BIM技術在襄陽東站幕墻項目中的應用

程希奇 李 蓓 陳炳任 邱繼 徐志良

(中建深圳裝飾有限公司，深圳 518035)

引言

“BIM技術是中國建造的起步，數字建造是我們目標”，這是筆者參加“第六屆BIM技術國際交流會”[1]后最真切的感受，幕墻在建筑領域中，具有“小工業”、“裝配式設計制造”之稱，幕墻工業化發展已經成為行業的發展趨勢[2]。BIM以其可視化、可協調、參數化等特點，有效減少幕墻設計變更、結構碰撞、施工返工，參數化實現深化出圖下料，有效提高項目質量與效率，保證建筑外觀效果與設計建造質量。BIM技術是幕墻數字化設計建造進程中必不可少的，對提升幕墻項目的設計標準、安裝質量、工程進度具有重大意義，為項目實現降本增效。本文從襄陽東站幕墻的深化設計、出圖下料與施工指導等方面闡述在鐵路站房類建筑幕墻[3]設計建造中的應用，參數化技術輔助幕墻深化，點集工作流程實現自動化下料，模擬和指導裝配式施工等技術的應用思路，對今后鐵路站房、大型場館等空間桁架類的幕墻工程設計施工具有參考意義。

1 項目簡介

1.1 項目概況

襄陽東站位于襄陽東津新區，選址于內環南線東延伸段和中環東線交會處的西北側，東津大橋東側約7km處，襄陽技師學院東津校區北側。

襄陽東站(圖1)的設立將凸顯襄陽市東津新區的區位優勢，從而為新區帶來更大的人流、物流、信息流，促進東津新區的快速發展。襄陽東站將形成集高鐵、城市軌道交通、公交車、長途客車、出租車、城市航站樓于一體的綜合交通樞紐，實現多種交通方式“無縫對接”和“零距離換乘”，成為湖北襄陽的“新門戶”和“新地標”，也將成為全國高速鐵路網的重要樞紐節點。

圖1 襄陽東站效果圖

襄陽東站建筑總面積222 600m2，主站房88 178m2，高架夾層預留商業及高架層馬道12 085m2，高架人行平臺12 646m2，建筑總高度49.801m，屋面最高點標高50.100m，幕墻最高點40m，總面積66 927m2。

襄陽東站造型以現代時尚、簡潔大氣為主，采用“束腰形”平面，弧形線條增加了站房的動感和可識別性，同時也添加了襄陽文化元素。此次襄陽東站的設計方結合襄陽的地域和文化特征，提出了“一江兩岸、漢水之城”的設計創意，讓高鐵站較好地體現了漢水文化、古城文化、圖騰文化、襄陽東大門等元素和特征。

1.2 幕墻系統概況

襄陽東站從上至下分為檐口、高架屋、采光頂飄帶、站臺站、出站層(圖2)。

圖2 襄陽東站區域劃分

幕墻系統類型有玻璃幕墻、鋁板幕墻、石材幕墻、鋁格柵。檐口為全鋁板幕墻系統，高架層為鋁板裝飾柱幕墻系統、玻璃幕墻系統； 采光頂飄帶為玻璃幕墻系統、鋁板幕墻系統； 站臺層為玻璃幕墻系統、鋁板幕墻系統、石材幕墻系統； 出站層為玻璃幕墻系統、鋁板幕墻系統、石材幕墻系統、鋁格柵幕墻系統(圖3)。

