BIM技術在異形幕墻中的應用研究

任秔懌，肖宜盟，鄭文豫，丁 軻，邢利英，魯 菁

(1.南陽師范學院,河南 南陽 473061; 2.中國電子系統工程第二建設公司,江蘇 無錫 214000)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展,建筑行業在國民經濟中的重要地位進一步穩固,推動了幕墻行業的發展。與此同時,越來越多的異形曲面幕墻應用于綜合體、大劇院等建筑物,其施工難度和管理難度較大,僅靠傳統的二維技術已經無法保證項目的施工質量及管理水平,因此需要依靠BIM技術解決上述問題,國內外已有部分學者對此做了研究。

王桂玲[1]認為利用BIM技術可視化和模擬性的優勢特點,可以對施工難點進行模擬并針對出現的問題及時做出調整,提升了施工的管理優化水平,進一步縮減工期,節約成本。陳亮等[2]將參數化BIM軟件RIHNO應用于施工過程,解決了復雜環境下幕墻附著結構表面精準定位、幕墻-結構合理性檢查優化、幕墻構件智能拆分等難題。張怡等[3]以國家速滑館項目為例,從深化設計階段、構件加工階段、施工階段著手,基于掃描復測和BIM參數化設計,使模型數據傳遞至加工生產,實現了幕墻精準高效施工。駱曉輝等[4]針對實際項目,將BIM技術應用于鋼框架結構體系的幕墻附屬結構,包括深化設計過程中相關構件節點設計原理及節點形式的選用。

在國內,BIM技術在異形建筑幕墻中的應用尚未有具體的標準和成熟的體系參考,所以解決BIM技術在異形建筑幕墻的全生命周期中的合理高效應用至關重要[5]。本文將以宜都市大劇院為例,分析該項目施工過程中的難點,并對BIM技術在異形幕墻設計階段、施工階段及運維階段的應用進行研究,以期為類似工程的研究提供思路與參考。

1 工程概況

宜都市大劇院作為市民綜合活動中心(如圖1所示)是當地對外進行文化交流的重要載體,項目位于湖北省宜都市姚家店鎮劉家嘴村,總建筑面積約為10.82萬m2,內含會展中心和市民活動中心兩個建筑工程項目,其建筑面積分別為33 730 m2和74 492 m2。

宜都市大劇院分為體育區和文化區,其中體育區包含B1體育館和B2射擊館兩個建筑單體,建筑面積分別為20 172 m2和2 620 m2。文化區包含大劇院、圖書館、博物館、文化館和高配壓電室5個建筑單體,其建筑面積分別為18 066 m2,11 242 m2,7 632 m2,14 462 m2和258 m2,其中大劇院主體結構分為上下兩部分,地上建筑面積約14 386 m2,地下建筑面積約3 680 m2。

2 項目難點

異形體幕墻空間的造型特殊性導致整個建筑幕墻工程的施工難度大幅度提升。本項目的結構類型為鋼筋混凝土框架結構,樁基選用預應力管樁,其幕墻及外墻均為外部平滑的曲面,單元構件較多且每個構件的曲面曲率各不相同,其中曲面異形幕墻的節點處理尤為困難,在二維平面及三維空間上均存在一定程度的誤差。如果構件安裝精度不高,將會導致建筑外部表面參差不齊。因此在該劇院施工階段,保證其造型美觀以及幕墻嵌板、外墻的自然對接等存在一定難度。

為解決上述問題,保證該劇院項目的高質量和美觀性,方便后續的運營維護,需建立該劇院的BIM模型。本文利用Revit軟件,采用體量建模方式對湖北省綜合大劇院進行建模研究。

3 BIM技術在項目中的應用

3.1 設計階段

本項目的幕墻及外墻均為曲面,其曲線方程難以確定,因此建立曲面幕墻和外墻存在困難。利用Revit軟件中內建體量的方式繪制出與圖紙同比例的曲線,在立面創建參照平面,并在該平面放置參照點以確定外部輪廓形狀,通過Revit自適應幕墻網格建立幕墻族,如圖2所示。

將生成的實體形狀載入到項目中,選中創建完成的體量,載入幕墻嵌板并參數化修改網格的布局、間距、尺寸等類型屬性,所得的湖北省綜合大劇院幕墻系統和建筑表皮如圖3,圖4所示。利用BIM體量技術進行設計,能夠減少異形體建筑設計的時間成本,且能更直觀地處理內部空間與外皮表面的關系。通過墻面的曲線設計來圍合出室內空間的不同功能區域,更加巧妙的連接各個功能區,將每一個空間充分利用起來。最終所得的湖北省綜合大劇院建筑模型如圖5所示。

