BIM技術在異形雙曲面清水混凝土施工應用

陳群源

（上海城建信息科技有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著建筑行業的發展，公眾審美眼光日益提升，橫平豎直的建筑外觀逐漸難以滿足公眾的審美需求，不拘一格的異形建筑越來越多地出現在公眾的視野。然而異形建筑的建造過程往往會遇到定位困難、材料浪費的難題。該文主要分析異形雙曲面清水混凝土工程利用BIM技術解決施工放樣定位、材料加工遇到的問題。

1 BIM技術

BIM技術是建筑設計信息的重要模式，是一種工程設計的應用方式。通過建筑工程設計、數據化管理的應用，構建三維模型輔助設計施工深化。從構件的導向方式入手，結合電腦輔助操作設計規范方法，使建筑模型直觀地呈現。BIM技術能夠幫助建筑企業進行集成化設計施工管理。從建筑設計的數據分析，到建筑施工的項目結構優化，實現各項數據信息的融合，構建三維模型化的數據庫評估。傳統的建筑繪圖制造主要是通過點、線、面進行體系化元素分析，而BIM技術可視化、參數化設計操作更加具有塑造性。該技術通過幾何設計方式，能夠將各類信息數據建立模型，確定實際設計施工過程中最優的方案，重視多領域可塑性水平的評估分析，加強對技術數據信息化的融合評測，滿足多數據可能性的測定優化。

2 項目概況

榮成少年宮項目位于榮成市奧體中心南，櫻花湖公園東，由綜合館、科技館、圖書館、游泳館4個場館組成，不同場館間均分布著拱形通道、球體、傘形柱等異形構件，地上3層、地下1層，分為游泳館、科技館、圖書中心、藝術培訓、兒童活動、動感劇場、綜合服務等，建筑面積4.8萬m2，清水混凝土展開面積3.3萬m2（如圖1）。

圖1 建筑剖面圖

3 項目難點分析及解決辦法

榮成少年宮由于清水混凝土均為異形雙曲面飾面清水混凝土構件，其中拱形通道、圓筒剪力墻、錐形筒剪力墻、游泳館傘形柱、科技館球體、雙曲面出入口及外墻造型復雜且允許誤差低，該工程拱形通道分雙曲面結構和單曲面構件2種，共計8處，其中最大拱形通道為編號T2直徑達20m，長約48.9m，兩邊分別設置有不同尺寸耳門。針對該工程存在超大截面拱形通道、球體、傘形柱等異形清水混凝土構件對模板、鋼筋下料與敷設要求高的特點，在現場施工前采用BIM可視化軟件對其進行驗證，該項目主要采用Rhino、Grasshopper軟件對其模板與鋼筋體系進行建模、拆分、編號，確保各種類型構件模板、鋼筋現場拼縫準確及精度滿足要求，由于采用參數化建模分割及材料編碼，減少了由于分割不合理造成的材料損耗，施工現場根據模型構件導出的編碼圖，有序調配材料并分配到各個施工班組進行搭接拼裝，提高現場人員工作效率。

3.1 異形構件模板體系參數化分割

榮成少年宮特有的異形雙曲面結構，幾乎沒有橫平豎直的結構體，這導致項目結構體施工過程模板加工異常復雜，施工過程通過BIM模型多次推敲，尋求最美觀最合理的模型布置方案，與設計方多次協同溝通，共同探討參數化設置規則，以參數化模型為基礎建立了跨越專業、跨越團隊、跨越地區的溝通平臺。設計方實時對所有深化設計成果及各部位的施工節點及轉折變化關系進行審查復核。深化設計生成指導施工的圖紙在整個施工過程十分重要，包括模板下料，安裝及最終效果都有具體的體現。圖紙深化以施工模型為基準，通過犀牛軟件將施工工藝的做法反應到具體模型，利用犀牛軟件“攤平可展開的曲面”命令，將3D實體模型轉化為2D加工圖紙。圖紙導出后根據模型實物編號，將每個導出的CAD模塊整合、編號[1]。項目施工準備階段BIM咨詢方、設計方、施工方3方進行長達4個月的集中辦公深化設計配合和校對，將拱形通道、球體等結構模型拆解。模板體系現場加工利用Grasshopper軟件將參數化模型分割、編號、攤平、導出二維加工圖紙（如圖2、圖3），確保所有禪縫交圈，將排板誤差降低到零。通過參數化設計分割的模板體系使模板切割利用率達到最高，降低模板損耗率。一線施工人員只需要持有模板拼接圖，調取已經切割好的模板，已 “搭積木”的方式根據相應編號進行對應拼裝。

圖2 拱形通道深化設計排版圖

圖3 球體深化設計排版圖

通過前期對模型的深化搭建，使設計成果在Rhino軟件自帶插件Grasshopper的智能“拆分”功能形成模板加工圖，將生成的CAD圖紙導入全自動數控雕刻機床，機床控制主機識別雕刻路徑信息，每片模板實現自動化精確雕刻，保證尺寸準確，切口平整，且誤差控制在2mm內。雕刻過程工人對逐個片模型進行編碼，安裝現場根據模板編號參照三維模型構件的編號情況，有序調配材料分配到各個施工區域，施工班組進行現場搭接拼裝，有效提高現場人員工作效率，經統計該項目利用參數化模型導出2000余張深化圖紙指導現場施工。

