BIM參數(shù)化在變曲面魚鱗狀單元體幕墻上的應(yīng)用

張 凱 張昌奇 張洪巖 趙 越

中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟(jì)南 250014

曲面單元體幕墻是當(dāng)今建筑的發(fā)展趨勢，有廣闊的市場前景和效益增長點(diǎn)。BIM參數(shù)化建模也是國家主推的技術(shù)形式，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在幕墻行業(yè)的快速發(fā)展，BIM三維技術(shù)必將引領(lǐng)未來建筑向可視化、一體化、裝配化快速發(fā)展[1-4]。

本文結(jié)合阜陽市大劇院幕墻工程，對BIM參數(shù)化在實(shí)際工程中變曲面魚鱗狀單元體加工、施工的應(yīng)用進(jìn)行全過程闡述和分析，展現(xiàn)了BIM參數(shù)化建模對曲面單元體幕墻的設(shè)計(jì)、加工、施工各環(huán)節(jié)效率提升的效果。

1 工程概況

阜陽市大劇院位于安徽阜陽城南新區(qū)，建筑高度46.50 m，建筑面積56 000 m2，主要幕墻形式為變曲面魚鱗狀單元體（圖1）。設(shè)計(jì)理念源于“莫比烏斯環(huán)”，造型為整體多曲面的環(huán)形結(jié)構(gòu)，從天空俯視，建筑形狀類似于玫瑰。其中變曲面魚鱗狀單元體約2 600塊，單元體的尺寸各不一樣，單塊面積約8 m2，總面積約2萬 m2。

圖1 工程效果圖

2 工程重難點(diǎn)分析

工程各單元板塊豎向呈魚鱗狀翹曲效果，且與地面有漸變的內(nèi)外傾角，曲面呈花瓣形高低漸變，上下相鄰板塊翹曲差值最大為150 mm，所有單元體各組成構(gòu)件無任何相同尺寸。工程造型復(fù)雜，工期有限，工作量大，需在短時(shí)間內(nèi)完成所有單元體各構(gòu)件的提料、加工圖、裝配明細(xì)表等工藝文件，并協(xié)助項(xiàng)目現(xiàn)場在復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)單元體的準(zhǔn)確定位和安裝，加工和施工難度極大。

本工程采用BIM參數(shù)化三維建模，全程可視化，易于溝通、展示，調(diào)整參數(shù)即可快速更新模型，易于糾錯(cuò)、修改。所有加工信息借助參數(shù)化從模型中提取，整理形成全套提料、加工、組框等工藝文件。采用與導(dǎo)出數(shù)據(jù)表配套的通用帶參數(shù)加工圖，輸出圖紙量小，便于生產(chǎn)加工，解決了加工圖參數(shù)多、工作量大、傳統(tǒng)人工放樣出圖錯(cuò)誤率高的問題，有效保證準(zhǔn)確性和工作效率。通過模型導(dǎo)出空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則曲面上單元體的測量定位、掛接，保證安裝定位的準(zhǔn)確性。通過在加工廠完成絕大多數(shù)工序，從而使現(xiàn)場工作量小，施工速度快，能夠減少現(xiàn)場勞動(dòng)力配置、降低成本、縮短工期。

3 BIM參數(shù)化工藝流程

3.1 主體結(jié)構(gòu)復(fù)測與曲面優(yōu)化

采用全站儀、放線機(jī)器人等測量放線工具，對主體結(jié)構(gòu)復(fù)測，得到三維坐標(biāo)值，與主體結(jié)構(gòu)模型理論值作對比，找出偏差值較大數(shù)據(jù)，校核并調(diào)整模型表皮，重生成幕墻曲面。

在設(shè)計(jì)院原始幕墻表皮模型基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑圖和結(jié)構(gòu)圖，深化補(bǔ)充模型中各幕墻面，加入主體土建結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及其他附屬結(jié)構(gòu)，完善模型。

利用BIM軟件Rhino和參數(shù)化插件Grasshopper對幕墻曲面進(jìn)行高斯曲率分析、魚鱗狀翹曲分析。根據(jù)分析結(jié)果將模型單元曲面分類，對不平整順滑的曲面重新擬合生成，達(dá)到順滑的曲面效果，并將所有曲面板塊優(yōu)化為平板，方便后續(xù)建模及加工。