在不影響建筑物日照間距的情況下,在劇院的頂部加一段玻璃斜窗(如圖6所示)。實現了建筑物面積最大化,產生良好的經濟效益。通過日照模擬分析發現(如圖7所示),增加斜窗后綜合大劇院的采光充足,改善了隔熱保溫的問題,同時使屋頂具有良好的防水效果。

在幕墻的施工與裝飾裝修階段,常常發生幕墻與其他建筑構件之間發生碰撞的問題。在本工程的深化設計階段,利用BIM技術,在Navisworks軟件中進行碰撞檢查、凈高分析等,根據得出的碰撞報告,在施工前及時協調各專業部門修改解決碰撞問題,避免返工、延誤工期、增加成本等問題,保證幕墻施工的完整性[6]。

3.2 施工階段

在本項目施工前期,將BIM模型以及三維場地布置模型結合。根據現實環境情況,在綜合大劇院的三維BIM模型中預先建立施工場地模型,直觀展示和驗證現場布置,輔助進行尺寸量取、行車空間模擬、場地合理性驗證等工作,確定異形體建筑各專業的空間位置關系。本項目的三維場地布置模型如圖8所示。

對照湖北省綜合大劇院的BIM模型,確保單元體幕墻與湖北省綜合大劇院之間能夠準確連接。對本項目模型與單元體幕墻位置進行二次復核校驗,確認無誤后,利用BIM體量對異形體建筑表皮進行定位和數據提取,通過對構件進行編號,能夠方便快捷地找到需要修改的構件,避免二維平面圖紙修改構件信息時的不便。

根據本項目圖紙的設計要求,利用GLS插件以BIM體量的方式,對玻璃嵌板、門嵌板、窗嵌板等不同構件按照X,Y,Z軸順序依次編號,能夠幫助施工人員準確掌握構件的安裝位置和信息,把握施工過程中的難點、要點,為施工階段提供了有效的數據分析及計算,避免施工過程階段的建筑材料浪費和施工工期延誤。部分幕墻嵌板編號如圖9所示。

針對本項目高空作業時難度大、危險性高,幕墻安裝技術要求高等問題,利用BIM技術,可在施工前對施工過程進行模擬,及時發現施工過程中潛在的問題,提前預防。同時利用BIM技術可以生成詳細的施工動畫,分析施工過程中的技術難點和重點,增強不同專業的協同,減少頻繁交叉施工,合理分配資源,鏈接工作過程,對施工人員進行三維技術交底,指導施工人員精細施工。在施工過程中,通過施工模擬,可清楚地看到幕墻的施工進度,實現進度計劃與工程構件的動態鏈接。同時利用BIM5D技術對比實際進度,動態預覽施工現狀,反映施工整體進展狀況,為施工組織安排調整提供保障。同時利用移動APP提高施工現場與各方的信息傳遞效率,保證幕墻在施工過程中的安全性、完整性和高效性。

3.3 運維階段

該項目在設計、施工之后進行竣工驗收,將各種施工圖紙、建筑表皮模型、體量構件等信息匯總,由于數據信息和資料繁多,可利用BIM技術來對項目進行運營維護[7]。

BIM體量形成的建筑表皮,可對信息數據進行整理,通過BIM數據庫進行儲存,實現了BIM應用之間的聯動[8]。利用BIM技術,可以對湖北省綜合大劇院建筑進行樓層、體積、面積等形式分析,導出相應的數據,供業主方或運營方對樓房數據進行了解。同時將建筑構件信息及已購入的設備信息錄入至設備管理系統,以便后期進行管理和維護。

對比傳統的異形體建筑,BIM技術具有獨特的立體三維模式,能夠實現對建筑的可視化管控。將可能發生的危險情況進行模擬,根據顯示在三維模型中的事故區域,模擬出最佳逃生方式,保障建筑物內人員的生命及財產安全。

4 結語

本文將BIM技術應用于宜都市大劇院建筑幕墻的設計階段、施工階段和運維階段,解決了異形曲面幕墻定位難、安裝難、管理難等問題,減少了異形體建筑設計的時間成本,避免了施工過程階段的建筑材料浪費和施工工期延誤,并且能夠對建筑實施可視化管控,從而保障建筑物內人員生命及財產安全。