由于大面積清水混凝土施工對澆筑過程模板的穩定性要求高的要求，該項目為了保證異形雙曲面的表觀形態，單獨建立了數字化的定位體系及數字圓盤定位體系，解決空間形態的定位問題。確保項目拼縫準確及精度，該項目創造性采用了雙層優質模板體系，底層襯板為受力的12mm厚或17mm厚優質覆膜板，面板為量身定制的6mm厚優質清水專用覆膜板，安裝拼縫大小控制在0.5mm；通過雙層面板的應用，該項目拼縫優良率達到了95%以上。

3.2 數字化定位放樣

該項目空間跨度最大的是游泳館區域，整個區域僅靠6根開花型巨柱支撐，傘形柱形態各異，雙面曲線的結構采用傳統的手段難以放樣，因此每根柱體都需要建立一套數字化定位體系及數字圓盤定位體系，解決空間形態的定位問題。傘形柱施工放樣前運用BIM技術在Rhino軟件自帶插件Grasshopper中對柱體定位點進行“等分”，將每根傘形柱平均拆分出1580個定位點（如圖4），施工現場將全站儀與Grasshopper插件之間實現雙向通信，將控制點實時投影到地面形成二維軸測網精準定位，定位過程每個控制點都至少完成2次校核，發現誤差及時調整，確保每個定位點做到精準定位，另外拱形通道整體通過主控線及輔助線來控制這個施工流程，測量員采用全站儀及水平儀來輔助整體施工，要求點、線、坐標、尺寸、標高等必須精準。根據已知標高點，利用3D-2D軟件對不同標高做輔助切線，從而得到地面投影控制線，控制拱形通道過程放樣施工。拱形通道測量放線根據其平面圖紙，施工全站儀根據具體尺寸、節點在施工場地放樣。具體采用全站儀先將定位鋼管定位，拱形通道定位鋼管為沿結構長邊縱向搭設，間距為沿每根緊貼拱形通道殼體的橫桿搭設，然后根據深化圖紙定型的木質背楞，沿定位鋼管按加固要求間距，以背楞編號依次對不規則拱形通道敷設定型[1]。

圖4 傘形柱構件定位實例

清水混凝土面對裝飾裝修施工工藝要求高，不能進行二次剔鑿，對機電末端的定位要求極高，異型構件的空間定位利用傳統二維圖紙很容易造成定位錯誤，該項目采用BIM進行精確定位在設計階段將界面預留的水暖電洞口、智能化設備攝像頭、控制盤等考慮在內，通過模型預留洞口進行精細化的設計表達，有效避免傳統施工時臨時鑿洞對結構造成的影響。

3.3 異型鋼筋精確下料

該項目異形清水混凝土構件外觀樣式復雜，項目幾乎沒有1根標準長度尺寸的鋼筋，國內外常規的鋼筋計算軟件均無法計算鋼筋下料長度，只能使用BIM軟件，通過先建模后分析，由于鋼筋布置結構樣式息息相關，項目前期已經通過Rhino軟件搭建結構模型，所以鋼筋模型的建立可以在已經搭建的結構模型中進行，反過來有利于驗收鋼筋模型是否超出結構輪廓（如圖5）。鋼筋模型搭建完畢后，根據工程施工進展需要對每一個結構構件內的每一根橫向、豎向鋼筋進行編號，通過Rhino軟件自帶明細表功能對鋼筋長度統計，Rhino軟件內可以選擇對應鋼筋，明細表內即可高亮顯示鋼筋長度，現場加工人員根據明細表長度實現對鋼筋切割精確下料。該項目采用Rhino對鋼筋模型搭建統計，使得現場鋼筋敷設鏈接緊密，縮短施工周期，確保清水混凝土的完成質量。根據估算該項技術將節約施工工期40d左右，節省測量定額工約200個（如圖6）。

圖5 傘形柱鋼筋布置

圖6 傘形柱鋼筋綁扎

3.4 雙層模板拼接體系

大面積清水混凝土施工不僅對澆筑過程模板的穩定性要求高的要求，而且為了保證異形雙曲面的表觀形態滿足設計要求，該項目創造性采用了雙層優質模板體系，底層襯板為受力的12mm厚或17mm厚優質覆膜板，面板為量身定制的6mm厚優質清水專用覆膜板，安裝拼縫大小控制在0.5mm，通過雙層面板的應用該項目拼縫優良率達到了95%以上（如圖7）。同時清水混凝土面對裝飾裝修施工工藝要求高，不能進行二次剔鑿，對機電末端的定位要求極高，異型構件的空間定位利用傳統二維圖紙很容易造成定位錯誤，該項目采用BIM進行精確定位，在設計階段將界面預留的水暖電洞口、智能化設備攝像頭、控制盤等考慮在內（如圖8），通過模型預留洞口進行精細化的設計表達，有效避免傳統施工時臨時鑿洞對結構造成的影響。

圖7 雙層模板拼接體系

圖8 末端定位

4 結語

山東榮成市少年宮項目采用BIM技術輔助施工，經過多年的應用實踐，建立了一套成熟的技術應用體系，充分發揮BIM技術虛擬建造的優勢，成功實現了設計模型施工深化出圖、模板體系、鋼筋體系構件編碼和精準下料、結合自動化數控機床切割物聯網技術的精細化應用，有效減少異形構件施工過程材料浪費。相信隨著BIM技術的不斷推廣和行業相關制度的完善，BIM技術將被更加廣泛地應用到工程項目上，該項目結合BIM技術的精細化施工管理將為行業內同類型項目建設提供借鑒參考。