軟件見表1。

表1 項目BIM軟件使用列表

項目BIM硬件重點配置:ThinkPad X1 Carbon 2臺，雙核，酷睿七代i7-7500U處理器，Graphics 620核芯顯卡，512GB ssd。

2.3 項目BIM標準制定

建筑信息模型的標準制定有助于項目形成有機、系統的建模環境，制定建模標準關系到團隊協同及各分項工程協同，主要包括文件夾標準化、模型命名標準化、圖紙命名標準化、命名規則一致性。項目幕墻由GRC幕墻、玻璃幕墻和鋁單板幕墻組成，特制定了詳細的BIM建模標準。表2、3分別為項目構件設計深度等級和幕墻建模標準。

表2 構件設計深度等級表

表3 GRC幕墻建模標準表

3 異形GRC幕墻建造技術BIM應用

3.1 項目精細化建模

項目重點針對建筑、結構及異形幕墻制定建模標準并進行精細化建模，創建模型采用典型BIM軟件進行，從軸網建立開始，通過文件鏈接的方式搭建整體模型，采用多人協同完成。完成的模型如圖2～4所示。

圖2 單體建筑BIM模型示意圖

圖3 單體結構模型示意圖

圖4 建筑結構幕墻精細化整體模型示意圖

3.2 幕墻深化設計與分析

3.2.1 雙曲幕墻模型二次深化

雙曲幕墻二次深化設計按以下步驟完成建模:(1)把方案設計幕墻外輪廓導入，并設定不同的圖層加以區分；(2)根據幕墻厚度，確定幕墻外輪廓線和主要的控制點；(3)通過放樣并掃掠，外輪廓線形成的面即最終模型，是非均勻有理B樣條曲線形成的曲面模型。E館的二次深化圖如圖5所示。

使用參數化技術，創建雙曲幕墻表面分割，并通過批量添加共享組參數的方式建立幕墻面板的編碼，實現手動和自動編碼相結合控制完成幕墻面板編碼。

圖5 幕墻二次深化圖(以E館為例)

3.2.2 施工過程受力校核與有限元分析

采用二次開發工具，將前期建模數據流導入有限元分析軟件進行計算分析，并將有限元分析的結果數據返回到建筑信息模型中，從而實現了BIM數據在整個施工全過程中的“閉環”。圖6為選取的典型幕墻板和背腹鋼架的受力分析。

圖6 幕墻施工過程受力分析圖

3.3 現場施工應用

3.3.1 模型擬合

項目雙曲異型GRC幕墻外形極為復雜，現場施工需要具有可視化、精確的三維模型實體。結合項目建筑結構模型，通過BIM軟件對中心幕墻進行三維模型的優化，將項目幕墻的整體三維幕墻輪廓、各控制點的坐標節點、幕墻裝飾分格、幕墻各部位細部節點的構造及相應位置關系等進行可視化擬合，并將施工實際數值與三維模型中的理論數值做對比分析，施工過程中不斷調整、消化、整合誤差，使最終異形幕墻空間定位最大限度的滿足BIM模型所建立的虛擬建筑建造。

3.3.2 指導幕墻鋼構件龍骨制作及其空間定位

異型復雜幕墻面層板分項構造及外形均非常復雜，幕墻各構造的支撐鋼構件龍骨的相對位置和角度均不同且定位困難，利用BIM精細化模型進行碰撞檢查，精確定位各相互矛盾節點并及時調整。項目通過提取BIM模型的幕墻支撐鋼構件龍骨加工尺寸圖和根部預埋件的定位數據及龍骨拼接點的定位數據，得到主結構的偏差數據，極大地提高了龍骨制作精度和準確度，很好地指導了龍骨制作和安裝就位，如圖7、8所示。

圖7 預埋件示意圖

圖8 龍骨制作空間定位示意圖

3.3.3 提取面板的加工尺寸及空間定位

項目異型幕墻面板構造十分復雜且幕墻板塊大多為非平面板，現場施工放樣定位均難以精確把控。在具體施工過程中使用了幕墻面板的BIM精細化模型進行材料下單，并對施工安裝進行了指導，大大提高了材料下單速度及安裝精度，加快了施工進度。

3.3.4 施工過程與復雜施工節點工序模擬

BIM施工模擬是關于建筑設施的物理性能和各方面屬性的綜合性直觀表述，其針對復雜幕墻工程將項目進行建造過程與復雜施工節點工序模擬，使項目管理人員可以實時、動態的掌控建造進度，確定最好的建造順序和時間節點，快速優化資源配置，并為制定物資供給計劃提供及時、準確的數據參考，如圖9、10所示。

圖9 實際施工過程與虛擬建造過程對比圖

圖10 施工過程與復雜施工節點工序模擬圖

4 結語

孝感文化中心項目建筑外形復雜，其雙曲異形GRC幕墻構造層次多且構件繁多復雜，使用BIM技術建立精細化BIM系列模型，以模型精細化指導幕墻建造全過程。項目各方在幕墻工程實施之前構建基于BIM應用的組織架構，制定了詳細可行的實施策劃和標準，結合項目的重難點明確BIM應用的目標和責任劃分，這些均有力的保證項目BIM應用的順利進行。

基于BIM技術的精細化管理，在高性能玻璃纖維增強混凝土GRC幕墻系統的二次深化設計、加工制造、建造過程力學分析、復雜工程節點與工序模擬等方面進行BIM技術應用，有力的保證了項目的建造質量和工期。借助BIM技術來指導項目的現場綠色施工、質量管理及進度控制，提升了項目的整體管理能力。下一步，BIM應用實施的工作重點將放在平臺建設和面向運維的模型搭建和應用等方面。