BIM技術在復雜外形建筑深化設計中的應用

馮友平

中鐵建設集團南方工程有限公司 廣東 廣州 511400

1 工程概況

某長影“環(huán)球100”項目中國影視博物館，建筑占地面積3 325.97 m2，建筑總面積7 318.6 m2，地上建筑面積5533.3 m2，地下建筑面積1785.3 m2，建筑高度14.65 m。項目位于中國村中心位置且靠近多個主題概念廣場，因此確保博物館達到與所在區(qū)域和樂園整體同等水平的主題細化是十分重要的。項目的重點為外裝飾構造設計，具有整體概念效果圖細節(jié)多、材料層面復雜、空間變化大、預制構件造型繁多且相同類型均為不同尺寸等諸多特點，也成為BIM技術應用解決的重點和難點。

工程主體為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，外裝飾設計由下至上分層，外墻為仿石材GRFC材料，屋頂裝飾為鋼構架龍骨和低輻射率玻璃幕墻，外裝飾主龍骨為多種型號規(guī)格的空心鋼材管門框架、仿木材PVC包裝，其中框架頂及側邊分別由纖維水泥嵌板和仿木材GRFC連接，入口裝飾由仿木材GRFC通過單元塊拼裝組成，尾部及側翼由空心鋼材管門框架和透明PVC膜組成。通過BIM技術應用對外裝飾分層建模，結合族模型的方式對其組成的構件進行參數(shù)設置并生成，進而能清晰地表達出詳細的建筑實體信息 （圖1）。

圖1 外形設計分層示意

2 BIM技術設計深化的應用實施情況

項目前期圖紙信息較少，業(yè)主要求做出詳細的施工策劃（外裝飾）、工程量統(tǒng)計，并為后期深化設計提供參考思路，我們嚴格按照平面圖尺寸、剖面圖節(jié)點的高度及效果圖中構件的分布進行分層搭建，通過確定各層構件位置、方向、尺寸數(shù)據(jù)，按照施工工藝路徑設置族參數(shù)，由不同族構件進行預制拼裝組成外裝飾部件，最后采用其他軟件進行協(xié)同優(yōu)化、定點定位，生成外裝模型。

2.1 關鍵坐標數(shù)據(jù)提取

根據(jù)平面圖、立面圖和部分詳圖，按照外裝飾分解構件的坐標數(shù)據(jù)進行提取，2座建筑共有55根不同規(guī)格的空心鋼材管門框架主龍骨，需讀取其平面位置、規(guī)格尺寸、轉角高度及頂點標高數(shù)據(jù)，并列表匯總（圖2）。同理，頭部分解為9層構件，分別讀取其周長、厚度、深度、標高等數(shù)據(jù)（圖3）；尾部分別讀取每塊梯形夾板尺寸、標高、仰角等數(shù)據(jù)，以及鋼材龍骨規(guī)格尺寸、標高、周長等數(shù)據(jù)（圖4）；低輻射率玻璃幕墻分別讀取平面尺寸、折角高度、路徑頂點高度和分隔間距等數(shù)據(jù)（圖5）；側翼鱗片分別讀取多邊形尺寸、連接高度及仰角等數(shù)據(jù)（圖6）。其他構件，包括頂部仿木材GRFC鱗片，以及與鋼材管框架連接的纖維水泥嵌板、仿木材GRFC嵌板，按形狀尺寸一致均勻排布處理，讀取構件連接的仰角大小即可。

圖2 空心鋼材管門框架 （主龍骨）

圖3 頭部仿木材GRFC板 （正面）

圖4 尾部空心鋼材 框架和PVC膜

圖5 低輻射率 玻璃幕墻

圖6 側翼鱗片空心鋼材 框架和PVC膜

2.2 工藝路徑族參數(shù)設置

2.2.1 空心鋼材管門框架的族制作

空心鋼材管門框架族的制作應用自適應公制常規(guī)模型族樣板，設置兩自適應點間的距離為報告參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)及門架高度添加公式，計算單榀門框架長度。設置好門框架的高度變化及路徑，根據(jù)自適應應用原理自動放置門框架。

2.2.2 頭部仿木材GRFC板的族制作

根據(jù)頭部各層單元構件關鍵數(shù)據(jù)，導入CAD正立面圖作為參照平面和原點，應用自適應公制常規(guī)模型族樣板，設置相應板塊參數(shù)，通過放樣融合生成子族，再以放置參照平面的方式組成整體，最終鏡像對稱形成頭部模型。

2.2.3 尾部仿木材GRFC板和PVC膜的族制作

尾部翼板根據(jù)尺寸、傾斜角度應用自適應公制常規(guī)體量模型建立族樣板，按每塊板厚度中心線設置參照平面，在參照平面放樣融合厚度一致的翼板。同理，設置體量模型參數(shù)建立鋼材框架龍骨和PVC膜（圖7）。

圖7 尾部翼板、鋼龍骨及PVC膜族模型

2.2.4 側翼鋼材框架和PVC膜的族制作

側翼板包括四邊形和五邊形2種類型，應用自適應公制常規(guī)模型族樣板，設置單個構件側框長度為報告參數(shù)，生成的族模型按安裝路徑鏈接成組。

2.2.5 纖維水泥嵌板的族制作

纖維水泥嵌板分為屋面嵌板、側面嵌板及尾部嵌板，應用基于填充圖案的公制常規(guī)模型族樣板制作嵌板子族，添加長度、寬度參數(shù)均為共享的報告參數(shù)，在標注時標注兩點的距離，在標注兩點的距離時注意拾取的工作平面。

2.2.6 鱗片的族制作

應用基于填充圖案的公制常規(guī)模型族樣板制作鱗片子族，按高度、頂點高差、高度差、頂點高度差及投影寬度設置族共享參數(shù)，將完成的共享鱗片子族載入可參變的鱗片族中。