調(diào)整完善好模型后，借助碰撞檢測，找出施工干涉點(diǎn)，結(jié)合施工順序，協(xié)調(diào)、組織項(xiàng)目各參與方進(jìn)行多方會(huì)議，共同提出和解決問題。結(jié)合模型曲面分布和現(xiàn)場施工組織策劃、勞務(wù)安排，合理劃分批次，并在三維模型中按施工順序編號。

3.2 單元體參數(shù)化建模

借助三維建模軟件Rhino、參數(shù)化工具Grasshopper，編制出一整套編程組，實(shí)現(xiàn)基于單元體四邊分格線，批量生成單元體三維實(shí)體，并自動(dòng)按編程組對型材進(jìn)行切角、開孔等操作。配合帶參數(shù)通用加工圖，各加工參數(shù)輸出為Excel表格，整理形成全套加工工藝文件。

3.3 參數(shù)化信息提取與歸集

每批次單元體有多種類型，每種類型各組成構(gòu)件都生成單獨(dú)的參數(shù)表，參數(shù)表數(shù)量多，數(shù)據(jù)龐大，需要整理和歸集。借助Excel辦公軟件及其二次開發(fā)工具、型材套裁軟件等，完成包括參數(shù)表匯總合并、糾錯(cuò)、編號、檢索替換、排序、統(tǒng)一格式、批量輸出等工作，最終生成實(shí)際加工廠及項(xiàng)目部可直接利用的完善工藝文件。

3.4 工廠一體化加工與組裝

按批次進(jìn)行型材、面材、輔材等信息輸出，并交予加工廠。加工廠依據(jù)工序明細(xì)表確定每批需組裝單元體編號及數(shù)量，按提料單、套裁單進(jìn)行材料入庫，采用鋸切設(shè)備進(jìn)行切割、下料，首樣檢驗(yàn)合格方可批量加工。型材下料后，按編號合理存放，車間劃分不同工序班組和場地。采用數(shù)控加工中心機(jī)床編程，由電腦程序控制整個(gè)加工過程，可以一次性、精確無誤地完成鉆、銑、沖壓等操作，依次完成型材加工組框、裝面材、裝輔料、注膠等工序。

單元體完成立柱、橫梁組框后，需先用鋼卷尺等測量對角線尺寸，與組框圖標(biāo)示的對角線對比校核，保證總體尺寸在允許誤差范圍之內(nèi)。質(zhì)檢員在加工和組裝過程中對每道工序都進(jìn)行質(zhì)量檢測，合格后做好單元體擦洗、清除殘膠等清潔工作，貼好標(biāo)識，固定包裝好，運(yùn)輸至項(xiàng)目工地現(xiàn)場。

3.5 型材余量跟蹤統(tǒng)計(jì)

單元體提料、加工、施工過程中，對每一批提料和實(shí)際使用數(shù)量進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，對加工廠和項(xiàng)目現(xiàn)場余料處理過程進(jìn)行跟蹤，嚴(yán)格控制庫存余量。所有材料使用信息都有匯總表可隨時(shí)查詢，可動(dòng)態(tài)掌握材料使用數(shù)量及庫存，便于統(tǒng)籌采購與制定生產(chǎn)計(jì)劃。特別是首批和最后一批提料，在保證型材不缺料的情況下，將材料使用率盡可能提高并減少最終剩余量。

3.6 現(xiàn)場裝配式施工

3.6.1 單元體場區(qū)存放

單元體加工完成后按照規(guī)劃的運(yùn)輸路線按時(shí)、按量運(yùn)輸，在不影響現(xiàn)場施工的前提下進(jìn)場卸貨。卸貨地點(diǎn)將視垂直運(yùn)輸工具的繁忙情況而定。

卸貨方式采用叉車或吊車兩種。卸下后由帶滑輪的周轉(zhuǎn)架將單元體送入幕墻單元體臨時(shí)堆放點(diǎn)妥善放置。裝卸過程中，應(yīng)采用有足夠承載力和剛度的周轉(zhuǎn)架，襯墊彈性墊，保證板塊相互隔開并相對固定，不得相互擠壓和串動(dòng)。

