BIM技術在體育場館幕墻及屋面工程中的應用

文/上海寶冶集團有限公司 付冠超

華潤置地有限公司 卓思文

1 項目概況

西安奧體中心項目作為2021年第十四屆全運會主會場，位于西安市國際港務區(qū)，由“一場”——主體育場，“兩館”——體育館和游泳跳水館組成。

主體育場幕墻系統(tǒng)分為外立面鋁板罩棚幕墻、內(nèi)立面幕墻（框架玻璃系統(tǒng)、百葉幕墻、頂部室外鋁方通吊頂），外立面鋁板塊通過不同角度翻折形成飄帶造型。屋面呈“花瓣”狀，由鋁錳鎂直立鎖邊屋面和聚碳酸酯陽光板屋面系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 體育場幕墻模型

體育館幕墻系統(tǒng)主要包括單元體（窗花單元體、鋁板單元體）、2～3層倒錐形玻璃幕墻、首層玻璃幕墻等。屋面系統(tǒng)主要由內(nèi)外圈鋁錳鎂屋面系統(tǒng)及外圈TPO卷材屋面系統(tǒng)、鋁合金格柵系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 體育館幕墻模型

游泳跳水館幕墻系統(tǒng)為框架玻璃幕墻系統(tǒng)和室外造型柱穿孔鋁單板幕墻系統(tǒng)、鋁單板幕墻系統(tǒng)、百葉幕墻系統(tǒng)等；屋面為單層卷材TPO屋面系統(tǒng)和采光頂玻璃系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 游泳跳水館幕墻模型

2 BIM應用思路

2.1 可視化設計

西安奧體中心項目造型獨特、系統(tǒng)復雜，同時作為西安市重點工程，項目品質要求極高。如何保證施工實體成形效果與設計理念一致，需項目管理者重點關注。

項目要求設計和施工階段的成果資料不僅包含圖紙，而且要求對應一致的提資模型。設計階段的模型深度要求不低于LOD300，保證基于模型可實現(xiàn)設計效果展示、設計優(yōu)化輔助；施工階段的BIM模型深度在LOD400，達到可加工深度。通過BIM模型的直觀表達，設計師可了解第一視角下的整體空間感受和細部節(jié)點構造，推敲細節(jié)，提升品質，為方案可行性和做法提供可靠依據(jù)。

2.2 專業(yè)協(xié)同

對于大型公建項目，一般由主體院負責初步造型方案設計，然后由幕墻設計單位進行具體方案細化、可行性設計、成本控制優(yōu)化等，出具幕墻設計圖紙。最終由施工單位進行深化設計、出圖加工等。基于此流程，可保證各環(huán)節(jié)均由專業(yè)單位負責，保證設計合理性和施工可行性。但對于奧體中心這種特級甲等體育建筑來說，設計周期較短，圖紙設計質量難免受到影響，主體院和幕墻設計單位之間的工作銜接與溝通較難保障；同時專業(yè)交叉較多，幕墻專業(yè)要考慮與土建及鋼結構的結構受力關系、與精裝的收邊收口處理、與機電的風口百葉位置協(xié)調(diào)、與機電管線的空間位置協(xié)調(diào)、與泛光照明及標志標識的節(jié)點處理、與景觀的收口做法交圈等；這些專業(yè)間的交叉如何在設計或深化階段將問題閉合是超極限工期項目的直接需求。

BIM技術是解決專業(yè)交叉問題的有效工具，項目由BIM顧問負責各專業(yè)間的模型審核與整合，建立模型綜合協(xié)調(diào)會審制度及BIM周例會制度，及時將各方需求在模型中反映，進行設計、施工協(xié)調(diào)，保證問題及時閉合。

2.3 深化設計

深化設計是下料放樣、現(xiàn)場安裝的前置條件，對此必須保證深化設計質量和深化設計進度，以保證施工工期和現(xiàn)場施工質量。

國內(nèi)制造業(yè)采用三維深化模型進行加工下料的技術早已成熟，而與制造業(yè)類似的幕墻專業(yè)在國內(nèi)也已實現(xiàn)基于深化模型的深化設計出圖及下料加工。該項目基于BIM模型進行空間及材料加工分析，把控深化設計重難點，同時基于模型提出合理化建議及優(yōu)化方案，保證模型深度與精度，最后基于模型出具構件布置圖、下料圖、坐標分布圖等。

3 BIM技術在設計階段的應用

3.1 參數(shù)化設計

體育場罩棚表皮采用穿孔鋁板擬合成異形曲面，形成飄逸綿延的“絲帶”（見圖4），設計院采用Rhino+Grasshopper技術解決方案進行異形曲面幕墻表皮參數(shù)化、標準化、模塊化設計（見圖5），在效果完美呈現(xiàn)的同時，提高經(jīng)濟性并簡化施工。

