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，業主要求做出詳細的施工策劃（外裝飾）、工程量統計，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、尺寸數據，按照施工工藝路徑設置族參數，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同優化、定點定位，生成外裝模型。

2.1 關鍵坐標數據提取

根據平面圖、立面圖和部分詳圖，按照外裝飾分解構件的坐標數據進行提取，2座建筑共有55根不同規格的空心鋼材管門框架主龍骨，需讀取其平面位置、規格尺寸、轉角高度及頂點標高數據，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、標高等數據（圖3）；尾部分別讀取每塊梯形夾板尺寸、標高、仰角等數據，以及鋼材龍骨規格尺寸、標高、周長等數據（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據（圖5）；側翼鱗片分別讀取多邊形尺寸、連接高度及仰角等數據（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模型族樣板，設置兩自適應點間的距離為報告參數，根據該參數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

根據頭部各層單元構件關鍵數據，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模型族樣板，設置相應板塊參數，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

尾部翼板根據尺寸、傾斜角度應用自適應公制常規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模型族樣板，設置單個構件側框長度為報告參數，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模型族樣板制作嵌板子族，添加長度、寬度參數均為共享的報告參數，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，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據進行預制拼裝，準確完成主龍骨系統的建模（圖8）。

圖8 空心鋼材管門框架體系建模

根據自適應族樣板特性，將每個面分割成需要的數量，填充相應的嵌板，即在項目中根據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，根據自適應族樣板特性，將每個面分割成圖紙中規定的數量，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，應用協同設計對各層系統及整體進行碰撞檢查，排除沖突和鏈接誤區，提高模型與圖紙信息的精確程度（圖10）。

圖10 三維模型

2.5 工程量自動統計

建筑實體工程量的統計是前期策劃的重點，其涉及材料構造形式、型號和數量，通過BIM技術應用樣板族精確建模，同時應用族參數設置，確保構件尺寸變化時仍能滿足工程量自動統計的準確度要求，最終通過明細表的方式自動統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勢。更重要的是，模型的數據模擬真實建筑實體效果，工程量自動統計、參數設置變化協調修改等功能得到業主的高度認可，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，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場拼裝。

3.2 三維模型可視化，數據信息自動化

三維模型可快速、清晰地表達各構件的信息，協助業主直觀、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并以3DMax建模、渲染、動畫等方式展現。BIM技術的應用，不僅能通過三維協同平臺建模，還能精確、快速地獲得技術經濟指標、工程量等信息，完全掌握各構件的變化并對其進行自動統計，方便業主控制建筑施工規模和成本，后期可生成材料用量表，并結合多種軟件平臺優化建造方案。

3.3 專業配合，軟件協同

Revit軟件建立的建筑模型直觀可視，各專業建模可同時進行，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、協同出圖等分析判斷，協助業主對施工方案確定、圖紙審查、成本測算及深化設計內容進行決策。

4 結語

BIM技術應用推動了建筑業信息化發展進程，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，而是全面促進和配合[1-2]。隨著參與各方的數量增多，數據建造將實現無圖紙設計、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展，攻破復雜外形建筑的施工難題，實現資源整合與信息共享。