3.6.2 鋼轉(zhuǎn)接件定位

在BIM模型中，將每一處掛件及轉(zhuǎn)接件實(shí)體，借助參數(shù)化按圖紙規(guī)則批量生成，按需求制定編號規(guī)則并編號。

預(yù)先在BIM模型中實(shí)體模擬單元體裝配，提前發(fā)現(xiàn)問題和做好準(zhǔn)備工作，確定項(xiàng)目現(xiàn)場安裝需要的點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)。利用Rhino軟件Grasshopper插件的參數(shù)化，提取每個(gè)轉(zhuǎn)接件兩個(gè)定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)，導(dǎo)出參數(shù)表和編號圖用于現(xiàn)場定位安裝。

3.6.3 劃分塔吊區(qū)域

根據(jù)工期較短，安裝難度大的特點(diǎn)，將單元板塊劃分為必須使用塔吊的板塊（如屋面位置）、必須使用吊車的板塊數(shù)量（塔吊范圍之外）、可選擇塔吊或吊車的板塊。將單元體幕墻分段施工，并根據(jù)塔吊分布位置合理布置施工范圍。

3.6.4 鋼轉(zhuǎn)接件焊接措施

結(jié)合不同施工段，合理選用曲臂車、腳手架、可移動(dòng)式鋼結(jié)構(gòu)掛籠等焊接鋼轉(zhuǎn)接件。先按定位點(diǎn)點(diǎn)焊固定，復(fù)測安裝精度無誤后再滿焊，清理打磨焊接位置，噴面層漆、防銹漆。

3.6.5 單元體吊裝

單元體運(yùn)抵項(xiàng)目現(xiàn)場后，根據(jù)需要進(jìn)行垂直運(yùn)輸安排。高處單元體主要采用塔吊進(jìn)行垂直運(yùn)輸，部分低處單元體采用汽車吊吊裝。

每吊運(yùn)一次，至少應(yīng)有10人參與吊運(yùn)，1人進(jìn)行塔吊操作，3人進(jìn)行地面輔助，4人在屋面處進(jìn)行單元體卸貨及安裝，2人指揮。在指揮員的指揮下，塔吊司機(jī)放下吊鉤，地面輔助人員將吊鉤鉤住吊點(diǎn)，塔吊司機(jī)緩慢收緊吊繩，地面輔助人員穩(wěn)住吊架。隨著吊件上行，地面輔助人員撤離至安全位置。

3.6.6 單元體精準(zhǔn)定位

單元式幕墻單元板塊的三維微調(diào)通過單元體上的連接構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)，利用主體鋼結(jié)構(gòu)上的鋼制轉(zhuǎn)接件與鋁合金角碼進(jìn)行y方向的微調(diào)，利用鋁合金角碼與鋁合金單元掛件進(jìn)行x方向的微調(diào)，鋁合金單元掛件之間進(jìn)行空間z方向上的微調(diào)。

單元板塊就位后，應(yīng)及時(shí)校正。單元板塊校正后，應(yīng)及時(shí)與連接部位固定，并應(yīng)進(jìn)行隱蔽工程驗(yàn)收。單元板塊固定后，方可拆除吊具，并應(yīng)及時(shí)清潔單元板塊的型材槽口。安裝前后應(yīng)對單元體采取適當(dāng)措施加以保護(hù)，防止單元體發(fā)生碰撞、污染、變形等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

BIM參數(shù)化建模在阜陽市大劇院幕墻工程得到充分應(yīng)用，單元體幕墻工程施工工期縮短了3個(gè)月，并大大減少了人力成本，工程施工質(zhì)量優(yōu)良，得到業(yè)主極大認(rèn)可。通過實(shí)際深度應(yīng)用和工程驗(yàn)證，BIM參數(shù)化適用于各種普通和復(fù)雜單元體幕墻工程的施工，特別是在魚鱗狀、翹曲、雙曲面等復(fù)雜的單元體工程中更具優(yōu)勢。

BIM參數(shù)化建模對現(xiàn)代工程有顯著輔助和優(yōu)化作用，能有效實(shí)現(xiàn)單元體幕墻的可視化設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、裝配化施工，有較強(qiáng)的專業(yè)集成性、全面性和廣泛的適應(yīng)性，能顯著提高工程質(zhì)量，降低工程造價(jià)，減少施工周期，對類似項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)及借鑒意義，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。