圖4 “絲帶”狀罩棚

圖5 異形幕墻參數(shù)化設計

3.2 品質美觀

體育館配套熱身館原設計方案為2層幕墻系統(tǒng)，內(nèi)側為玻璃幕墻，外側為鋁板幕墻，造型與體育館三角窗戶相呼應。從主體設計院的建筑節(jié)點來看，熱身館頂部一圈結構環(huán)梁頂高18.2m，環(huán)梁上方鋁板構造厚0.2m，最頂層鋁板塊頂標高18.4m。這就造成頂部鋁板幕墻板塊高度將變成2.8m，而其下方鋁板的分割均按統(tǒng)一模數(shù)2.6m，二者不統(tǒng)一，給行人帶來視覺差異。為此經(jīng)幕墻設計單位和主體院協(xié)商，決定保證鋁板分割模數(shù)不變，一圈31根結構柱和環(huán)梁標高下降200mm（見圖6），保證設計美觀合理，同時減少部分成本。

圖6 基于美觀要求的立面優(yōu)化

3.3 造型方案對比

設計團隊基于方案模型進行體育場外立面鋁板罩棚造型鋁板的翹曲度分析（見圖7），根據(jù)不同翹曲值選擇曲面成型方案。如圖8所示，方案1選擇三角形與四邊形結合，方案2選擇全部三角形拼接。設計團隊可根據(jù)不同方案模型統(tǒng)計不同翹曲板塊面積、加工工藝及預估模具的套數(shù)，最終確定成本比選。

圖7 造型鋁板翹曲度分析

圖8 曲面成型方案

3.4 協(xié)同優(yōu)化設計

體育場外立面罩棚鋁板采用在環(huán)梁上生根的方式。原主體院鋼桁架設計底部裙擺處豎向桿件不延伸至底部，在幕墻與鋼構模型整合后發(fā)現(xiàn)，由于底部豎向桿件未延伸至底部，造成下方2根環(huán)梁不具備生根條件。經(jīng)協(xié)調(diào)，明確豎向桿件延伸后與橫向桿件干涉，橫向桿件干涉處作空間彎折處理，橫桿與豎桿相貫。后續(xù)考慮到施工時豎向桿件彎折操作不易控制，且橫向桿件改變角度后節(jié)點處的調(diào)整更困難，對此采取在橫向桿件與豎向桿件相貫節(jié)點與內(nèi)側鋼結構增加1道桿件，使橫向桿件受力更合理（見圖9）。

圖9 體育場鋼桁架優(yōu)化方案

熱身館屋面主檁條和鋼構方通龍骨上下垂直布設，主檁條通過在鋼結構龍骨上垂直設連接件進行固定。原設計鋼結構中間檁條間距為2250mm，端部龍骨間距為1500mm。后續(xù)經(jīng)屋面模型與鋼結構模型整合后發(fā)現(xiàn)，端部檁條懸挑1250mm，受力不符合要求，且該位置檁條生根無法落在鋼結構方通上（見圖10）。為此，經(jīng)過模型綜合協(xié)調(diào)會商議，鋼結構軸和軸處龍骨統(tǒng)一向外移動750mm，間距與其他部位一致，均為2250mm。

圖10 鋼構和屋面檁條協(xié)調(diào)

3.5 節(jié)點方案比對

對于體育場外立面鋁板支撐結構，項目設計團隊基于模型提出多種方案，如圖11所示，從直觀可視的角度供業(yè)主方比選。

圖11 體育場外立面鋁板支撐結構方案

3.6 構造節(jié)點優(yōu)化

體育場罩棚鋁板幕墻構造層級由內(nèi)往外為：主鋼構桁架→圓管環(huán)梁→支撐→鋁板，其中最初鋁板支撐采用全抱箍形式在環(huán)梁上生根的設計方案。后續(xù)經(jīng)整合幕墻鋼結構模型發(fā)現(xiàn)，位于桁架鋼構件處的環(huán)梁牛腿與鋁板全抱箍存在沖突，導致后期抱箍無法施工，同時考慮到材料成本，建議優(yōu)化為半抱箍形式。

4 BIM技術在施工階段的應用

4.1 參數(shù)化設計

針對類似屋面構造層材料，如果單純在Rhino中放樣需耗費大量工作精力，而采用參數(shù)化建模技術，根據(jù)計算機擬定的算法自動生成模型數(shù)據(jù)，可極大減少人力重復性工作，提高下料精準度，縮短深化設計時間。