圖3 襄陽東站幕墻系統

2 項目重難點分析

結合BIM模型組織對項目進行重難點分析，確定項目的重難點主要有：

(1)幕墻系統種類繁多，造型及要求高。包含明框玻璃、彩粙玻璃、采光頂、斜面玻璃、鋁板裝飾柱、石材、鋁格柵等類型；

(2)檐口鋁板系統東西面跨度325m，南北面跨度198m，每個分格的直面板旋轉1度，拼接成圓弧面，需要對圓弧面優化成直面板進行加工安裝(圖4)；

圖4 檐口鋁板系統

(3)檐口鋁板系統東西面中間位置內傾，而兩側為豎直面，從中間向兩側扭轉過渡(圖5)；

圖5 檐口鋁板系統扭轉面

(4)檐口與高架層、站臺層的分縫需要豎向對齊，確保整體的外觀效果(圖6)；

圖6 分縫外觀效果

(5)檐口鋁板系統在東西側曲面扭轉位置與南北側弧面相交，優化及安裝必須保證兩個面的平滑效果，給設計與加工帶來困難(圖7)；

圖7 檐口鋁板曲面扭轉位置與弧面相交

(6)玻璃系統與鋁板裝飾柱大樣節點復雜，傳統二維圖紙難于表達清楚，在溝通與設計上難度增大(圖8)；

圖8 玻璃幕墻系統節點

(7)檐口鋁板系統及采光頂飄帶鋁板懸挑系統安裝在空間網架上，安全系數低、時間緊，造成施工難度大，需要運用施工模擬確定施工方案及指導施工。

3 BIM應用目標

(1)解決設計碰撞問題：建立施工應用LOD400精度模型[4]，根據提供的建筑、機電、結構模型進行碰撞檢查，解決設計中的干涉問題[5]。

(2)推進深化設計：配合項目進行異形玻璃采光頂、檐口鋁板系統、懸挑鋁板系統、鋁板裝飾柱系統的優化工作，協助解決金屬屋面與采光頂、檐口等系統的收口問題。

(3)實現數字化下料：針對采光頂、檐口鋁板系統、懸鋁板系統、鋁板裝飾柱等復雜幕墻實現數字化下料[6]。

(4)實現施工指導：根據項目施工重難點，運用BIM技術完成檐口鋁板系統的裝配式單元劃分、空間安裝定位等問題，制作裝配式安裝模擬動畫[7]，實現裝配式施工指導。

4 BIM技術應用

BIM技術應用簡要思路：BIM深化設計階段，通過建立幕墻BIM模型與外部、內部模型進行碰撞檢查，解決存在的設計問題； 通過節點、大樣模型配合設計師完成幕墻深化設計。下料及施工指導階段，通過編寫參數化程序對曲面進行區域劃分，針對各個區域進行曲面分析、圓柱面檢測、單雙曲優化和曲面分割，完成鋁板下料； 疏理施工重難點，運用BIM技術完成裝配式施工單元劃分、空間定位和動畫模擬，實現施工指導(圖9)。

圖9 BIM技術應用思路

4.1 深化設計階段BIM技術應用

4.1.1 運用BIM碰撞檢查技術，解決設計干擾問題

為核對圖紙，解決建筑、結構與幕墻專業的干擾碰撞問題，確保深化圖紙正確，通過建立出站層、站臺層、高架層及檐口、采光頂的幕墻BIM模型，加載建筑、結構、機電模型，運用BIM三維可視化設計和碰撞檢查技術[8]，共解決碰撞干擾的設計問題126項(圖10)。

圖10 BIM碰撞檢查

4.1.2 檐口鋁板系統分析與優化

運用Rhino的曲面分析模塊，建立檐口鋁板系統，編寫參數化程序對鋁板檐口不同位置曲面曲率進行分析：直面板約占58.3%，單曲面板約占40.5%，雙曲面板約占1.2%(圖11)，為解決檐口鋁板系統優化問題提供依據。

圖11 檐口鋁板曲面階差分析

檐口鋁板東西面扭轉位置與南北面底部雙曲面位置相交接，一方面要確保交接位置質量效果和便于施工，另一方面優化需要確保扭轉面的順滑性。

優化過程中，與建筑設計師溝通確認，以交接面的線為基準線，進行優化。利用參數化計算出最接近基準線線型的圓弧線，通過圓弧線把南北面底部的雙曲面優化為單曲面和直板面，確保底部的順滑度。扭轉位置雙曲面的調整需要不同分割線的進出位置，在保證順滑度的同時優化為平直面，通過退火模擬算法計算調整頂面線，部分雙曲面板優化為單曲面，部分可以優化為平直面，經過計算，通過調整豎直分割線，實現了雙曲面全部優化為平直面(圖12)。

圖12 檐口鋁板交接位置優化

4.1.3 外觀方案優化

(1)檐口鋁板與高架層斜面玻璃系統分縫外觀優化，通過BIM參數化技術，提取檐口弧線與高架層弧線進行分析，根據編寫的算法進行分割，實現鋁板檐口與高架層的分縫對齊外觀效果(圖13)。

圖13 檐口鋁板系統與高架層對縫方案

(2)高架層與站臺層層間鋁板系統外觀方案優化，由于高架層鋁裝飾柱整體為類扇形的彎弧，原方案中層間鋁板分縫與出站層鋁板為錯縫情況，影響整體效果，利用BIM技術，以裝飾柱中線為定量進行分格調整，確保了出站層每塊鋁板對應1個裝飾柱的分格效果(圖14)。

圖14 層間鋁板系統對縫方案

4.1.4 幕墻系統節點優化

按照業主要求，站臺層、出站層玻璃幕墻系統中需增加防火設計，通過BIM參數化模擬分析(圖15)，在玻璃幕墻系統中增加鋁合金隔斷可以達到業主需要的防火設計要求(圖16)。

圖15 玻璃幕墻防火設計熱工模擬

圖16 防火幕墻方案

4.1.5 采光頂飄帶懸挑鋁板系統優化

采光頂飄帶懸挑鋁板系統是順飄帶走勢向外懸挑的架空造型(圖17)，經過前期碰撞檢查調整后，懸挑上下面均為單曲面，為確保安裝效果和降低成本，對懸挑上面下進行平面優化。

