BIM技術(shù)在異形雙曲面清水混凝土施工應(yīng)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(yè)的發(fā)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(xiàn)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(shù)解決施工放樣定位、材料加工遇到的問題。

1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是建筑設(shè)計信息的重要模式，是一種工程設(shè)計的應(yīng)用方式。通過建筑工程設(shè)計、數(shù)據(jù)化管理的應(yīng)用，構(gòu)建三維模型輔助設(shè)計施工深化。從構(gòu)件的導(dǎo)向方式入手，結(jié)合電腦輔助操作設(shè)計規(guī)范方法，使建筑模型直觀地呈現(xiàn)。BIM技術(shù)能夠幫助建筑企業(yè)進(jìn)行集成化設(shè)計施工管理。從建筑設(shè)計的數(shù)據(jù)分析，到建筑施工的項目結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)信息的融合，構(gòu)建三維模型化的數(shù)據(jù)庫評估。傳統(tǒng)的建筑繪圖制造主要是通過點、線、面進(jìn)行體系化元素分析，而BIM技術(shù)可視化、參數(shù)化設(shè)計操作更加具有塑造性。該技術(shù)通過幾何設(shè)計方式，能夠?qū)⒏黝愋畔?shù)據(jù)建立模型，確定實際設(shè)計施工過程中最優(yōu)的方案，重視多領(lǐng)域可塑性水平的評估分析，加強(qiáng)對技術(shù)數(shù)據(jù)信息化的融合評測，滿足多數(shù)據(jù)可能性的測定優(yōu)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(gòu)件，地上3層、地下1層，分為游泳館、科技館、圖書中心、藝術(shù)培訓(xùn)、兒童活動、動感劇場、綜合服務(wù)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(gòu)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(fù)雜且允許誤差低，該工程拱形通道分雙曲面結(jié)構(gòu)和單曲面構(gòu)件2種，共計8處，其中最大拱形通道為編號T2直徑達(dá)20m，長約48.9m，兩邊分別設(shè)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(gòu)件對模板、鋼筋下料與敷設(shè)要求高的特點，在現(xiàn)場施工前采用BIM可視化軟件對其進(jìn)行驗證，該項目主要采用Rhino、Grasshopper軟件對其模板與鋼筋體系進(jìn)行建模、拆分、編號，確保各種類型構(gòu)件模板、鋼筋現(xiàn)場拼縫準(zhǔn)確及精度滿足要求，由于采用參數(shù)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(xiàn)場根據(jù)模型構(gòu)件導(dǎo)出的編碼圖，有序調(diào)配材料并分配到各個施工班組進(jìn)行搭接拼裝，提高現(xiàn)場人員工作效率。

3.1 異形構(gòu)件模板體系參數(shù)化分割

榮成少年宮特有的異形雙曲面結(jié)構(gòu)，幾乎沒有橫平豎直的結(jié)構(gòu)體，這導(dǎo)致項目結(jié)構(gòu)體施工過程模板加工異常復(fù)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(shè)計方多次協(xié)同溝通，共同探討參數(shù)化設(shè)置規(guī)則，以參數(shù)化模型為基礎(chǔ)建立了跨越專業(yè)、跨越團(tuán)隊、跨越地區(qū)的溝通平臺。設(shè)計方實時對所有深化設(shè)計成果及各部位的施工節(jié)點及轉(zhuǎn)折變化關(guān)系進(jìn)行審查復(fù)核。深化設(shè)計生成指導(dǎo)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(xiàn)。圖紙深化以施工模型為基準(zhǔn)，通過犀牛軟件將施工工藝的做法反應(yīng)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(zhuǎn)化為2D加工圖紙。圖紙導(dǎo)出后根據(jù)模型實物編號，將每個導(dǎo)出的CAD模塊整合、編號[1]。項目施工準(zhǔn)備階段BIM咨詢方、設(shè)計方、施工方3方進(jìn)行長達(dá)4個月的集中辦公深化設(shè)計配合和校對，將拱形通道、球體等結(jié)構(gòu)模型拆解。模板體系現(xiàn)場加工利用Grasshopper軟件將參數(shù)化模型分割、編號、攤平、導(dǎo)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(shù)化設(shè)計分割的模板體系使模板切割利用率達(dá)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(diào)取已經(jīng)切割好的模板，已 “搭積木”的方式根據(jù)相應(yīng)編號進(jìn)行對應(yīng)拼裝。

圖2 拱形通道深化設(shè)計排版圖

圖3 球體深化設(shè)計排版圖

通過前期對模型的深化搭建，使設(shè)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(dǎo)入全自動數(shù)控雕刻機(jī)床，機(jī)床控制主機(jī)識別雕刻路徑信息，每片模板實現(xiàn)自動化精確雕刻，保證尺寸準(zhǔn)確，切口平整，且誤差控制在2mm內(nèi)。雕刻過程工人對逐個片模型進(jìn)行編碼，安裝現(xiàn)場根據(jù)模板編號參照三維模型構(gòu)件的編號情況，有序調(diào)配材料分配到各個施工區(qū)域，施工班組進(jìn)行現(xiàn)場搭接拼裝，有效提高現(xiàn)場人員工作效率，經(jīng)統(tǒng)計該項目利用參數(shù)化模型導(dǎo)出2000余張深化圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

由于大面積清水混凝土施工對澆筑過程模板的穩(wěn)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(tài)，單獨建立了數(shù)字化的定位體系及數(shù)字圓盤定位體系，解決空間形態(tài)的定位問題。確保項目拼縫準(zhǔn)確及精度，該項目創(chuàng)造性采用了雙層優(yōu)質(zhì)模板體系，底層襯板為受力的12mm厚或17mm厚優(yōu)質(zhì)覆膜板，面板為量身定制的6mm厚優(yōu)質(zhì)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(yīng)用，該項目拼縫優(yōu)良率達(dá)到了95%以上。