體育場屋面通過參數(shù)化手段批量生成主檁托、次檁托、吊頂板連接角鋼、幾字形襯檁等材料，進行施工放樣下料。

4.2 專業(yè)協(xié)同

體育館外圈屋面功能層設計為單主檁條方案，在深化設計階段將屋面與鋼構模型整合后發(fā)現(xiàn)，該方案在外環(huán)屋面處檁條與鋼結構腹桿碰撞沖突嚴重（見圖12），經(jīng)深化設計協(xié)調(diào)會多方討論，優(yōu)化為雙檁方案，鋼支托上部采用方通增加轉換支架以保證雙檁條生根（見圖13），特殊節(jié)點處建立屋面檁條與鋼結構支托的結構連接，以驗證連接形式合理性（見圖14）。

圖12 單主檁條方案與鋼構腹桿沖突

圖13 雙檁方案

圖14 特殊位置鋼支托與主檁條連接方式

體育館外圈功能層屋面設16個風井，風井周邊共設置127臺風機，風機基礎采取在鋼結構檁托上生根。由于風機基礎框架弦向龍骨固定在風井徑向龍骨上，相交節(jié)點處風井側墻鋁板被截斷需分縫處理。對此，幕墻單位根據(jù)機電設備基礎提資深化模型，進行龍骨調(diào)整和鋁板分縫深化（見圖15）。

圖15 風井龍骨優(yōu)化調(diào)整對比

4.3 構造節(jié)點優(yōu)化

體育場屋面根據(jù)風荷載分區(qū)劃分，次檁條的種類和間距不一致，造成2種間距交接處次檁條接頭位置空間較小，最窄處2種次檁條已經(jīng)交叉，無法設置檁托板（T形，150mm×108mm×8mm）。對此，將端部次檁托板由原來的T形鋼板優(yōu)化為2片角鋼（100×60×6）錯開設置（見圖16），保證施工空間。

圖16 復雜節(jié)點次檁板優(yōu)化

熱身館屋面格柵龍骨采用鋼方通立柱直接焊接在鋼結構工字梁上，但經(jīng)專業(yè)間模型整合，共發(fā)現(xiàn)42處豎向方通與鋼結構主檁相交。后續(xù)經(jīng)過深化設計會上各方討論協(xié)商，在鋼結構檁條已下料無法改變的情況下，屋面方通進行開洞，洞口大小為166mm×215mm，保證檁條可從洞口穿過，同時方通在開洞處兩邊施焊加勁板保證方通受力穩(wěn)定性。

4.4 深化加工

當前幕墻構造及功能形式日趨復雜多樣，設計和施工難度加大，傳統(tǒng)施工方法在埋件精確定位、深化設計、材料下單、構件加工、運輸安裝等環(huán)節(jié)均難以實施，而BIM技術的出現(xiàn)，正好打通整個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)幕墻專業(yè)的“裝配化”施工。

以體育館鋁板單元體為例，首先基于設計模型進行深化，根據(jù)碰撞檢測和施工工藝進行類似節(jié)點優(yōu)化等工作，待深化設計通過審核后，將模型導入Pro-e（集成設計加工生產(chǎn)，制造工業(yè)化主流軟件）生成完整工藝參數(shù)模型，隨后導入數(shù)控機床進行智能加工，極大提高加工出圖效率（見圖17）。

圖17 幕墻深化加工流程

4.5 施工模擬

在施工過程中，為更好地表達施工意圖，項目對幕墻安裝方案進行可視化模擬，可更好地發(fā)現(xiàn)施工重難點，使施工思路更明確，同時可實現(xiàn)匯報可視化、交底直觀化。

5 結語

西安奧體中心“一場兩館”幕墻專業(yè)在設計階段即通過BIM模型驗證方案、深化招標圖紙精度，同時模型延伸到后續(xù)施工階段，進行深化設計、加工下料，創(chuàng)造了極高的效益。在BIM應用過程中得出以下結論。

1）針對幕墻專業(yè)，BIM技術可提供參數(shù)設計、深化設計和加工制造的解決方案。

2）基于模型可視化和多專業(yè)模型整合，可輔助設計方案比選，發(fā)現(xiàn)設計“錯漏碰缺”，提高設計質量。

3）施工階段基于BIM模型，各參建單位可更好地協(xié)同，對專業(yè)交叉點進行施工工序把控，技術交底，規(guī)避設計和現(xiàn)場施工脫節(jié)，保證“一次成優(yōu)”，避免返工。

4）對于大型體育場館項目，BIM技術可進一步提升項目的精細化管理，對項目的高品質呈現(xiàn)、成本優(yōu)化、工期提前具有極高的輔助價值。