圖17 采光頂飄帶懸挑鋁板系統

通過等距切割取樣后，進行四邊面分析，檐口上曲面圓弧半徑較大，調整為平板后整體過度比較緩和，拼接的順滑度與原曲面基本無誤差，上曲面鋁板可以統一優化為平面板(圖18)。

檐口下曲面橫向分格間距較大，通過曲面分析后，優化成平板的效果無法滿足設計要求，最終保留曲面原有的弧度，采用單曲面的密拼做法，保證了檐口圓滑過渡的效果(圖19)。

圖18 優化前后的平面鋁板效果

圖19 下曲面優化后的效果

4.2 BIM參數化點集出圖下料

在鋁板系統下料中，鋁板板塊多樣，規格多種，為提高工作效率，我們研究出參數化點集工作流的出圖下料方式。在以往的參數化下料中，板塊的改動影響尺寸規格，需要調整參數進行下料，增加了下料的步驟和時間。點集工作流的方式不需要改變模型再重新拆模、排序、下料，采用點集的路徑篩選，直接改變受影響的下料板塊。由于拓撲關系得以保持，下料模型、圖紙、數據實現了按修改同步更新，極大提升了下料效率。點集工作流python程序及完整工作流程如圖20-21。

圖20 python點集篩選代碼

圖21 參數化點集工作流程

下面以最復雜的高架層鋁板裝飾柱中的ZSZLB-5-10-6編號鋁板，也即第5根裝飾柱、第10層、第6塊平邊四邊(含弧邊)板為例，介紹點集工作流程的部分下料細節。

對于這樣的板塊，關鍵信息為四條邊的邊長、弧邊的半徑。應鋁板加工廠技術員的要求，對每塊板的各邊長、對角線長、弧半徑(如果有)等信息作為一行數據進行批量輸出[9](圖22)。在以往的工作流程中，類似弧邊的半徑出現變化或尺寸規格調整，那么需要重新調整參數、拆模、排序等操作，通過點集工作流可以實現自動化處理。

圖22 裝飾柱鋁板下料信息

為方便同類型板依次加工和提高現場物料管理、施工組織，通過調整輸出表格的編號順序，以同柱子每層相同位置的板塊為相鄰行的順序輸出表格(編號保持不變)，提升了加工廠技術處理的效率(圖23)。

4.3 裝配式施工指導

檐口鋁板系統安裝施工比較復雜，以普通框架式幕墻安裝方法實現難度大，一是空間桁架測量過程中測量點定位難[10]，二是工人安裝過程中安全風險系數高，三是項目工期緊張。為確保項目如期、安全高質量完成，參考我司在重慶來福士、深圳國際會展中心等多個項目中應用裝配式[11]單元的思路，運用BIM技術進行裝配式施工指導(圖24)。

圖23 裝飾柱鋁板下料參數化程序

圖24 運用BIM技術討論裝配式單元劃分

根據模擬的空間環境和吊裝數據，最終確定每4個豎向分格作為1個單元，利用BIM參數化技術處理龍骨的斷開位置及龍骨切割尺寸，提高單元組裝的效率； 與現場測量相結合，確定龍骨在空間桁架的焊接點位，導出定位數，指導現場進行裝配式施工[12](圖25-26)。

圖25 單元化吊裝點位及數據

圖26 現場吊裝

5 項目經驗分享

(1)項目前期與項目部、總包、設計院充分溝通，確認BIM技術應用的目標、內容、思路與方法，做好項目管理[13]，確保工作效率。

(2)由于目前沒有統一的BIM應用技術平臺，在不同平臺文件互轉時，需要統一數據信息標準及轉換文件格式[14]。

(3)項目體量較大，多個BIM平臺應用，需要處理好協同[15]中心集文件，避免出現材質、命名等信息不同的問題。

(4)在下料過程中，一方面要按業主要求執行，另一方面要考慮施工的可行性，確保下料板材符合要求，能夠安裝。

(5)要與加工廠密切配合，檢查加工廠返回的各項加工數據正確。

(6)復雜部位需要測量返點，應與測量師溝通測量返點數據類型，并且配圖標示返點位置，以確保數量的正確。

6 結語

襄陽東站是我司繼深圳國際會展中心項目后，又一個空間異形幕墻項目，此類項目主要存在空間曲面優化、分割、收口和施工組織難等情況，幕墻系統是直面拼接弧面，特別是在采光頂懸挑、鋁板裝飾柱、鋁板檐口等位置，我們在項目中通過BIM參數化技術，無論是在建模優化，還是數據提取的過程中都發揮出非常重要的作用，可以說參數化技術是可以保證項目順利進行的基礎，為我們的工作提供了一個有效的方法。利用參數化技術，省去很多重復性的工作，提高工作效率。在項目中我們還嘗試使用不同BIM平臺之間的協同工作，并且在這種模式下總結了BIM技術應用的優缺點和相應技術流程，努力推動數字化設計建造向前邁進。