3.2 數(shù)字化定位放樣

該項目空間跨度最大的是游泳館區(qū)域，整個區(qū)域僅靠6根開花型巨柱支撐，傘形柱形態(tài)各異，雙面曲線的結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的手段難以放樣，因此每根柱體都需要建立一套數(shù)字化定位體系及數(shù)字圓盤定位體系，解決空間形態(tài)的定位問題。傘形柱施工放樣前運用BIM技術(shù)在Rhino軟件自帶插件Grasshopper中對柱體定位點進(jìn)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(xiàn)場將全站儀與Grasshopper插件之間實現(xiàn)雙向通信，將控制點實時投影到地面形成二維軸測網(wǎng)精準(zhǔn)定位，定位過程每個控制點都至少完成2次校核，發(fā)現(xiàn)誤差及時調(diào)整，確保每個定位點做到精準(zhǔn)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(biāo)、尺寸、標(biāo)高等必須精準(zhǔn)。根據(jù)已知標(biāo)高點，利用3D-2D軟件對不同標(biāo)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(jù)其平面圖紙，施工全站儀根據(jù)具體尺寸、節(jié)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(jié)構(gòu)長邊縱向搭設(shè)，間距為沿每根緊貼拱形通道殼體的橫桿搭設(shè)，然后根據(jù)深化圖紙定型的木質(zhì)背楞，沿定位鋼管按加固要求間距，以背楞編號依次對不規(guī)則拱形通道敷設(shè)定型[1]。

圖4 傘形柱構(gòu)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(jìn)行二次剔鑿，對機(jī)電末端的定位要求極高，異型構(gòu)件的空間定位利用傳統(tǒng)二維圖紙很容易造成定位錯誤，該項目采用BIM進(jìn)行精確定位在設(shè)計階段將界面預(yù)留的水暖電洞口、智能化設(shè)備攝像頭、控制盤等考慮在內(nèi)，通過模型預(yù)留洞口進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計表達(dá)，有效避免傳統(tǒng)施工時臨時鑿洞對結(jié)構(gòu)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(gòu)件外觀樣式復(fù)雜，項目幾乎沒有1根標(biāo)準(zhǔn)長度尺寸的鋼筋，國內(nèi)外常規(guī)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(jié)構(gòu)樣式息息相關(guān)，項目前期已經(jīng)通過Rhino軟件搭建結(jié)構(gòu)模型，所以鋼筋模型的建立可以在已經(jīng)搭建的結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行，反過來有利于驗收鋼筋模型是否超出結(jié)構(gòu)輪廓（如圖5）。鋼筋模型搭建完畢后，根據(jù)工程施工進(jìn)展需要對每一個結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的每一根橫向、豎向鋼筋進(jìn)行編號，通過Rhino軟件自帶明細(xì)表功能對鋼筋長度統(tǒng)計，Rhino軟件內(nèi)可以選擇對應(yīng)鋼筋，明細(xì)表內(nèi)即可高亮顯示鋼筋長度，現(xiàn)場加工人員根據(jù)明細(xì)表長度實現(xiàn)對鋼筋切割精確下料。該項目采用Rhino對鋼筋模型搭建統(tǒng)計，使得現(xiàn)場鋼筋敷設(shè)鏈接緊密，縮短施工周期，確保清水混凝土的完成質(zhì)量。根據(jù)估算該項技術(shù)將節(jié)約施工工期40d左右，節(jié)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(wěn)定性要求高的要求，而且為了保證異形雙曲面的表觀形態(tài)滿足設(shè)計要求，該項目創(chuàng)造性采用了雙層優(yōu)質(zhì)模板體系，底層襯板為受力的12mm厚或17mm厚優(yōu)質(zhì)覆膜板，面板為量身定制的6mm厚優(yōu)質(zhì)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(yīng)用該項目拼縫優(yōu)良率達(dá)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(jìn)行二次剔鑿，對機(jī)電末端的定位要求極高，異型構(gòu)件的空間定位利用傳統(tǒng)二維圖紙很容易造成定位錯誤，該項目采用BIM進(jìn)行精確定位，在設(shè)計階段將界面預(yù)留的水暖電洞口、智能化設(shè)備攝像頭、控制盤等考慮在內(nèi)（如圖8），通過模型預(yù)留洞口進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計表達(dá)，有效避免傳統(tǒng)施工時臨時鑿洞對結(jié)構(gòu)造成的影響。

圖7 雙層模板拼接體系

圖8 末端定位

4 結(jié)語

山東榮成市少年宮項目采用BIM技術(shù)輔助施工，經(jīng)過多年的應(yīng)用實踐，建立了一套成熟的技術(shù)應(yīng)用體系，充分發(fā)揮BIM技術(shù)虛擬建造的優(yōu)勢，成功實現(xiàn)了設(shè)計模型施工深化出圖、模板體系、鋼筋體系構(gòu)件編碼和精準(zhǔn)下料、結(jié)合自動化數(shù)控機(jī)床切割物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精細(xì)化應(yīng)用，有效減少異形構(gòu)件施工過程材料浪費。相信隨著BIM技術(shù)的不斷推廣和行業(yè)相關(guān)制度的完善，BIM技術(shù)將被更加廣泛地應(yīng)用到工程項目上，該項目結(jié)合BIM技術(shù)的精細(xì)化施工管理將為行業(yè)內(nèi)同類型項目建設(shè)提供借鑒參考。