2.2.7 玻璃幕墻的族制作

應用體量模型制作幕墻，根據(jù)圖紙確定幕墻位置尺寸，以幕墻分割線放樣融合，形成幕墻整體，再用幕墻系統(tǒng)進行平均分隔。

2.3 族構件預制拼裝

2.3.1 空心鋼材管門框架與纖維水泥嵌板、鱗片、側翼框膜的預制拼裝

根據(jù)已建好的單元構件族模型，按照自動原點到原點精確導入的CAD參照平面圖，將空心鋼材管門框架族模型按照其關鍵數(shù)據(jù)進行預制拼裝，準確完成主龍骨系統(tǒng)的建模（圖8）。

圖8 空心鋼材管門框架體系建模

根據(jù)自適應族樣板特性，將每個面分割成需要的數(shù)量，填充相應的嵌板，即在項目中根據(jù)路徑和關鍵坐標放置纖維水泥嵌板（圖9）。

圖9 纖維水泥嵌板拼裝完成

同理，根據(jù)自適應族樣板特性，將每個面分割成圖紙中規(guī)定的數(shù)量，按路徑和關鍵坐標填充并完成相應鱗片的放置，以空心鋼材平面為參照平面完成放置。

2.3.2 頭部預制拼裝

頭部構件按自適應常規(guī)樣板特性和分層搭建方式，以自動原點到原點導入的CAD參照平面圖為基準點，分別將單元構件族組合預制為子族層，最終完成系統(tǒng)拼裝。

2.3.3 尾部預制拼裝

尾部應用交點方式進行預制組合，設置參照基準點完成最終拼裝。

2.4 協(xié)同檢查

復雜外形各層構件預制拼裝完成后，將其鏈接成工作組，完成整體模型的建立，應用協(xié)同設計對各層系統(tǒng)及整體進行碰撞檢查，排除沖突和鏈接誤區(qū)，提高模型與圖紙信息的精確程度（圖10）。

圖10 三維模型

2.5 工程量自動統(tǒng)計

建筑實體工程量的統(tǒng)計是前期策劃的重點，其涉及材料構造形式、型號和數(shù)量，通過BIM技術應用樣板族精確建模，同時應用族參數(shù)設置，確保構件尺寸變化時仍能滿足工程量自動統(tǒng)計的準確度要求，最終通過明細表的方式自動統(tǒng)計出各類構件的工程量。

3 BIM技術應用效果

前期策劃中，應用BIM技術不僅解決了因圖紙不全、工程信息不完善等問題導致的“三項策劃”（施工組織策劃、成本策劃、資金策劃）開展困難的問題，而且在模型建立方面具有可視化、精確度高、信息全面和直觀清晰等優(yōu)勢。更重要的是，模型的數(shù)據(jù)模擬真實建筑實體效果，工程量自動統(tǒng)計、參數(shù)設置變化協(xié)調(diào)修改等功能得到業(yè)主的高度認可，對其有效、準確、快速決策起到了積極作用，同時也為后期施工策劃和深化設計提供了更多的思路和方法。

3.1 族模型設置參數(shù)變化，構件工廠化預制拼裝

博物館項目外裝飾異形空間變化復雜，二維平面圖無法表達造型信息，通過建立子族的方式，給每個子族添加參數(shù)信息，再結合二維圖平面尺寸組合單元族，將不同種類材質的族團以點、線及面的方式放置于導入的平面圖中，最終鏈接成整體。每個子族都嚴格按照圖紙尺寸要求建立，并配有編號和參數(shù)，施工模擬精確度較高，可直接作為工廠化預制加工清單，通過深化設計后的各構件連接方式和安裝角度最終完成現(xiàn)場拼裝。

3.2 三維模型可視化，數(shù)據(jù)信息自動化

三維模型可快速、清晰地表達各構件的信息，協(xié)助業(yè)主直觀、準確地把握整體造型的難度和做法，后期深化設計時完善局部細節(jié)并以3DMax建模、渲染、動畫等方式展現(xiàn)。BIM技術的應用，不僅能通過三維協(xié)同平臺建模，還能精確、快速地獲得技術經(jīng)濟指標、工程量等信息，完全掌握各構件的變化并對其進行自動統(tǒng)計，方便業(yè)主控制建筑施工規(guī)模和成本，后期可生成材料用量表，并結合多種軟件平臺優(yōu)化建造方案。

3.3 專業(yè)配合，軟件協(xié)同

Revit軟件建立的建筑模型直觀可視，各專業(yè)建模可同時進行，隨時檢查異形空間高度、曲線變化情況。應用Naviswork、3DMax、Dynamo等軟件對整體模型進行渲染、漫游、動畫模擬、碰撞檢查、協(xié)同出圖等分析判斷，協(xié)助業(yè)主對施工方案確定、圖紙審查、成本測算及深化設計內(nèi)容進行決策。

4 結語

BIM技術應用推動了建筑業(yè)信息化發(fā)展進程，工程項目的全生命周期管理已逐步完善，設計與施工不再互相脫節(jié)，而是全面促進和配合[1-2]。隨著參與各方的數(shù)量增多，數(shù)據(jù)建造將實現(xiàn)無圖紙設計、三維審圖模式和智能化成果交付轉型升級。

本工程的BIM技術應用充分符合這一思路。隨著業(yè)主對投資項目管理的日益成熟，前期策劃要求逐步提高，需要施工方協(xié)助解決的問題不斷增多。BIM技術的應用促成了項目的合作與發(fā)展，攻破復雜外形建筑的施工難題，實現(xiàn)資源整合與信息共享。